Системы управления космическими полетами

Системы управлени я ракетно-космическими комплексами и космическими летательными аппаратами представл я ют собой сложные автоматизированные системы, уникальные по своей точности и многообразию выполн я емых ими задач. Дл я их создани я потребовалось существенное развитие теории управлени я и использование самых последних достижений техники.

Достаточно рассмотреть основные задачи управлени я космическими объектами и оценить трудности, которые приходитс я преодолевать при их создании, чтобы представить себе величие достигнутого и перспективы будущего. По своему назначению космические летательные аппараты можно разделить на следующие основные группы. I. Искусственные спутники Земли и космические корабли: — простейшие искусственные спутники. — спутники, снабженные той или иной системой ориентации; — спутники, снабженные системой коррекции орбиты или системой изменени я орбиты, способные переходить с одной орбиты на другую по командам бортовых систем или по командам с Земли; — возвращаемые спутники или спутники с приборным отсеком, возвращаемым на Землю; — стационарные спутники, имеющие суточный период обращени я вокруг Земли; — пилотируемые космические корабли, снабженные как автоматической, так и ручной системой управлени я и посадки в заданный район Земли; — системы спутников или космических кораблей, обеспечивающих автоматическую или ручную стыковку на орбите; — орбитальные станции. II. Лунные автоматические станции и космические корабли: автоматические станции дл я исследовани я околоземного и окололунного пространства, обеспечивающие возможность достижени я поверхности Луны; — автоматические станции дл я облета вокруг Луны; — автоматические станции, способные совершать м я гкую посадку на Луну; — искусственные спутники Луны; —пилотируемые лунные ракетно-космические системы, обеспечивающие возвращение космического корабл я на Землю. III. Межпланетные автоматические станции и космические корабли: — автоматические станции-зонды дл я изучени я межпланетного и околопланетного космического пространства; — автоматические станции дл я изучени я планет: а) позвол я ющие достигнуть планеты, б) обеспечивающие м я гкую посадку на планету, в) искусственные спутники планет; — межпланетные космические корабли дл я облета вокруг планет с возвращением на Землю; — межпланетные ракетно-космические системы, предназначенные дл я посадки на планету, взлета с поверхности планеты и возвращени я на Землю.

Рассмотрение важнейших типов и назначени я искусственных спутников Земли, автоматических станций и космических кораблей позвол я ет охарактеризовать основные задачи управлени я космическими летательными аппаратами. 2. Системы управлени я (СУ) космическим летательным аппаратом (КЛА) 2.1 Основные пон я ти я Дл я успешного проведени я научных экспериментов необходимо ориентировать и стабилизировать КЛА в пространстве.

Решение этой задачи возложено на системы ориентации и стабилизации, от технических и эксплуатационных характеристик которой во многом зависит успех проводимых научных экспериментов в космосе.

Поэтому возникает необходимость в простых, надежных, точных, легких, работающих в течение длительного времени с минимальными затратами энергии системах ориентации и стабилизации КЛА. Программы полета КЛА, используемых дл я научных исследований и решени я хоз я йственных задач, не требует выполнени я сложных поворотных маневров и прецизионной ориентации аппарата.

Поэтому эффективность использовани я таких аппаратов оцениваетс я прежде всего временем их активного существовани я . В этой св я зи большой научный и практический интерес представл я ет разработка пассивных и комбинированных систем ориентации и стабилизации, основанных на использовании окружающих КЛА силовых полей (гравитационного и магнитного), аэродинамических сил, сил светового давлени я и др.

Системы этого класса характеризуютс я неограниченным ресурсом работы, простотой, надежностью, малой массой и поэтому я вл я ютс я наиболее предпочтительными.

Перечисленные достоинства пассивных и комбинированных систем обусловили их широкое применение.

Теперь я по я сню пон я ти я ориентаци я и стабилизаци я . Ориентаци я – это определенное положение или последовательность определенных положений, занимаемых КЛА в пространстве. Как правило, система ориентации, ликвидиру я большое первоначальное отклонение, совмещает св я занную систему координат с опорной (базисной) системой координат, последн я я задаетс я на борту КЛА с помощью специальных устройств и приборов и может быть либо неподвижной, либо перемещатьс я в неинерциальном пространстве.

Стабилизаци я - это процесс устранени я неизбежно возникающих в полете малых угловых отклонений св я занной системы координат, заданной при ориентации.

Система стабилизации придает летательному аппарату способность после определенной ориентации в пространстве восстанавливать свое первоначальное положение, нарушенное внутренними или внешними возмущающими воздействи я ми, или сопротивл я тьс я действию возмущений. 2.2 Классификаци я СУ Системы ориентации и стабилизации дают КЛА следующие преимущества: 1) лучшие информативные свойства направленных антенн; 2) большую эффективность солнечных батарей; 3) Лучшие услови я дл я терморегулировани я 4) Лучшие услови я дл я целого р я да измерений и наблюдений, проводимых в космосе.

Существующие и разрабатываемые в насто я щее врем я системы ориентации и стабилизации могут быть разделены на три основные группы: пассивные, активные и комбинированные.

Пассивна я система ориентации и стабилизации – это система, котора я не требует на борту КЛА источника энергии дл я своей работы. Дл я создани я управл я ющих моментов она использует физические свойства среды, окружающей КЛА (гравитационное или магнитное поле, солнечное давление, аэродинамическое сопротивление), или свойство свободно вращающегос я твердого тела сохран я ть неподвижной в инерциальном пространстве ось вращени я . В пассивных системах не только ориентаци я , но и стабилизаци я КЛА, например, демпфирование собственных колебаний, достигаетс я без использовани я активных управл я ющих устройств.

Активна я система ориентации и стабилизации – это система, котора я при выполнении своих функций нуждаетс я в бортовых источниках энергии. Такие системы в процессе своей работы используют активные устройства: управл я емые маховики, газово-ракетные двигатели, магнитоприводы, гироскопические и оптические чувствительные элементы.

Особенности пассивных и активных систем: 1. Активные системы обеспечивают высокую точность ориентации, пассивные дают низкую точность. 2. Пассивные системы не расходуют энергию бортовых источников питани я , а используют дл я создани я управл я ющих моментов естественные силы, действующие в услови я х космического пространства; активные системы расходуют массу или энергию, хран я щуюс я или накопленную в ЛКА. 3. Пассивные системы конструктивно просты, имеют высокую надежность и практически неограниченный срок службы.

Однако простота пассивных систем обычно достаетс я ценой меньшей маневренности и не всегда дает желаемую ориентацию в состо я нии равновеси я . Активные системы достаточно сложны, имеют ограниченный срок службы, определенной надежностью и ресурсом активных устройств и запасом энергии на борту. 4. Активные системы могут создавать достаточно большие по величине управл я ющие моменты. У пассивных систем моменты достаточно малы. 5. Активные системы имеют большое быстродействие.

Пассивные системы, наоборот, медленные.

Однако с развитием техники повышаетс я требовани я к точности ориентации и стабилизации КЛА. И в некоторых случа я х по отдельности эти системы уже не справл я ютс я с поставленными перед ними.

Поэтому используют комбинированные системы.

Например, комбинированное использование любой пассивной системы с газореактивной позвол я ет: а) Обеспечить в течение полета КЛА несколько режимов работы с различной точностью ориентации; б) Создавать в определенные интервалы времени большие по величине управл я ющие моменты; в) иметь большой срок службы; г) расходовать энергии значительно меньше. Выбор системы ориентации зависит от целого р я да факторов. К ним, прежде всего, относитс я требование по точности, котора я определ я етс я назначение ЛКА. Комбинированные системы ориентации и стабилизации целесообразно использовать также дл я КЛА, состо я щих из нескольких тел, каждое из которых должно ориентироватьс я с неодинаковой точностью в разных направлени я х в течение всего полета. В этих случаев дл я частей аппарата, ориентируемых с низкой точностью в течение долгого промежутка времени, желательно примен я ть пассивные системы, а дл я частей, ориентируемых с высокой точностью, – активные. Если от системы ориентации и стабилизации в течение небольшого количества времени необходима высока я точность ориентации, а в остальное врем я требуетс я не высока точность, то желательно использовать комбинированные системы. Также с помощью пассивной системы можно ориентировать грубо, а с помощью активной сделать ориентацию более точной.

Комбинированные системы целесообразно примен я ть при полете к другим планетам. 2.3 Требовани я , предъ я вл я емые к СУ Выбор проектирование и создание систем ориентации и стабилизации в основном определ я ютс я задачами, решаемыми в течение полета, и характеристиками КЛА. В процессе проектировани я должен быть прин я т в расчет р я д следующих факторов: 1) требовани я к точности ориентации и стабилизации; 2) ограничени я по массе, габаритам и потребл я емой мощности; 3) требовани я по обеспечению надежности системы при выполнении своих функций и возможность дублировани я элементов системы; 4) простота конструкции системы и срок активного существовани я ; 5) требовани я к коррекци я м скорости; 6) конфигураци я КЛА и общие технические требовани я к нему; 7) требовани я к угловой скорости в процессе управлени я ; 8) число управл я емых степеней свободы; 9) требовани я к режимам работы системы; динамическа я модель КЛА (упругость конструкции, моменты инерции, распределение массы и т. д.). В процессе полета КЛА может возникнуть потребность в переориентации, например, дл я фотографировани я кометы или планеты. В этом случае к КЛА выдвигаютс я следующие требовани я : 1)врем я , отводимое на переориентацию, включа я стабилизацию; 2) рабочее тело и энерги я , расходуемое в процессе переориентации. Дл я КЛА могут быть поставлены самые разнообразные задачи, и дл я каждой требуетс я сво я точность.

Например, изучение космического пространства или метеорологическа я задача требует точности в 1-10 градусов, фотографирование с помощью телескопа с диаметром главной линзы 510 мм – 1 секунда. А, например, дл я солнечных батарей погрешность может составл я ть 10-15 градусов, направленных антенн – 1 градус. Между требованием высокой точности и остальными характеристиками существует некоторое противоречие. Если мы хотим увеличить точность, то нам надо усложнить систему, что неизбежно приведет к увеличению массы.

Долгое активное существование так же зависит от сложности системы.

Управление в космическом пространстве существенно отличаетс я от управлени я на Земле. Во-первых, в космосе присутствует невесомость (отсутствует сила прит я жени я , а точнее она скомпенсирована) и отсутствует сила трени я . Это делает очень дорогим испытание КЛА на Земле. Во-вторых, в космическом пространстве существуют очень малые возмущени я (например, метеоритна я пыль), но они придают КЛА существенные моменты в отсутствии сил трени я . 2.4 Возмущени я При проектировании систем ориентации и стабилизации необходимо знать величины всех моментов, действующих на КЛА. К сожалению, не всегда имеетс я точна я количественна я информаци я о возмущающих моментах.

Возмущающие моменты возникают в результате целого р я да факторов.

Приведу основные источники возмущающих моментов: · Аэродинамическое сопротивление · Магнитные и электрические пол я · Гравитационные пол я Земли и небесных тел · Соударени я с метеоритами · Движение масс внутри спутника · Неравномерное вращение опорной системы координат (элептичность орбиты) · Температурные деформации элементов СУ · Бомбардировка космическим излучением · Ошибки двигателей · Погрешности при изготовлении СУ 3. Выводы Дл я решени я различных задач на орбите необходимо каким-либо образом ориентировать и стабилизировать КЛА. Дл я этого не об я зательно тратить массу или энергию, накопленную на борту, а нужно всего лишь эффективно использовать окружающую среду.