Автореферат (Формирование облика стенда бросковых испытаний и полномассового макета спускаемого аппарата для полунатурной имитации посадки на Луну в земных условиях)

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темы работы обусловлена требованиями федеральнойкосмической программы РФ на 2016–2025 годы, предусматривающей запускне менее 5 космических аппаратов (КА) для углубленных исследованийЛуны, как с орбиты, так и с ее поверхности. Сложность процессов,происходящих при отработке безопасной посадки КА, требует проведенияполунатурных испытаний, вследствие недостаточной адекватности моделейаналитических исследований. Одним из способов, позволяющих оценитьконструктивные особенности посадочного модуля КА, совместноеиспользование натурного и математического моделирования в рамкахединого стенда полунатурного моделирования мягкой посадки наповерхностьЛуны,методикеразработки,которогопосвященапредставляемая диссертационная работа.Кроме этого анализ публикаций на данную тему и результаты работ,выполненных авторами: О.М.

Алифановым, А.Г. Арутюняном, В.И.Баженовым, В.Н. Бакулиным, В.А. Воронцовым, Е.И. Григорьевым, А.М.Защиринским, В.П. Казаковцевым, В.В. Коряновым, М.И Осиным, К.М.Пичхадзе, П.А. Пономаревым, О.А. Сапрыкиным, В.С. Финченко позволилопределить основные особенности построения стенда и макета спускаемогоаппарата (СА) для полунатурных испытаний, а также пути исследований,направленных на определение общих принципов и методов решенияпоставленной задачи. В работах этих авторов излагались теоретическиеосновы и методы моделирования посадки на поверхность планеты, динамикигрунта, основные принципы методики проведения испытаний в земныхусловиях.Все вышесказанное подчеркивает актуальность выбранной темыдиссертации, в которой была получена методика разработки стендаполунатурного моделирования мягкой посадки на Луну.

Объектомисследования в диссертационной работе выступает маятниковый стендбросковых испытаний для полунатурной отработки динамики посадки СА вземных условиях.Предметом исследования диссертационной работы являетсякомпоновка стенда отработки динамики мягкой посадки.Цель и решаемые задачи диссертационной работы заключаются всоздании методики разработки стенда полунатурного моделирования мягкойпосадки на поверхность планеты.В процессе выполнения диссертационной работы на основе анализапричин возникновения нештатных ситуаций при мягкой посадке предложенаметодика разработки стенда полунатурного моделирования мягкой посадкина поверхность Луны и решены следующие задачи: выбраны основные направления отработки мягкой посадки вземных условиях;3 сформированы требования к средствам наземной отработкипосадки на поверхность Луны; разработана математическая модель движения СА на стенде иповерхности Луны; разработана модель имитации грунта и цифровая модельместности; сформированы критерии оценки различных моделей движенияСА, используемых в разработанной методике. разработана методика построения стенда полунатурногомоделирования для отработки динамики посадки на поверхностьЛуны.Методами исследования, применяемыми в работе, являются методыматематическогомоделирования,программирования,теоретическоймеханики, математического анализа, в качестве методологической основыиспользуется системный подход.

На нем основывается принцип созданиясистемы для проведения полунатурных испытаний. При созданиипрограммно–математическогообеспеченияиспользуютсяобъектно–ориентированные языки программирования мультизадачной операционнойсистемы Windows.Научная новизна результатов. В работе получены следующиерезультаты, обладающие новизной и научной значимостью:1. Обоснована целесообразность использования полномассового макетапосадочного модуля и проведение испытаний с использованиемброскового наклонного стенда.2.

Определены основные параметры стенда бросковых испытаний сучетом необходимости отработки всего спектра линейных скоростей иуглов подхода СА к поверхности Луны.3. Сформированы адаптированные к требованиям исследованияматематические модели динамики макета СА на стенде бросковыхиспытаний и посадочного устройства в момент прилунения, в томчисле с учетом особенностей возможных грунтов в местепредполагаемой посадки.4.

Показано соответствие динамики макета СА на предложенном стендебросковых испытаний и динамики поведения ПУ в момент прилунения5. Определены критические для СА линейные скорости подхода ипространственная ориентация.Практическая значимость диссертационной работы. Результаты,полученные в диссертационной работе, могут найти дальнейшее применениев планируемой Лунной программе, а именно:1. Разработанная методика может быть использована для отработкипосадки ПУ с различными массово–инерционным характеристикам.2.

Все предложенные в работе модели реализованы в виде программно–математического обеспечения позволяющего более эффективно посравнению с существующими аналогами решать задачи отработки4поведения макета СА на стенде бросковых испытаний и посадки ПУ наповерхность Луны.Внедрение результатов работы в учебный процесс для постановкилабораторных работ, курсового и дипломного проектирования, в частностипрограммно-математическое обеспечение моделирования динамики посадкиСА на поверхность Луны и ее имитации в земных условияхДостоверностьрезультатовподтверждаетсяиспользованиемматематических методов и сравнением с результатами, опубликованнымидругими авторами.Основные положения, выносимые на защиту:1.

Методика разработки стенда полунатурного моделирования мягкойпосадки на поверхность Луны. Математическая модель движения СА,математическая модель динамики грунта, цифровая модель местности.2. Методика определения технических характеристик регистрирующейаппаратуры и возможные схемы ее размещения на макете СА. Выполненконечно–элементный анализ макета СА, определивший места установкирегистрирующий аппаратуры и ее технические характеристики.3. Результатыиспользованияпрограммно–математическогообеспечения для отработки динамики посадки на Луну, ее имитации вземных условиях и сравнительный анализ полученных результатов.Апробация работы и публикации.

Результаты работы докладывалисьи получили одобрение на научно–технических конференциях: 19–ойМеждународной научной конференции «Системный анализ, управление инавигация» (Анапа, 2014 г.), 20–ой Международной научной конференции«Системный анализ, управление и навигация» (Евпатория, 2015 г.)Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 3статьях в журналах, входящих в рекомендованный ВАКом МинобрнаукиРоссии перечень изданий, и в 2 работах в сборниках тезисов докладов нанаучно–технических конференциях.Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения,трех глав, заключения и выводов, списка литературы. Объем диссертации140 страниц.

Работа включает в себя 93 рисунка и 3 таблицы. Списоклитературы содержит 49 наименования.СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВ введении определяется цель исследования и описываются методырешения поставленных задач. Описывается структура работы, приводятсясведения о публикациях и апробациях, связанных с работой.В первой главе проводится исследование ранее завершенных миссий смягкой посадкой. Проведен анализ неудачных и частично удачных миссий.Тем самым обосновывается актуальность темы диссертации.Так же описываются основные этапы посадки на поверхность Луны.Основное внимание уделяется участку конечного спуска и вектору состоянияСА на нем.

В качестве исходных данных используются результаты5измерения скорости снижения и высоты в ранее завершенных успешныхмиссиях.При мягкой посадке аппарата на грунт должны выполнятьсяследующие требования:сохранение устойчивого положения аппарата в течение всегопроцесса посадки;отсутствие разрушения амортизаторов и (или) опрокидыванияспускаемого аппарата;обеспечение ориентации аппарата на поверхности планеты послепосадки для штатного функционирования всех его систем.Для успешного выполнения задачи прилунения большое значениеимеет информация о виде и структуре лунной поверхности, и их влиянии надинамику посадки в момент касания. Исследования лунного грунта показали,что основными лунными породами являются:1.

Морские базальты, богатые железом и титаном;2. Материковые базальты, богатые калием, редкоземельнымиэлементами и фосфором;3. Алюминиевые материковые базальты – возможный результатударного плавления;4. Магматические породы, такие, как анортозиты, пироксениты идуниты.Создание надежно функционирующего посадочного амортизирующегоустройства невозможно без проведения целого комплекса исследований,включающего в себя теоретические, экспериментальные, проектные иконструкторские работы.Задачей испытательного стенда является проведение в наземныхусловиях исследований устойчивости космического аппарата при посадке,оценке действующих на него перегрузок и выбор оптимальной конструкциипосадочного устройства, а также отработки его энергопоглощающихэлементов.В основе стенда лежит система разгрузки.

Способы разгрузкинатурного макета, применяемые для достижения задачи успешногоприлунения, являются сложными, с технической точки зрения, системами имогут быть реализованы различными конструктивными средствами,относящимися к двум следующим группам: разгрузка при помощи специальных реактивных двигателей,устанавливаемых на макете (создание бесстендовых летающих макетовПА); разгрузка при помощи стендовых механизмов, состоящих из следящегоподвижного устройства с разгружающим приспособлением (созданиестендовых натурных макетов ПА).Первый вариант разгрузки позволяет получить наибольшую точностьимитации посадки.

Однако для того, чтобы в качестве СА можно былоиспользовать натурный макет, необходимо установить на него не один6разгружающий двигатель, а несколько с суммарным вектором тяги,проходящим через центр масс системы.В рамках диссертационный работы рассматривался вариант разгрузкипри помощи стендовых механизмов, который является наиболее приемлемымс точки зрения стоимости и большого числа проводимых испытаний. Вкачестве прототипа выбран наклонный стенд бросковых испытаний,выполненный в соответствии со схемой, предложенной на рисунке 1. Макетспускаемого аппарата подвешенный на тросе, осуществляет соприкосновенияс наклонной поворотной платформой с имитатором грунта луннойповерхности.