ПРОБЛЕМЫ НУТАЦИИ КА С УПРУГИМИ ШТЫРЕВЫМИ АНТЕННАМИ

© Л.В.Докучаев, О.П.Клишев
© Государственный музей истории космонавтики им. К.Э. Циолковского, г. Калуга
Секция "К.Э. Циолковский и механика космического полета"
2009 г.

Никто не предполагал, что фантастические идеи К.Э. Циолковского о «ракетных поездах» будут воплощены в жизнь уже во второй половине двадцатого века в виде ракет-носителей, а прообразом его мечты о построении космического города явятся орбитальные станции. Но естественно, он не мог предвидеть всех трудностей, возникающих в процессе космического полета. Проблема динамической неустойчивости гироскопически стабилизированного КА возникла уже на первом американском спутнике «Эксплорер-1», снабженным четырьмя гибкими штыревыми антеннами. Упругие колебания антенн и возникающее в результате этого рассеяние энергии вызвало переход вращения спутника в режим кувыркания за время, меньшее одного периода обращения по орбите. Неустойчивость спутника «Эксплорер-1» оказалась неожиданной, так как спутник считался абсолютно жестким телом. Такая же картина наблюдалась и на советском спутнике «Космос-142». Исследованиями американских и отечественных ученых была разработана теория нелинейной динамики КА с упругими элементами, позволяющая правильно выбирать конструктивные параметры объекта. Однако, спустя 30 лет, при проведении международного эксперимента «Интербол» такая же неустойчивость проявилась на «авроральном» зонде, в конструкции которого использовались штыревые антенны. Ниже обсуждаются возможные причины и методы устранения неустойчивости нутационных колебаний вращающегося спутника.

В отличие от абсолютно жесткого тела, устойчивость вращения которого подчиняется правилу «большой оси», вращение тела с упругими штангами относительно оси наибольшего момента инерции не всегда будет устойчивым. Необходимо, чтобы момент инерции относительно продольной оси превышал момент инерции относительно поперечной оси на некоторую величину, определяемую упругими свойствами стержней.

Анализ неустойчивости вращения спутников с упругими антеннами, показал, что снижение величины жесткости антенн, увеличение их длины и увеличение скорости закрутки сужает область устойчивости. Если антенны расположены перпендикулярно к оси вращения КА, то при некотором превышении продольного момента инерции над поперечным скорость закрутки может быть неограниченной. Если же антенны расположены по оси закрутки, то всегда накладывается ограничение сверху на скорость быстрого вращения

Работа выполнена при поддержке РФФИ , грант № 09-08-00207