Диссертация (Формирование облика стенда бросковых испытаний и полномассового макета спускаемого аппарата для полунатурной имитации посадки на Луну в земных условиях), страница 2

Определены основные параметры стенда бросковых испытаний с учетомнеобходимости отработки всего спектра линейных скоростей и угловподхода СА к поверхности Луны;3. Сформированыадаптированныектребованиямисследованияматематические модели динамики макета СА на стенде бросковыхиспытаний и посадочного устройства в момент прилунения, в том числес учетом особенностей возможных грунтов в месте предполагаемойпосадки;4. Показано соответствие динамики макета СА на предложенном стендебросковых испытаний и динамики поведения ПУ в момент прилунения;5. Определены критические для СА линейные скорости подхода ипространственная ориентация.Практическаязначимостьдиссертационнойработы.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 отработки8поведения макета СА на стенде бросковых испытаний и посадки ПУ наповерхность Луны.Достоверностьрезультатовподтверждаетсяиспользованиемматематических методов и сравнением с результатами, опубликованнымидругими авторами.Основные положения, выносимые на защиту:1.

Методикаразработкикомплексногостендаполунатурногомоделирования мягкой посадки на поверхность планеты.2. Методика определения технических характеристик регистрирующейаппаратуры и возможные схемы ее размещения на макете СА.3. Результатыиспользованияпрограммно–математическогообеспечения для отработки динамики посадки на Луну, ее имитации в земныхусловиях и сравнительный анализ полученных результатов.На защиту выносятся следующие положения и результаты, полученныев диссертационной работе:1. Методика разработки стенда полунатурного моделирования мягкойпосадки на поверхность планеты.2.Результатыиспользованияпрограммно–математическогокомплекса по отработке мягкой посадки.3.Предполагаемый облик макета для проведения испытаний.Обзор литературы по данной тематике показал, что существуетдостаточное количество работ, в которых описывается как отдельныеразличные посадки.Так,вработахСогомонян А.Я,Исаева А.Л.,Велданова В.А.,Маркова В.А., Пусева В.И., Ручко А.М., Сотского М.Ю., Федорова С.Врассматриваются методики определения напряжения возникающего наповерхности недеформируемого ударника при проникании в деформируемыесреды.9В работах Корянова В.В.

рассматривается комплексное решениежесткой посадки на платы, приводится математическая модель движенияаппарата и методика расчета силы сопротивления грунта.ВработеБаженова В.И.,Осина М.И.авторамиприводятсяматематические модели движения СА при посадке, а так же предлагаютсявозможные методики испытания макета аппарата в земных условиях.В работах [39-49] приводится описание существующих программныхпакетов, позволяющих определять напряженно–деформируемое состояниеотдельных узлов конструкции и изменения геометрии тела при действии нанегодинамическойметодическойнагрузки,литературыдлятакжеприводитсяиспользованияпереченьданныхучебно-программныхкомплексов.Основное внимание в диссертационной работе уделено описаниюстендовой отработки заключительного этапа посадки СА, а именно, процессстолкновениясповерхностьюЛуныпослевыключениятормозныхдвигательных установок.

В качество прототипа обосновано выбираетсянаклонный стенд бросковых испытаний.Наклонный стенд бросковых испытаний полномассового макетапредназначен для экспериментального изучения процесса мягкой посадкикосмическихаппаратовсвободнопадающейнаЛунунатурноподобнойидругиемодели.планетыспомощьюИспытательныйстендпозволяет провести в наземных условиях исследование устойчивостикосмического аппарата при мягкой посадке, оценить действующие на негоперегрузки, выбрать оптимальную по массе конструкцию посадочногоустройства и отработать его энергопоглотительные элементы. Применениесменного грунта, имитирующего поверхностный слой Луны, существеннорасширяет возможности стенда.10Рисунок В.1.

Наклонный стенд.Наклонный стенд имеет наиболее простую форму конструкции исостоит из следующих элементов: поворотнаяплатформасимитаторомгрунтапланетыивозможностью изменения угла наклона между нормалью к поверхностиплатформы и плоскостью горизонта; маятниковая система подвеса макета с возможностью изменятьугол отклонения линии подвеса макета СА от вертикальной плоскости; система сброса модели с возможностью варьировать степеньотклонения макета спускаемого аппарата от точки соприкосновения споверхностью; блочно–подвесной механизм с возможностью перемещения точкиподвеса в горизонтальной плоскости, что позволяет компенсировать силы,возникающие при перемещении макета как по площадке с грунтом, так иперпендикулярно к ней в момент отскока.11Рассмотрим схему применения стенда.

Перед испытанием макетпомещают на посадочную площадку, силовые тросы натягивают с помощьюлебедок и канатов. Затем макет поднимают на расчетную высоту,обеспечивающую необходимую вертикальную скорость падения макета, изакрепляют на опорном тросе. В этом положении разгружающее макет усилиенесколько снижается. Сброс макета производится после срабатывания отцепаподвески.

По мере падения макета сила разгрузки увеличивается, достигаянеобходимой величины в момент контакта опор макета с поверхностью. Вовремя этого контакта возникают колебания в величине силы разгрузкивследствие инерционности силовых тросов. Такие колебания имеют место втечение всего процесса посадки макета.В качестве поверхности посадки использовалась жесткая массивнаяплатформа, которая покрывается имитатором грунта для получениянеобходимого коэффициента трения.Следуетотметитьсущественноевлияниеветранавеличинугоризонтальной посадочной скорости натурного макета. Так, при ветре,достигающем 4,5 м/с, отклонения в величине горизонтальной скорости можетбыть весьма значительным.Подвижныйблочно–подвесноймеханизмстендаперемещаетсяавтоматически вслед за маневрирующим макетом, обеспечивая с помощьюследящей системы постоянную вертикальность тросов подвески и разгрузкумакета СА.Несравненным достоинством данного стенда является простота егоконструкции и оптимальная точность результатов при моделированиипосадки.Такимобразом,отработкузаключительногоэтапапосадкипредполагается провести на наклоном стенде маятникового типа дляполунатурного моделирования.

Натурное моделирование в общем случаепредполагает наличие макета СА и системы разгрузки для имитацииускорения свободного падения на выбранной планете. При создании макетов12СА существуют различные подходы, которые в конечном итоге сводятся либок использованию макетов, имеющих массово–инерционные характеристикиреального СА, либо к использованию масштабирования изделий. Это в своюочередьнакладываетопределенныетребованиякконструктивнымхарактеристикам стенда.В работе предлагается использовать первый подход, а в качестве стенда–маятниковыйстендбросковыхиспытаний,такжепредлагаетсяпринципиальная схема броскового стенда отработки динамики посадки, атакже рассчитываются его основные конструктивные параметры (высотаточки подвеса, положение и наклон площадки, имитирующей поверхностьЛуны и др.).Предлагаемый бросковый стенд для отработки непосредственно самойпосадки СА имитирует финальный этап посадки на планету – свободноепадение СА после момента отсечки двигателя [4].

При этом для макетов СА,используемых на стенде характерно точное соответствие с оригиналом толькопо конструкции посадочного устройства и по основным массово–инерционным параметрам. Поэтому прочие элементы конструкции СА(приборный отсек, двигатели, различные системы, аппаратура и т. д.)моделируются лишь по своей массе [4]. Все это существенно упрощаетконструкцию макета, позволяя в то же время провести экспериментальныеисследования различных схем натурных посадочных устройств, влияния наустойчивостьприпосадкемассово–инерционныххарактеристикСА,конструктивных параметров посадочного устройства (ПУ) и условий мягкойпосадки, оценить потенциальные опасности для полезного груза СА(опрокидывание, перегрузки, разрушение конструкции), возникающие приаварийных ситуациях, – т.е.

полностью отработать мягкую посадку СА,устранив влияние масштабного эффекта на результаты испытаний, имеющееместо при использовании динамически подобных моделей.13Рисунок В.2 Посадочное устройство СА.Стенд должен обеспечивать проведение испытаний по отработкединамики посадки при следующих условиях:•масса макета посадочного модуля от 520 до 850 килограмм (взависимости от комплектности);•изменениевертикальнойсоставляющейскоростиподходаполномассового макета;•изменение горизонтальной составляющей скорости подходаполномассового макета;•изменение угла подхода между продольной осью макета ивертикалью к поверхности;•изменение ориентации опор макета относительно векторагоризонтальной составляющей скорости.14При проведении наземных экспериментальных исследований мягкойпосадки обычно производятся измерения и регистрация следующихпараметров:угловтангажа,крена,рыскания(ориентациямодели);вертикальных и горизонтальных перегрузок (в центре масс модели и на всехопорах ПУ); давления топлива на стенки модельных баков; угловых ускоренийи скоростей вращения модели; деформаций опорных энергопоглотителей;напряжений в элементах конструкции ПУ модели.15ГЛАВА.

1.ИССЛЕДОВАНИЕ ПОСАДКИ СПУСКАЕМОГОАППАРАТА НА ПОВЕРХНОСТЬ.Для успешного выполнения задачи посадки на Луну большое значениеимеет структура и вид лунной поверхности. Множественные исследованияпоказали, что наиболее часто встречающимися лунными породами являются:1) алюминиевые материковые базальты;2) материковые базальты, богатые редкоземельными элементами,камнем и фосфором [50];3) морские базальты, богатые железом и титаном [50];4) магматические породы, такие, как пироксениты, анортозиты и дуниты[50].1.1.Состав лунной поверхностиПоверхность Луны покрыта тонким слоем породы, называемой«реголит». Реголит состоит из фрагментов основной породы и стекла,образовавшихся из основных типов пород.

Лунные породы не полностьюсхожи с земными породами. Образцы брекчии были доставлены на Землюпосле работ, проведенных космическими экипажами [50].Моря занимают 16% поверхности Луны – это темные базальтовыеравнины с редкими кратерами, расположенные в региональных понижениях,обычно в округлых впадинах лунных бассейнов. Кроме темных базальтовыхморей, на материках присутствуют и более древние лавовые поля сосветленной поверхностью, вероятно, перекрытой тонкими чехлами выбросовиз позднейших ударных бассейнов и кратеров. Относительно молодыеударные мелкие кратеры пробивают эти чехлы и выносят на поверхностьтемный материал, например, в районе кратеров Шиллер и Варгентин, вокрестностях Моря Нектара и др [50].На поверхности Луны ударные кратеры занимают доминирующееположение, заполняя весь диапазон размеров от микрократеров до структур споперечниками 150 –300 км.16Моря лежат ниже уровня материковой поверхности.