Автореферат (Проектирование межпланетных траекторий космических аппаратов с электроракетными двигательными установками при использовании лунного гравитационного маневра)

На правах рукописиЕльников Роман ВикторовичПроектирование межпланетных траекторий космических аппаратов сэлектроракетными двигательными установками при использовании лунногогравитационного маневраСпециальность 05.07.09"Динамика, баллистика, управление движением летательных аппаратов"Авторефератдиссертации на соискание ученой степеникандидата технических наукМосква – 2012Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательномучреждении высшего профессионального образования «Московский авиационныйинститут (национальный исследовательский университет, МАИ)» на кафедре«Космические системы и ракетостроение».Научный руководитель:доктор технических наук, профессорМосковского авиационного института(национальногоисследовательскогоуниверситета)Константинов Михаил СергеевичОфициальные оппоненты:доктор технических наук, профессорМосковского авиационного института(национальногоисследовательскогоуниверситета)Горбатенко Станислав Алексеевичкандидат технических наук,старший научный сотрудникГНЦ ФГУП «Исследовательский центрим.

М.В. Келдыша»Синицын Алексей АндреевичВедущая организация:Федеральное государственноеунитарное предприятие«Научно-производственноеобъединение им. С.А. Лавочкина»(ФГУП НПО им. С.А. Лавочкина)141400, г.Химки, Московская область,ул. Ленинградская, д. 24Защита состоится «27» декабря 2012 г. в 15.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.125.12 в Московском авиационном институте (национальномисследовательском университете, МАИ) по адресу: 125993, г. Москва, А-80, ГСП-3,Волоколамское шоссе, д. 4.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского авиационногоинститута (национального исследовательского университета, МАИ) по адресу: 125993,г.

Москва, А-80, ГСП-3, Волоколамское шоссе, д. 4.Автореферат разослан «23» ноября 2012 г.Отзывы, заверенные печатью, просьба высылать по адресу: 125993, г. Москва,А-80, ГСП-3, Волоколамское шоссе, д. 4, МАИ, Ученый совет МАИ.Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.125.12,кандидат технических наук, доцентВ.В.

Дарнопых2ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темы работы. Задачи исследования планет и малых небесныхтел Солнечной системы на сегодняшний день являются весьма перспективными.Работы в этом направлении ведутся во многих странах мира, осуществляющихкосмическую деятельность. Такие исследования позволят изучить физику небесныхтел, входящих в состав Солнечной системы, выявить наличие у них различныхресурсов, изучить многие вопросы теории образования Солнечной системы и другихзвездных систем, а также ответить на многие другие вопросы.Одним из наиболее существенных факторов, определяющих реализуемость тогоили иного космического проекта, является его стоимость. Стремление к удешевлениюили, по крайней мере, к ограничению стоимости космических исследовательскихмиссий заставляет разработчиков космических проектов все чаще и чащеориентироваться на ракеты-носители среднего класса, выводящие на низкиеоколоземные орбиты сравнительно небольшие массы полезных нагрузок.Усложнение научных задач, возлагаемых на аппараты по изучению дальнегокосмоса с одной стороны, и стремление к ограничению стартовой массы космическогоаппарата (КА) с другой стороны, зачастую ставит перед специалистами,занимающимися проектно-баллистическим анализом межпланетных космическихполетов, достаточно сложные задачи.

Дефицит массы, при проектированиимежпланетного КА в этих условиях, является очень важным фактором.Одной из наиболее красивых и плодотворных идей механики космическогополета, позволяющих существенно улучшить энерго-массовые характеристики КА,является идея использования гравитационных маневров у различных небесных телСолнечной системы.Другой важной идеей, позволяющей существенно улучшить энергетическиехарактеристики межпланетного перелета, является использование электроракетныхдвигательных установок на борту КА. Широко известно, что применениеэлектроракетных двигательных установок (ЭРДУ) в качестве маршевых двигательныхустановок (ДУ) позволяет существенно уменьшить массу рабочего тела на бортукосмического аппарата из-за высокого удельного импульса, которым обладаютэлектроракетные двигатели (ЭРД).В работе оценивается выигрыш от использования лунного гравитационногоманевра при проектировании межпланетной траектории для космического аппарата,оснащенного ЭРДУ.

Судя по литературе, этот вопрос еще мало изучен.Актуальность выбранной темы связана с анализом перспективных технологий(электроракетных двигателей и новых схем полета), направленных на повышениеэффективности космических транспортных операций.Основными целями диссертационной работы являются:Разработка методики для расчета межпланетных траекторий КА с ЭРДУпри использовании гравитационного маневра у Луны;Оценка массового выигрыша, который можно обеспечить благодаряиспользованию лунного гравитационного маневра для межпланетного перелета Земля- Марс для космической транспортной системы на базе ракеты-носителя (РН) «Союз2.1б» и химического разгонного блока (ХРБ) «Фрегат».3Методы проведения исследования.

Для исследования задачи межпланетногоперелета с использованием лунного гравитационного маневра, в рамках даннойдиссертационной работы были использованы следующие подходы и методы:Для нахождения и оптимизации законов управления вектором тяги ЭРДУКА использовался принцип максимума Л.С. Понтрягина;Интегрирование систем обыкновенных дифференциальных уравнений,описывающих движение КА, осуществлялось численно с использованием адаптивногометода Рунге-Кутта 8-го порядка (метод Дормана-Принса);Задачи поиска безусловного максимума/минимума функционаловисследовались с использованием квазиньютоновского метода, использующего BFGSформулу;Для численного решения систем нелинейных уравнений использовалсякомбинированный метод Пауэла;В работе использовалась Парето-оптимизация, случайный поиск дляопределения начального приближения для сопряженных переменных (при решениикраевых задач и задач оптимального управления), аппроксимация результирующихзависимостей с использованием метода наименьших квадратов, интерполяциярезультатов с помощью интерполяционных многочленов Лагранжа.Объект исследования – межпланетная траектория космических аппаратов,оснащенных электроракетными двигательными установками, при использованиигравитационного маневра у Луны.

Предмет исследования – математические моделидля расчета и оптимизации межпланетных траекторий космических аппаратов сэлектроракетными двигательными установками при использовании гравитационногоманевра у Луны.Научная новизна полученных результатов. К новым научным результатам,полученным в рамках данной работы, можно отнести:Разработанную методику, предназначенную для расчета и оптимизациимежпланетных траекторий космических аппаратов, оснащенных электроракетнымидвигательными установками, при использовании гравитационного маневра у Луны;Качественные результаты анализа траекторий ухода из окрестности Землипри одинарном и двойном пролете КА окрестности Луны;Качественные и численные результаты анализа перелета Земля – Марс сгравитационным маневром у Луны для космической транспортной системы на базеракеты-носителя «Союз 2.1б», химического разгонного блока «Фрегат» и КА,оснащенного ЭРДУ на базе двух СПД-140Д;Оценку массового выигрыша КА от использования лунногогравитационного маневра для рассмотренной транспортной космической системы посравнению со схемой полета, не использующей гравитационный маневр у Луны.Практическая значимость работы состоит в следующем:Разработано программно-алгоритмическое обеспечение, программныйкомплекс для расчета и оптимизации межпланетных траекторий космическихаппаратов, оснащенных электроракетными двигательными установками, прииспользовании гравитационного маневра у Луны;4Получено решение задачи межпланетного перелета Земля – Марс сгравитационным маневром у Луны для космической транспортной системы на базеракеты-носителя «Союз 2.1б», химического разгонного блока «Фрегат» и КА,оснащенного ЭРДУ на базе двух СПД-140Д.Проведена оценка выигрыша в конечной массе КА от использованиялунного гравитационного маневра, на основе которой можно сделать вывод оцелесообразности его использования.Основные результаты диссертационной работы внедрены в Научноисследовательском институте прикладной механики и электродинамики Федеральногогосударственногобюджетногообразовательногоучреждениявысшегопрофессионального образования «Московский авиационный институт (национальныйисследовательский университет)» (НИИ ПМЭ МАИ) и в учебном процессеМосковского авиационного института при проведении практических и лабораторныхзанятий в рамках специальности 160802 «Космические летательные аппараты иразгонные блоки», что подтверждается соответствующими актами.Достоверность полученных результатов подтверждается:Совпадением результатов расчета невозмущенных оптимальныхгеоцентрических и гелиоцентрических траекторий с малой тягой, выполненных спомощью разработанных автором методов, с результатами, известными в литературе;Использованием адекватных математических моделей движения,учитывающих основные возмущающие факторы (гравитационный потенциал Земли сучетом 2-й зональной гармоники, притяжение Луны и Солнца) на всех участкахдвижения КА;Использованием апробированных численных методов для решения системдифференциальных уравнений, систем нелинейных алгебраических уравнений, задачминимизации и задачи оптимального управления в виде полного набора необходимыхусловий оптимальности.Апробация работы.

Методы и результаты оптимизации схемы межпланетногоперелета с использованием гравитационного маневра у Луны для КА с ЭРДУобсуждались:На Третьей Международной конференции «Космические технологии:настоящее и будущее» (Передовые космические технологии на благо человечества),Днепропетровск, Украина, апрель 2011;На XLVI научных чтениях памяти К.Э. Циолковского, Калуга, октябрь2011;На ХXXVI Академических чтениях по космонавтике, посвященныхпамяти академика С.П.Королева, Москва, январь 2012.Личный вклад и публикации.