علوم و فناوری فضایی

علوم و فناوری فضایی

کنترل فضاپیمای بازگشت به جو با مکانیزم جرم های انتقالی صلیبی و شعاعی

نوع مقاله : مقالة‌ پژوهشی‌

نویسندگان
1 کارشناسی ارشد، گروه دینامیک و کنترل پرواز، دانشکده مهندسی هوافضا، دانشگاه صنعتی خواجه نصرالدین طوسی، تهران، ایران
2 استادیار، دانشکده مهندسی هوافضا، دانشگاه صنعتی خواجه نصرالدین طوسی، تهران، ایران
چکیده
در این پژوهش به طراحی کنترل برای یک فضاپیمای بازگشتی یا  کپسول فضایی در فاز بازگشت به جو از یک پرواز زیرمداری بر مبنای مکانیزم جرم‌های انتقالی داخلی پرداخته می‌شود. فاز بازگشت به جو فضاپیما یکی از مهم‌ترین مراحل انجام ماموریت یک فضاپیما است، زیرا با ورود فضاپیما به جو زمین نیروها و ممان‌های آیرودینامیکی باعث اغتشاش زوایای حمله و سرش‌جانبی خواهند‌ شد. این زوایای اغتشاشی در صورتی‌که کنترل نشود ممکن است باعث صدمات جدی به فضاپیما و سرنشین‌های آن ‌شود. علاوه بر این، مسیر پروازی فضاپیما و محل فرود نیز متاثر از این اغتشاشات خواهد بود. برای دفع این اغتشاش‌ها از جرم‌های انتقالی  ‌به‌عنوان عملگر استفاده شده ‌است. جرم‌های انتقالی با ایجاد تغییرات جزئی در مرکز جرم وسیله پرنده این امکان را فرآهم می‌کند تا نیروهای آیرودینامیکی مزاحم را به نیروهای کنترلی موثر تبدیل کرد. مزیت اصلی جرم‌های انتقالی نسبت به عملگرهای دیگر نظیر سطوح آیرودینامیکی و تراست جت‌ها، عدم تولید نیروی آیرودینامیکی و پیشرانشی اضافی و محافظت از عملگرها در برابر گرمایش آیرودینامیکی ورود به جو می باشد. نوع چیدمان جرم‌های انتقالی نیز یک فاکتور مهم محسوب می‌شود که باید مورد تحلیل و بررسی قرار گیرد. در این پژوهش علاوه بر مکانیزم صلیبی که مکانیزم مرسوم‌تری است، مکانیزم شعاعی نیز بررسی و تحلیل شده ‌است. مکانیزم شعاعی مزیت‌های بیشتری نسبت به مکانیزم صلیبی داشته و توانایی حمل بار را افزایش می‌دهد. در شرایط یکسان می‌توانیم جرم عملگرها را در مکانیزم شعاعی به نصف برسانیم. برای استفاده از مکانیزم شعاعی به‌دلیل روابط غیرخطی حاکم بر آن ناگزیر به استفاده از یک کنترل‌کننده غیرخطی هستیم. در این مقاله کنترل‌کننده تناسبی-انتگرالی-مشتقی غیرخطی ‌به‌عنوان یک کنترل‌کننده جدید استفاده‌ شده و کارایی بالایی را از خود نشان داده ‌است.
کلیدواژه‌ها
موضوعات

[1] A. Fedele, S. Carannante, M. Grassi, and R. Savino, "Aerodynamic control system for a deployable re-entry capsule," Acta Astronautica, vol. 181, pp. 707-716, 2021, https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2020.05.049.
[2] A. Mohammadi and M. Tayefi, "Moving mass control system in conjunction with brain emotional learning-based intelligent control for rate regulation of suborbital reentry payloads," Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part I: Journal of Systems and Control Engineering, vol. 226, no. 9, pp. 1183-1192, 2012, https://doi.org/10.1177/0959651812453391.
[3] J. Li, C. Gao, C. Li, and W. Jing, "A survey on moving mass control technology," Aerospace Science and Technology, vol. 82, pp. 594-606, 2018, https://doi.org/10.1016/j.ast.2018.09.033.
[4] S. A. Erturk and A. Dogan, "Trim analysis of a moving-mass actuated airplane in steady turn," in 51st AIAA Aerospace Sciences Meeting including the New Horizons Forum and Aerospace Exposition, 2013, Art. no. 0622, https://doi.org/10.2514/6.2013-622.
[5]   S. Darvishpoor, J. Roshanian, and M. Tayefi, "A novel concept of vtol bi-rotor uav based on moving mass control," Aerospace Science and Technology, vol. 107, 2020, Art. no. 106238, https://doi.org/10.1016/j.ast.2020.106238.
[6] R. D. Robinett III, B. R. Sturgis, and S. A. Kerr, "Moving mass trim control for aerospace vehicles," Journal of Guidance, Control, and Dynamics, vol. 19, no. 5, pp. 1064-1070, 1996, https://doi.org/10.2514/3.21746.
[7] T. Petsopoulos, F. J. Regan, and J. Barlow, "Moving-mass roll control system for fixed-trim re-entry vehicle," Journal of Spacecraft and Rockets, vol. 33, no. 1, pp. 54-60, 1996, https://doi.org/10.2514/3.55707.
[8] T. Haus, M. Orsag, and S. Bogdan, "design considerations for a large quadrotor with moving mass control," in 2016 International Conference on Unmanned Aircraft Systems (ICUAS), Arlington, VA, USA, 2016, pp. 1327-1334, https;//doi.org/10.1109/ICUAS.2016.7502680.
[9] J. Wang, L. Liu, P. Wang, and G. Tang, "Guidance and control system design for hypersonic vehicles in dive phase," Aerospace Science and Technology, vol. 53, pp. 47-60, 2016, https://doi.org/10.1016/j.ast.2016.03.010.
[10] M. Ghanifar, M. Kamzan, and M. Tayefi, "Adjust PID controller parameters with adaptive and non-adaptive intelligent algorithms; simulation and comparison in quadrotor," Journal of Technology in Aerospace Engineering, vol. 7, no. 4, pp. 23-33, 2024, https://doi.org/10.30699/jtae.2023.7.4.3.
[11] A. A. Najm and I. K. Ibraheem, "Nonlinear PID controller design for a 6-DOF UAV quadrotor system," Engineering Science and Technology, an International Journal, vol. 22, no. 4, pp. 1087-1097, 2019, https://doi.org/10.1016/j.jestch.2019.02.005.
دوره 17، شماره 3
1403
صفحه 15-27

  • تاریخ دریافت 08 بهمن 1402
  • تاریخ بازنگری 13 اسفند 1402
  • تاریخ پذیرش 19 اسفند 1402
  • تاریخ اولین انتشار 21 فروردین 1403