ملاقات زمان-بهينه زباله فضايي با بهره گيري از سامانه تدر الكتروديناميك

(Time-Optimal Rendezvous with the Space Debris USING Electrodynamic Tether System (EDT

در اين پژوهش، شبيه سازي و كنترل بهينه سامانه تدر الكتروديناميك به عنوان يك سامانه نيروي محركه ي فضايي جديد و ارزان بررسي شده است. اين سامانه بدون نياز به سوخت با استفاده از برهمكنش جريان الكتريكي درون تدر با ميدان مغناطيسي زمين، شتاب مورد نياز براي انجام مانورهاي مداري را مي تواند تامين كند. به همين دليل تدر الكتروديناميك گزينه ي بسيار مناسبي جهت انجام ماموريت هاي پاكسازي فضا از زباله هاي فضايي است. در اين راستا، ابتدا ديناميك سامانه تدر و ميدان مغناطيسي زمين در نرم افزار سيمولينك متلب شبيه سازي شده و تغييرات عناصر مداري كلاسيك و امكان سنجي انجام مانورهاي مداري مورد بررسي واقع شده است. همچنين به بررسي حركت نسبي و ملاقات به وسيله تدر، دستگاه مختصات مناسب، شرايط مسيله و روش حل پرداخته شده است. نتايج شبيه سازي نشان مي دهد اين سامانه جهت انجام انواع مانورهاي مداري در صفحه و خارج از صفحه با بازه زماني بزرگ در مدارهاي كم ارتفاع زمين قابل استفاده است. مسيله ملاقات دو بعدي با زباله فضايي نيز با استفاده از روش مرتب سازي مستقيم در نرم افزار متلب و توسعه يك برنامه حل كننده متناسب با مسيله موجود و رفع محدوديت هاي آن، حل شده و كنترل بهينه جهت انجام ماموريت ملاقات در زمان كمينه به دست آمده و مسير بهينه مشخص شده است.

In this paper, simulation and time-optimal control of an electro-dynamic tether 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 maneuver. 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. In this manuscript, distinctly, relative motion and rendezvous by means of the EDT, adoption of appropriate coordinate system, problem conditions and also the method of solution are discussed. 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). Eventually, an in-plane rendezvous problem with space debris, is solved by implementation of Direct Collocation method in Matlab by developing a solver program and resolving its limitations with respect to optimal rendezvous problem using electrodynamic tether, and then optimal control in a minimum-time condition, and also optimal trajectory are obtained.