Δυναμική δορυφόρου-στρεφόμενου προσαρτήματος με μηχανισμό χωρίς αντιδράσεις και μελέτη οφέλους εξοικονόμησης προωθητικού καυσίμου

Abstract

Η παρούσα Μεταπτυχιακή Εργασία πραγματεύεται τη δυναμική ανάλυση του συστήματος δορυφόρος-στρεφόμενο προσάρτημα. Το σύστημα που φέρει εννέα (9) βαθμούς ελευθερίας αναλύεται αρχικά ως ένα θεωρητικό δυναμικά συζευγμένο σύστημα δυο στερεών σωμάτων. Οι εξισώσεις κίνησης του εξάγονται αναλυτικά με την μέθοδο της διαφορικής σχέσης των Euler-Lagrange και ολοκληρώνονται αριθμητικά στο περιβάλλον του MatLab/Simulink. Τα αποτελέσματα συγκρίνονται με αντίστοιχό μοντέλο που καταστρώνεται στο λογισμικό δυναμικής προσομοίωσης MSC Adams και πραγματοποιούνται οι μεταξύ τους συγκρίσεις.

Ακολούθως, γίνεται το πέρασμα στην τεχνολογική υλοποίηση του θεωρητικού μοντέλου που πλέον παριστά σύστημα δορυφόρου και στρεφομένου προσαρτήματος. Γίνεται παρουσίαση και ανάλυση δυο τέτοιων συστημάτων, όπου το μεν πρώτο αφορά δορυφόρο και προσάρτημα-κεραία με τυπικό μηχανισμό κίνησης, ενώ το δεύτερο φέρει τον αντίστοιχο μηχανισμό που έχει σχεδιαστεί στο Εργαστήριο Αυτομάτου Ελέγχου του ΕΜΠ και δύναται να λειτουργεί χωρίς μεταφορά αντιδράσεων. Για τα δυο συστήματα υπολογίζονται οι δυναμικές τους εξισώσεις, προσομοιώνονται και συγκρίνονται με τα αντίστοιχα μοντέλα του MSC Adams.

Τέλος, το προσάρτημα καλείται να εκτελέσει κάποια κίνησης κατάδειξης στόχου. Προς τούτο, ευρίσκεται η κατάλληλη τροχιά που το οδηγεί στο σωστό προσανατολισμό και εφαρμόζεται αναλογο-διαφορικός έλεγχος με βάση το δυναμικό μοντέλο, τέτοιος ώστε να προσδίδει την απαιτούμενη ροπή κίνησης. Οι αντιδράσεις που αναπτύσσονται κατά την κίνηση αυτή επάγονται στο φέροντα δορυφόρο και τον διαταράσσουν, γι' αυτό μελετώνται τρία είδη εξισορρόπησης του: (i) άμεση εξισορρόπηση με προωθητές, (ii) εξισορρόπηση μετά το πέρας των διαταραχών με προωθητές και (iii) εξισορρόπηση με σφονδύλους αντίδρασης. Η μελέτη εστιάζει στη δυνατότητα χρήσης του μηχανισμού κίνησης χωρίς αντιδράσεις και στην εξοικονόμηση προωθητικού καυσίμου που αυτός θα επέφερε εάν χρησιμοποιείτο έναντι των τυπικών μηχανισμών κίνησης.

This Master Thesis deals with the dynamic analysis of the satellite-rotating appendage system. The system which is described by its nine (9) degrees of freedom is first theoretically analyzed as a multibody dynamic system concerning two rigid bodies attached at a common point. The governing equations are extracted analytically by employing the Euler-Lagrange methodology and are numerically integrated via MatLab / Simulink. The obtained results are then compared to the corresponding model obtained in the dynamic simulation software MSC Adams and comparisons between them are done.

Subsequently, the theoretical model gives place to its technological implementation which is defined as a satellite and a rotating appendage attached to it. Two such systems are considered and analyzed. The first one implements a satellite and a typically driven rotating antenna, while the second carries the corresponding reactionless mechanism which was designed at NTUA's Control Systems Lab. For both systems, their dynamic equations are derived, simulated and compared to the MSC Adams corresponding models.

Finally, the rotating appendage is set to perform a pointing motion. Thus, appropriate trajectory planning is accomplished and a Proportional-Differential model based controller is implemented in order to provide the required joint torques. The reactions which occur during pointing are transmitted to the satellite and its attitude is changed. To tackle this effect three types of satellite stabilization are studied: (i) real time stabilization with thrusters, (ii) stabilization with thrusters upon disturbances end (iii) stabilization with reaction wheels. The study focuses on the possibility of employing this reactionless mechanism and studies the propellant savings that would be obtained in contrast with typical actuators.