Методика оценки экономии топлива при транспортном обслуживании КА за счет использования ТС

Выше рассмотрены основные характеристики транспортного обслуживания КА с использованием ТС. Выигрыш в энергетике за счет использования связки оценивался такой величиной, как характеристическая скорость для обслуживания (импульсом ДР'или суммарным импульсом ДК2), которая является достаточно общей характеристикой, позволяющей установить преимущества применения ТС для разных схем обслуживания и разных технических характеристик системы. В каждом конкретном случае по ДК2 можно рассчитать массу сэкономленного топлива. Для этого воспользуемся формулой Циолковского

где т о, т к — начальная и конечная массы гипотетического КА, решающего аналогичную задачу встречи; ие — эффективная скорость истечения газов двигательной установки гипотетического КА К0, VK — начальная и конечная скорости КА на активном участке полета.

В нашем случае VK -V0 = АУ^;атк —тп — масса ПО, решающего задачу встречи с КА. Тогда т0п + тТ и (6.72) может быть переписано в виде

где тт масса топлива, расходуемого гипотетическим КА для решения аналогичной задачи обслуживания.

Решение (6.73) относительно m т дает для определения массы сэкономленного топлива

Для безразмерного расхода топлива fnTт /тп можно записать:

Зная т х, можно рассчитать предполагаемую экономию топлива для любой массы ПО (т х Т тп).

Зависимости (6.74), (6.75) определяют экономию топлива при одноразовом обслуживании. При многократном использовании связки для встречи с различными КА общую экономию топлива можно рассчитать по выражению

где п — число операций обслуживания; т п/ — масса ПО при /-м обслуживании; A V^j затраты характеристической скорости для реализации встречи с /-м КА.

Если встреча со всеми КА осуществляется при одинаковых значениях т п и AKZ, то (6.76) упрощается:

Результаты расчета экономии топлива при однократном и многократном обслуживании КА для основных из рассмотренных выше вариантов приведены в табл. 6.38—6.45, а в табл. 6.46 — для задачи облета системы КА на круговых орбитах.

Если расстояние между орбитами КА и БО связки больше располагаемой длины троса, обслуживание КА осуществляется с расцеплением связки и последующим переходом ПО на эллиптическую траекторию встречи. В этом случае реализуется встреча с «жестким» контактом (относительная скорость ПО и КА в момент встречи отлична от нулевого значения). Экономия топлива тт и другие характеристики обслуживания (D, VOTH, А К) даны в табл. 6.38—6.41. Значению п = 1 соответствует однократное обслуживание. Расчеты проводились для массы ПО/пп =2000 кг и эффективной скорости истечения газов ие = 3000 м/с.

В табл. 6.38 рассматривается встреча из равновесного стационарного режима движения связки с КА, совершающим полет по круговой орбите радиусом га. При однократной встрече (п = 1) экономия топлива т т для рассмотренных вариантов составляет от 16 до 106 кг, а в случае встречи с 10 КА (п = 10) значение т х находится в пределах от 160 до 1065 кг.

Таблица 6.38. Характеристики обслуживания на круговых орбитах из равновесного режима движения связки и экономия топлива тТ

Характеристика

/а, KM

при г0 = 6 671 км

при/о= 13 200 км

7 004,55

7 338,10

12 936

12 540

Д,км

46,240

89,842

38,277

97,892

Foth,m/c

79,392

152,392

23,954

61,460

AV, м/с

80,228

155,611

23,850

60,790

mT

0,027104

0,053239

0,009817

0,020470

mT, кг

n = 1

54,207

106,478

15,963

40,940

n = 2

108,414

212,958

31,927

81,880

n = 5

271,035

532,391

79,817

204,700

л = 10

542,069

1064,782

159,633

409,401

Данные табл. 6.39 соответствуют «жесткой» встрече ПО с КА, движущимся по эллиптической орбите с фиксированными значениями радиусов перигея гак и апогея гш из равновесного режима движения связки. Рассматриваются различные положения точек встречи на орбите КА, определяемые углом истинной аномалии & в. При перемещении точки встречи от перигея орбиты КА к апогею экономия топлива при одноразовой встрече возрастает от 22 до 260 кг, а при многоразовой (п = 10) — от 219 до 2597 кг. Относительная скорость в момент встречи VOTH при изменении О в от 0 до 180° находится в пределах от 12 до 364 м/с. Минимальная относительная скорость имеет место при встрече в апогее орбиты КА, т.е. тогда, когда экономия топлива максимальна.

Таблица 6.39. Характеристики обслуживания на эллиптической орбите из равновесного режима движения связки и экономия топлива тт для г0 =6671 км, гал = 6804,42 км, гаа 7338,10 км

Характеристика

8В, град.

0

30

60

90

120

150

180

7),км

18,830

23,461

36,202

53,823

71,701

84,955

89,842

Котн, м/с

352,359

359,124

364,220

339,283

250,925

143,551

12,059

AV, м/с

32,705

40,741

62,836

93,357

124,279

147,175

366,294

тт

0,01096

0,01367

0,02117

0,03161

0,04230

0,05028

0,12987

тт, кг

л = 1

21,923

27,346

42,332

63,217

84,593

100,563

259,730

л = 2

43,845

54,692

84,665

126,433

169,186

201,126

519,459

л = 5

109,613

136,730

211,662

316,083

422,964

502,816

1298,65

л = 10

219,226

273,459

423,325

632,165

845,928

1005,63

2597,30

В табл. 6.40, 6.41 приводятся результаты расчетов для «жесткой» встречи ПО и КА из режима колебаний или вращения связки вокруг ЦМ. Данные табл. 6.40 соответствуют встрече ПО с КА, движущимися по круговым орбитам различных радиусов га. Длина троса считается фиксированной. Встреча ПО с КА обеспечивается за счет выбора амплитуды колебаний или угловой скорости связки вокруг ЦМ. При однократной встрече экономия топлива для рассмотренных вариантов составляет от 79 до 240 кг.

Данные табл. 6.41 иллюстрируют зависимость экономии топлива от положения точки встречи ПО и КА на эллиптической орбите КА. При ее перемещении от перигея к апогею m х возрастает. Для одноразовой встречи экономия топлива возрастает от 25 до 242 кг, а при 10-кратном выполнении операции обслуживания m х возрастает от 248 до 2419 кг.

Таблица 6.40. Характеристики обслуживания на круговых орбитах из режима колебания и вращения связки для г0 = 6621 км, D = 59 км

Характеристика

га, км

7 100

7 200

7 350

7 600

8 000

Готн 1 м/с

115,069

140,706

177,989

237,171

324,826

А К, м/с

116,836

143,368

182,298

244,950

339,820

тТ

0,039714

0,048997

0,062649

0,085076

0,119938

ту, кг

п = 1

79,427

97,899

125,298

170,152

239,876

п = 2

158,855

195,799

250,595

340,304

479,752

п = 5

397,136

489,497

626,488

850,760

1199,380

/7 = 10

794,273

978,994

1252,976

1701,519

2398,760

Таблица 6.41. Характеристики обслуживания на эллиптической орбите из режима колебаний и вращения связки для г0 = 6621 км, ггш = 6800 км, гаа 8000 км, D = 50 км

Характеристика

Эв, град.

0

30

60

90

120

150

180

!^отн 5 м/с

341,031

436,760

578,400

624,622

527,824

303,318

35,090

AV, м/с

36,923

56,319

110,060

185,302

262,754

320,916

342,524

тТ

0,01238

0,1895

0,0374

0,0637

0,9153

0,1130

0,1209

т, кг

п = 1

24,767

37,901

74,736

127,430

183,069

225,806

241,896

п = 2

49,535

75,801

149,472

254,859

366,139

451,612

483,792

/7 = 5

123,837

189,50

373,679

637,148

915,347

1129,03

1209,48

/7=10

247,674

379,01

747,359

1274,30

1830,70

2258,06

2418,96

Характеристики обслуживания с «мягким» контактом в момент встречи ПО и КА (при нулевой относительной скорости) для тп =2000кг и ие =3000 м/с представлены в табл. 6.42—6.45. «Мягкая» встреча возможна в тех случаях, когда расстояние между орбитами КА и БО связки не превышает располагаемой длины троса. Как отмечалось выше, «мягкая» встреча на круговых орбитах реализуется с использованием режима колебаний связки с амплитудой, близкой 60°. Экономия топлива при г0а для этого случая при трех значениях радиуса орбиты КА иллюстрируется данными табл. 6.42. Для одноразовой встречи при увеличении радиуса га с 6690 до 6740 км значение т х возрастает с 7 до 26 кг, а для п =10 с 73 до 262 кг.

Таблица 6.42. Экономия топлива тТ при «мягкой» встрече на круговых орбитах при г0 = 6671 кг, тп = 2000 кг

га, км

D, км

ДКХ, м/с

тт

тт, кг, при п

1

2

5

10

6 690

19

10,984

0,003668

7,336

14,627

36,680

73,361

6710

39

22,496

0,007527

15,054

30,107

75,269

150,537

6 740

69

39,666

0,013085

26,170

52,340

130,848

261,697

Таблица 6.43. Экономия топлива тТ при «мягкой» встрече на круговых орбитах при г0 = 6371 кг, тп = 2000 кг

Га, км

D, км

AKS, м/с

тТ

тт, кг, при п

1

2

5

10

7 350

21

10,497

0,003505

7,010

14,021

35,051

70,103

7 330

41

22,536

0,006869

13,738

27,475

68,688

137,376

7 300

71

39,674

0,011962

23,925

47,849

119,623

239,246

Таблица 6.44. Экономия топлива тТ при «мягкой» встрече в перигее орбиты КА при г0 6750 км, r.cln 6760 км, D—10 км

гло. ?> КМ

ДКЕ, м/с

тТ

т, кг, при п

1

2

5

10

6 780

11,355

0,003722

7,584

15,168

37,922

75,844

6 800

17,003

0,005638

11,368

22,735

56,838

113,675

6 825

24,034

0,008044

16,087

32,174

80,435

160,870

6 850

31,033

0,010398

20,796

41,592

103,980

207,960

6 900

44,935

0,015091

30,182

60,384

150,911

301,821

Таблица 6.45. Экономия топлива тт при «мягкой» встрече в апогее орбиты КА при г0 — 6860 км, гаа = 6850 км, D—10 км

Гада КМ

AVT, м/с

гпт

тт, кг, при п

1

2

5

10

6710

45,043

0,015128

30,255

60,510

151,276

302,552

6 760

30,829

0,010329

20,659

41,317

103,293

206,586

6 785

23,773

0,007956

15,912

31,823

79,558

159,116

6810

16,738

0,005595

11,190

22,380

55,949

111,899

6 830

11,140

0,003720

7,440

14,881

37,202

74,405

Приг0 >ra (табл. 6.43) экономия топлива возрастает с уменьшением га. Для одноразового обслуживания с уменьшением ra от 7350 до 7300 км значение m х увеличивается с 7 до 24 кг, а для десятикратной встречи с 70 до 239 кг.

В случае эллиптических орбит КА «мягкая» встреча может быть реализована в перигее и апогее орбиты КА. Экономия топлива при встрече в перигее для нескольких значений радиуса апогея орбиты КА иллюстрируется данными табл. 6.44. Для однократной встречи с увеличением радиуса гаа с 6780 до 6900 км величина m х возрастает с 8 до 30 кг, а для десятикратного повторения операции обслуживания — с 76 до 302 кг. Так как радиус перигея орбиты КА был фиксирован (гая =6760 км), то требуемая длина троса во всех вариантах оказывается одной и той же (D = 10 км). Экономия топлива при «мягкой» встрече в апогее орбиты КА с увеличением радиуса ran при п = 1 уменьшается от 30 до 7 кг, а при п = 10 — от 303 до 74 кг.

Приведенные результаты свидетельствуют о том, что применение связки для решения задачи встречи с КА позволяет во многих случаях получить значительную экономию топлива, которая особенно существенна для реализации встречи при большом удалении орбиты КА от орбиты БО связки. При одноразовом осуществлении обслуживания для рассмотренных вариантов экономия топлива достигает 260 кг, а при 10-кратном обслуживании с КА для рассмотренных вариантов экономия топлива может превышать 2500 кг.

Существенная экономия топлива может быть достигнута за счет применения связки для последовательного облета системы КА,

движущихся по одной круговой орбите радиусомга (табл. 6.46). Последовательный облет нескольких КА, осуществляемый ПО, реализуется вследствие разности угловых скоростей орбитального движения КА системы и БО связки. При этом движение связки происходит в равновесном стационарном режиме, т.е. при ее постоянной ориентации в радиальном направлении. Еслиг0 а, то ПО последовательно нагоняет все КА системы и длина троса равна разности орбит КА и БО (D = га0). Если г0 а, то все КА системы последовательно нагоняют ПО. В этом случае длина троса О=г0а.

Таблица 6.46. Экономия топлива тт для облета системы КА с использованием связки с оценкой по многоимпульсной схеме для га 8000км,гпр = 7800 км

Характеристика

Число КА в системе п

3

4

6

8

10

12

AV, м/с

359,678

539,517

899,196

1258,874

1618,552

1978,230

тт

0,127376

0,197025

0,349497

0,521390

0,715179

0,933651

тг, кг

254,752

394,049

698,994

1042,781

1430,358

1867,302

Для оценки выигрыша в энергетике за счет применения связки для облета системы КА выше рассматривались три схемы активного облета системы КА с использованием двигательной установки. Наименьшие энергетические затраты получены для многоимпульсной схемы облета с использованием промежуточной орбиты радиусом гпр. Поэтому расчет экономии топлива за счет использования связки производился для реализации именно этой схемы облета. Как и ранее, масса ПО принималась равной 2000 кг, а эффективная скорость истечения газов ие =3000 м/с. Полученные значения безразмерного расхода топлива m х позволяют определить экономию топлива для ПО любой массы.

В табл. 6.46 приведены результаты расчета экономии топлива при последовательном облете системы КА, состоящей из п = 3—12 КА, движущихся по орбите радиусом га =8000 км. Даже при облете только трех КА экономия топлива составляет 255 кг, а при облете 12 КА — 1867 кг. Такая экономия топлива свидетельствует о перспективности применения связки для последовательного облета системы КА.

Анализ полученных результатов показывает, что при фиксированной длине троса выполнение операции обслуживания КА из режима колебаний и вращения связки вокруг ЦМ более экономично, чем из равновесного стационарного режима движения связки, когда безразмерная угловая скорость Оор равна нулю. Но при Qop =0 не надо производить закрутку ТС или ее раскачивание. Поэтому в ряде случаев целесообразно увеличить длину троса и отказаться от закрутки связки. Суммарная масса системы может оказаться меньше, чем в случае обслуживания из режима колебания и вращения связки вокруг ЦМ, так как при использовании современных материалов масса троса сравнительно невелика.

При обслуживании из режима колебаний и вращения связки даже при однократном выполнении этой операции потребуется применение многоразовой системы из-за необходимости реализации гравитационной закрутки связки и регулирования длины троса. Ранее отмечалось, что масса такой системы составляет 100— 150 кг. Если принять массу двигательной установки маневрирующего КА вместе с топливными баками также 150—200 кг, тогда представленные в табл. 6.40—6.45 значения т х будут определять «чистый» выигрыш в массе системы обслуживания за счет применения ТС.

В случае выполнения однократной операции обслуживания из равновесного режима движения связки отпадает необходимость закрутки ТС и регулирования длины троса. Поэтому может быть использована одноразовая система развертывания троса (СОУРКТ), масса которой 30—50 кг. С учетом массы троса суммарная масса СОУРКТ будет 85-100 кг, т.е. на 65-100 кг меньше массы многоразовой системы развертывания. Следовательно, «чистый» выигрыш в массе системы обслуживания за счет применения связки определяется как сумма значений т х, представленных в табл. 6.38, 6.39 для п = 1 и разницы в массе многоразовой и одноразовой систем развертывания.

Выигрыш в массе системы обслуживания и системы облета КА за счет применения ТС значителен при больших массах ПО, решающего задачи обслуживания и облета системы КА. Так, в случае однократного обслуживания из равновесного режима движения связки при г0 =6671 км, га 7338 км для массы т п =2000 кг выигрыш в массе системы обслуживания составляет примерно

190 кг, а для тп =5000 кг достигает 475 кг. Для облета системы 6 КА, движущихся по орбите радиусом га =8000 км, экономия в массе системы для ПО массой тп =2000 кг составляет 699 кг, а для ПО массой 5000 кг уже 1745 кг.

Полученные результаты свидетельствуют о весьма высокой эффективности использования связки для транспортного обслуживания космических объектов.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >