Автореферат (Проектирование траекторий межпланетных перелетов КА с электроракетной двигательной установкой с учетом нештатного временного выключения двигателя)

На правах рукописиНГУЕН ДИЕН НГОКПРОЕКТИРОВАНИЕ ТРАЕКТОРИЙ МЕЖПЛАНЕТНЫХ ПЕРЕЛЕТОВ КА СЭЛЕКТРОРАКЕТНОЙ ДВИГАТЕЛЬНОЙ УСТАНОВКОЙ С УЧЕТОМНЕШТАТНОГО ВРЕМЕННОГО ВЫКЛЮЧЕНИЯ ДВИГАТЕЛЯСпециальность 05.07.09Динамика, баллистика, управление движением летательных аппаратовАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата технических наукМосква – 2015Работа выполнена на кафедре "Космические системы и ракетостроение"Московского авиационного института (национального исследовательскогоуниверситета).Научный руководитель:Константинов Михаил Сергеевич, доктортехнических наук, профессор кафедры "Космическиесистемы и ракетостроение" Московскогоавиационного института (национальногоисследовательского университета)Официальные оппоненты:Ивашкин Вячеслав Васильевич, доктор физикоматематических наук, профессор, академикРоссийской Академии космонавтики имени К.Э.Циолковского, ведущий научный сотрудникинститута прикладной математики имени М.В.Келдыша РАН, (Россия, 125047, г.

Москва, Миусскаяпл., д.4).Синицын Алексей Андреевич, кандидат техническихнаук, ведущий научный сотрудник ГНЦ ФГУП«Исследовательский центр им. М.В. Келдыша»,(Россия, 125438, г. Москва, Онежская ул., д. 8).Ведущая организацияФедеральное государственное унитарноепредприятие «Научно-производственноеобъединение им. С.А.

Лавочкина» (ФГУП «НПО им.С.А. Лавочкина»), (Россия, 141400, г. Химки,Московская область, ул. Ленинградская, д.24).Защита состоится «18» июня 2015 года в 13 часов на заседаниидиссертационного совета Д 212.125.12 в Московском авиационном институте(национальном исследовательском 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 «___» апреля 2015 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 представляемой работы определяется:- целесообразностью повышения эффективности выполнения транспортныхкосмических маневров с использованием электроракетных двигательных установокблагодаря их высокому удельному импульсу;- необходимостью разработки математических моделей, описывающихтраектории межпланетных КА с электроракетной двигательной установкой прииспользовании схемы межпланетного маневра, при которой на первом этапегелиоцентрического перелета используется гравитационный маневр у Земли; иметодов оптимизации таких траекторий;- необходимостью учета при проектировании межпланетной траектории КАс ЭРДУ возможности временного нештатного выключения двигателя в любоймомент любого активного участка траектории.Электроракетная двигательная установка широко применяется дляобеспечения транспортных космических операций.

В настоящее время приразработке новых космических программ происходит смещение акцента в сторонуболее широкого использования электроракетных двигателей в качестве маршевыхдвигателей, двигателей ориентации и коррекции траектории. Особенно актуальнымиспользование ЭРДУ становится для космических проектов, использующихдлительные энергоемкие перелеты, для проектов со значительнымихарактеристическими скоростями. Для энергонапряженных космических маневровмассовая отдача КА становится очень малой и целесообразно перейти киспользованию двигателей с более высокими значениями удельного импульса.Такими двигателями и являются электроракетные двигатели.Одной из наиболее красивых идей механики космического полета, позволяющихсущественно улучшить энерго-массовые характеристики КА, является идеяиспользования гравитационных маневров у различных небесных тел Солнечнойсистемы.

В работе анализируются схемы межпланетного перелёта, в которых напервом этапе используется гравитационный маневр у Земли. Рассматриваются такиесхемы полета, для которых при старте с низкой околоземной орбиты химическийразгонный блок обеспечивает небольшой гиперболический избыток скорости (до 1000м/c). Затем с помощью солнечной электроракетной двигательной установкиреализуется гелиоцентрическая траектория Земля – Земля с большой величинойгиперболического избытка скорости при подлете к Земле. Последующийгравитационный маневр у Земли обеспечивает широкий диапазон гелиоцентрическойскорости отлета от Земли и большие транспортные возможности КА.До настоящего времени при проектировании траектории КА с ЭРДУ неанализировалась возможность нештатного выключения двигателя.

Траекториягелиоцентрического перелета КА с ЭРДУ может быть весьма напряженной. Приэтом нештатная работа ЭРДУ (например, необходимость её выключения нанекоторое время) может привести к невозможности выполнения транспортнойзадачи. Это обстоятельство должно учитываться при проектировании траектории.В настоящей работе при проектировании гелиоцентрической траектории КА сЭРДУ учитывается возможность однократного выключения двигателя в любой3точке любого активного участка траектории. Критерием оптимизации припроектировании траектории рассматривается допустимая продолжительностьнештатного выключения двигателя в любой точке любого активного участка.

Этапродолжительность максимизируется. А проектируемая траектория выбирается так,чтобы возмущение траектории от нештатного выключения двигателя удалосьпарировать, выбирая новый закон управления движением КА, при котором удаетсярешить транспортную задачу с удовлетворением ограничения по допустимомурасходу топлива на перелёт.Основными целями диссертационной работы являются:- анализ баллистической возможности парирования возмущений траекториимежпланетного перелета КА с ЭРДУ, связанных с временной невозможностьюштатного использования ЭРДУ на участках гелиоцентрического перелета;- формулировка задачи проектирования траектории межпланетного перелетаКА с ЭРДУ с учетом возможности нештатного выключения двигателя в любойточке любого активного участка траектории;- разработка методики нахождения оптимальной траектории, реализациякоторой возможна при наибольшей допустимой продолжительности нештатноговыключения двигателя.Методология и методы исследования.

Для исследования задачимежпланетного перелета с использованием гравитационного маневра у Земли, врамках данной диссертационной работы были использованы следующие подходы иметоды:Задача сквозной оптимизации траектории межпланетного перелета КАформулируется с использованием подхода, основанного на принципе максимума Л.С. Понтрягина;Принцип максимума позволяет свести задачу определения оптимальныхпрограмм управления вектором тяги ЭРДУ КА к конечномерной краевой задачеотносительнонебольшойразмерностидлясистемыобыкновенныхдифференциальных уравнений;Интегрирование систем обыкновенных дифференциальных уравнений,описывающих движение КА, осуществлялось численно с использованиемадаптивного метода Рунге-Кутта 8-го и 9-го порядка;Для решения краевой задачи системы обыкновенных дифференциальныхуравнений использовался метод продолжения по параметру, основанный наНьютоновской гомотопии;Объектом исследования является межпланетная траектория КА с ЭРДУ прииспользовании гравитационного маневра у Земли.Предметом исследования является математическая модель для расчета иоптимизации межпланетной траектории космического аппарата с электроракетнойдвигательной установкой при использовании гравитационного маневра у Земли.Научная новизна полученных в работе результатов заключается вследующем:Сформулирована новая постановка задачи проектирования траекториимежпланетного перелета КА с ЭРДУ, анализирующая возможность парирования4траекторных возмущений, связанных с временным нештатным выключениемдвигателя в любой точке любого активного участка гелиоцентрической траектории.Предложен подход к проектированию межпланетной траектории КА сЭРДУ, учитывающий необходимость парирования возмущений, связанных снештатным временным выключением двигателя.

Он основан на введениидополнительных пассивных участков на траектории гелиоцентрического перелета свыбором их характеристик (определяющих их положение и продолжительность), атакже с выбором величины гиперболического избытка скорости при старте от Землии даты старта.Разработан новый метод оптимизации траектории межпланетногоперелета КА с ЭРДУ с учетом необходимости парирования траекторныхвозмущений, связанных с временным нештатным выключением двигателя в любойточке любого активного участка гелиоцентрической траектории.