Диссертация (Управление движением космического аппарата, совершающего мягкую посадку на Луну по схеме с зависаниями), страница 3

Результаты работы докладывались на трех научнотехнических конференциях: Международная молодежная научно-техническаяконференция «Гагаринские чтения» в 2016 и 2017 г. г., а также Международнаяконференция «Авиация и космонавтика» в 2016 г. Докладу автора на секции«Анализ и синтез аэрокосмических систем» конференции «Гагаринскиечтения» в МАИ (НИУ) в 2017 году было присуждено первое место и третьеместо на направлении «Ракетные и космические системы».Результаты исследований автора опубликованы в 3 статьях в изданиях,входящих в перечень ВАК Минобрнауки РФ.Положения, выносимые на защиту1. Предложен вариант схемы мягкой посадки, предусматривающийзависания КА в ходе посадки для оперативного уточнения и окончательноговыбора места посадки, в котором достижение зависаний реализуется совместнос вертикализацией аппарата.2. Разработанаметодикарешениязадачисовместнойоптимизациихарактеристик ДУ и программы управления движением КА на этапе основноготорможения, обеспечивающих минимальный расход массы ДУ КА привыполнении заданных терминальных требований по обнулению скорости ивертикализации КА.3.

Разработана методика решения задачи оптимизации движения КА наэтапе управляемого спуска между зависаниями, обеспечивающей минимум12расхода топлива при выполнении заданных граничных условий в начале иконце этапа (нулевая скорость и вертикальная ориентация продольной оси).4. Проведены исследования трех вариантов построения навигационнойсистемы КА, в которых показано, что при реалистичных характеристикахвозмущений комплексированная навигационная система, вариант построениякоторой рассмотрен в работе, обеспечивает необходимую точность навигацииКА.5.

Сформирована структура и предварительно определены параметрырегуляторовзамкнутойсистемыуправлениядвижениемКА,активнокомпенсирующей постоянные и медленно меняющиеся возмущения совместносподавлениемнеконтролируемыхвозмущений.Полученырезультатыимитационного моделирования СУ, демонстрирующие реализуемость мягкойпосадки по предложенной схеме с удовлетворительной точностью.Личный вклад автора. Все результаты, представленные в работе,получены автором лично. Вклад автора состоит в формулировке проблемы вцелом и частных задач исследования, разработке методик, алгоритмов икомпьютерных программ, в анализе и обобщении полученных результатов, вформулировке выводов по работе.Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, пяти глав,и заключения. Работа содержит 133 страниц, 97 иллюстраций, 11 таблиц,приложение. Список используемой литературы включает 67 наименований.Во введении дано обоснование актуальности темы диссертационнойработы, сформулирована цель, задачи, объект и предмет исследования,представлены сведения о научной новизне, практической значимости,апробации результатов исследования, а также основные положения, выносимыена защиту.Первая глава содержит краткий обзор и анализ миссий и схем полетовавтоматических и пилотируемых КА к Луне, реализованных к настоящемувремени, в которых осуществлялась жесткая или мягкая посадка.

Рассмотрены13различные схемы реализации мягкой посадки, в том числе схемы с одним илинесколькими зависаниями. Обсуждаются преимущества и недостатки схем.Обосновывается целесообразность использования схемы мягкой посадкис двумя зависаниями, являющейся предметом исследования в даннойдиссертационной работе.

Рассмотрены варианты реализации данной схемы.Обсуждаются этапы реализации модифицированной схемы с зависаниями,являющейся предметом рассмотрения в данной работе.Вторая глава посвящена проблеме управления движением КА на этапеосновного торможения. Этот этап присутствует при всех схемах мягкойпосадки. В момент завершения этапа достигается близкая к нулю или нулеваяскорость движения КА, т.е. происходит первое «зависание» КА.Излагается методика совместного выбора оптимальных проектныхпараметров двигательной установки и программы управления вектором тягидвигателя торможения КА, обеспечивающих нулевую скорость и вертикальнуюориентацию аппарата в конце ЭОТ.

Дается описание разработанного алгоритмаипрограммырешениязадачи.Представленычисленныерезультаты,демонстрирующие работоспособность и эффективность методики. Проводитсясравнение численных результатов с аналогичными результатами, полученнымиранее в работах других авторов.В третье главе решается задача формирования программы управлениядвижением КА на этапе управляемого спуска между первым и вторымзависаниями по наклонной траектории. Первое зависание в точке фактическогоокончания ЭОТ, на высоте около 2.4 км, длящееся около 30 сек, используетсядля уточнения места посадки КА с помощью бортовой аппаратуры наблюденияКА.

Второе зависание происходит непосредственно над уточненной точкойпосадки на высоте около 100 м и служит для окончательного подтверждениявыбранной точки и одновременно для создания необходимых начальныхусловий для последующего вертикального спуска КА в эту точку.В главе изложены две методики решения задачи: точная и приближенная.Необходимость разработки приближенной методики обусловлена относительно14большой трудоемкостью расчетов для определения программы управления,которые должны быть выполнены оперативно на борту КА на этапе первогозависания.Важнойособенностьюпрограммоптимальногоуправлениядвижением КА, определяемых с помощью обеих методик, является совместноеобнуление скорости и вертикализация КА в точке второго зависания.Четвертая и пятая главы работы содержат результаты исследований,посвященных проблеме реализации программного движения КА на всех этапахмягкой посадки с помощью СУ движением КА. Основное внимание уделенодвум подсистемам в составе СУ – навигационной системе (НС) и замкнутой СУв целом.Применительно к НС в главе 4 рассмотрена возможность решения задачинавигации на борту КА с помощью трех вариантов построения системы, основукоторых составляет бесплатформенная навигационная система (БИНС).Рассмотрены:стандартнаяБИНС,БИНСсфильтромКалманаикомплексированная НС с фильтром Калмана, в которой помимо измерителейускорений и угловых скоростей используются высотомер и доплеровскийизмеритель скорости КА.При рассмотрении второго и третьего вариантов построения НСсовместно с переменными состояния КА оцениваются параметры, являющиесяслучайными величинами, в том числе угловая ошибка установки двигателяторможения (ДТ), отклонение гравитационного ускорения от его значений,соответствующих модели центрального поля, и другие.

Проанализированаточность навигации с учетом ошибок начальной выставки и ошибок датчиковнавигационной информации. Показано, что комплексированная НС можетобеспечить приемлемую точность навигации КА при рассмотренных типовыхзначениях ошибок применяемых навигационных приборов.В пятой главе сформирована структура и предварительно выбраныпараметры замкнутой СУ КА.

В составе СУ выделены подсистема управлениядвижением центра масс КА (система наведения - СН) и система управленияориентацией и стабилизации (СУОС). Сформированы регуляторы СН,15обеспечивающие совместно выполнение программ управления скоростью КА икомпенсациюошибок,обусловленныхвозмущениями,являющимисяслучайными величинами (угловой эксцентриситет тяги ДТ, масконы), значениякоторых оцениваются с помощью комплексированной НС. Сформированаимитационная модель и проведен статистический анализ замкнутой СУ сучетом основных возмущений и ошибок.

Приведены результаты численныхрасчетов,демонстрирующиереализуемостьпредложеннойвработемодифицированной схемы МП с зависаниями и приемлемую результирующуюточность МП.16ГЛАВА 1. КРАТКИЙ ОБЗОР И АНАЛИЗ МИССИЙ И СХЕМ ПОЛЕТОВКА С ПОСАДКОЙ НА ЛУННУЮ ПОВЕРХНОСТЬВ главе 1 дается краткий обзор миссий и схем полетов автоматических ипилотируемых КА к Луне, заканчивающихся посадкой на ее поверхность.Рассмотрены различные схемы реализации мягкой посадки. Обсуждаютсяпреимуществаинедостаткисхем.Обосновываетсяцелесообразностьиспользования схемы мягкой посадки с двумя зависаниями, являющейсяпредметом исследования в данной диссертационной работе. Анализируютсяварианты реализации данной схемы.

Обсуждаются основные этапы реализациисхемы мягкой посадки, рассматриваемой в данной работе.1.1. Анализ полетов к ЛунеПолеты к Луне являются одним из актуальных направлений развитиясовременной космонавтики. Возрастает частота полетов, расширяется переченьрешаемых научных задач, повышаются требования к точности реализациитраекторий полетов, больше внимания уделяется энергетической, научной иэкономической эффективности полетов.К настоящему времени более 100 КА совершали полет к Луне, хотяпримерно половина миссий оказалась неудачными.Возможныибылиреализованыразличныесхемыпроведенияисследований Луны с помощью автоматических или пилотируемых КА:- во время пролета КА в окрестности Луны;- с селеноцентрической орбиты;- при прямом попадании («жесткой» посадке) КА с траектории движенияот Земли к Луне;- при жесткой посадке с селеноцентрической орбиты;- после «мягкой» посадки КА на лунную поверхность с траекториидвижения от Земли к Луне или с селеноцентрической орбиты.Миссии с жесткой посадкой.

Пролетные траектории и траекториипрямого попадания, заканчивающие «жесткой» посадкой, являются более17простыми по сравнению с траекториями «мягкой» посадки. По этой причинетакие миссии реализовывались на начальных этапах лунных исследований,проводившихся в отдельных странах. В ряде случаев жесткая посадкафактически являлась неудачной мягкой посадкой КА.К настоящему времени полеты к Луне, закончившиеся жесткой посадкой,были реализованы шестью странами: СССР, США, Европейский Союз, Япония,Индия, КНР.

Некоторая информация об этих полетах приведена в табл. 1.1.Звездочками в таблице отмечены неудачные миссии, т.е. запланированныемиссии с жесткой посадкой, в которых цель миссии по той или иной причинене была выполнена.Таблица 1.1Лунные миссии с жесткой посадкой КАСтранаМиссияГоды (год) реализацииСССР«Луна 2, 5*, 7*, 8*, 18*» 1951 -1971«Рейнджер 4*, 6*, 7, 8, 9» 1962 -1965США«Сервейер 2*, 4*»1966 -1967«Lunar Prospector»1999Япония«Hiten»1993Европейский союз «Smart–1»2006Индия«Чандраян-1»2008КНР«Чанъэ-1»2009Миссии с мягкой посадкой. К настоящему времени мягкую посадку налунную поверхность осуществляли автоматические КА трех стран – СССР,США и КНР. Некоторая информация об этих миссиях приведена в табл. 1.2.Таблица 1.2Лунные миссии автоматических КА с мягкой посадкойСтрана МиссияГоды (год) реализацииСССР «Луна-9, 13, 16, 17, 20, 21, 23*, 24» 1966 -1976США «Сервейер-1, 3, 5, 6, 7»1966 -1968КНР«Чанъэ-3»201318Указанные в табл.1.2 советские КА «Луна-16», «Луна-20» и «Луна-24»реализовали доставку лунного грунта на Землю, а аппараты «Луна-17», «Луна21» и «Чанъэ-3» доставили на Луну луноходы.