عنوان پایان‌نامه
طراحی مسیر بهینه برای ملاقات ماهواره ی زباله روب و زباله فضایی با استفاده از سامانه تدر الکترودینامیک
- رشته تحصیلی
- مهندسی هوا فضا -مهندسی فضایی
- مقطع تحصیلی
- کارشناسی ارشد
- محل دفاع
- کتابخانه دانشکده علوم و فنون نوین شماره ثبت: 176;کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 66979
- تاریخ دفاع
- ۰۶ بهمن ۱۳۹۳
- دانشجو
- حمید گازرپور
- استاد راهنما
- محمد علی امیری آتشگاه
- چکیده
- در این پژوهش، شبیه سازی و کنترل بهینه سامانه تدر (کمند) الکترودینامیک به عنوان یک سامانه نیروی محرکه ی فضایی جدید و ارزان بررسی شده است. این سامانه بدون نیاز به سوخت با استفاده از برهمکنش جریان الکتریکی درون تدر با میدان مغناطیسی زمین، شتاب مورد نیاز برای انجام مانورهای مداری را می تواند تامین کند. به همین دلیل تدر الکترودینامیک گزینه ی بسیار مناسبی جهت انجام ماموریتهای پاکسازی فضا از زباله های فضایی است. در این راستا، ابتدا دینامیک سامانه تدر و میدان مغناطیسی زمین در محیط سیمولینک متلب شبیه سازی شده و تغییرات عناصر مداری کلاسیک و امکان سنجی انجام مانورهای مداری مورد بررسی واقع شده است. نتایج شبیه سازی نشان می دهد این سامانه جهت انجام انواع مانورهای مداری در صفحه و خارج از صفحه با بازه زمانی بزرگ در مدارهای کم ارتفاع زمین قابل استفاده است. همچنین در تحقیق حاضر به مطالعه انواع مسائل کنترل بهینه، به ویژه مسائل زمان بهینه، و روشهای حل مستقیم این مسائل پرداخته و پس از بررسی و ارزیابی حل کننده های موجود، با اعمال تغییرات قابل توجه در حل کننده ی ICLOCS (نرم افزار کنترل بهینه ایمپریال کالج لندن) برنامه بهینه سازی لازم جهت حل مسئله ی تحقیق، در محیط متلب توسعه داده شده است. در مرحله بعد معادلات حرکت نسبی و ملاقات به وسیله تدر، دستگاه مختصات نسبی مناسب، شرایط مسئله و روش حل بررسی شده است. با استفاده از برنامه بهینه سازی توسعه داده شده، مسئله ملاقات هم صفحه و غیرهم صفحه با زباله فضایی با استفاده از تدر حل شده و کنترل بهینه جهت انجام ماموریت ملاقات در زمان کمینه به دست آمده و مسیر بهینه مشخص شده است. در پایان جهت اعتبارسنجی، نتایج بدست آمده با نتایج حل مسئله ملاقات غیرضربه¬ای با استفاده از تراستر در شرایط یکسان مقایسه شده است. واژه‌های کلیدی: زباله فضایی، تدر الکترودینامیک، ملاقات مداری، مانورهای بهینه مداری، حل زمان بهینه.
- Abstract
- In this research, simulation and time-optimal control of an electrodynamic tether (EDT) system as a new and inexpensive form of space propulsion system are investigated. The EDT, can provide desired acceleration by interaction between a current in the tether wire and earth’s magnetic field, without any fuel consumption, for any orbital maneuvering. For this reason, it is an appropriate choice for space debris mitigation missions. In this work, firstly, dynamics of the EDT, together with the earth’s magnetic field are simulated. Secondly, exploiting the developed simulation tool-set, variations of classical orbital elements are observed and then feasibility studies of non-impulsive orbital maneuvers are conducted. Simulation results demonstrate that the EDT can perform a wide range of in-plane and out-of-plane orbital maneuvers in low-earth-orbits (LEO). Subsequently, optimal control problems, especially time-optimal control problem and direct numerical solution methods are described. After evaluating a number of available solvers, an in-house package is developed by exploitation of ICLOCS (Imperial College London Optimal Control Software). Concisely, in this manuscript, relative motion and rendezvous by means of the EDT, adoption of appropriate coordinate system, problem conditions and also the methods of solution are discussed. Then in-plane and out-of-plane rendezvous problems with space debris are solved by our developed tool-set. Eventually, for validation of the results, time-optimal control and also the related trajectory are compared with a non-impulsive rendezvous case under the same conditions. Key words: Space Debris, Electrodynamic Tether System, Space Rendezvous, Orbital Simulation, Time Optimal Solution
