Автореферат (Проектирование траекторий межпланетных перелетов КА с электроракетной двигательной установкой с учетом нештатного временного выключения двигателя), страница 5

Этозначение рассматривается как функция продолжительности последнего пассивногоучастка. Анализ функции даёт возможность выбрать эту продолжительность.4е Анализ требований при парировании возможного нештатноговыключения ЭРДУ на номинальной траектории с дополнительным пассивнымучасткомВведем дополнительный пассивный участок на самом сложном дляреализации активном участке. Разработанный метод исследования требований по15допустимой продолжительности нештатного выключения двигателя сводится кследующему алгоритму: Фиксируются два новых параметра траектории гелиоцентрического перелета:дата начала дополнительного пассивного участка Ta и его продолжительность δt. Находится (в соответствие с ранее рассмотренным алгоритмом раздела 4а)оптимальная номинальная траектория для схемы полета с зафиксированнымизначениями Ta и δt. Критерий оптимальности – минимальная масса требуемого дляперелета топлива ЭРДУ.

Используется полный набор необходимых условийоптимальности принципа максимума. Используя алгоритм, описанный в разделе 4б, определяется предельнодопустимая продолжительность нештатного выключения двигателя для всейрассматриваемой траектории. Эта величина рассматривается как функцияпараметров вводимого пассивного участка Ta и δt. Используя алгорит, описанный в разделе 4в, выбираются оптимальныепараметры вводимого пассивного участка.В пятой главе приводятся результаты проектирования траектории перелета кВенере. Анализируется проект, в котором обеспечивается последовательностьгравитационных маневров у Венеры, переводящих КА на системугелиоцентрических орбит с относительно низким перигелием и большимнаклонением к плоскости эклиптики. Аналогичная последовательность рабочихорбит анализируется в настоящее время в проекте "Интергелио-Зонд".Схема анализируемого перелета включает:- выведение КА на опорную орбиту с помощью РН «Союз-2.1Б»;- выведение КА на гиперболическую отлетную от Земли траекторию спомощью межорбитального космического буксира «Фрегат» с его последующимотделением;- участок перелета по гелиоцентрической траектории Земля – Земля сиспользованием маршевой ЭРДУ на базе двух одновременно работающихдвигателей типа RIT-22;- гравитационный маневр у Земли;- пассивный участок гелиоцентрического перелета Земля – Венера.

Подлет кВенере с большим гиперболическим избытком скорости (17.5 км/с).Заранее анализировался гелиоцентрический перелет Земля (послегравитационного маневра у неё) – Венера. Дата гравитационного маневра у Земли 09апреля 2020 года и время перелета на участке 50.788 суток были выбраны так, чтобывеличина гиперболического избытка скорости у Венеры была равна 17.5 км/с, авеличина гиперболического избытка скорости у Земли и наклонение орбиты Земля –Венера были небольшими.Для анализируемой транспортной системы номинальная траектория находитсяпо критерию максимальной конечной массы КА.

Основные характеристикиоптимальной траектории представлены в таблице 2. Требуемая масса ксенонаоказалась равна 238.7 кг. При анализе возможности парирования возмущений,связанных с нештатным выключением двигателя, масса располагаемого ксенонапредполагалась равной 250 кг.16Таблица 2 – Основные характеристики номинальной траектории КАдата старта23.08.2018величина вектора ГИС при старте отм/с488.494Землимасса КА после отделения маршевойкг2115.0двигательной установки Фрегатавектор ГИС при отлете от Землим/с[210.818; 440.660; -1.294]время гелиоцентрического перелетасутки594.80Земля – Землядата подлета КА к Земле09.04.2020требуемая масса ксенонакг238.66масса КА при его подлете к Землекг1876.38величина ГИС при подлете к Землем/с8946.173вектор ГИС при подлете к Землем/с[7141.361; 5388.341; 7.083]вектор ГИС при отлете от Земли послем/с [443.839; 8928.697; 339.676]гравитационного маневраугол поворота асимптоты гиперболыград.50.151при гравитационном маневре у Земливысота перигея гиперболы пролетакм400.017ЗемлиВремя перелета Земля - Венерасутки50.79ГИС при подлете к Венерекм/с17.5На траектории есть три активных и четыре пассивных участка, причем перелетЗемля-Земляначинаетсяизаканчиваетсяпассивнымиучастками.Продолжительность последнего пассивного участка 10.455 суток.Анализ требований при парировании возможного нештатного выключенияЭРДУ при использовании номинальной траектории с длительностьюпоследнего пассивного участка 10.455 сутокРассматриваемая номинальная траектория имеет три продолжительныхактивных участка.

Для первого и второго активных участков предельно допустимыепродолжительности нештатного выключения двигателя оказались достаточнобольшими (больше десяти суток). К сожалению, нештатное выключение двигателяна последнем активном участке приводит к такому возмущению траектории, чтопарировать это возмущение оказывается трудной задачей. Проведенный анализпоказал, что предельно допустимая продолжительность нештатного выключениядвигателя на временном интервале 450–490 суток (начало третьего активногоучастка) примерно равна 0.37 суток.

Такое небольшое время нештатноговыключения двигателя вряд ли можно рассматривать допустимым. В соответствие спредлагаемым подходом был проведен анализ новых номинальных траекторий,отличающихся от рассмотренной номинальной траектории дополнительнымипассивными участками и более длительным последним пассивным участком.17Характеристики траектории, при реализации которой допустимое временноенештатное выключение ЭРДУ равно 7.9 сутокАнализ показал, что введение двух дополнительных участков (на интервале460-460.5 суток полета и на интервале 510-515 суток полета) с одновременнымувеличением длительности последнего пассивного участка до 55 суток позволяетполучить новую номинальную траекторию, на которой допускается нештатноевыключение двигателя длительностью до 7.9 суток в любой точке траекторииперелета.Этот вариант траектории назовём новой номинальной траекторией. Изолиниитребуемой для гелиоцентрического перелета Земля – Земля массы топлива для двухпоследних активных участков новой номинальной траектории приведены нарисунке 3 и 4.Рисунок 3 - Изолинии требуемой массы топлива (кг) на плоскости: дата нештатноговыключения двигателя (сутки, отсчитывается от даты старта) – продолжительностьнештатного выключения двигателя (сутки).

Два дополнительных пассивных участка.Четвертый активный участок.Рисунок 4 - Изолинии требуемой массы топлива (кг) на плоскости: дата нештатноговыключения двигателя (сутки, отсчитывается от даты старта) – продолжительностьнештатного выключения двигателя (сутки). Два дополнительных пассивных участка.Пятый активный участок18Изолинии, соответствующие 250 кг ксенона, располагаются в самых верхнихобластях, соответствующих большим продолжительностям нештатного выключениядвигателя.Проекция на плоскость эклиптики новой номинальной траекториипредставлена на рисунке 5.Рисунок 5 - Проекция на плоскость эклиптики новой номинальной траекторииТребуемая масса ксенона для перелета по новой номинальной траекторииравна 244.5 кг.

Масса КА в момент подлета к Земле для гравитационного маневра унеё 1860.5 кг. Высота перигея при пролете Земли 401.857 км. На траекторииперелета Земля – Земля есть пять активных и шесть пассивных участков. Полноевремя работы маршевой ЭРДУ на перелете Земля – Земля равно 416.33 суток.Оптимальная величина гиперболического избытка скорости при старте 690.331 м/с.Оптимальное время перелета 601.71 суток. Время перелета Земля-Венера 50.788суток. Гиперболический избыток скорости при подлете к Венере 17.5 км/с.В шестой главе приводятся результаты проектирования траектории перелетак Юпитеру с солнечной электроракетной двигательной установкой с анализомвозможности нештатного выключения ЭРДУ.Схема анализируемого перелета включает:• выведение КА на опорную орбиту с помощью ракеты-носителя (РН) «Союз2.1Б»;• выведение КА на гиперболическую отлетную от Земли траекторию спомощью химического разгонного блока «Фрегат» с его последующим отделением;• участок гелиоцентрического перелета Земля - Земля с использованиеммаршевой ЭРДУ на базе трех двигателей типа RIT-22;• гравитационный маневр у Земли;• пассивный участок гелиоцентрического перелета Земля – Юпитер,обеспечивающий подлет к Юпитеру с небольшим значением гиперболическогоизбытка скорости.Заранее анализировался гелиоцентрический перелет Земля (послегравитационного маневра у него) – Юпитер.

Дата гравитационного маневра у Земли19(01 апреля 2020 года) и время перелета на этом участке (835 суток) были выбранытак, чтобы величина гиперболического избытка скорости у Юпитера быланебольшой (6.241 км/с). При этом был получен вектор гиперболического избыткаскорости при отлете от Земли (после гравитационного маневра у неё). Его величина9.289 км/с.При оптимизации траектории на участках полета до последнегогелиоцентрического перелета Земля - Юпитер без учета возможного нештатноговыключения ЭРДУ на активных участках гелиоцентрического перелета былаполучена номинальная траектория, характеристики которой помещены в таблицу 1.Таблица 1- Основные характеристики номинальной траектории КАДата старта18.05.2018Величина вектора ГИС при старте от Землим/с445.11Масса КА после отделения маршевой двигательной установки кг2116.75«Фрегата»Время гелиоцентрического перелета Земля – Землясутки683.87Дата подлета КА к Земле01.04.2020Требуемая масса ксенонакг435.73Масса КА при его подлете к Землекг1681.03Величина ГИС при подлете к Землем/с9288.9Угол поворота асимптоты гиперболы при гравитационном град.47.85маневре у ЗемлиУгловая дальность участка перелета Земля - Юпитерград.164.75Время перелета на участке Земля - Юпитерсутки835ГИС при подлете к Юпитерум/с6241Проекция траектории гелиоцентрического перелета Земля – Земля – Юпитерна плоскость эклиптики представлена на рисунке 1.Рисунок 1 – Проекция на плоскость эклиптики траектории гелиоцентрическогоперелета Земля – Земля – ЮпитерНа рисунке 1 активные участки траектории полета выделены красным цветом.Видно, что на траектории перелета Земля – Земля есть три пассивных и три20активных участка.