Алексеев К.Б., Бебенин Г.Г., Ярошевский В.А. Маневрирование космических аппаратов (1970)

УЛК 629.76.015.076.66: 525.7 Книга знакомит читателя с теорепшескими основами и методами расчета траектории маневра космического аппарата при выполнении операции встречи на орбите, при полете и посадке на Луну, межпланетных полетах и при спуске на Землю. Рассмотрены уравнения движения космического аппарата, способы изменения параметров орбитального движеняя под действием импульоной и непрерывной тяг, а также возможные принципы построения систем управления траекторией снижения космического аппарата. Приведены методы измерений параметров траекторий и метод дифференциальной коррекции для определения величины коррентируюгцих импульсов. Книга рекомендуется пни!енерам и может быль использована студентами агузов.

Табл. 16. Иллюстр. 192. Библ. 130 назв. Рецензент канд. техн, наук Н, В, Соловьев Научный редактор канд. техн. наук Г. Н. Кашин Кир Борисович Алексеев, Геннадий Георгиевич Бебенин, Василий Александрович Ярошевский МАНЕВРИРОВАНИЕ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ Художник И. Г. Дворников Корректор и. И. Караммшя«ча Редактор Е. В. Сербиновская Техн.

редактор А. Д. Двбинсказ Издательство «Машиностроение», Мосина, К-51, Петровка, 24 Мосновская типография № 5 Главполиграфярама Комитета по печати при Совете Министров СССР, хохлавскнв пер., 7. тип. зак. 5нм 2-6.5 202-70 Г.72596 Слаио в набор вп 1970 г Подписана в печать 21ДУ 1970 г Формат бох90йа Печ. л. 26 Уч.-изд. л.

25Д0 Бу .;. 1З Бумага № 1 Тираж 5500 зкз. эак. Цена 2 р, 26 к. Тем. план 1970 г, № 202 Предисловие Проблема маневрирования космических летательных аппаратов находит все более широкое освещение на страницах совет ской и зарубежной периодической печати. Обобгценис и систематизация этих материалов в свете последних достижений в области освоения космоса позволяет изложить основы теории маневрирования космических аппаратов и показать применение этой теории к решению таких важных для практики задач, как встреча и стыковка аппаратов на орбите, сход с орбиты, сниже.

нне и посадка аппарата в заданный район поверхности планеты. Решение каждой из указанных задач должно быть оптималь. ным в том или ином смысле. В одних случаях показателем оптимальности служат энергетические затраты, необходимые для осуществления маневрирования, в других — таким показателем является точность выполнения маневра, в третьих — оба показателя одновременно.

Вопросы оптимального маневрирования затронуты в данной книге применительно к тем задачам, решение которых удается получить в виде конечных аналитических выражений. В какой-то мере такой подход к проблеме оптимальности ограничивает возможности обеспечения требований, предъявляемых к системам управления космических аппаратов.

Однако на начальном этапе проектирования таких систем приведенные в книге приближенные формулы илн оценки могут оказаться весьма полезными. Основное внимание в книге уделяется исследованию динамики управляемого движения аппарата при встрече и сближении на орбите, при входе в атмосферу и межпланетных полетах, а также построению систем управления с учетом технической возможности их реализации. Это объясняется актуальностью затронутых вопросов и тем интересом, который проявляется к ним в настоящее время со стороны широких инженерных кругов. В книге освещены различные аспекты общей проблемы маневрирования. В частности приводится анализ требований к ма. невру разгона межпланетного корабля, обеспечивающему его перевод с промежуточной орбиты спутника Земли на оптимальную орбиту перелета к планете.

Рассматриваются задачи оптимальных алгоритмов выполнения корректирующих маневров на участке перелета с учетом неполной информации о движении аппарата, общие характеристики и классификация типов траекторий входа в атмосферу с учетом подьемной силы, создаваемой аппаратом, максимальных пере. грузок и тепловых потоков, которые возникают в процессе входа его в атмосферу. Предлагаются приближенные уравнения движения космического аппарата при входе в атмосферу, позволяющие провести сравнительное исследование различных траекторий.

Анализируются различные системы управления, предназначенные для обеспечения посадки аппарата в заданном районе Земли или другой планеты. Обсуждаются варианты систем управления космическими аппаратами на участке входа в атмосферу с учетом характера используемой информации и сложности реализации систем. Книга предназначена для инженеров и научных работников, специализирующихся в области управления полетом космических аппаратов. Она может быть также полезна студентам старших курсов соответствующей специальности. Гл. 1 — ГЧ и ~ 5.

1 и 5. 2 гл. У написаны К. Б. Алексеевым и Г. Г. Бебениным, З 5, 3 — 5. б гл. Ч, а также гл, Ч1, Ч11 и приложение — В. А. Ярошевским. Авторы выражают благодарность Ю. А. Демьянову„Ц. В. Соловьеву и Г. Н. Кашину, сделавшим ряд ценных замечаний, ко. торые были учтены при подготовке рукописи к печати. Введение Для проведения исследований космического пространства и осуществления полетов к Луне и планетам солнечной системы необходимо решить ряд технических проблем. Одной из таких проблем является задача обеспечения управления движением космического аппарата. Функции управления исключительна многообразны, они включают в себя и ориентацию аппарата в пространстве, и необходимое изменение траектории полета, и осуществление посадки на поверхность небесного тела и т.

п. По мере развития космической техники и усложнения про. грамм научных исследований роль управления неуклонно возрастает. Действительно, для успешных полетов космических кораблей типа «Восток» (СССР) и «Меркурий» (США) было достаточно обеспечить их определенную ориентацию при включении тормозного двигателя. Существенное изменение орбиты производилось космическими аппаратами типа «Полет» (СССР).

На пилотируемых кораблях «Джемини-6» и «Джемини-7» (США) в ходе полета было выполнено ручное управление сближением на орбите. Принципиально по-иному решалась задача в полете аппаратов «Космос-186» и «Космос-188», а также «Космос-213» и «Космос-214» (СССР). После вывода их на заданную орбиту радиотехническая измерительная аппаратура корабля «Космос-186» осуществила автоматический поиск корабля — цели «Космос-188», а затем с помощью автоматической системы управления было произведено сближение кораблей и их стыковка. В зтом зксперименте, произведенном впервые в космическом полете, возникла необходимость в достаточно точном определении орбит кораблей, параметров относительного их движения, пред- полагаемого момента встречи и момента включения двигательных установок с последующим управлением величиной и направлением создаваемой ими тяги.

Любой эксперимент в космосе, проводимый с участием человека, связан с надежным решением задач снижения и посадки аппарата на Землю. При решении этой задачи возникают принципиально новые трудности, обусловленные воздействием на аппарат больших аэродинамических сил и тепловых потоков на участке входа в плотные слои атмосферы. Поэтому система управления движением аппарата должна обеспечить как посадку аппарата в заданный район Земли, так и приемлемый динамический и тепловой режимы на участке спуска.

Сложные проблемы управления решались при полете и стыковке космических кораблей «Союз-4» и «Союз-5» и при групповом полете и многократном маневрировании трех космических кораблей «Союз-б», «Союз-7» и «Союз-8». Большое значение вопросы управления имеют при полетах на Луну. Одной из задач управления в таких полетах является мягкая посадка на лунную поверхность. Следует отметить следующие особенности ее решения в техническом отношении.

На Луне нет атмосферы, которая могла бы затормозить движение космического аппарата, приближающегося к ее поверхности со скоростью порядка 2,5 км/век. Поэтому единственная возможность осуществления мягкой посадки состоит в исключительно точном управлении тягой тормозного ракетного двигателя космического аппарата, так как снижение скорости аппарата до единиц метров в секунду должно быть выполнено таким образом, чтобы конец торможения совпал с его приближением к поверхности Лупы. Впервые мягкая посадка на поверхность Луны была осуществлена советской автоматической станцией «Луна-9». Характерно, что успешное проведение этого эксперимента стало возможным благодаря применению системы управления, основанной на сочетании быстродействующих и точных управляющих автоматов с совершенными измерительными устройствами.

Роль этих устройств возрастает при коррекции траектории полета с целью прилунения в заданный район. При полетах на Луну с последующим возвращением на Землю функции управления еще более усложняются. Доста- точно сказать, что при этом требуется управлять взлетом с поверхности Луны и посадкой при возвращении на Землю. Возможность осуществления межпланетных полетов в значительной мере зависит от уровня развития техники управления космическим аппаратом.

В этом направлении уже получены определенные результаты. Коррекция орбиты, выполненная в полете межпланетной автоматической станции «Венера-3» (СССР), обеспечила ее попадание на планету. Заслуживает внимания высокая точность, с которой была произведена коррекция орбиты. В соответствии с командой, переданной с Земли, радиальная скорость станции должна была измениться на 19,75 м)сек. Высокая точность ориентации и управления величиной импульса тяги позволила осуществить указанную ориентацию с погрешностью по скорости 0,07 м)сея. В результате максимальное отклонение фактической точки попадания от расчетной составило всего 450 км.

Еще более значительные успехи в области управления были достигнуты в полете автоматических станций «Венера-4», «Венера-5» и «Венера-6» (СССР), Сложные проблемы управления были решены при полетах космических аппаратов «Зонд-5», «Зонд-б», «Зонд-7», «Зонд-8» (СССР). В успешных полетах на Луну космических аппаратов «Апол. лон-11» и «Аполлон-12» (США) эти задачи решались при активном участии космонавтов.