The resultant vector and principal moment of light radiation pressure upon an optically convex space structure
Abstract
In this paper we discuss the questions related to determination of light radiation pressure upon a space structures of optically convex shape. The equation for force from light pressure acting upon an space optically convex structure’s surface infinitesimal element is given with assumption that the surface may be shadowed partly. We derive the infinitesimal light radiation force as a series based on representation of absolute value function as a series of Chebyshev polynomials of first kind. We also obtain the tensor equations which describe the shape and the optical properties of a surface independently from its attitude. For these tensor equations we presented the equations for resultant vector and principal moment of light radiation pressure on the space structure. We also provide an example equations for flat two-sided solar sail. These results can be used for the analysis of dynamics of a center of gravity and around center of mass of a space structures, and also for the development of adaptive control systems of satellites which can take solar pressure into account. Refs 41. Figs 1.
Downloads
Download data is not yet available.
References
1. Maxwell J.C. A treatise on electricity and magnetism. Oxford: Clarendon Press, 1873. Vol. 2. 496 p.
2. Lebedew P. Untersuchungen uber die Druckkrafte des Lichtes // Annalen der Physik. 1901. Bd. 311, H. 11. S. 433-458.
3. Лебедев П.Н. Собрание сочинений / ред. и примеч. чл.-кор. АН СССР Т. П. Кравца, проф. Н. А.Капцова, доц. А. А. Елисеева; ст. Т. П. Кравца и Н. А.Капцова. М.: Изд-во АН СССР, 1963. 435 c. (Классики науки).
4. Цандер Ф.А. Об использовании силы давления света для полетов в межпланетном пространстве (на основе рукописей ¾О применении тончайших листов для полетов в межпланетном пространстве¿ 1924 г. и ¾О давлении света на комбинированные зеркала¿ 1925 г.) // Сб. статей / под ред. Л. К.Корнеева. М.: ОБОРОНГИЗ, 1961.
5. McInnes C.R. Solar Sailing: Technology, Dynamics and Mission Applications. Springer Science & Business Media, 2004. 978-3-540-21062-7. ISBN: 978-3-540-21062-7
6. Эльясберг П.Е. Введение в теорию полета искусственных спутников Земли. М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1965. 540 c.
7. Балк М.Б. Элементы динамики космического полета. М.: Наука, 1965. 340 c.
8. Скопцов А.П. Вариационная задача о выходе космического аппарата с солнечным парусом из сферы притяжения Земли // Проблемы механики управляемого движения. Пермь, 1971. С. 216-234.
9. Белецкий В.В. Очерки о движении космических тел. 2-е изд. М.: Наука, 1977. 432 c.
10. Левантовский В.И. Механика космического полета в элементарном изложении. 3-е изд. М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1980. 512 c.
11. Поляхова Е.Н. Космический полет с солнечным парусом. 2-е изд. М.: URSS, 2011. 320 c.
12. Поляхова Е.Н., Коблик В.В. Солнечный парус. Фантастика или реальность космоплавания? М.: URSS, 2016. 220 c.
13. Карымов А.А. Определение сил и моментов сил светового давления, действующих на тело при движении в космическом пространстве // Прикладная математика и механика. 1962. Т. XXVI, № 5. С. 867-876.
14. Раушенбах Б.В., Токарь Е.Н. Введение в теорию полета искусственных спутников Земли. М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1974. 600 c.
15. Попов В.И. Системы ориентации и стабилизации космических аппаратов. 2-е изд. М.: Машиностроение, 1986. 184 c.
16. Комаров М.М., Климович Д.Н., Сазонов В.В. Расчет сил и моментов светового давления, действующих на роторный солнечный парус // Препринт Института прикладной математики им. М. В. Келдыша РАН. 1995. № 59.
17. Лихачев В.Н., Сазонов В.В., Ульяшин А.И. Режим одноосной солнечной ориентации искусственного спутника Земли // Препринт Института прикладной математики им. М. В. Келдыша РАН. 2001. № 15.
18. Лихачев В.Н., Сазонов В.В., Ульяшин А.И. Исследование режима одноосной солнечной ориентации искусственного спутника // Препринт Института прикладной математики им. М. В.Келдыша РАН. 2001. № 65.
19. Лихачев В.Н., Сазонов В.В., Ульяшин А.И. Одноосная солнечная ориентация искусственного спутника Земли // Космические исследования. 2003. Т. 41, № 2. С. 174-185.
20. Лихачев В.Н., Сазонов В.В., Ульяшин А.И. Эволюция орбиты искусственного спутника Земли с солнечным парусом // Космические исследования. 2004. Т. 42, № 1. С. 83-87.
21. Сазонов В.В., Сазонов В.В. Расчет главного вектора и главного момента сил светового давления, действующих на космический аппарат с солнечным парусом // Космические исследования. 2011. Т. 49, № 1. С. 59-67.
22. Сапунков Я.Г., Челноков Ю.Н. Построение оптимальных управлений и траекторий движения центра масс космического аппарата, снабженного солнечным парусом и двигателем малой тяги, с использованием кватернионов и переменных Кустаанхеймо Штифеля // Космические исследования. 2014. Т. 52, № 6. С. 489-499.
23. Черноусько Ф.Л., Акуленко Л.Д., Лещенко Д.Д. Эволюция движений твердого тела относительно центра масс. М.; Ижевск: Ижевский институт компьютерных исследований, 2015. 308 c.
24. Rios-Reyes L., Scheeres D.J. Applications of the generalized model for solar sails // AIAA Guidance, Navigation, and Control Conference and Exhibit. 2004. URL: http://arc.aiaa.org/doi/pdf/ (дата обращения: 18.12.2016). DOI: 10.2514/6.2004-5434
25. Rios-Reyes L., Scheeres D.J. Generalized Model for Solar Sails // Journal of Spacecraft and Rockets. 2005. Vol. 42, N 1. P. 182-185. URL: http://arc.aiaa.org/doi/abs/ (дата обращения: 18.12.2016). DOI: 10.2514/1.9054
26. Rios-Reyes L. Solar Sails: Modeling, Estimation, and Trajectory Control: Ph.D. thesis / University of Michigan. 2006. 148 p.
27. Rios-Reyes L., Scheeres D.J. Solar-Sail Navigation: Estimation of Force, Moments, and Optical Parameters // Journal of Guidance, Control, and Dynamics. 2007. Vol. 30, N 3. P. 660-668. URL: http://arc.aiaa.org/doi/abs/ (дата обращения: 18.12.2016). DOI: 10.2514/1.24340
28. Scheeres D.J. The dynamical evolution of uniformly rotating asteroids subject to YORP // Icarus. 2007. Vol. 188, N 2. P. 430-450. URL: http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0019103506004441 (дата обращения: 18.12.2016).
29. McMahon J.W., Scheeres D.J. New Solar Radiation Pressure Force Model for Navigation // Journal of Guidance, Control, and Dynamics. 2010. Vol. 33, N 5. P. 1418-1428. URL: http://arc.aiaa.org/doi/abs/ (дата обращения: 18.12.2016). DOI: 10.2514/1.48434
30. McMahon J., Scheeres D.J. General Solar Radiation Pressure Model for Global Positioning System Orbit Determination // Journal of Guidance, Control, and Dynamics. 2014. Vol. 37, N 1. P. 325-330. URL: http://arc.aiaa.org/doi/abs/ (дата обращения: 18.12.2016). DOI: 10.2514/1.61113
31. McMahon J.W., Scheeres D.J. Improving Space Object Catalog Maintenance Through Advances in Solar Radiation Pressure Modeling // Journal of Guidance, Control, and Dynamics. 2015. P. 1-16. URL: http://arc.aiaa.org/doi/ (дата обращения: 18.12.2016). DOI: 10.2514/1.G000666
32. Jing H., ShengPing G., JunFeng L. A curved surface solar radiation pressure force model for solar sail deformation // Science China Physics, Mechanics and Astronomy. 2012. Vol. 55, N 1. P. 141-155. URL: http://link.springer.com/ (дата обращения: 18.12.2016). DOI: 10.1007/s11433-011-4575-7
33. Jing H., Shengping G., Junfeng L., Yufei L. The Solar Radiation Pressure Force Models for a General Sail Surface Shape. In Ser. Springer Praxis Books. Advances in Solar Sailing / ed. by M. Macdonald. Berlin; Heidelberg: Springer, 2014. P. 469-488. URL: http://link.springer.com/chapter/ (дата обращения: 18.12.2016). DOI: 10.1007/978-3-642-34907-2_30
34. Неровный Н.А., Зимин В.Н. Об определении силы светового давления на солнечный парус с учетом зависимости оптических характеристик материала паруса от механических напряжений // Вестник МГТУ им. Н. Э. Баумана. Сер. ¾Машиностроение¿. 2014. Т. 96, № 3. С. 61-78.
35. Зимин В.Н., Неровный Н.А. Анализ влияния зависимости коэффициента отражения материала лопасти роторного солнечного паруса от механических напряжений на его деформированную форму // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. 2015. Т. 658, № 1. С. 18-23.
36. Зимин В.Н., Неровный Н.А. К расчету главного вектора и главного момента сил светового давления на солнечный парус // Вестник МГТУ им. Н. Э. Баумана. Сер. ¾Машиностроение¿. 2016. Т. 106, № 1. С. 17-28.
37. Васильев Л. Определение давления света на космические летательные аппараты. М.: Машиностроение, 1985. 208 c.
38. Джуманалиев Н., Киселев М. Введение в прикладную радиационную небесную механику. Фрунзе: Изд-во Илим, 1986. 201 c.
39. Белецкий В., Яншин А. Влияние аэродинамических сил на вращательное движение искусственных спутников. Киев: Наукова Думка, 1984. 187 c.
40. Кампе де Ферье Ж., Кемпбелл Р., Петьо Г., Фогель Т. Функции математической физики. М.: Физматлит, 1963. 102 c.
41. Радаев Ю.Н. Тензорные меры поврежденности и гармонический анализ тонкой структуры поврежденности // Вестник СамГУ. 1998. Т. 8, № 2. С. 79-105.
Downloads
Published
2020-08-20
How to Cite
Nerovny, N. A. . (2020). The resultant vector and principal moment of light radiation pressure upon an optically convex space structure. Vestnik of Saint Petersburg University. Mathematics. Mechanics. Astronomy, 4(1), 146–158. Retrieved from https://math-mech-astr-journal.spbu.ru/article/view/8584
Issue
Section
Astronomy
License
Articles of "Vestnik of Saint Petersburg University. Mathematics. Mechanics. Astronomy" are open access distributed under the terms of the License Agreement with Saint Petersburg State University, which permits to the authors unrestricted distribution and self-archiving free of charge.
