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非线性科学 > 混沌动力学

arXiv:2311.17933v1 (nlin)
[提交于 2023年11月28日 ]

标题: 任意旋转物体的惯性张量演化控制重新定向

标题: Arbitrary Controlled Re-Orientation of a Spinning Body by Evolving its Tensor of Inertia

Authors:Igor Ostanin, Matthias Sperl
摘要: 具有非球形惯性张量的物体表现出各种旋转运动模式,包括混沌运动、稳定的周期性(准周期性)旋转、围绕接近物体第二主轴方向的不稳定旋转,呈现出著名的网球拍(也称为Garriott-Dzhanibekov)效应——一系列看似自发的180度翻转。 如果物体的惯性张量(TOI)随时间变化,这些模式会更加复杂。 最近,改变物体的TOI被讨论作为一种工具,用于执行可控的Garriott-Dzhanibekov翻转和类似的机动。 在本工作中,使用物体的TOI的最佳控制作为手段,以实现相对于其角速度的理想重新定向。 使用球形TOI作为机动的初始和最终点,我们优化机动的参数,以实现并稳定物体主轴相对于自旋角速度的期望方向。 似乎这种程序允许找到任意复杂的旋转体机动轨迹。 特别是,中间轴不稳定性可以用来打破物体主轴和旋转轴的对齐。 这样的机动不需要使用推进剂,可以简单地用于自旋稳定航天器的姿态控制。 该角度机动方法的能力在数值模拟中得到了展示。
摘要: Bodies with the nonspherical tensor of inertia exhibit a variety of rotational motion patterns, including chaotic motion, stable periodic (quasi-periodic) rotation, unstable rotation around the direction close to the body's second principal axis, featuring a well-known tennis-racket (also known as Garriott-Dzhanibekov) effect -- series of seemingly spontaneous 180 degrees flips. These patterns are even more complex if the body's tensor of inertia (TOI) is changing with time. Changing a body's TOI has been discussed recently as a tool to perform controllable Garriott-Dzhanibekov flips and similar maneuvers. In this work, the optimal control of the TOI of the body (spacecraft, or any other device that admits free rotation in three dimensions) is used as a means to perform desirable re-orientations of a body with respect to its angular velocity. Using the spherical TOI as the initial and final point of the maneuver, we optimize the parameters of the maneuver to achieve and stabilize the desired orientation of the body's principal axes with respect to spin angular velocity. It appears that such a procedure allows for finding arbitrarily complex maneuver trajectories of a spinning body. In particular, intermediate axis instability can be used to break the alignment of the body's principal axis and the axis of rotation. Such maneuvers do not require utilization of propellants and could be straightforwardly used for attitude control of a spin-stabilized spacecraft. The capabilities of such a method of angular maneuvering are demonstrated in numerical simulations.
主题: 混沌动力学 (nlin.CD) ; 数学物理 (math-ph)
引用方式: arXiv:2311.17933 [nlin.CD]
  (或者 arXiv:2311.17933v1 [nlin.CD] 对于此版本)
  https://doi.org/10.48550/arXiv.2311.17933
通过 DataCite 发表的 arXiv DOI

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来自: Igor Ostanin A [查看电子邮件]
[v1] 星期二, 2023 年 11 月 28 日 10:51:00 UTC (2,335 KB)
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