Лазарев Ю.Н. Управление траекториями аэрокосмических аппаратов (2007) (1246773), страница 7
Текст из файла (страница 7)
Общие вопросы управления траекториями___________________________________________________________________________________________________________при отсутствии ограничений траектория резко несимметричнаотносительно точки выравнивания (нижней точки атмосферногоучастка), сначала траектория более крутая, а к моменту вылета изплотных слоёв атмосферы становится более пологой;основной поворот плоскости орбиты всегда реализуется в окрестности минимальной высоты полёта, при этом величина углаатаки такова, что аэродинамическое качество имеет максимальноезначение, а угол крена зависит от требуемого угла поворота плоскости орбиты;потери скорости на атмосферном участке траектории пропорциональны отношению потребного угла поворота плоскости орбиты к значению максимального располагаемого аэродинамическогокачества;при наличии ограничений оптимальная траектория в общемслучае состоит из участков движения по ограничениям и внутридопустимой области;при минимизации суммарных энергетических затрат показано,что наименьшее значение характеристической скорости реализуется при входе летательного аппарата в атмосферу с возможно меньшими значениями модуля угла наклона траектории.Таким образом, для аэрокосмических аппаратов наиболее полно исследованы оптимальные траектории спуска в атмосфере и рикошетирующие траектории, менее полно − траектории поворотаплоскости орбиты в атмосфере и суборбитальные траектории.
Актуальной остаётся задача формирования номинального многоканального управления, удовлетворяющего ограничениям на режимыдвижения в атмосфере и пригодного для использования в качественачального приближения командного управления.1.2.3. Задачи командного управления. Большое количествоисследований и разработок посвящено различным вопросам управления траекториями спускаемых аппаратов в атмосфере в реальномвремени.
Приведём основные результаты разработок алгоритмовкомандного управления аэрокосмическими аппаратами.Методы формирования командного управления разделяются наметоды управления, использующие номинальные траектории, методы с прогнозированием траектории и точки посадки и комбинированные методы, использующие как номинальную траекторию,так и прогнозирование реального движения.31Лазарев Ю.Н.
«Управление траекториями аэрокосмических аппаратов»___________________________________________________________________________________________________________Методы, использующие номинальные траектории, разделяютсяна методы, основанные на отслеживании номинальной траектории,и методы, использующие коэффициенты влияния. В обоих случаяхпредварительно, до начала процесса управления, вычисляются основные параметры движения для расчётных условий входа аппарата в атмосферу, номинальных характеристик летательного аппаратаи стандартной атмосферы, которые хранятся в бортовом запоминающем устройстве. Информация об отклонениях параметров отноминальных значений используется для формирования управляющих корректирующих воздействий либо возвращающих аппарат на номинальную траекторию (методы отслеживания номинальной траектории), либо для его перевода на новую траекторию, приводящую аппарат в заданный район посадки (методы управления спомощью коэффициентов влияния).Методы управления, использующие номинальные траектории,просты в реализации и не предъявляют высоких требований к бортовой вычислительной системе.
Эти методы обеспечивают достаточную точность выполнения целевой задачи и хорошее качествоуправления движением, как правило, при небольших отклоненияхпараметров траектории от номинальных значений. Возможностиметодов, использующих номинальные траектории, значительнорасширяются в случае использования переменных коэффициентоввлияния.Для спускаемого аппарата с несущим корпусом в [108] исследован алгоритм одноканального управления.
Корректирующие добавки к номинальной зависимости угла крена вычисляются в зависимости от разности между измеряемыми значениями параметров иих значениями для номинальной траектории. К особенностям данного подхода относится неопределённость в выборе числа и моментов времени проведения коррекций управления, а также необходимость введения аппроксимации для параметров управляющей зависимости при изменении характеристик предспусковой орбиты.Методы управления, основанные на прогнозировании траектории, разделяются на методы с прогнозированием на основе численного интегрирования уравнений движения в ускоренном масштабевремени и на методы с прогнозированием в замкнутой форме поаналитическим решениям уравнений движения. Прогнозированиена основе численного интегрирования уравнений движения преду32Глава 1.
Общие вопросы управления траекториями___________________________________________________________________________________________________________сматривает использование бортовой вычислительной системы сбольшой памятью и высоким быстродействием. Прогнозирование взамкнутой форме основано на функциональных зависимостяхуправляемых переменных (например, продольной и боковой дальностей полёта, угла пути и других) от текущих параметров движения.
В целом управление с прогнозированием траектории движенияобеспечивает гибкость управления и позволяет осуществить эффективное управление аэрокосмическим аппаратом в широком диапазоне условий полёта.В [57] рассмотрено одноканальное (по углу крена) управлениеспуском аэрокосмического аппарата. Заданная продольная дальность спуска выдерживается за счёт соответствующего выбора модуля угла крена, а угол пути и боковая дальность − за счёт изменения знака угла крена (перекладок по крену).
Решена задача о минимальном числе перекладок при нефиксированном значении конечного угла пути, показано, что для практически реализуемого уровнядействующих возмущений оно не превышает четырёх. Предложеналгоритм осуществления перекладок при решении задачи об управлении траекторией аппарата при фиксированном значении конечного угла пути.В работах [33, 72, 99, 102, 119, 128, 142] приведены основныерезультаты исследований аэродинамики, динамики и управлениядвижением в атмосфере, а также вопросы управления при аварийном спасении экипажа орбитального корабля многоразового использования «Буран».Методы прогнозирования траектории спуска в атмосфере рассмотрены в [128]. До высоты 40 км орбитальный корабль управляется автономной инерциальной системой наведения.
На этом участке траектории спуска при формировании командного управленияиспользуются результаты априорного прогноза, который включаетрасчёт номинальной траектории до начала спуска и ее уточнениепосле исполнения тормозного импульса.Ниже высоты 40 км после восстановления радиосвязи осуществляется радионаведение по маякам, расположенным вблизи аэродрома. На участке спуска между высотами полёта 40 км и 20 км спомощью методов оперативного прогноза выполняется несколькопоследовательно уточняемых прогнозов траектории. Для контроляреальной траектории спуска используются области допустимого33Лазарев Ю.Н.
«Управление траекториями аэрокосмических аппаратов»___________________________________________________________________________________________________________манёвра, которые строятся заранее. Первая область располагается вначале участка предпосадочного маневрирования на высоте 20 км.Заключительный участок спуска от высоты 40 км до высоты 20 кмдля штатного варианта и для манёвра возврата подробно рассмотрен в [102].В работе [99] описано управление спуском в атмосфере орбитального корабля «Буран». Управление движением центра массосуществляется изменением полного вектора аэродинамическихсил.
Зависимость угла атаки задается в виде функции текущего значения числа Маха, поэтому управление движением центра масс орбитального корабля практически осуществляется изменением скоростного угла крена, модулем которого задаётся движение в продольном направлении (вертикальная составляющая подъёмной силы), а знак выбирается таким, чтобы горизонтальная составляющаяподъёмной силы приводила к уменьшению текущего бокового промаха.Текущими управляемыми параметрами являются оставшаясядальность спуска и угловой промах по направлению.
Управлениедвижением в продольном направлении происходит на базе формирования и отслеживания попадающей траектории, для которой прогнозируемая дальность соответствует действительной оставшейсядальности и которая обеспечивает приведение орбитального корабля в заданную конечную область на высоте 20 км. Попадающаятраектория формируется в виде программной зависимости продольной перегрузки от скорости, то есть программы торможения,что позволяет учитывать все ограничения, накладываемые на параметры движения, определять прогнозируемую дальность спуска поаналитическим соотношениям без интегрирования на борту уравнений движения.Высокая надёжность системы управления спуском в атмосфереорбитального корабля «Буран» была подтверждена в беспилотномполёте с полной автоматизацией всех динамических операций.В работах [96, 136, 138] рассмотрены алгоритмы управленияспуском орбитального корабля транспортной космической системы«Спейс шаттл», основанные на использовании прогноза профилятраектории в плоскости «перегрузка-скорость» и решении соответствующей обратной задачи динамики полета.
Управление полётом34Глава 1. Общие вопросы управления траекториями___________________________________________________________________________________________________________производится так, чтобы выдерживалась расчётная зависимостьпродольного ускорения от скорости полёта или от энергии.Система управления на основании информации о потребной ипрогнозируемой дальности до места посадки аналитически вычисляет программу управления аэродинамическим сопротивлением.Программные значения аэродинамического сопротивления сравниваются с текущими значениями, их рассогласование определяетуправляющее воздействие.Проведённое предполётное математическое моделирование ипослеполётные анализы состоявшихся запусков орбитальных кораблей транспортной космической системы «Спейс шаттл» показали хорошее качество процесса управления траекторией спуска ватмосфере [96, 120].В монографии [110] разработан многошаговый алгоритмуправления космическим аппаратом при входе в атмосферу с прогнозированием параметров движения, который позволяет регулировать отклонения как в продольном, так и в боковом направлениях.В основу алгоритма решения задачи управления движением центрамасс положен метод параметризации опорной зависимости углакрена с помощью модулирующих функций.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
