LØSNINGSFORSLAG TIL EKSAMEN STE 6251 Styring av romfartøy

Like dokumenter
LØSNINGSFORSLAG TIL EKSAMEN STE 6251 Styring av romfartøy

EKSAMEN Styring av romfartøy Fagkode: STE 6122

LØSNINGSFORSLAG TIL EKSAMEN STE 6251 Styring av romfartøy. Kontinuasjonseksamen

LØSNINGSFORSLAG TIL EKSAMEN STE 6251 Styring av romfartøy

KONTINUASJONSEKSAMEN STE 6159 Styring av romfartøy

EKSAMEN STE 6159 Styring av romfartøy

LØSNINGSFORSLAG TIL EKSAMEN STE 6251 Styring av romfartøy

LØSNING TIL KONTINUASJONSEKSAMEN STE 6251 Styring av romfartøy

Avdeling for teknologi Sivilingeniørstudiet RT. Løsningsforslag til eksamen i STE6122 Styring av romfartøy Fredag

KONTINUASJONSEKSAMEN Tirsdag STE 6159 Styring av romfartøy Løsningsforslag

,QQOHGQLQJ 3-1/ )DJ 67( 6W\ULQJ DY URPIDUW \ / VQLQJVIRUVODJ WLO YLQJ

,QQOHGQLQJ 3-1/ )DJ 67( 6W\ULQJ DY URPIDUW \ / VQLQJVIRUVODJ WLO YLQJ

KORT INTRODUKSJON TIL TENSORER

EKSAMENSOPPGAVE. Oppgavesettet er på 5 sider inklusiv forside Kontaktperson under eksamen: Stian Normann Anfinsen Telefon:

UNIVERSITETET I OSLO

Eksamen, høsten 13 i Matematikk 3 Løsningsforslag

EKSAMENSOPPGAVE. Dato: Fredag 01. mars Tid: Kl 09:00 13:00. Administrasjonsbygget B154

dg = ( g P0 u)ds = ( ) = 0

UNIVERSITETET I OSLO

EKSAMENSOPPGAVE Njål Gulbrandsen / Ole Meyer /

Keplers lover. Statikk og likevekt

STE 6219 Digital signalbehandling Løsning til kontinuasjonseksamen

Øving 3. Oppgave 1 (oppvarming med noen enkle oppgaver fra tidligere midtsemesterprøver)

Løsningsforslag til øving 4: Coulombs lov. Elektrisk felt. Magnetfelt.

Punktladningen Q ligger i punktet (3, 0) [mm] og punktladningen Q ligger i punktet ( 3, 0) [mm].

UNIVERSITETET I OSLO

Krefter, Newtons lover, dreiemoment

UNIVERSITETET I OSLO

TMA4105 Matematikk 2 vår 2013

UNIVERSITETET I OSLO

UNIVERSITETET I OSLO

EKSAMENSOPPGAVE I FYS-1001

Emne 10 Litt mer om matriser, noen anvendelser

Norges Informasjonstekonlogiske Høgskole

UNIVERSITETET I OSLO

UNIVERSITETET I OSLO

Kinematikk i to og tre dimensjoner

UNIVERSITETET I OSLO

STE 6219 Digital signalbehandling Løsningsforslag

a 2 x 2 dy dx = e r r dr dθ =

EKSAMEN STE 6219 Digital signalbehandling

LØSNINGSFORSLAG TIL EKSAMEN STE 6219 Digital signalbehandling

Løsningsforslag til øving 4

Fiktive krefter. Gravitasjon og ekvivalensprinsippet

UNIVERSITETET I OSLO

Kinematikk i to og tre dimensjoner

Løsningsforslag Eksamen i Fys-mek1110/Fys-mef1110 høsten 2007

EKSAMEN FY1003 ELEKTRISITET OG MAGNETISME Mandag 4. desember 2006 kl

HØGSKOLEN I BERGEN Avdeling for Ingeniørutdanning

Norges Informasjonstekonlogiske Høgskole

Flervalgsoppgaver. Gruppeøving 8 Elektrisitet og magnetisme. 1. SI-enheten til magnetisk flukstetthet er tesla, som er ekvivalent med A. E.

Fiktive krefter. Gravitasjon og planetenes bevegelser

UNIVERSITETET I OSLO

UNIVERSITETET I OSLO

UNIVERSITETET I OSLO

KONTINUASJONSEKSAMEN TFY4155 ELEKTROMAGNETISME Fredag 11. august 2006 kl

FYS-MEK 1110 Løsningsforslag Eksamen Vår 2014

UNIVERSITETET I OSLO

R2 - kapittel 5 EF og 6 ABCD

MA1102 Grunnkurs i analyse II Vår 2019

UNIVERSITETET I OSLO

Løsningsforslag til eksamen i SIF4072 KLASSISK FELTTEORI Onsdag 28. mai 2003

FYS2140 Kvantefysikk, Løsningsforslag for Oblig 1

Eksamensoppgave i MA1103 Flerdimensjonal analyse

TFY4106 Fysikk. Institutt for fysikk, NTNU. Test 5.

FAG: Fysikk FYS122 LÆRER: Fysikk : Per Henrik Hogstad (fellesdel) Tore Vehus (linjedel)

Løsningsforslag til ukeoppgave 4

EKSAMEN I TMA4110 MATEMATIKK 3 Bokmål Fredag 4. desember 2009 løsningsforslag

(s + 1) s(s 2 +2s+2) : 1 2 s s + 2 = 1 2. s 2 + 2s cos(t π) e (t π) sin(t π) e (t π)) u(t π)

Oppgaver og fasit til seksjon

UNIVERSITETET I OSLO

Newtons lover i én dimensjon

Som vanlig er enkelte oppgaver kopiert fra tidligere års løsningsforslag. Derfor kan notasjon, språk og stil variere noe fra oppgave til oppgave.

Newtons lover i én dimensjon

Regneoppgaver i GEOF110 Innføring i atmosfærens og havets dynamikk

y = x y, y 2 x 2 = c,

UNIVERSITETET I OSLO

UNIVERSITETET I OSLO

Løsningsforslag Eksamen i Fys-mek1110 våren 2010

Newtons lover i én dimensjon

Løsning IM

Arbeidsoppgaver i vektorregning

Impuls, bevegelsesmengde, energi. Bevaringslover.

LØSNINGSFORSLAG. Til prøveeksamen i FY-ME Mekanikk våren 2002

SG: Spinn og fiktive krefter. Oppgaver

KONTINUASJONSEKSAMEN I EMNE TFY 4102 FYSIKK

Løsningsforslag til øving 3

Eksamensoppgave i MA0002 Brukerkurs i matematikk B - LØSNING

FAG: Fysikk FYS118 LÆRER: Fysikk : Per Henrik Hogstad (fellesdel) Kjetil Hals (linjedel)

Randkurva C til flata S orienteres positivt sett ovenfra, og kan parametriseres ved: r (t) = [ sin t, cos t, sin t] dt, 0 t 2π.

=cos. =cos 6 + i sin 5π 6 = =cos 2 + i sin 3π 2 = i.

Løsningsforslag. Eksamen i Fys-mek1110 våren 2011

Eksamen R2, Høst 2012

FYSMEK1110 Eksamensverksted 31. Mai 2017 (basert på eksamen 2004, 2013, 2014, 2015,)

FYSIKK-OLYMPIADEN

Løsningsforslag Eksamen i Fys-mek1110 våren 2009

Eksamen i MIK130, Systemidentifikasjon

UNIVERSITETET I OSLO

OPPGAVESETT MAT111-H17 UKE 47. Oppgaver til seminaret 24/11

Løsningsforslag MAT102 Vår 2018

Transkript:

HØGSKOLEN I NARVIK Institutt for data-, elektro-, og romteknologi MSc-studiet Studieretning for romteknologi LØSNINGSFORSLAG TIL EKSAMEN STE 6251 Styring av romfartøy Tid: Fredag 15.12.2006, kl: 09:00-12:00 Fagansvarlig: Per J. Nicklasson, tlf. 76966401/48297237 Tillatte hjelpemidler: Alle kalkulatorer tillatt. Ingen trykte eller håndskrevne hjelpemidler tillatt. Oppgaven inneholder 4 sider og 4 oppgaver. Relativ vekt av deloppgaver er oppgitt i prosent.

Oppgave 1 (5% 5% 5% 5 5% 40%) a) Forklar hvordan man normalt endrer banen for romfartøy? Man endrer normalt banen til et romfartøy ved å påføre det en eller flere kraftimpulser, slik at hastighetsvektoren endres. Man tar normalt ikke hensyn til tiden det tar å endre hastigheten med en gitt kraft, fordi denne normalt er så kort at kraften kan sies å konstant retning under hele operasjonen. Man snakker derfor bare om endring i hastighet ΔV, og beregner hvor stor vektoriell hastighetsendring som skal til for å forandre banen. b) Hvorfor må man normalt korrigere banen for en satellitt etter oppskytning, før den er klar til operasjon? Det er normalt ikke mulig å skyte satellitten opp i den endelige banen direkte fra jorden pga. utskytningsstedenes plassering i forhold til den endelige banen. Selv om det var mulig, ville det ikke være optimalt med tanke på forbruk av drivstoff. Derfor må det utføres en eller flere baneendringer før satellitten er operativ. c) Utled ett uttrykk for den totale hastighetsendringen som er nødvendig for endring av høyden til perigeum for en satellitt i en elliptisk bane rundt jorden. I hvilket punkt av banen må denne hastighetsendringen påtrykkes? Vi går ut fra ligningen v 2 /2 /r u/2a, som gir v 2 /r /a.hastighetsendringen må påtrykkes i apogeum. Hastigheten i dette punktet for den opprinnelige banen er v 1 2 /r a / r p1 r a, mens hastigheten for denne nye banen i dette punktet er v 2 2 /r a / r p2 r a. Endringen blir ΔV v 2 v 1 og påtrykkes tangentielt til banen i apogeum. d) En satellitt går i en elliptisk bane rundt jorden. Perigeum har radius 7000 km og apogeum 70 000 km. Beregn følgende: 1. Banens eksentrisitet. e r a r p / r a r p 0.82 2. Største halvakse til banen (km). a r a r p /2 38500 km 3. Tiden for ett omløp (timer). T 2 a 3 / /3600 20.88 h 4. Spesifikk energi i banen (km 2 /s 2 ) E /2a 5.1767 km 2 /s 2 5. Sann anomalitet i grader for de punkter der høyden over jordoverflaten er 1000 km. Vi vet at r 1000 R e [km]. Videre har vi for en ellipse p a 1 e 2 og r p/ 1 e cos,som tilsammen gir cos a 1 e 2 r /re og endelig 27.6 o Oppgave 2 (5% 5% 5% 15%) a) Hvilke underliggende forutsetninger ligger til grunn for bevegelse i en Keplersk bane?

I en Keplersk bane forutsettes det bare at det er gravitasjonskraften mellom to legemer som virker. Disse er idealisert som massepunkter, og kraften er gitt som F Gm 1 m 2 /r 3 r b) En differensialligning som beskriver en generell bevegelse av et legeme i en Keplersk bane, kan skrives som dr 2 /dt K. Forklar hvordan denne ligningen kan utvides slik at den tar hensyn også til andre krefter. Gi tre eksempler på perturberende krefter som vil påvirke legemer i virkelige baner. I ligningen inngår de krefter (egentlig akselerasjoner dvs. krefter dividert med masse), som virker på legemet. Dersom vi utvider ligningen med dr 2 /dt K P, der det siste leddet er summen av de perturberende krefter, får vi en dynamisk ligning som beskriver en bevegelse der innvirkningen av andre enn de som virker i en rent Keplersk bane, også er tatt med. Andre perturberende krefter kan være: 1. Gravitasjonskrefter som skyldes andre himmellegemer 2. Strålingstrykk og solvind (partikler) 3. Variasjoner i gravitasjonkrefter fordi legemene har uniformt fordelt masse (f.eks. sammensetning og avvik fra kuleform når det gjelder jorden). c) Forklar hva som i dette faget menes med Gauss og Lagranges planetligninger, og hva som eventuelt er forskjell på de to beskrivelsene. Hint: Klassiske baneparametre. I begge tilfeller er det snakk om dynamiske ligninger for å beskrive endringer i de klassiske baneparametre, dvs. ligninger for da/dt,de/dt,di/dt,d /dt,d /dt, dm/dt. Når høyresiden i disse ligningene er av generelle karakter, f.eks. da dt F a a, e, i,,,m,t kalles ligningene for Gauss ligninger. Man finner gjerne frem til høyresiden ved å dekomponere kreftene i et lokalt aksekors som følger legemets massesenter. I de tilfeller der de perturberende krafter er konservative, dvs. at de kan utledes fra en skal funksjon som F p gradu r, kan Gauss ligninger forenkles. Den forenklede versjonen av disse ligningen kalles Lagranges planetligninger. Oppgave 3 (5% 5% 5% 10% 10% 35%) En dynamisk modell for en satellitt i sirkulær bane rundt jorden er gitt på generell form som: T dx T cx I x 4 2 0 I y I z 0 I y I z I x ḣ wx 0 h wz h wy0 0 h wy0 I xy I xz I xz 2 0 2I yz 0 T dy T cy I y 3 2 0 I x I z ḣ wy I xy 2 0 2 0 I yz 2 0 2 0 T dz T cz I z 0 I z I x I y 2 0 I y I x ḣ wz 0 h wx h wy0 0 h wy0 I yz I xz 2 0 I xy 0 2 I xz a) Hvilke forutsetninger ligger til grunn for utledningen av denne modellen? Det er snakk om en linearisert modell (små vinkler og vinkelhastigheter) basert på en utledning av treghetsmomenter der det ikke benyttes hovedtreghetsakser (krysstreghetsmomentene er med i modellen). Dessuten er følgende tatt med: Innvirkningen av gravitasjonskraften til jorden Mulighet for roterende pådragsorganer (spinnbaserte) Mulighet for andre generelle pådragsorganer b) Anta at det ikke benyttes dempemekanismer eller aktive regulatorer, og at man går over til å

benytte en beskrivelse som er basert på at det legemefaste referansesystemets akser er sammenfallende med hovedtreghetsaksene. Utled et kriterium for stabilitet av rotasjonsbevegelsen om Y B aksen. I dette tilfellet har vi T cy ḣ wy 0, og siden alle krysstreghetsmomentene er lik null, blir bevegelsen om denne aksen dekoblet fra de to andre aksene. Det eneste som kan eksitere dynamikken om Y B aksen, er initialbetingelser og forstyrrelser. Laplace-transformasjon av ligningen gir T dy s s 2 I y s si y 0 I y 0 3 2 0 I x I z s s T dy s s 2 I y 3 0 2 I x I z si y 0 s 2 I y 3 0 2 I x I z I y 0 s 2 I y 3 0 2 I x I z Siden det ikke er dempning i systemet, kan en høyst oppnå marginal stabilitet uten å introdusere passiv eller aktiv dempning. Kravet om at polene til systemet skal ligge på den imaginære aksen finnes ved å se på løsningen s av s 2 I y 3 0 2 I x I z 0, dvs. at en må kreve I x I z. c) Hvordan vil et sprang i forstyrrelsen T dy t k påvirke t. Forutsetningene er de samme som i spørsmålet over. Begrunn svaret med utregninger. Et sprang i forstyrrelsen gir T dy s k/s og t L 1 k/i y s s 2 3 0 2 I x I z /I y k 3 0 2 I x I z 1 cos 0 Tidsresponsen er altså oscillatorisk for et sprang i forstyrrelsen. 3 I x I z /I y t d) Anta at det benyttes reaksjonshjul i alle tre aksene for å styre systemet. Vis at ved et hensiktsmessig valg av regulator blir det stasjonære avviket i lik null selv ved et sprang i forstyrrelsen T dy. t Benytter en PID-regulator for å dempe ut forstyrrelsene, slik at ḣ wy k p k d k I dt. Fårnå 0 (tar ikke med initialbetingelser og antar at alle referanser er lik null) T dy s s 2 I y s 3 2 0 I x I z s k p s k d s s k I 1 s s s T dy s s 2 I y k d s 3 0 2 I x I z k p k I 1 s st dy s s 3 I y k d s 2 3 0 2 I x I z k p s k I Stasjonært avvik ved sprang i T dy t k blir nå ss lims sk s 0 s s 3 I y k d s 2 3 2 0 I x I z k p s k I 0 e) Anta at det istedenfor reaksjonshjul benyttes 3 magnetspoler for å dempe ut oscillasjonene som kan oppstå. Pådraget er strømmen i spolene i x, i y, i z, og alle spolene har samme tversnittsareal A og antall vindinger N. Vis at det ikke alltid er mulig å stabilisere orienteringen av alle tre aksene samtidig vha. magnetspoler, og foreslå deretter en løsning på dette problemet. Har følgende sammenheng: T c M B NA i x i y i z x B x B y B z NA 0 B z B y B z 0 B x B y B x 0 B x B y B z NA B Matrisen B er singulær, og vi kan følgelig ikke regne ut strømmene for enhver vektor T c. Dersom vi antar at M alltid er vinkelrett på B, kan vi imidlertid skrive B T c B M B B B M B M B B 2 M dva. at vi kan beregne M (og dermed strømmene) utfra: M B T B 2 Dersom M ikke er vinkelrett på B, må det benyttes en annen aktuator enn magnetspole i en av aksene. i x i y i z

To magnetspoler og ett reaksjonshjul er en mulig løsning. Oppgave 4 (5% 5% 10%) Forklar kort følgende begreper. Benytt gjerne skisser dersom du synes det er nødvendig: a) Kvaternioner Dette er en beskrivelse av orienteringen til et legeme relativt en bestemt orientering i rommet (som kan angis med et referansesystem i form av et aksekors), som baserer seg på bruk av 4 parametre (hvorav kun 3 er uavhengige). Parametrene kan oppfattes som avleded av en beskrivelse av orienteringen angitt med en vektor og en vinkel. Ved å dreie legemet den angitte vinkel om den gitte vektor, vil et aksekors festet i legemet få samme orientering som det aksekorset som angir en referanseorientering. b) Rotasjonsmatrise Dette er en beskrivelse av orienteringen til et legeme relativt en bestemt orientering i rommet, der det benyttes en 3x3 matrisemed9elementer(hvoravkun6eruavhengige). Matrisen inneholder cosinus mellom de respektive enhetsvektorene i et koordinatsystem fast i legemet, og enhetsvektorene i et referansesystem. Ved å multiplisere en vektor angitt relativt et referansesystem, med rotasjonsmatrisen, vil man få koordinatene for den samme vektoren i et annet system.

Totalenergi for enhetsmasse: Rakettligningen: Formelsamling og parametre v 2 /2 /r /2a, E /2a m f m i e ΔV/ gisp Ellipsen: A ab, e r a r p / r a r p, a r a r p /2, b a 1 e 2 Inverst kvadratisk kraftfelt: F Gm 1 m 2 /r 3 r Keplers tidsligning: t t p 2 /T t t p n M e sin Keplers tredje lov: T 2 a 3 / 2 /n Sann og eksentrisk anomali: cos e cos / 1 e cos,sin sin 1 e 2 / 1 e cos Differansen av to vinkler: sin sin cos cos sin Tilnærming: e x 1 x for små x Midlere nutasjonsvinkel: av 4T d / 2 z I z I z /I x 1 Vektoridentitet: A B A A A B A B A Laplace-transformasjonen: L y t Y s L ẏ t sy s y 0 L ÿ t s 2 Y s sy 0 ẏ 0 L 1 1/s n t n 1 / n 1!, (n 1,2,3,... L 1 1/ s a n t n 1 e at / n 1!, (n 1,2,3,... L 1 1/ s 2 2 1/ sin t L 1 1/ s a 2 2 1/ e at sin t L 1 s/ s 2 2 cos t L 1 1/ s 3 s 2 1/ 2 1 cos t L 1 1/ s 4 s 2 2 1/ 3 t sin t Gravitasjonskonstanten: G 6.669 10 11 m 3 /kg-s 2 Jordas masse: M 5.98 10 24 kg Jordas gravitasjonskonstant: GM 3.986032 10 5 km 3 /s 3 Midlere jordradius: R e 6378.6 km