Solid Fuel Orbiter Designe in Optimized Space Transfer

Nosrat Elahi, Mehran; Basohbat Novinzadeh, Ali Reza; Zakeri, Mostafa

Solid Fuel Orbiter Designe in Optimized Space Transfer

Authors

Mehran Nosrat Elahi ¹

Ali Reza Basohbat Novinzadeh ²

Mostafa Zakeri ¹

¹ Space Research Center, Aerospace University Complex, Malek Ashtar University of Technology, Tehran, Iran

² Faculty of Aerospace Engineering, Khajeh Nasir al-Din Tusi University of Technology, Tehran, Iran

Abstract

The design method presented in this paper is for utilizing, fast and easy system designing of orbital transfer block for transferring satellite from park orbit to destination orbit. The main purpose of this paper is system designing liquid propellant orbital transfer block with a new approach for ideal orbital transfer and presenting a simple interfered systematic method for designing aerospace products. Designing orbital transfer block consists of designing all subsystems and integrating all parts of design. Designing all subsystems can be achieved with a meaningful connection between all system and subsystem constraints. In addition to systematic design approach to each of the design sub algorithms, creating subsystem optimization environment according to physical performance of subsystem and also general integration of orbital transfer block system design in an optimized environment have been carried out. Final result of orbital transfer block design for a specific mission is through mass-dimension convergence of equations in integrated design. Design integration according to design matrix and optimizations and convergences of the design is discussed in the paper. According to presented method, which is scientific, functional and extensible to final design of the product, parametric process of results is briefly validated. So in this paper new method is provided for integrating the design in an optimized and collaborative convergence environment maintaining all systemic constraints and limitations to specify specifications of orbital transfer block systems and subsystems.

Keywords

System design

Collaborative design

Integration

Optimized environment

Article Title Persian

طراحی مدارگرد سوخت جامد در انتقال بهینة فضایی

Authors Persian

مهران نصرت الهی ¹

علیرضا نوین‌زاده ²

مصطفی ذاکری ¹

¹ مرکز تحقیقات فضایی، مجتمع دانشگاهی هوافضا، دانشگاه صنعتی مالک اشتر، تهران، ایران

² دانشکدة مهندسی هوافضا، دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی، تهران، ایران

Abstract Persian

هدف از این مقاله، طراحی یک سامانة فضایی با شیوهای جدید به منظور انتقال بین سیارهای از مدار پارک به مدار هذلولی مقصد با کمترین وزن و در حالت غیر ایده آل است. وظیفة بلوک انتقال مداری (مدارگرد) هدایت ماهواره به مدار مقصد است، بدین صورت که ابتدا بلوک در مدار پارک قرار گرفته و سپس با روشن شدن موتور سوخت جامد در مدت زمان مشخصی وارد مدارهذلولی مقصد می‌شود. برای قرار دادن بلوک در مدار انتقال مورد نظر و با توجه به دوعامل کنترلی که شامل کنترل بردار پیشران و تغییرات اندازة پیشران استاز الگوریتم‌های کنترل بهینه برای بهینه‌سازی تابع هدف استفاده می‌شود. از آنجا که مکان اولیه و زمان روشن شدن موتور، زمان و مکان خاموش شدن موتور، زمان سوزش، تاریخچة بردار پیشران و همچنین تاریخچة اندازة پیشران برای انجام مانور مشخص نیست، مجدداً با مسئلهای بهینه در ابتدا و انتها مواجه هستیم. به دلیل اینکه، وزن سوخت در بلوک‌های مداری تأثیر بسیار زیادی در عملکرد و هزینه دارند، بنابراین، در این مقاله، روشی برای ترکیب طراحی موتور سوخت جامد، مکانیک مداری و الگوریتم‌های بهینه‌سازی ارائه می‌شود تا به موجب آن وزن سوخت بهینه شود.این فرایند شامل طراحی موتور، مشخص کردن الزامات طراحی، استفاده از الگوریتم‌های بهینه‌سازی و مشخص کردن قیود طراحی است.

Keywords Persian

کنترل بهینه

موتور سوخت جامد

بلوک انتقال مداری

طراحی سیستمی

[1] Zakeri, M., Upper Stage (Transfer Block) Design, (M.Sc. Thesis), KNTU University, 1389 (In Persian).

[2] Hohmann, W., Die Erreichbarkeit der Himmelskiirper, R.Oldenbourg, Munich, 88 pp, 1925.

[3] Hoelker, R. F. and Silber, R., “The Bi-Elliptical Transfer Between Circular Coplanar Orbits,” Planetary and Space Science, Vol. 7, No. 1, 1959, pp. 164-175.

[4] Tsien, H. S., “Take-off from Satellite Orbit,” Journal of the American Rocket Society, Vol. 23, No. 4, 1953, pp. 233-236.

[5] Lawden, D. F., “Optimal Programming of Rocket Thrust Direction,” Acta Astronautica, Vol. 1, No. 1, 1955, pp.41-56.

[6] Biggs, M. C. B., “The Optimization of Spacecraft Orbital Manoeuvres, Part II: Using Pontryagin’s Maximum Principle,” The Hattfield Polytechnic, Numerical Optimization Centre, Hertfordshire, UK, 1979.

[7] Ceballos, D. C. and Rios-Neto, A., “Linear Programming and Suboptimal Solutions of Dynamical Systems Control Problems,” Procceding of the International Symposium on Spacecraft Flight Dynamics, Darmstadt, Federal Republic of Germany, 1981, pp. 239-244.

[8] Rios-Neto, A. and Bambace, L. A. W., “Optimal Linear Estimation and Suboptimal Numerical Solutions of Dynamical Systems Control Problems,” Proceding of the International Symposium on Spacecraft Flight Dynamics, Darmstadt, Fedral Republic of Germany, 1981, pp. 233-238.

[9] Lara, M. R., “ATK Space Propulsion Products Catalog,” Approved for Public Release OSR No. 08-S-0259 and OSR No. 08-S-1556, Dated 2008.

[10] Curtis, H., Orbital Mechanics for Engineering Students, Elsevier Ltd. Burlington, 2007.

[11] Kirk, D., Optimal Control Theory: An Introduction, Prentice-Hall, Englewood Cliffs, NJ, 1970.

[12] Ocampo, C., “Finite Burn Maneuver Modeling for a Generalized Spacecraft Trajectory Designand Optimization System,” Annals of the New York Academy of Sciences, Vol. 1017, Issue 1, 2004, pp. 210-233.

[13] Ocampo, C., “An Architecture for a Generalized Trajectory Design and Optimization System,” Proceedings of the International Conference on Libration Points and Missions, June 2002. Girona, Spain.

[14] McGill, R. and Kenneth, P. “A Convergence Theorem on the Iterative Solution of Nonlinear Two-Point Boundry-Value System,” Reprint of Paper Presented at the XIV International Astronatical Congress, Paris,France, 1963.

[15] McGill, R. and Kenneth, P. “Solution of Variational Problems by Means of a Generalized Newton-Raphson Operator,” AIAA Journal, Vol. 2, No. 10, 1964, pp. 1761-1766.

[16] Sutton, G. P. and Biblarz, O., Rocket Propulsion Elements, 7th Edition, John Wiley & Sons, 2001.