مدل سازی دینامیکی و طراحی کنترل وضعیت یک فضاپیما در حضور تلاطم

این مقاله به مدل سازی دینامیک تلاطم سوخت داخل مخزن فضاپیما و تاثیر آن بر کنترل فضاپیما پرداخته است. تلاطم ناشی از حرکت سوخت موجود در مخزن سیستم پیشران فضاپیما بر کنترل و پایداری آن بسیار تاثیرگذار است. این تاثیر که از تداخل نیرویی و گشتاوری تلاطم با سیستم کنترل فضاپیما ناشی می شود، به صورت فیدبکی در سیستم کنترل ظاهر خواهد شد. با توجه به سادگی تحلیل معادلات حرکت یک جرم متمرکز و جسم صلب نسبت به معادلات دینامیک سیال و به دنبال آن کاهش یافتن حجم محاسبات، می توان دینامیک تلاطم سوخت را با یک مدل مکانیکی جایگزین نمود؛ بنابراین در این پژوهش برای بررسی اثر دینامیک تلاطم سوخت مایع بر کنترل و پایداری فضاپیما، تلاطم سوخت به صورت یک سیستم مکانیکی خطی مدل سازی شده است. بدین منظور دو مدل جرم -فنر و پاندول برای مدل سازی دینامیک تلاطم موردبررسی قرار گرفته و پارامترهای هریک نیز برای شبیه سازی مدهای غالب تلاطم محاسبه گردیده است. به ازای هر دو مدل جرم - فنر و پاندول، معادلات دینامیک سیستم خطی سازی شده و سپس با قرار دادن مقادیر پارامترهای فیزیکی هرکدام از سیستم ها و در نظر گرفتن متغیرهای حالت و کنترل، معادلات سیستم به فرم فضای حالت استخراج شده و درنهایت کنترل کننده بهینه خطی بر روی آن اعمال گردید. نتایج پاسخ زمانی متغیرهای حالت در هر دو مدل و همچنین متغیرهای کنترلی نشان از پایداری سیستم و کاهش اثر تلاطم در وضعیت ماهواره دارد.

Keywords:

تلاطم سوخت , فضاپیما , مدل جرم و فنر , مدل پاندول , کنترلر LQR