Введение к работе
Общая характеристика работы. В период с 1989 по 2007 годы находилась в эксплуатации серия низкоорбитальных автоматических космических аппаратов (КА) «Бион», «Фотон». На КА этой серии получены новые научные результаты в областях биотехнологических исследований, а также изучения проблем выращивания монокристаллов полупроводников и затвердевания металлических сплавов.
Планирование проведения и обработка результатов научных экспериментов на борту космической микрогравитационной платформы (МГП) требует постоянного анализа бортовой микрогравитационной обстановки. Как показывают результаты эксплуатации КА «Фотон», величина квазистатических микроускорений за время неориентированного орбитального полёта может возрастать от 10"6go до 10"4go за счёт «раскрутки» МГП относительно продольной оси под действием внутренних и внешних возмущений (g0 = 9,81 м/с - ускорение свободного падения). Для обработки измерений параметров микрогравитационной обстановки, а также в целях снижения микроускорений на борту МГП разрабатывалось и совершенствовалось методическое и программно-математическое обеспечение (ПМО).
Актуальность темы. Увеличение числа научно-практических задач с высокими техническими требованиями к условиям их реализации на борту определяет необходимость улучшения показателей эффективности МГП:
увеличение времени активного существования;
повышение мощности бортовой системы энергопитания (СЭП);
- снижение величины остаточной микрогравитации на борту до уровня
значений 10"6go и менее в низкочастотной части спектра от 0 до 0,01 Гц;
- повышение массы полезной нагрузки (научной аппаратуры).
В настоящее время для улучшения основных показателей эффективности проводятся опытно-конструкторские работы, связанные с разработкой специализированной низкоорбитальной автоматической МГП с бортовыми средствами, осуществляющими анализ параметров микрогравитационной обстановки, контроль и компенсацию микроускорений в низкочастотной части спектра. Вопросам создания МГП такого типа посвящены работы научно-практической школы Козлова Д. И. (Аншаков Г. П., Соллогуб А. В., Ахметов Р. Н., Стратилатов Н. Р., Фомин Г. Е.).
Известно значительное число работ, в которых рассматриваются проблемы влияния внутриобъектовой среды КА на проведение научных и технологических экспериментов. Это работы Авдуевского В. С, Бармина И. В., Полежаева В. И., Гришина С. Д., Сазонова В. В., Сёмкина Н. Д., Горелова Ю. Н., Аб-рашкина В. И., Воронова К. Е., D. Thierion, A. Verga, P. Baglioni, Т. Beuselinck, С. Van Bavinchove, D. Claessens, D. Schwabe.
Несмотря на имеющиеся положительные результаты, улучшение показателей эффективности КА, а также повышение технических требований к величине низкочастотных возмущений на борту МГП с 10"5go до 10"6go определяет актуальность дальнейшего развития методического обеспечения в рамках разработки специальных программно-аппаратных средств, решающих
задачи анализа микрогравитационной обстановки (АМО), контроля и компенсации микроускорений (ККМ).
Целью диссертационной работы является разработка методики определения проектных параметров программно-аппаратных средств анализа микрогравитационной обстановки, контроля и компенсации микроускорений в низкочастотной части спектра на борту МГП, выбор для этих средств значений определяющих проектных параметров, обеспечивающих улучшение показателей эффективности КА.
Объектом исследований является МГП с программно- аппаратными средствами, решающими задачи АМО и ККМ в процессе орбитального полёта.
Предметом исследований является методика определения проектных параметров программно-аппаратных средств АМО и ККМ космической МГП.
Методы исследований: системный подход проектирования сложных технических систем, метод решения многокритериальных задач на множестве Парето, методы аппроксимативного анализа для обработки измеряемых параметров, методы баллистического проектирования на основе исследований динамики движения КА. Задачи исследований:
1. В рамках системного подхода проектирования МГП сформулировать
задачи для определения и выбора проектных параметров средств анализа
микрогравитационной обстановки, контроля и компенсации микроускорений.
2. Обосновать модели базового ПМО для определения величины
низкочастотных микроускорений на борту МГП, на массиве эксперименталь
ных данных реального полёта КА произвести анализ достоверности получен
ных результатов, рассчитать показатели эффективности и выбрать схему ин
формационного обеспечения для решения задачи АМО.
3. Разработать методики определения оптимальных значений проектных
параметров моделей программно-математического и информационного обеспе
чения бортовых средств АМО и ККМ, рассчитать показатели эффективности
при функционировании этих средств в составе МГП.
Научная новизна. Разработана методика определения проектных параметров программно-аппаратных средств анализа микрогравитационной обстановки, контроля и компенсации микроускорений на борту МГП. В структуре данной методики сформулированы и решены следующие задачи:
обоснованы модели базового ПМО для расчёта низкочастотных микроускорений на борту МГП, проектные параметры которых выбраны на массиве данных реального полёта с учётом критерия минимизации ошибки определения возмущений и ограничения на объём памяти алгоритмов моделей этого ПМО;
разработана методика определения оптимальных значений проектных параметров моделей ПМО бортовых средств АМО, которые обеспечивают расчёт микроускорений и информационных характеристик этих средств на уровне требуемых значений в условиях полёта МГП в режиме солнечной ориентации;
разработана методика определения оптимальных значений проектных параметров моделей ПМО бортовых средств ККМ, которые снижают величину микроускорений до уровня требуемых значений и повышают условия освещённости панелей солнечных батарей (ПСБ) МГП прямым солнечным светом.
Практическая ценность работы состоит в следующем.
Разработаны схемы оперативного управления в полёте и информационного обеспечения бортовых средств АМО и ККМ, что позволяет выбирать режимы работы аппаратуры с учётом данных реального состояния поля микрогравитационной обстановки на борту МГП.
Обоснованы модели базового ПМО для определения параметров состояния микрогравитационной обстановки и проведена оценка достоверности полученных результатов по данным реальных измерений, полученных в полёте МГП. Выбрана схема информационного обеспечения, которая позволяет повысить точность расчёта микроускорений и снизить ошибку определения возмущений внешнего характера.
Выбраны расчётные значения проектных параметров моделей ПМО бортовых средств АМО и ККМ, которые обеспечили следующее:
определение величины микроускорений в низкочастотной части спектра на уровне требуемых значений от 10~6 g0 и менее;
возможность передавать в наземный пункт приёма информации средствами радиотелеметрической системы МГП информационные данные состояния поля микроускорений в заданном объёме и с требуемой периодичностью;
повышение оперативности решения задач анализа, контроля и компенсации микроускорений, что позволяет планировать работу бортовой научной аппаратуры в полёте с учётом реальной микрогравитационной обстановки.
4. Функционирование бортовых средств ККМ в составе МГП позволяет:
снизить величину микроускорений до уровня требуемых значений (10~6 g0) и повысить условия освещённости панелей солнечных батарей КА;
реализовать стабилизированный орбитальный полёт МГП с упрощенным приборным составом системы управления движением, что позволяет повысить массу полезной нагрузки и снизить среднесуточное энергопотребление.
5. Методика определения проектных параметров средств анализа микрогравитационной обстановки, контроля и компенсации микроускорений внедрена в проектную документацию КА «Фотон-М» №2, №3, №4, КА «Бион-М» №1. На защиту выносятся следующие основные положения:
- модели базового программно-математического обеспечения для расчёта
низкочастотных микроускорений на борту МГП, значения проектных пара
метров которых выбраны на массиве данных реального полёта с учётом кри
терия минимизации ошибки определения возмущений и ограничения на объём
памяти алгоритмов моделей ПМО;
методика определения оптимальных значений проектных параметров моделей ПМО бортовых средств АМО, которые обеспечивают расчёт микроускорений и информационных характеристик этих средств на уровне требуемых значений в условиях полёта МГП в режиме солнечной ориентации;
методика определения оптимальных значений проектных параметров моделей ПМО бортовых средств ККМ, которые снижают величину микроускорений до уровня требуемых значений и повышают условия освещённости панелей солнечных батарей МГП прямым солнечным светом.
Внедрение. Результаты работы нашли применение в ФГУП ГНПРКЦ «ЦСКБ-Прогресс» при проведении следующих работ:
опытно-конструкторские работы (ОКР) в части анализа величины бортовых микроускорений по данным орбитального полёта КА «Фотон-М» №2, №3;
ОКР, направленные на разработку научной аппаратуры ГРАВИТОН (прототип бортовых средств АМО) КА «Бион-М» №1;
ОКР, связанные с разработкой научной аппаратуры контроля состояния и компенсации микроускорений КА «Фотон-М» №4.
Публикации и апробация работы. Содержание работы и её результаты докладывались на IX Всероссийском съезде по теоретической и прикладной механике (г. Нижний Новгород, 2006 г.) и на всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы ракетно-космической техники и её роль в устойчивом социально-экономическом развитии общества», которая проводилась в ФГУП ГНПРКЦ «ЦСКБ-Прогресс» (г. Самара, 2009 г.).
Материалы работы опубликованы в рецензируемых изданиях - 3 статьи [1, 2, 3], в сборниках трудов -5 статей [4 - 6, 9, 10], в тезисах двух докладов [7, 8].
Структура и объём диссертации. Работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы из 52 наименований и приложения. Общий объём диссертации 187 страниц, в том числе 172 страницы основного текста с 46 рисунками.
