Моделирование движения спутника типа CubeSat с надувным тормозным устройством. Часть 1. Определение аэродинамических характеристик и параметров траектории

Выполнен анализ нагружения надувной сферической оболочки тормозного устройства микроспутника CubeSat 1U при спуске с рабочей орбиты высотой 500 км. Разработан итерационный подход, объединяющий взаимосвязанные процессы численного моделирования обтекания и определения параметров траектории спуска надувного тормозного устройства. С помощью разработанного подхода исследовано состояние оболочки при обтекании свободномолекулярным потоком газа, определены поля давлений и плотности теплового потока на поверхности оболочки в среде OpenFoam, зависимости аэродинамических коэффициентов от высоты и скорости полета. Для проверки достоверности результатов, полученных при моделировании в программе OpenFoam, выполнено дополнительное исследование в среде Ansys Fluent. Сравнительный анализ продемонстрировал хорошую сходимость результатов двух независимых вычислительных методов, что подтверждает корректность проведенных расчетов. Эти данные использованы при построении математической модели движения связки микроспутник — надувное тормозное устройство в среде Comsol MultiPhysics. Получен профиль траектории на участке спуска связки с рабочей высоты 500 км до верхней границы атмосферы Земли 100 км. Результаты исследования могут быть использованы для дальнейшего анализа напряженно-деформированного и температурного состояний этой связки.
EDN: UHUJOL, https://elibrary/uhujol

Литература

[1] Number of active satellites from 1957 to 2022. statista.com: веб-сайт. URL: https://www.statista.com/statistics/897719/number-of-active-satellites-by-year (дата обращения: 20.01.2025).

[2] ESA’s annual space environment report. URL: https://www.sdo.esoc.esa.int/environment_report/Space_Environment_Report_latest.pdf (дата обращения: 20.01.2025).

[3] Space safety. Clearspace-1. esa.int: веб-сайт. URL: https://www.esa.int/Space_Safety/ClearSpace-1 (дата обращения: 20.01.2025).

[4] Andrenucci M., Pergola P., Ruggiero A. Active removal of space debris. Expanding foam application for active debris removal. URL: https://www.esa.int/gsp/act/doc/ari/ari%20study%20report/act-rpt-mad-ari-10-6411-pisa-active_removal_of_space_debris-foam.pdf (дата обращения: 20.01.2025).

[5] Shuangyan S., Xing J., Hao C. Cleaning space debris with a space-based laser system. Chin. J. Aeronaut., 2014, vol. 27, no. 4, pp. 805–811, doi: https://doi.org/10.1016/j.cja.2014.05.002

[6] Юдин А.Д. Разработка способа увода наноспутников CubeSat c низких околоземных орбит. Дисс. … канд. тех. наук. Москва, МАИ, 2021. 139 c.

[7] Абрамова Е.Н. Методика выбора параметров надувного тормозного устройства малого космического аппарата. Дисс. … канд. тех. наук. Москва, МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2023. 125 c.

[8] Голубев А.Г., Калугин В.Т., Луценко А.Ю. и др. Аэродинамика ракет. Москва, Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2023. 336 с.

[9] Bird G.A. Molecular gas dynamics and the direct simulation of gas flows. Clarendon Press, 1994. 458 p.

[10] DuPont™ Kapton® HN. URL: https://www.dupont.com/content/dam/electronics/am–er/us/en/electronics/public/documents/en/EI-10206-Kapton-HN-Data-Sheet.pdf (дата обращения: 20.01.2025).

[11] White C., Borg M.K., Scanlon T.J. et al. DsmcFoam+. An OpenFOAM based direct simulation Monte Carlo solver. Comput. Phys. Commun., 2017, vol. 224, pp. 22–43, doi: https://doi.org/10.1016/j.cpc.2017.09.030

[12] ГОСТ 4401–81. Атмосфера стандартная. Параметры. Москва, Изд-во стандартов, 2004. 165 с.

[13] Palharini R.C. Atmospheric reentry modelling using an open-source DSMC code. PhD thesis. University Of Strathclyde, 2014. 205 p.

[14] Allen C.W. Astrophysical quantities. Athlone Press, 1973. 320 p.

[15] Лазарев Ю.Н. Управление траекториями аэрокосмических аппаратов. Самара, СамНЦ РАН, 2007. 274 с.