Диссертация (Метод обеспечения безопасного спуска пилотируемого КА при возникновении нештатной ситуации на любом этапе орбитального полета), страница 13

Если же такого времени нет, моментвключения ДУ выбирается исходя из результата решения задачи выборанаиболее безопасного варианта спуска за минимальное время междупринятием решения о спуске и выдачей тормозного импульса. При этом увсех непосредственных участников оперативного управления должна бытьактуальная информация обо всех возможных вариантах решения задачиобеспечения безопасного спуска.5.2Разработкаэлектроннойкартысклассификациейдостижимых районов посадки.5.2.1 Общие принципы построения электронной карты.Современные ТПК типа «Союз ТМА-М» в случае необходимостисовершения срочного или экстренного спуска используют режим БС. Этоозначает, что в момент достижения кажущейся скорости 25,6 м/с длякомпенсации действия подъемной силы СА переходит в режим закрутки покрену с угловой скоростью 13 град/с.

В итоге значение подъемной силыстановится близким к нулю и СА движется по баллистической траекторииспуска. В отсутствии возможности управления продольной дальностьюспуска, прицеливание в режиме БС осуществляется только по долготе. Вкачестве исходных данных для выбора прицельной точки используютсятаблицы зависимостей долготы линии прицеливания от диапазона долготвосходящего узла (табл.

2.2.1). Так как для ПТК НП не предусмотрен спуск врежиме БС и заявленная точность посадки при штатном спуске составляет 597км, то появляется возможность прицеливаться и по долготе и по широте, темсамым существенно расширить приемлемые по безопасности районыпосадки.Для решения задачи обеспечения безопасного возвращенияэкипажа на Землю на любом этапе полета и максимального сокращениявремени между принятием решения о спуске и включением ДУ наторможение, необходимо пересмотреть стратегию выбора прицельной точкиисходя из новых возможностей СУС ПТК НП.Для работы алгоритма выбора наиболее безопасной траектории спускаперспективного пилотируемого корабля, необходимо наличие информацииобо всех возможных районов посадки и о количественной оценкебезопасности таких районов (для обеспечения работы алгоритма поискаприцельнойточки).Использоватьдляэтоготаблицы,аналогичныесуществующим на «Союз ТМА-М» не представляется возможным, так какпри расширении допустимых районов посадки использование зависимостейдолготы линии прицеливания от диапазона долгот восходящего узла не будетобеспечивать единственность решения задачи нахождения прицельной точкипосадки.

Кроме того, такие таблицы не содержат информацию ни о широтеприцельной точки ни о характеристиках безопасности района посадки.Наиболее подходящей структурой, удовлетворяющей требованиямалгоритма выбора наиболее безопасной траектории спуска перспективногопилотируемого корабля, является электронная карта. В классическомварианте электронная карта представляет собой базу данных зависимостейразличных характеристик местности от широты и долготы, что и требуетсядля выбора наиболее безопасного варианта спуска на любом этапа полетаКА. Рассматриваемые при классификации районов посадки характеристикиместности учитывают все основные требования по безопасности районовпосадки для пилотируемого спуска:· общий характер местности должен быть ровным;98· плотность населения должна быть как можно ниже;· величина углов уклона к местной горизонтали не должна быть более10-12°;· наличие сплошных лесных массивов не допускается;· для посадки СА допускается практически любой тип грунта по составу;· наличие рек, озер, прудов и пр.

допускается по периферии районапосадки на удалении 12-15 км от центра;· наличие ЛЭП – на удалении > 10 км от центра района;· скорость ветра у поверхности < 15 м/с;· температура воздуха ± 50°С.Исходяизэтихтребований,былипроклассифицированывседостижимые районы посадки для наклонения i ≈ 52° (наклонение орбитыМКС).

Градация классификаторов начинается с 1 и заканчивается 10, гдеминимальномузначениюклассификаторасоответствуетнаиболеенеблагоприятный район посадки. Например, классификацию от 1 до 2 имеютвысокогорныерайоны,отдаленныерайоныМировогоокеана,густонаселенные города и т.д. Классификации от 3 до 5 соответствуютрайоны с наличием сплошных лесных массивов. При выборе района склассификатором от 6 до 8 спуск происходит в достаточно благоприятныерайоны посадки, однако в них допускается наличие рек, озер и отдельностоящих деревьев.

В случае выбора максимального значения классификатора– посадка осуществляется в штатный полигон, соответствующий всемтребованиям по безопасности проведения пилотируемого спуска.При составлении электронной карты использовались данные изобщефизической (рис. 5.2.1), политической (рис. 5.2.2), климатической картмира (рис.

5.2.3), и карты плотности населения (рис. 5.2.4). Кроме тогоиспользовались фотографии со спутников ДЗЗ, полученные из открытыхисточников (рис. 5.2.5). Это обусловлено тем, что по отдельности ни одна из99вышеперечисленныхрассматриваемыхкарткритериях,необладаетинформациейпредъявляемыхкрайонамобовсехпосадкипилотируемых КА. Исходя из этого, появилась необходимость разработкиэлектронной карты местности, учитывающей все требования, предъявляемыек районам посадки при проведении пилотируемого спуска.Рис.

5.2.1 Общефизическая карта мираРис. 5.2.2 Политическая карта мира100Рис. 5.2.3 Общефизическая карта мираРис. 5.2.4 Карта плотности населения101Рис. 5.2.5 Карта по снимкам спутников ДЗЗПри составлении электронной карты всех достижимых районовпосадки, на общефизическую карту мира (рис. 5.2.1) последовательнонакладывались все остальные карты. Путем изменения прозрачности фона,появилась возможность отобразить данные из одной карты на фоне другой.Таким образом, последовательно изменялись значения классификаторов всехдостижимых районов посадки исходя из требований по безопасностипроведения пилотируемого спуска (приведенных выше) освещенных на тойили иной тематической карте мира.На рис.

5.2.6 представлено визуальное отображение результатов работпо созданию электронной карты всех достижимых районов посадкиперспективногопилотируемогокорабля.Краснымцветомотмеченынеблагоприятные высокогорные районы и наиболее затруднительные дляработы службы поиска и спасания космонавтов отдаленные от побережьярайоны Мирового океана.102Рис.5.2.1 Визуальное представление электронной картыСледующим вопросом при построении электронной карты был выборшага изменения классификаторов района посадки.

Схема спуска ПТК НПпредполагает движение ВА на парашюте с высоты порядка 5 км. Суммарныйразмер области рассеивания точек посадки складывается из ошибок работыСУС и ошибок определения ветровой обстановки при движении напарашюте.Применениекомбинированнойсистемыуправленияитерминального наведения на атмосферном участке спуска ПТК НП должныобеспечивать точность приведения ВА в точку ввода основной системыпарашютирования с точностью не хуже 1 км (рис.5.2.7).1031,000,800,600,400,200,00-1,00-0,80-0,60-0,40-0,20 0,00-0,200,200,400,600,801,00-0,40-0,60-0,80-1,00Рис. 5.2.7 Область рассеивания при использовании терминального наведенияСоставляющая суммарного рассеивания точек посадки от парашютногоучастка спуска с высоты 5 км составляет порядка 4 км, при условии учетапрогноза ветровой обстановки в районе посадки.

В случае же возникновениянештатной ситуации спуск происходит за минимальное время междупринятием решения о срочном завершении космической экспедиции ивключением двигателя на спуск. В самом худшем случае это время будетсоставлять порядка 1.5 часа (драконический период обращения МКС),поэтому оперативно получить прогноз ветровой обстановки в районе посадкине представляется возможным. При выборе шага изменения классификаторарайонов посадки было принято допущение, что составляющая общегорассеивания точек посадки при движении на парашюте с высоты 5 км безучетапрогнозаветровойобстановкисоставляетпорядка9км.Соответственно суммарная область рассеивания точек посадки ПТК НП при104возникновении нештатной ситуации составляет 10 км.При пересчете вгеографические координаты были использованы следующие соотношения:по долготе 1° = 111 км, по широте 1° = 111*cos(φ) км.

Для упрощенияпоисканужнойинформациивэлектроннойкарте,шагизмененияклассификаторов районов посадки был выбран одинаковым для широты идолготы и составил 0,1°.Еще одним требованием к электронной карте всех достижимыхрайонов посадки была плавность изменения классификаторов районов. Этотребование обусловлено особенностями применения метода наискорейшегоспуска при решении задачи поиска наиболее безопасной прицельной точки.5.2.2 Вопросыпрограммнойреализацииииспользованияэлектронной карты при работе алгоритма выбора наиболее безопаснойприцельной точки.При разработке электронной карты достижимых районов посадки, былаиспользованаклассическаясхемапостроенияэлектронныхкарт,подразумевающая использование базы данных зависимостей характеристикместности от широты и долготы. Структура данных по классификаторам всехдостижимых районов посадки представлена в таблице 5.2.1.Основной проблемой при программной реализации электронной карты,был выбор программного типа данных, соответствующего представленной втабл.

5.2.2 структуре. Так как реляционные базы данных не хранятинформацию в виде матрицы, было принято решение хранить информацию оклассификаторах всех достижимых районов посадки в бинарном виде.Общий объем занимаемой электронной картой памяти рассчитывается поформуле:= ∑; (5.2)105где n – общее число классификаторов, k – объем памяти, необходимый длязаданного интервала изменения классификаторов.Табл.

5.2.1 Структура данных электронной картыКлассификация районов посадкиφ(широта)λ=0°λ=0.2°λ=0.4°λ=0.6°λ=0.8°...λ=358.8°(долгота)52°66555...651.8°66646...651.6°56566...551.4°55656...651.2°77778...7........................-52°4444444Вопросы извлечения и хранения информации в оперативной памятибыли решены с помощью аналогии при работе с банком аэродинамическихданных.