Földmegfigyelő kisműhold folytonos felvételező manőverének 6 szabadságfokú analitikus és numerikus vizsgálata
Földmegfigyelő kisműhold folytonos felvételező manőverének
6 szabadságfokú analitikus és numerikus vizsgálata
Pölöskei Tamás MSc I. évf.
e-mail: poloskeitamas@gmail.com
Konzulens: Várhegyi Zsolt, Áramlástan Tanszék
e-mail: varhegyi@ara.bme.hu
Kutatásunk során egy 30x10x10 cm-es fényképezőgéppel ellátott CubeSat orientációs dinamikáját vizsgáltuk a fényképek készítése közben. A műhold orientációját a fedélzeten elhelyezett három ortogonális pörgettyű fordulatszámának állításával vezéreltük.
Vizsgálataink során arra a kérdésfelvetésre kívántunk választ adni, hogy a műhold milyen mozgásállapotával képes úgy forgatni a fedélzethez rögzített fényképezőgépet, hogy a készülő felvételek folyamatosan és hézagmentesen lefedjék a műhold alatt elhaladó, 400 km széles, potenciálisan értékes felvételeket adó sávot. A lehetséges mozgásállapotokat a felvételek minősége és a mozgásra fordított teljesítmény figyelembevételével szűrtük.
A szimulációs környezet felépítéséhez levezettük az általános tehetetlenségi mátrixú, 3 pörgettyűvel ellátott műhold mozgásegyenleteit testhez rögzített keretben, az orientáció kvaterniós leírásával. A fényképezőgép által alkotott képek földfelszíni lenyomatának meghatározására szolgáló sugárkövetési algoritmust dolgoztunk ki és implementáltuk.
A műhold valós viselkedésének figyelembevételéhez meghatároztuk a műhold inerciamátrixát egy közel 50 paraméterű geometriai és tömegmodell alapján. A fenti eredményeket tovább általánosítottuk eltérő geometriájú műholdakra (napelem konfiguráció, másodlagos rendszerek tömege), hogy a lehetséges előnyök és hátrányok meghatározhatóak legyenek.
Külön vizsgáltuk elméleti úton a nem szabályos inerciamátrix ellenére állandó szögsebességű mozgásállapotot, mely a pörgettyű-fordulatszámok megválasztásával tetszőleges szögsebességre elérhető. Ennek előnye, hogy a műhold kinematikája a lefedési probléma vizsgálatához egyszerűvé válik, valamint hogy ilyen esetben a pörgettyű-fordulatszámok is állandók, ezért csak üresjárási veszteségek lépnek fel. Levezettük az inerciarendszerben állandó szögsebességű mozgásállapothoz tartozó pörgettyű-fordulatszámok meghatározásához szükséges egyenletet. Meghatároztuk a három pörgettyű üresjárási veszteségteljesítményét minimalizáló megoldásokat, a fordulatszámok különböző fokszámú hatványával jellemezhető veszteségfüggvénye mellett.
Meghatároztuk tetszőleges, de állandó irányú szögsebesség és kezdeti mozgásállapot esetére a műhold szükséges szögsebességének nagyságát, valamint a szükséges képfrissítési frekvenciát a hasznos sáv folyamatos és hézagmentes lefedéséhez.
Fenti eredményeinket szimulációval ellenőriztük a pörgettyűk szögsebességének optimális beállításával és sugárkövetéssel előállított lefedési vizsgálattal egybekötve. A mozgásállapot hatékonyságát a veszteségek mértéke, a képfrissítési idő, a képek átfedése, valamint a lefedetlen területek relatív aránya jellemezte.
A munka a dolgozattal nem zárul le. A jövőben a kidolgozott analitikus eredményeinkre közvetlenül építve folytatjuk az optimális mozgásállapotok keresését, illetve méretezési- ellenőrzési stratégiát dolgozunk ki a pörgettyűk megválasztásához. Eredményeink később valós műholdak tervezéséhez is használhatók.
