Динамика, баллистика, управление движением летательных аппаратов. Рубрика в журнале - Космическая техника и технологии
Статья научная
Рассматриваются результаты использования алгоритма ускоренного построения орбитальной системы координат в рамках летно-конструкторских испытаний транспортных пилотируемых и грузовых кораблей серий «Союз МС» и «Прогресс МС». Алгоритм ускоренного построения орбитальной ориентации, примененный в системе управления движением и навигации этих кораблей, основан на знании предполагаемой ориентации корабля в момент отделения от ракеты-носителя и угловой скорости его вращения в момент появления готовности измерителей угловой скорости. На основе телеметрической информации, полученной за год, прошедший с момента начала применения данного алгоритма, анализируется точность построения ориентации, и приводятся средние ошибки определения ориентации предложенным способом. Дополнительно на основе анализа полученных результатов приводятся методы повышения точности прогноза.
Бесплатно
Статья научная
В статье представлено описание аналитической модели плотности верхней атмосферы Земли SBM-2022 для баллистических расчётов параметров движения космических аппаратов. Модель описывается аналитическими формулами, смоделированными главным образом на основе статистической обработки данных о торможении космических аппаратов. Проведён сравнительный анализ моделирования плотности верхней атмосферы Земли в диапазонах высот 120...1500 км по разработанной модели SBM-2022 и по часто применяемым моделям плотности атмосферы ДМА-2004, MSIS00, MSIS2.0, MET-07 при спокойной и возмущённой гелиогеофизической обстановке. Сравнение показало, что разработанная модель плотности SBM-2022 на высотах 200.800 км в осеннем периоде близка к модели ДМА-2004, а в некоторых случаях, например, в зимних условиях на высотах 250.700 км, по значению плотности занимает промежуточное положение между зарубежными моделями и отечественной моделью ДМА-2004. Модель SBM-2022, наряду с другими моделями, может быть рекомендована для практического использования при навигационнобаллистическом обеспечении полётов низкоорбитальных космических аппаратов.
Бесплатно
Баллистико-навигационное обеспечение полёта космических аппаратов «Ямал-200»
Статья научная
В статье изложен опыт РКК «Энергия» по практическому созданию системы баллистико-навигационного обеспечения (БНО) полёта геостационарных спутников связи серии «Ямал-200». Кратко представлены основные задачи БНО, особенности космических аппаратов «Ямал-200», архитектура разработанного прикладного программного обеспечения. Описываются этапы отработки БНО, способы его взаимодействия с другими сегментами центра управления полётом, приводятся результаты оперативного БНО при подготовке к запуску космических аппаратов, выведении, их установке в рабочую точку и при полёте в ней.
Бесплатно
Баллистические варианты пилотируемой экспедиции на Марс с ЯЭРДУ
Статья научная
Проведен анализ влияния баллистических схем для марсианской пилотируемой экспедиции на показатели энергобаллистической эффективности - начальную массу марсианского экспедиционного комплекса и продолжительность экспедиции. Рассмотренные схемы однокорабельной пилотируемой экспедиции на Марс с ядерной электроракетной двигательной установкой характеризуются неединственностью решений в задаче оптимизации траектории перелета Земля-Марс-Земля при ограниченной продолжительности пребывания экспедиционного комплекса у Марса. Дополнительно рассмотрена схема без ограничения длительности пребывания у Марса. Для схемы с ограниченным пребыванием у Марса продемонстрированы следующие свойства: возможность обеспечения двух дат старта в течение одного синодического периода; в случае использования прямого входа в атмосферу корабля возвращения при умеренных стартовых массах возможность сокращения продолжительности перелета вплоть до близкой к продолжительности экспедиции с большой тягой (с двигательными установками на базе жидкостных ракетных двигателей или ядерных ракетных двигателей) аналогичной схемы.
Бесплатно
Баллистические варианты пилотируемой экспедиции на марс с двигательными установками большой тяги
Статья научная
Проведён анализ показателей эффективности (продолжительности экспедиции, начальной массы экспедиционного комплекса, скорости входа в атмосферу Земли корабля возвращения экипажа) однокорабельной марсианской пилотируемой экспедиции с двигательными установками большой тяги. Получены локально-оптимальные решения (по затратам характеристической скорости на перелёт) траекторий перелёта Земля-Марс-Земля, отличающиеся продолжительностью ожидания у Марса, приближением к Солнцу, а также маршрутом (прямые перелёты Земля-Марс-Земля и с гравитационным манёвром у Венеры на участках Земля-Марс или Марс-Земля). Введённая классификация локально-оптимальных решений применима для двигательных установок как большой, так и малой тяги. Сравнение показателей эффективности проведено для вариантов марсианской пилотируемой экспедиции на базе жидкостных и ядерных ракетных двигателей при ограничении скорости входа в атмосферу корабля возвращения экипажа на Землю не более 12,5 км/с.
Бесплатно
Статья научная
В настоящее время широко применяются плоские активные фазированные антенные решетки (АФАР) космического базирования для решения задач обеспечения радиолокации и персональной спутниковой связи. Как правило, АФАР имеют рабочие поверхности большой площади. Проектируемые современные космические аппараты, содержащие АФАР, для поддержания ориентации используют силовые гироскопы. В работе рассматривается возможность использования АФАР существующих конструкций в качестве магнитного исполнительного органа для разгрузки силовых гироскопов от накопленного кинетического момента. В процессе взаимодействия собственных магнитных моментов токовых контуров электропитания излучателей решетки с магнитным полем Земли создается управляющий момент, противоположно направленный накопленному кинетическому моменту в системе силовых гироскопов. Значения собственных магнитных моментов зависят от функционального предназначения АФАР и принятых конструкторских решений, связанных с протеканием токов по цепям первичного и вторичного электропитания. Преимущество применения АФАР в качестве исполнительных органов заключается в том, что они не требуют дополнительного увеличения массы космического аппарата для проведения динамических операций.
Бесплатно
Критерий точности и анализ многоспутниковых систем непрерывного наблюдения земли
Статья научная
В статье предложен критерий анализа точностных характеристик возможных структур прикладных спутниковых систем наблюдения (ССН) объектов на поверхности Земли и/или в приземном слое. Данный критерий не связан с особенностями бортовой аппаратуры, а учитывает структуру и динамику ССН. В основу данного критерия положено рассмотрение точности определения географических координат объектов. Приведен алгоритм численного моделирования ССН. Представлены сравнительные оценки точности для различных типов ССН. Рассмотрены точностные характеристики кинематически правильных и околополярных спутниковых систем при различных вариантах их построения. Описаны основные проектно-баллистические параметры, определяющие точность ССН и влияющие на стоимость их создания, а также показан характер влияния данных параметров. Результаты могут использоваться для начального выбора конфигурации ССН на этапе предварительного проектирования.
Бесплатно
Статья научная
Новый периферийный стыковочный механизм входит в состав стыковочного агрегата, проект которого соответствует международному стандарту систем стыковки (IDSS). Кинематика механизма основана на платформе Гью-Стюарта. Для преобразования энергии сближения космических аппаратов используются пружинные механизмы, но традиционное демпфирование заменено накоплением энергии, поэтому конструкция содержит новые устройства. Математическая модель динамики стыковочного механизма, описанная в данной работе, учитывает все его основные особенности - кинематику, инерцию и формирование внутренних активных сил отдельными устройствами. Вместе с уравнениями динамики космических аппаратов и алгоритмами анализа контактного взаимодействия стыковочных агрегатов она входит в математическую модель стыковки, которая используется для анализа кинематики и динамики этого процесса от первого контакта до завершения стягивания.
Бесплатно
Математическое моделирование выпуска тросовой системы из вращающегося центрального тела
Статья научная
В статье исследуется задача выпуска весомого троса, представляющего часть полотнища круглого солнечного паруса в уложенном состоянии, под действием центробежных сил инерции. Аналитическим путем находится угол наклона квазистационарной формы троса при выпуске с постоянной скоростью. Рассматриваются различные способы выпуска троса: при постоянной скорости, при равномерно убывающей скорости и при скорости, обеспечивающей постоянное отклонение конца троса от радиального направления. Рассматриваются преимущества и недостатки каждого из способов выпуска. Основное внимание уделяется минимизации возмущающего воздействия троса на центральное вращающееся тело, из которого выпускается сложенное полотнище паруса. Полученные результаты могут быть использованы при проектировании систем первоначального этапа раскрытия солнечных парусов на космических платформах с большими вращающимися солнечными парусами.
Бесплатно
Статья научная
Рассматривается метод расчёта длительности сеансов связи командно- измерительного пункта (КИП) с космическим аппаратом (КА), позволяющий рационально использовать время сеанса при планировании операций управления с целью недопущения их преждевременного исполнения или аварийного прекращения в случае наличия ограничений в зоне радиовидимости КИП. Благодаря разработанному методу удалось выявить зоны радиовидимости с ограничениями и исключить времена ограничений из общей длительности сеанса, обеспечив зону устойчивого радиообмена с КА при реализации операций управления, повысив тем самым надёжность их выполнения в сеансе связи. Метод успешно применялся при управлении группировкой КА «Ресурс-П», где показал свои возможности и эффективность. Он может быть использован для управления другими перспективными КА.
Бесплатно
Статья научная
В статье изложена краткая история исследования динамики процесса отделения транспортных пилотируемых кораблей (ТПК) от орбитальных станций «Салют», орбитального комплекса «Мир», а также Международной космической станции (МКС) ранних этапов развёртывания. Отмечены факторы, повлекшие необходимость пересмотра методики проведения анализа безударности ТПК «Союз МС» при отделении от МКС актуальных конфигураций. Перечислены принятые допущения и необходимые исходные данные для проведения исследования. Приведены результаты оценки возможных начальных условий с учётом эллиптичности орбиты МКС и аэродинамического воздействия. Рассмотрена динамическая модель пружинных толкателей, обеспечивающих начальный увод ТПК от МКС после разрыва механических связей, показаны диапазоны соответствующих приращений линейных и угловых скоростей исследуемых объектов. Описан подход к определению возможных соударений корабля со станцией после отделения, сочетающий использование модифицированного алгоритма Гилберта-Джонсона-Кирти (GJK) с последующим графическим построением траекторий, характеризующихся пересечением либо опасным сближением ТПК с элементами конструкции МКС.
Бесплатно
Статья научная
Для выполнения программы полёта автоматическими космическими аппаратами (АКА) «Ямал» - геостационарными спутниками связи - необходимо решить две задачи: удержание в точке стояния и поддержание орбитальной ориентации. С целью решения первой задачи периодически проводятся манёвры аппаратов с использованием электроракетных двигателей (ЭРД). Вторая задача решается с использованием электродвигателей-маховиков, для разгрузки которых от накопленного кинетического момента применяются ЭРД и газовые ракетные двигатели, работающие на одном и том же рабочем теле (РТ) - ксеноне. Таким образом, от запасов РТ зависит эффективность выполнения программы полёта, связанная с продолжительностью выполнения АКА своих функциональных задач. В статье рассматривается методика получения дополнительного синергетического ресурса РТ с использованием для этого знаний о происходящих на борту процессах. Показано на практике, что, обладая содержательной информационной моделью АКА как сложной динамической системы, можно получить дополнительный ресурс при выполнении одних и тех же динамических операций программы полёта, связанных с расходом РТ.
Бесплатно
Методический подход к формированию наземного контура управления многоспутниковой группировкой
Статья научная
Для организации управления многоспутниковыми группировками (МСГ) предлагаются различные схемы построения систем управления, основанные как на традиционном наземном контуре управления, так и на межспутниковых линиях связи и эшелонированных системах космической ретрансляции. Если последние два направления являются далёкой либо среднесрочной перспективой, то задействование наземного контура для обеспечения управления МСГ в ближнесрочной перспективе, с учётом развитой инфраструктуры, является наиболее реальным. Предлагается подход к формированию наземного контура управления (НКУ) многоспутниковой группировкой, основанный на оптимизации количества и расположения командно-измерительных систем и количества каналов одновременного управления несколькими космическими аппаратами из одного или разных центров управления полётами. Приведены этапы реализации методического подхода и система показателей, используемых при оптимизации. На примере показана принципиальная возможность применения предлагаемого метода. Представлены результаты серии имитационных экспериментов, полученные с использованием компьютерного моделирования, при этом учитываются баллистические характеристики и орбитальное построение МСГ, а также пространственно-временные ограничения применения командно-измерительных систем. Показано, что предложенный авторами методический подход позволяет обосновывать различные варианты построения НКУ космическими аппаратами, а также, исходя из требований к космической системе по сеансному обмену, обосновывать ключевые требования к НКУ МСГ в части состава и построения НКУ, в т. ч. с мультиантенной реализацией.
Бесплатно
Моделирование перелёта межорбитального буксира с солнечной электроракетной двигательной установкой
Статья научная
В статье представлены результаты работы по определению технических характеристик межорбитального космического буксира, оснащённого электро-ракетными двигателями и солнечной энергоустановкой. Рассмотрен конструкционный облик космического буксира с электроракетной двигательной установкой мощностью до 200 кВт и возможные варианты энергетической системы на основе солнечной и аккумуляторной батарей. Приведены результаты расчётов параметров четырёх вариантов транспортной операции для обеспечения грузопотока на орбиты высотой ~20 000 км с возвращением космического буксира на опорную орбиту. Показано, что наиболее рациональной является конструкция буксира, не имеющая аккумуляторной батареи для работы электроракетной двигательной установки на теневых участках траектории. При этом транспортную операцию целесообразно выполнять по траектории с минимальной длительностью теневых участков.
Бесплатно
Статья научная
Рассматриваются два метода моделирования сил и моментов сил от воздействия набегающего потока атмосферы на поверхность Международной космической станции (МКС) в процессе выполнения динамических режимов системы управления движением и навигации служебного модуля, которые разработаны РКК «Энергия». Эти методы, пригодные как для поиска оптимального управления движением МКС, так и для верификации динамических режимов системы управления движением и навигации служебного модуля, основаны на расчете аэродинамических характеристик в наборе точек четырехмерного (4D) пространства и последующей 4D-uнmepnoляцuu аэродинамических характеристик в ходе моделирования. Сравниваются результаты расчетов воздействия набегающего потока атмосферы во время моделирования оптимального по расходу топлива разворота (optimal propellant maneuvers) МКС на большой угол. Во время разворота геометрия МКС существенно меняется за счет поворотов крупногабаритных элементов МКС вокруг разнонаправленных осей. Предложенные методы планируется применить при подготовке космического эксперимента «МКС-Разворот». Они также могут быть пригодны при разработке алгоритмов управления системы управления движением и навигации будущих крупногабаритных космических объектов.
Бесплатно
Статья научная
Рассматриваются алгоритмы навигации, наведения и управления траекторией, реализованные в процессе модернизации системы управления российских кораблей серий «Союз» и «Прогресс». Система управления базируется на корректируемой бесплатформенной инерциальной навигационной системе, использующей близкую к реальной модель движения космических аппаратов. Модернизация алгоритмов управления обусловлена новыми возможностями навигации, связанными с установкой аппаратуры спутниковой навигации на кораблях и Международной космической станции, позволяющими начать автоматическое сближение со стартовой позиции. Приводится описание алгоритма наведения для расчета на борту корабля всех маневров плана встречи, учитывающего требование безопасного сближения и ограничение на скорость корабля относительно орбитальной станции на момент встречи. Рассматриваются возможности по реализации операции встречи по так называемым схемам «быстрой» стыковки. Представлена оценка зависимости границ оптимального диапазона фаз от продолжительности операции встречи для «быстрых» схем. Описывается стратегия расширения оптимального диапазона фаз для применяемой в настоящее время четырехвитковой схемы сближения с навигационным обеспечением от радио- контроля орбиты. Приводятся результаты реализации встречи корабля «Союз ТМА-15М» с МКС и моделирования сближения с использованием аппаратуры спутниковой навигации.
Бесплатно
Статья научная
Проведен проектно-баллистический анализ влияния параметров вспомогательных разгонных блоков и формируемых ими эллиптических орбит базирования для многоразового межорбитального буксира на основе ядерной энергоустановки и электроракетной двигательной установки мегаваттного класса на эффективность его применения в задаче доставки полезных грузов на геостационарную орбиту. Показано, что в сравнении с вариантом круговой радиационно безопасной орбиты высотой Нкр = 800 км применение эллиптических орбит базирования в сочетании с использованием вспомогательных разгонных блоков на базе кислородно-водородных жидкостных ракетных двигателей позволяет улучшить энергомассовые показатели эффективности многоразового буксира, а также увеличить экономию затрат от его применения по сравнению с наиболее эффективными средствами межорбитальной транспортировки традиционного типа - одноразовыми кислородно-водородными разгонными блоками.
Бесплатно
Статья научная
Представлен обзор новых методов оптимизации траекторий космических аппаратов с непрерывной тягой. Методы основаны на дискретизации траектории по времени полета на малые сегменты и на близкие к равномерной дискретной аппроксимации направления вектора тяги множеством псевдоимпульсов с ограничением их неравенством на каждом сегменте. Задача оптимизации - минимизация суммарной характеристической скорости. Оптимальный импульс на каждом сегменте может быть представлен как сумма ненулевых псевдоимпульсов с ограничением их суммарной характеристической скорости. Терминальные условия представляются как линейное матричное уравнение. Матричное неравенство на суммы всех псевдоимпульсов используется для преобразования задачи в форму линейного программирования высокой размерности. Непрерывные маневры включают наборы смежных сегментов, и требуется обработка решений линейного программирования для формирования последовательности маневров. Оптимальное число маневров определяется автоматически. Методы обеспечивают гибкие возможности расчета траекторий сложных миссий с различными требованиями и ограничениями. Представлен обзор примеров оптимизации траекторий космических аппаратов различных типов. Обсуждаются преимущества этих методов.
Бесплатно
Определение орбиты по выполняемым космонавтами снимкам поверхности земли и луны
Статья научная
Освоение Луны является одной из основных задач на ближайшие десятилетия для ведущих космических стран. Некоторые задачи планируемой Лунной программы могут быть отработаны в рамках проекта МКС. Одна из них, связанная с отработкой методов определения орбиты космического аппарата по снимкам поверхности планеты, рассмотрена в данной статье. Даны методические особенности решения этой задачи, и приведены примеры отработки предложенной технологии автономной навигации по съемкам Земли с борта Российского сегмента МКС. С помощью снимков, сделанных астронавтами США через иллюминатор лунного орбитального модуля, показана также перспективность применения предложенной технологии определения орбиты по снимкам поверхности Луны.
Бесплатно
Статья научная
В статье рассматривается вопрос о формировании оптимальной номинальной программы управления маршевой тягой двигательной установки (ДУ) межпланетного космического аппарата (КА), состоящей из нескольких разнотипных электр оракетных двигателей (ЭРД). Критерием оптимизации является минимум расхода рабочего тела при фиксированной длительности перелёта. Определяются: направление тяги ДУ и последовательность включения/выключения отдельных двигателей. На основе принципа максимума Понтрягина получены аналитические выражения для оптимальных программ номинального управления: определены зависимости направления тяги и функции включения/выключения отдельных двигателей от фазовых и сопряжённых координат динамической системы. В качестве примера использования разработанной методики оптимизации рассматривался гелиоцентрический участок перелёта Земля - Марс. Расчёты проводились для прототипа с параметрами, сходными с КА международного проекта «Демокритос», предполагающего использование российской ядерной энергоустановки для обеспечения электроэнергией множества разнотипных ЭРД. Проведено численное решение краевых задач и моделирование движения КА с полученной оптимальной номинальной программой управления для ДУ с двумя типами ЭРД и различной длительностью перелёта. Выполнен анализ зависимости расхода рабочего тела и моторного времени для обоих типов двигателей от требуемой длительности перелёта.
Бесплатно
