Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 4
ПРИНЯТЫЕ СОКРАЩЕНИЯ 13
ГЛАВА 1. ОБЩИЙ ПОДХОД К РЕШЕНИЮ ЗАДАЧИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МАССОВО-
ИНЕРЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК КА 15
-
Постановка задачи идентификации МИХ 15
-
Особенности постановки задач идентификации МИХ
ДЛЯ СЛУЧАЯ активного и пассивного ДВИЖЕНИЙ 18
-
Этапы решения задачи идентификации МИХ 21
-
Факторы, определяющие выбор схемы процедуры
идентификации МИХ 23
-
Процедура идентификации МИХ 24
-
Циклограмма операции определения МИХ 29
-
Методика синтеза системы идентификации МИХ КА 30
-
Требуемая точность в определении МИХ КА в полете 32
-
Определение массы КА 32
-
Влияние ошибок в знании положения центра масс 36
-
Совместное влияние ошибок в положении центра масс и
тензора инерции. 38
ГЛАВА 2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ МАССЫ КА В ПОЛЁТЕ 40
-
Постановка задачи определения массы КА в полёте 40
-
Анализ уравнений движения центра масс КА 41
-
Метод идентификации массы КА в полёте при известном
значении ТЯГИ ДВИГАТЕЛЯ 49
-
Идентификация массы КА по внешнетраекторным измерениям 50
-
Идентификация массы КА по приборам инерционного типа 53
2.4. Уточнение математической модели работы двигательной
установки КА 57
-
Способы задания тяги двигательной установки 57
-
Модель двигательной установки КА "Прогресс" 59
-
Процедура уточнения моделиЖРД 63
2.5. Методика уточнения массы космической системы «Мир» -«Союз» -
«Прогресс» в полете 70
2.6. Синтез системы идентификации массы КА 73
ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ В ПОЛЕТЕ
МАССЫ ОК «МИР» 81
-
Предпосылки проведения эксперимента 81
-
ЭТАП 1. Тарирование двигательной установки грузового корабля
«Прогресс М-29» 82
-
ЭТАП П. «Взвешивание» ОК «Мир» в полете 84
-
Определение массы ОК «Мир» методом документального у чета 94
-
Выводы по эксперименту по определению массы ОК «Мир» с использованием ГК «Прогресс М-29» и «Прогресс М-30» 96
-
Уточнение массы ОК «Мир» - «Союз» - «Прогресс» с помощью
двигателей корабля «Прогресс М-31» 97
ГЛАВА 4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕНЗОРА ИНЕРЦИИ И ПОЛОЖЕНИЯ
ЦЕНТРА МАСС КА В ПОЛЕТЕ 103
-
Постановка задачи 103
-
Уравнение движения КА относительно центра масс 103
-
Определение положения центра масс К А из условия
статического равновесия 111
4.4. Определение центра масс ОК «Мир» в процессе коррекции
его ОРБИТЫ 118
4.5. Определение тензора инерции и положения центра масс КА при
наличии активных сил с ненулевым суммарным моментом 126
-
Постановка задачи 126
-
Определение тензора инерции J КА по результатам наблюдения
ЗА ЕГО ДВИЖЕНИЕМ ОТНОСИТЕЛЬНО ЦЕНТРА МАСС 130
4.5.3. Определение тензора инерции J и положения центра масс рц
ПО РЕЗУЛЬТАТАМ НАБЛЮДЕНИЯ ЗА ЕГО движением относительно
центра масс 133
4.6. Определение тензора инерции и координат центра масс
(на примере ОК "Мир") 136
ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЕ 144
ПРИЛОЖЕНИЕ 1 148
ПРИЛОЖЕНИЕ 2 156
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 173
Введение к работе
Актуальность темы. Задачи, возникающие в процессе освоения человеком космического пространства с использованием космической техники, становятся все сложнее, а на их подготовку и реализацию требуется все больше времени. Усложнение задач освоения космоса приводит и к изменению многих устоявшихся точек зрения относительно технических подходов их решения, в том числе и совершенства космической техники.
К настоящему времени технология создания космической техники достигла уровня, когда на околоземной орбите могут собираться из отдельных функциональных модулей крупногабаритные конструкции (КА). При этом КА могут обладать значительной суммарной массой и сложной конфигурацией, а также приспособлены для длительного пребывания на ее борту человека.
Особенности функционирования крупногабаритной космической техники и реальные условия космического полета предъявляют высокие требования к: . надежности длительного функционирования КА, в т.ч. и отдельных его функциональных элементов; . безопасности космического полета КА; . безопасности выполнения целевых задач с использованием такой техники; . безопасности длительного пребывания человека на борту КА.
Примером таких КА может служить пилотируемый орбитальный комплекс (ОК) "Мир", сборка которого из отдельных модулей была начата в 1986г. с выведения на околоземную орбиту базового блока и завершена в 1997г. До марта 2001г., когда ОК "Мир" прекратил свое существование, он представлял собой конструкцию модульного типа и включал в себя отдельные конструктивно завершенные и оснащенные агрегатами и системами функциональные модули и космические аппараты. С созданием ОК "Мир" были разработаны штатные операции, для которых требовался периодический учет изменения конфигурации ОК, его массово-инерционных характеристик, состава бортового оборудования и др. Также понадобилась разработка новых технических решений и принципов эксплуатации ОК, что значительно расширило область его применения и повлияло на длительность его активного существования.
Можно отметить, что в процессе эксплуатации ОК решались различные задачи - новые, ранее не ставившиеся в интересах космической техники, и по-новому те, которые уже имели практическую реализацию в космической технике. Вместе с этим появилась необходимость и периодического определения изменяющихся в процессе полета массово-инерционных характеристик (МИХ) КА: массы КА; положения центра масс КА; тензора инерции КА, причем в настоящей работе уделяется внимание процедуре определения МИХ непосредственно в полете.
Массово-инерционные характеристики КА входят в качестве констант в модель движения центра масс КА и в модель движения относительно его центра масс. Модель движения КА описывается системой дифференциальных уравнений и используется при решении задач управления движением КА с целью расчета управляющего внешнего воздействия, определения траектории движения КА и его пространственного положения. Ошибочное задание констант в уравнении движения означает неправильное задание самой модели движения, что может повлиять на неточную работу системы навигации КА и появление ошибок в управлении его движением.
В настоящее время выбранные для рассмотрения МИХ КА определяются только в наземных условиях в результате проведения инженерных расчетов, прямого взвешивания грузов или учета грузопотока на борту космического аппарата. Расчетные значения МИХ передаются на борт КА для их использования в работе системы управления движением КА. При этом значения МИХ могут оставаться неизменными в течение длительного периода времени, т.е. до замены их новыми расчетными значениями.
Однако практика эксплуатации ОК "Мир" показала, что МИХ могут меняться в полете чаще, чем это предусмотрено наземной технологией учета их изменения и не все изменения массово-инерционных характеристик, происходящих в полете, могут быть проконтролированы указанными способами.
Поскольку КА включает в себя отдельные элементы (функциональные модули, топливо, технологическое и научное оборудование, различные расходуемые материалы, и др.), масса которых может оставаться неизменной, увеличиваться или уменьшаться, то и суммарная масса КА может увеличиваться или уменьшаться в следующих случаях: . пристыковки или отстыковки элементов конструкции КА; . заправки и расхода топлива и газовых компонентов; доставки на борт КА различных грузов, их расхода и удаления с борта. Масса КА может перераспределяться в результате: переноса оборудования и грузов внутри КА; . изменения количества топлива и газовых компонентов в баках; изменения конфигурации КА.
Конфигурация КА может изменяться в зависимости от выполняемых задач в полете: пристыковки или отстыковки элементов конструкции КА; изменения относительной ориентации наружных элементов конструкции КА или их переноса на другие места крепления (солнечные батареи, ферменные конструкции, др.).
В полетное задание КА включаются задачи по управлению его движением и операции, которые должны выполняться с высокой точностью в течение заданного промежутка времени и могут сопровождаться изменением массы и конфигурации КА. При реализации таких задач и операций используются имеющиеся на борту КА значения МИХ.
В процессе изменения массы и конфигурации КА, а также перераспределения его массы, изменяется положение центра масс КА, а так же изменяется значение его тензора инерции. Причем в одних случаях такие изменения могут происходить постепенно, а в других случаях - скачкообразно. Таким образом, из-за такого характера изменения МИХ в полете предъявляются требования к оперативности и точности их знания. Так, для некоторых КА знание положения его центра масс требуется с точностью 1-^10 мм.
Поскольку сборка КА и его эксплуатация осуществляется на околоземной орбите, то оперативно и в полном объеме проконтролировать выполнение отдельных задач и операций, происходящих на борту КА и/или с его участием, с помощью наземных или космических навигационных средств не представляется возможным, в том числе это касается и контроля изменения МИХ КА.
В качестве одной из причин этого является наличие временного промежутка от момента передачи информации с борта КА на наземный пункт управления полетами, где происходит ее обработка, принятие необходимого решения и передача на борт КА соответствующих команд, до момента приема команд на борту КА и их отработки. Другая причина заключается в вероятности поступления информации с борта КА на наземный пункт управления полетами в неполном объеме или искаженном виде. Существует вероятность и полной утери информации по различным техническим причинам.
Поэтому, с целью дальнейшего подробного рассмотрения выделяется проблема и соответствующая ей процедура, связанные с организацией оперативного определения и контроля изменения МИХ КА. Также берутся во внимание следующие требования: определение МИХ КА с высокой точностью и периодичностью, в т. ч. и в реальном масштабе времени. . определение МИХ КА непосредственно в полете на борту КА, т.к. это позволяет учитывать реальные условия его космического полета и, следовательно, получать фактические значения его МИХ.
Необходимо отметить, что отличие в каждый момент времени фактических значений МИХ КА от значений, полученных расчетным путем в наземных условиях и используемых в работе системы управления движением КА, может отрицательно сказываться на безопасность космического полета и работу отдельных функциональных систем КА.
Задача определения МИХ КА в полете стала актуальной сравнительно недавно, в последнее десятилетие, и многие процессы и механизмы изменения МИХ в полете еще мало изучены. Этим объясняется тот факт, что рассматриваемому вопросу уделялось достаточно мало внимания в публикациях и это сказалось на их количестве (автору удалось найти лишь 8 работ, в которых были затронуты вопросы на данную тему).
Метод исследования. Задача определения МИХ КА в полете относится к классу задач идентификации массово-инерционных характеристик КА по известному входному внешнему воздействию и наблюдаемым выходным характеристикам системы. Так как МИХ К А входят в виде констант в модель движения КА, аналитический вид которой известен, то это дает основание называть такую идентификацию "параметрической".
Решение задачи параметрической идентификации по своему принципу решения, по типу используемых алгоритмов и задействованных средств, во многом подобно решению задачи оценивания вектора состояния КА, определяющего его пространственно-временное положение. Из этого следует, что исследование проблемы определения МИХ КА в полете можно строить по той же схеме, что и исследование задач навигации КА. В решении задачи определения МИХ КА будем выделять следующие этапы: исследование вопросов наблюдаемости, т.е. возможности определения навигационных функций, через которые вычисляются МИХ КА; исследование оптимального состава навигационных функций; разработка алгоритмов определения МИХ КА в полете; создание системы определения МИХ КА в полете; проведение отработки системы определения МИХ КА в полете, включая проведение летных испытаний; внедрение процедуры определения МИХ КА в полете в практику эксплуатации космической техники. При разработке методов определения МИХ КА в полете необходимо учесть следующие требования:
Минимизация энергетических затрат на реализацию процедуры определения МИХ КА в полете;
Оптимизация состава технических средств, используемых при определении МИХ КА в полете, с учетом имеющихся на борту КА;
Рациональное использование штатного полетного времени;
Возможность декомпозиции задачи определения МИХ КА в полете на три самостоятельные задачи.
Перечень этих вопросов показывает уровень сложности и объемности рассматриваемой проблемы. Весь перечень задач невозможно охватить в рамках одной диссертационной работы. Поэтому из общего перечня задач были выделены те, которые определяют саму возможность решения проблемы и имеют принципиальное значение для определения МИХ КА в полете. Поэтому отдельные задачи рассматриваются более глубоко, вплоть до проведения летных экспериментов.
Цель работы состоит в разработке методов определения массово-инерционных характеристик КА в полете, включая разработку и экспериментальную проверку алгоритмов, синтез и анализ системы определения МИХ К А в полете.
На защиту выносятся;
Формулировка задачи определения МИХ КА в полете с учетом реальных условий космического полета;
Метод определения массы КА в полете с учетом неопределенности в знании индивидуальной характеристики изменения величины тяги его двигательной установки;
Результаты натурного эксперимента по определению массы ОК "Мир" в полете;
Метод определения положения центра масс КА из условия статического равновесия действующих на него управляющих внешних сил и моментов;
Метод определения тензора инерции КА и положения его центра масс по результатам наблюдения за движением КА относительно его центра масс в результате действия на него управляющих внешних сил и моментов.
Практическая ценность. Эксперименты в интересах уточнения величины массы ОК "Мир" в процессе его орбитального полета были проведены в 1995 году и повторены в 1996 году при участии РКК "Энергия" им. С.П.Королева, ЦУП-М, ЦНИИМаш и КБ Химмаш им. А.М.Исаева. Эксперименты получили название "Взвешивание станции "Мир" в полете". В общей сложности три эксперимента были проведены независимо друг от друга с использованием двигательных установок грузовых кораблей "Прогресс М-29", "Прогресс М-30" и "Прогресс М-ЗГ.
Анализ результатов экспериментов показал, что разница между величиной массы ОК "Мир", полученной по результатам эксперимента, и величиной массы, полученной в наземных условиях путем документального учета грузопотока, составила около 2,5%. В результате выполненной работы по "взвешиванию" был разработан новый метод получения величины массы ОК "МИР" и сделаны выводы о возможности ее определения в полете во время штатной коррекции орбиты ОК в результате прямого действия на него управляющей реактивной силы двигательной установки.
Научная новизна. Результаты, полученные автором при разработке методов и алгоритмов определения МИХ К А, обладают научной новизной, а именно: постановка задачи определения МИХ КА в полете при условии максимально возможного использования штатной бортовой и наземной аппаратуры и штатных операций по управлению движением КА; получено решение системы дифференциальных уравнений, описывающих движение центра масс КА при работающем двигателе на интервале времени определения его массы, что позволило автору разработать метод определения массы по результатам внешнетраекторных измерений с использованием информации от навигационных ИСЗ; разработана методика определения в полете массы КА с учетом неопределенности в знании индивидуальной характеристики изменения величины тяги его двигательной установки, что потребовало дополнительного решения задачи уточнения в полете модели функционирования двигательной установки; разработана методика и получено решение уравнения для случая определения в полете положения центра масс КА из условия статического равновесия действующих на КА управляющих внешних сил и моментов; разработана методика определения тензора инерции КА, а также тензора инерции КА совместно с положением его центра масс для случая, когда с помощью бортовых средств измеряется вектора угловой скорости и углового ускорения движения КА относительно его центра масс. В методике используется статистический метод обработки измерений, получены общие уравнения определения искомых параметров с использованием блочных матриц.
Практическая значимость. К практически значимым результатам работы относятся: метод определения в полете массы КА, реализация которого основана на принципах совмещения штатных маневров КА, использования работы штатного бортового измерительного оборудования, системы управления движением КА, систем ориентации и стабилизации. результаты экспериментальной проверки во время штатной операции по подъему орбиты ОК "Мир" реализуемости процедуры определения в полете массы К А с достаточной точностью; обоснование возможности декомпозиции задачи определения МИХ КА в полете на три самостоятельные: определение массы КА, определение положения центра масс КА, определение тензора инерции КА. возможность определения в полете положения центра масс КА из условия статического равновесия действующих на него управляющих внешних сил и моментов; возможность определения в полете тензора инерции КА по результатам измерений, полученных от датчиков угловых скоростей и угловых ускорений.
Все полученные результаты обоснованы аналитическими выкладками, модельными расчетами, а некоторые из них данными летных экспериментов.
Накопленный опыт определения МИХ КА в полете может быть использован и в интересах эксплуатации Международной космической станции, конфигурация которой сложнее, а конечная масса почти в четыре раза больше, чем у ОК "Мир".
Метод определения массы КА в полете и метод определения положения центра масс КА в полете были защищены патентами [55], [56].
Достоверность предлагаемого подхода. Методика определения в полете МИХ КА и полученные на ее основе результаты нашли свое подтверждение в модельных расчетах, а так же в проведенных на ОК "Мир" натурных экспериментах. Полученные в работе результаты могут быть использованы при проектировании перспективных крупногабаритных КА в части: принятия оптимальных технических и инженерных решений при проектировании конструкции КА; выбора и оптимизации режимов управления движением КА; определения оптимального облика системы управления движением КА
Апробация. Результаты исследований докладывались на четырех отраслевых научно-технических конференциях.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 работ [49], [51], [52], [53], [54]. Технические решения, вытекающие из результатов выполненного исследования, защищены патентами [55], [56]. Были выпущены по теме диссертации 9 научно-технических отчета.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, двух приложений и списка литературы из 65 наименований. Общий объем работы включает 154 машинописных страниц текста, 20 рисунков и 23 таблицы.
В заключение, диссертант считает своим долгом выразить благодарность научному руководителю за постоянное внимание к работе, а таюке коллективу сотрудников за помощь в оформлении и критическое обсуждение полученных результатов.
