Бэттин Р.Х. Наведение в космосе (1966)

РИЧАРД БЭТТИН Наведение в космосе Перевод с английского под редакцией д-ра техн. наук И. А. БОГУСЛАВСКОГО ИЗДА'! ЕЛЪСт ВО «МАШИНОСТРОЕНИЕ» ~в $ Москва 1966 УЛК 629.19.04-20 В книге достаточно широко и на современном уровне знаний рассмотрены оригинальные методы сзатистичесиой обработки автономной информации и формирования команд коррекции космических траекторий. Изложены основы небесной механики, необходимые для разработки теории наведения, Книга представляет большой интерес для широкого круга специалистов, вместе с тем она будет полезна студентам втузов. Перевод выполнен инж. С. А.

Никитиным и канд. техн. наук В. Б. Соколовмм 3-4-3 222-66 Предисловие к русскому изданию В последние годы практика освоения космоса — полеты беспилотных автоматических станций и пилотируемых космических кораблей — поставила перед наукой ряд сложнейших задач по управлению полетом в космосе. Для успешного решения этих задач потребовались глубокие теоретические и экспериментальные исследования в области навигации, наведения и управления,при которых учитывались бы специфические особенности космического полета; — сложные гравитационные и аэродинамические (при входе в атмосферу Земли или другой планеты) силы, вследствие чего точное прогнозирование движения объекта должно производиться численными методами; — необходимость всемерной зкономии топлива для двигателей, откуда возникает требование применять энергетически оптимальные способы наведения; — значительную (при использовании двигателей большой тяги) длительность участков неуправляемого полета и, как следствие, необходимость высокой точности наведения в конце коротких участков управляемого полета и последующей коррекции движения; — огромное расстояние объекта от Земли при межпланетных перелетах, в результате чего команды управления необходимо формировать не только по данным системы радиоизмерений, но и по данным источников автономной информации.

Предлагаемая вниманию читателя книга Р. Бэттина — известного американского ученого, работающего в области автоматического управления, является монографией,. в которой последовательно излагаются результаты разработки некоторых разделов теории управления движением центра масс объекта в космическом полете, полученные автором и его сотрудниками по Приборной лаборатории Массачусетского Технологического института. Для понимания материала монографии не требуется предварительного знакомства с элементами небесной механики и теорией статистической обработки информации. Все необходимые специальные сведения читатель получает при последовательном изучении книги, и в особенности при решении многочисленных интересных задач. Следует отметить, что некоторые задачи не только способствуют усвоению материала, но и представляют самостоятельный научный интерес как логическое дополнение соответствующей главы.

Первые четыре главы книги, излагающие в основном различные аспекты задачи двух тел, носят вводный характер. Однако некото- рые результаты (например, универсальное уравнение Кеплера в гл. 11) представляют несомненный интерес и для специалиста. Основной теоретический и практический интерес, с нашей точки зрения, имеют гл. И вЂ” 1Х, в которых излагается теория коррекции траекторий и определяются параметры движения центра масс объекта путем статистической обработки результатов измерений, производимых автономными (бортовыми) датчиками.

Исключительное внимание, уделяемое автором вопросам использования автономной информации, и в особенности астроинформации для решения навигационных задач, представляется вполне оправданным, так как, по-видимому, только этот вид информации позволит при дальних межпланетных перелетах получить значительную точность управления в районе планеты назначения, а при пилотируе. мых полетах обеспечит высокую надежность управления. Следует отметить также систематическое употребление автором рекуррентной формы статистической обработки информации, восходящей к Р. Калману, которая при некоррелированных первичных ошибках измерений не требует обращения матриц и хорошо приспособленз для реализации в алгоритмах бортовой вычислительной машины.

Вопросы коррекции и статистической обработки информации излагаются автором в рамках линейной теории, т. е, в предположении, что достаточно учитывать лишь первые члены разложения в ряд текущих параметров фактической траектории по степеням их отклонений от номинальных параметров, вычисленных в некоторый фиксированный (например, начальный) момент времени. В ряде случаев (например, при рассмотрении задачи облета Луны) это предположение может оказаться несправедливым. Тогда предлагаемую автором теорию следует рассматривать как теорию построения первого приближения, используемого в соответствующем итерационном процессе.

Гл. Х носит обзорный характер и посвящается некоторым вопросам наведения лунного космического корабля с непрерывно работающим двигателем малой тяги. В целом книга представляет несомненный интерес для читателя, желающего познакомиться с навигацией и наведением космических летательных аппаратов. Переводчики стремились привести терминологию оригинала в соответствие с общепринятой в советской литературе. Там, где невозможно было это сделать по тем или иным причинам, даны подстрочные примечания. Список дополнительной литературы, помещенный после библиографии, приведенной автором, не охватывает многих работ по небесной механике, динамике космического полета и статистической обработке информации, опубликованных в СССР, а включает лишь те работы, на которые сделаны ссылки в примечаниях.

и. А. Богуславский Лредиеловце автора Бурное развитие астронавтики позволяет всерьез планировать самые, казалось бы, невероятные операции по исследованию космоса. По мере усложнения задач, которые ставятся перед космическими полетами, требования к навигации и наведению будут становиться все более и более жесткими.

Слежение за первыми космическими летательными аппаратами осуществлялось с помощью наземных радиолокационных станций, а команды наведения передавались по телеметрическим каналам. Однако, если корабль значительно удален от Земли и находится в окрестности другой планеты или Луны, то навигационные измерения могут быть выполнены более точно, когда применяются бортовые приборы.

К тому же большие межпланетные расстояния могут приводить к нарушению прежде достаточно надежной связи с Землей, которая необходима для обработки основной навигационной информации и передачи на борт корабля команд наведения. При этих обстоятельствах обработка информации должна проводиться дискретнымн бортовыми счетно-решающими устройствами.

Таким образом, космические корабли будущего, по-видимому, должны иметь полностью автономные системы навигации и наведения. Цель настоящей книги состоит в том, чтобы дать научным работникам, а также студентам необходимые основы для понимания проблем, связанных с наведением в космосе, причем особое внимание будет уделяться автономным системам. Хотя главная роль отводится здесь математической стороне предмета, это вовсе не делает наш подход чисто теоретическим, не имеющим практического применения. Каждая из рассматриваемых задач в достаточной степени обосновывается, а ее решение отвечает потребностям инженера, занимающегося космонавтикой.

Основой данной книги послужил курс лекций, прочитанных автором на факультете астронавтики и аэронавтики Массачусетского Технологического института (МТИ). Этот курс лекций был построен на отчетах и статьях, написанных автором и его коллегами по Приборной лаборатории МТИ.

Для объяснения выбора темы ~банги следует вкратце остановиться на истории исследований по космическому наведению, проводимых в МТИ при участии автора. В 1958 г. Приборная лаборатория приступила к предварительному проектированию беспилотного исследовательского аппарата с Фотокамерами на борту, предназначенного для полета к планете Марс. Рассматривалась задача перевода этого корабля с Земли на заранее определенную гелноцентрическую орбиту пассивного полета. Орбита выбиралась так, чтобы корабль прошел в нескольких тысячах километров от поверхности Марса и, в конце концов, вернулся к Земле, причем аппаратура с научными данными должна была выдержать нагрузку при входе в земную атмосферу.

Автор совместно с Дж. Лэнингом занимался подробным исследованием системы наведения и навигации для такого полета. Хотя этот проект так никогда и не был осуществлен, наша деятельность привлекла внимание вновь организованного Национального Управления по авиации и космонавтике (о1АЯА). Следствием этого явился небольшой контракт на исследование межпланетного наведения, который позволил продолжить разработку и уточнение возникших ранее идей. Примерно в то же самое время, в конце 1960 г., отделение перспективных исследований фирмы Ачсо Согрогайоп заручилось поддержкой Приборной лаборатории для проектирования системы наведения корабля с электроракетным дуговым двигателем малон тяги, который должен был совершить перелет с геоцентрической орбиты на селеноцентрическую.

Метод наведения для такой задачи был разработан Дж. Миллером в его докторской диссертации под научным руководством автора. Это исследование составило гл. Х настоящей книги. В 1961 г. ХАЗА предложило Приборной лаборатории МТИ разработать систему наведения и навигации для космического корабля «Аро!1о» в порядке выполнения национальной программы высадки человека на Луну. В настоящее время автор является руководителем части этого проекта, относящейся к анализу наведения в космосе. В первых пяти главах книги автор счел необходимым изложить основы небесной механики.