Диссертация (Формирование облика стенда бросковых испытаний и полномассового макета спускаемого аппарата для полунатурной имитации посадки на Луну в земных условиях), страница 4

Схема макета СА (а) и схема механизма разгрузки (б)Рассмотрим 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.24Следуетотметитьсущественноевлияниеветранавеличинугоризонтальной посадочной скорости натурного макета. Так, при ветре,достигающем 4,5 м/с, отклонения в величине горизонтальной скорости можетбыть весьма значительным.Несравненным достоинством данного стенда является простота егоконструкции и оптимальная точность результатов при моделированиипосадки.1.2.6.

Сравнительный анализ стендов бросковых испытанийДля осуществления выбора оптимальной схемы стенда бросковыхиспытанийполномассовогомакета,максимальноподходящегодлявыполнения задачи моделирования посадки СА на поверхность Луны,проведемсравнительныйанализрассмотренныхстендовбросковыхиспытаний (смотри таблицу 1.1).Таблица 1.1 Сравнительный анализ стендов№1.Наименование стендаДостоинстваНедостаткиМаятниковый стендПростота конструкции.Стендбросковых испытанийВозможностьпредназначен дляосвобождения макета от моделированиямеханизма фиксациидинамики посадкимаятника.на динамическиподобных моделях.2.LAMA – стендРоботизированныйВысокаяотработки посадки имеханизм, которыйстоимость.планетоходовобеспечиваетСложнаяперемещение объекта на конструкциязаданную поверхность.стенда.

Отсутствиесистемыобезвешивания.253.4.2-х координатныйПростота конструкции.Отсутствиестенд бросковыхвозможностииспытанийдвижения аппаратаполномассовогов 3-х мерноммакетапространстве.3-х координатныйНаличие разгружающейВ силу сложностистенд бросковыхсистемы точнойподвеснойиспытанийвертикальнойконструкции, неполномассовогостабилизациипредставляетсямакетаразгружающего троса ивозможнымвозможностьреализоватьосуществлять движениеимитацию силыпо 3-м координатам.тяжести на Луне.Нет возможностиотслеживатьпараметры макетаСА после отскока.5.Наклонный стендНе высокая стоимость.Натяжение троса,бросковых испытанийНаиболее простаяне возможностьполномассовогоконструкция.рассмотреть всемакетаварианты посадкиНаклонный стенд бросковых испытаний полномассового макетанаиболее полно соответствует требованиям, предъявленным для решениязадачи моделирования посадки спускаемого аппарата на поверхность Луны.

Аименно за счет контакта макета СА и наклонной поверхности с имитаторомгрунта стенд бросковых испытаний полномассового макета осуществляетмоделирование посадки с силой тяжести такой же, как и на поверхности Луны.Реализация блочно-подвесного механизма дает возможность компенсировать26все «лишние» силы, возникающие при имитации посадки СА на луннуюповерхность с отскоком. Так же наклонный стенд за счет простотыконструкции предоставляет возможность наиболее полно просчитать всевозможные варианты посадки на заданную поверхность.1.3.Требования к стенду наклонных испытанийТаким образом, на основе проведенного сравнительного анализа былопринято решение принять для дальнейшего анализа наклонный стендбросковых испытаний полномассового макета.

Для решения задачи опространственном движении СА необходимо выполнение двух численныхпроцессов [23]:1.Вычисление всех силовых факторов, действующих на тело, вовремя движения тела [23];2.Решения системы дифференциальных уравнений, в интервалевремени, начинающегося с момента касания тела и заканчивающего в моментполной останови СА [23].Алгоритм работы программы представлен в блок-схеме (рисунок 3.1) изаключается в последовательном выполнении следующих действий [23]:1.Ввод начальных условий движения аппарата [23];2.Разбиение опор аппарата на малые поверхности, для вычислениянормального и касательного сопротивлений [23];3.Начало цикла[23];4.Вычисление нормальных и касательных скоростей[23];5.Определение силовых факторов, действующих на каждуюплощадку опоры аппарата, вступившую в контакт с грунтом [23];6.Определение суммарных силовых факторов, действующих наопоры [23];7.Проверка условия полной остановки аппарата [23];8.Конец цикла [23];9.Вывод результатов [23];2710.Конец [23].Рисунок 1.6.

Принципиальная блок-схема решения задачиОсновнаязадачастенда–обеспечитьсиловыевозмущения,действующие на макет посадочного модуля, которые будут действовать наспускаемый аппарат в реальных условиях посадки на поверхность Луны.Основным из возмущений является гравитационное воздействие Луны. Будемсчитать, что стенд выполнен в соответствии со схемой, предложенной нарисунке 1.5.

Для удобства имитирования лунного ускорения допускаем, чтомы можем гарантировать только дециметровую точность точки подвеса иудаления площадки имитирующий грунт от точки равновесия.Исходя из требований к испытаниям по отработке динамики посадки:задачу исследования можно сформулировать следующим образом: разработать математические модели движения СА на заключительномэтапе посадки на поверхность Луны и выявить наиболее критические28условия для их отработки с помощью стенда полунатурногомоделирования; разработать математическую модель движения макета СА на стендебросковых испытаний и определить возможность имитации на немкритических условий посадки; предложить вариант модификации прототипа (параметры и компоновкастенда, а также места расположения регистрирующей аппаратуры) сцелью обеспечения имитации максимально возможного наборакритических условий посадки; предложить критерии и исследовать соответствие поведения макета примоделировании движения на стенде и в момент посадки на поверхность.При разработке стенда полунатурного моделирования мягкой посадкина поверхность Луны предлагается использование следующий методики:1.

Проведение математического моделирования мягкой посадки СА наЛуну и определение критических скоростей и углов подхода, которыеприведут к разрушению или опрокидыванию СА.2. Определение размеров стенда для имитации всех благоприятныхсходов посадки и математическое моделирование имитации мягкой посадки,для определения реализуемости эксперимента и последующей возможнойкорректировки облика стенда.3. Сравнительный анализ результатов математического моделирования.4. Оценка применимости предложенных математических моделей иопределению на макете мест установки регистрирующей аппаратуры, сиспользованием CAE–комплексов моделирования. Определение конечногооблика стенда.1.4.ОсновнымВыводы по разделурезультатомпервойглавыявляетсяпровеянныйсравнительный анализ стендов бросковых испытаний с целью выявлениянаиболее подходящего прототипа для дальнейших исследований.291.

Выявлено что при формировании облика стенда бросковыхиспытаний необходимо особое внимание уделить следующим факторам:• Наличие значительной составляющие горизонтально скоростиподхода к поверхности (более 1,5 м/с);• Варьированию, помимо углов тангажа и рысканья, угла крена макетаСА;• Возможности опрокидывание, заключающейся в повороте вокруглюбой оси, кроме продольной СА на 180°;• Возможности разрушение конструкции, превышение значенийдопустимой нагрузки на амортизаторы аппарата.2. Из рассмотренных стендов бросковых испытаний в качествепрототипа выбран наклонный стенд маятникового типа, как более точноимитирующий возможные варианты развития событий, а также позволяющийизбежать разгрузки макета СА для имитации лунного ускорения свободногопадения.3.

Определены дальнейшие направления исследования в работе: разработка математических моделей движения СА при посадке иимитации на стенде; реализация математических моделей в виде специализированногопрограммного обеспечения; проведение расчетов и определение параметров и компоновки стендабросковых испытаний, а также мест расположения регистрирующейаппаратур.4. Для формирования облика стенда бросковых испытаний необходимопроведение математического моделирования процесса касания, выявлениекритических параметров вектора состояния СА и способов их имитации настенде, что предполагает формирование двух математических моделей –модель динамики СА на Луне и на стенде.30ГЛАВА.

2.ФОРМИРОВАНИЕ ОБЛИКА СТЕНДАБРОСКОВЫХ ИСПЫТАНИЙДляимитациипосадкинеобходимопровестиматематическоемоделирование и уделить внимание факторам существенно влияющих навозникновение нештатных ситуаций.С целью проведения исследований в работе вводятся системыкоординат, формируются уравнения движения СА при посадке на Луну иуравнения движения макета при имитации посадки на стенде, проводитсяматематическое моделирование прилунения СА, определяются критическиепараметры посадки СА, которые приводят к нештатным ситуациям иопределенны параметры испытательного стенда.2.1.Системы координатДля исследования динамики посадки используются две системыкоординат (СК)[4]:1.Инерциальная СК (рисунок 2.1), ONX’NY’NZ’N, связанная споверхностью планеты.

Оси ONX’N и ONZ’N лежат в плоскости поверхностипосадки, причем ось ONX’N совпадает с направлением максимальногонаклона поверхности, ось ONY’N с направлением местной нормали [16];2.Подвижная СК (рисунок 2.1), жестко связанная с аппаратомOXYZ: начало СК в центре масс аппарата, оси совпадают с главнымицентральными осями инерции СА берутся с учетом особенности луннойповерхности. Для моделирования этапа прилунения требуется использованиеэкспериментальных методов исследований, поэтому в работе применяютсядве системы координат [4]:31а)б)Рисунок 2.1 Инерциальная СК (а) и связная система координат (б)Для перехода от неподвижной системы координат СК OXYZнеобходимо выполнить три поворота на углы крена , рысканья  и тангажа [2],[9],[20]:1.Повернем неподвижную СК на угол  вокруг оси OZ (рисунок 2.2)так, чтобы ось ONXN оказалась в плоскости OXZ, полученную промежуточнуюсистему обозначаем ONX’Y’Z’;2.Поворачиваем промежуточную систему на угол рысканья  вокругоси OY’, совместив ось ONX’ с осью ONXN, полученную систему назовемONX”Y”Z”;3.