Введение к работе
Работа посвящена разработке методики системного анализа эффективности средств орбитальной инспекции на базе маневрирующих малых космических аппаратов с электрореактивными энергодвигательными модулями.
Актуальность проблемы. Современный этап развития космической техники характеризуется интенсивным ростом числа создаваемых и запускаемых на орбиту космических аппаратов. При этом наземные средства контроля космического пространства, как показала практика космических полётов, не способны обеспечить достаточной информацией о назначении запускаемых космических аппаратов, их технических характеристиках и особенностях целевого функционирования. Возникают задачи, которые могут быть в основном успешно решены средствами космического базирования. К ним относятся: сближение с космическим объектом для распознавания его типа; сопровождение космического объекта с целью анализа его работоспособности и технического состояния; контроль космической обстановки в заданном районе. Аппараты, предназначенные для решения такого рода задач, принято называть космическими аппаратами (КА) - инспекторами. В США, Китае и Европейском союзе активно ведутся работы по созданию и экспериментальной отработке в космосе технологии космической инспекции.
К настоящему времени известен ряд успешно реализованных проектов КА-инспекторов. К ним относятся малые аппараты серии «XSS», КА «SBSS», система «Orbital Express» (США), аппараты «ВХ-1» и «Шицзянь-12» (Китай), проект «PRISMA» (Швеция), наноспутник «SNAP-1» (Великобритания).
Целью инспекции является получение необходимого объёма информации за заданное время. Система орбитальной инспекции проектируется с учётом большого числа ограничений. Она должна обеспечивать выполнение совокупности динамических операций по орбитальному маневрированию и сближению с инспектируемым объектом, то есть располагать определённым запасом характеристической скорости. При увеличении этого запаса снижается информативность, так как на борту КА не удается разместить достаточное количество целевой аппаратуры. Увеличение оперативности выполнения операции инспекции требует увеличения тяги двигателей и мощности энергоустановки, что влечет за собой увеличение массы аппарата в целом. Рост массы КА приводит к переходу на более тяжелый ракета-носитель для выведения на орбиту, что отражается на стоимости космической системы орбитальной инспекции (КСОИ). Таким образом, задача анализа эффективности средств орбитальной инспекции изначально является многокритериальной и должна решаться соответствующими методами.
Известные КА-инспекторы, как правило, оснащаются химическими ракетными двигателями, работающими на однокомпонентном топливе (гидразине). Вместе с тем, практический интерес представляют КА, осуществляющие инспекцию с малой тягой, создаваемой электрореактивными энергодвигательными модулями (ЭРЭДМ), обладающими высокими энергетическими характеристиками. Технические аналоги и методы исследования таких КА-инспекторов в открытой литературе не описаны.
При проектировании сложных технических систем, не имеющих достаточного количества аналогов, применяется системный подход.
Совокупность методов исследования сложных систем носит название «system analysis» - системный анализ. Основополагающие результаты в области методологии системного анализа получены Т. Саати, Ю. Б. Гермейером, Н. Н. Моисеевым, В. В. Подиновским, В. С. Емельяновым.
Прикладные методы анализа и синтеза космических систем различного назначения разработаны А. А. Лебедевым, В. В. Малышевым, Г. 3. Давлетшиным, Ф. Р. Ханцеверовым, Б. С. Скребушевским. Следует отметить важные теоретические и прикладные результаты в области проектирования космических систем мониторинга - школа Д. И. Козлова и его последователей Г. П. Аншакова, А. Н. Кирилина, Р. Н. Ахметова.
Основополагающие результаты в области механики космического полёта с малой тягой получены в трудах Г. Л. Гродзовского, Ю. Н. Иванова, В. В. Токарева, Д. Е. Охоцимского, В. В. Белецкого, М. С. Константинова.
Особенности движения с малой тягой при выполнении манёвров управления орбитой, а также вопросы управления относительным движением в системе двух аппаратов рассматривались в работах Р. Ф. Аппазова, О. Г. Сытина, Ю.П. Улыбышева, В. В. Салмина, С. А. Ишкова.
Группой учёных (Г. В. Малышевым, В. М. Кульковым, Ю.Г. Егоровым и др.) были опубликованы результаты проектных исследований по эффективности использования электрореактивных двигателей (ЭРД) для выведения, коррекции орбиты и поддержания группировок спутниковых систем. Проблеме использования перспективных типов ЭРД на малых КА посвящена серия работ Н. Н. Антропова, Г. А. Попова, М. Н. Казеева, В. П. Ходненко.
Важной задачей в проблеме системного проектирования является выбор проектных параметров космических аппаратов, универсальных для решения диапазона динамических операций. Исследования данной проблемы выполнены В. В. Токаревым, С. А. Пиявским, В. С. Брусовым, В. В. Салминым.
Если к настоящему времени разработаны методы системного проектирования космических мониторинговых и транспортных систем, то проблема комплексного подхода к оценке эффективности космических систем орбитальной инспекции изучена недостаточно.
В этой связи актуальной становится проблема разработки методики анализа эффективности космической системы орбитальной инспекции на базе маневрирующих малых космических аппаратов.
Целью диссертационной работы является разработка методики системного анализа эффективности средств орбитальной инспекции на базе маневрирующих малых космических аппаратов с электрореактивными энергодвигательными модулями. Для достижения поставленной цели в данной работе решаются следующие задачи:
структурно-параметрический анализ КСОИ и определение параметров, существенно влияющих на облик системы;
декомпозиция задачи оценки эффективности космической системы орбитальной инспекции;
решение задачи совместной оптимизации проектных и динамических характеристик КА-инспектора;
4) синтез различных вариантов построения системы орбитальной инспекции на базе малых КА-инспекторов с ЭРЭДМ и анализ их эффективности.
Объектом исследования является космическая система орбитальной инспекции.
Предметом исследования является методика системного анализа эффективности средств орбитальной инспекции на базе маневрирующих малых космических аппаратов с электрореактивными энергодвигательными модулями.
Методы исследований: системный анализ, методы морфологического анализа и многокритериальной оптимизации, теория управления динамическими системами.
Научная новизна:
Обоснована возможность и проведена декомпозиция общей задачи оценки эффективности средств орбитальной инспекции с выделением частной задачи совместной оптимизации управлений, траекторий и проектных параметров маневрирующего КА-инспектора.
Разработана методика расчёта затрат характеристической скорости на динамические операции маневрирующего КА-инспектора с двигателями малой тяги.
Разработан итерационный алгоритм синтеза проектных параметров КА-инспектора, базирующийся на методе морфологического анализа и процедуре выделения Парето-оптимальных решений.
Проведена интегральная относительная оценка эффективности вариантов построения КСОИ на базе маневрирующих малых КА с электрореактивными энергодвигательными модулями.
Практическая значимость работы заключается в:
разработке специализированного программного обеспечения «Программный комплекс для моделирования движения малого космического аппарата» (Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2011615447, 13.07.2011 г.) и «Выбор основных параметров и оценка эффективности космической системы орбитальной инспекции - «SpaceSOI»;
систематизации результатов проектных исследований в области создания маневрирующих малых КА с электрореактивными энергодвигательными модулями, которые могут быть использованы на начальных этапах проектирования малых КА-инспекторов;
- построении морфологических таблиц вариантов космической системы
орбитальной инспекции на основе баз данных по ракетам-носителям и
двигателям малой тяги, которые могут быть использованы для синтеза новых
альтернативных вариантов КСОИ и оценки их эффективности.
Научные и практические результаты работы, оформленные в виде научно-технических отчётов и технических предложений, используются в перспективных проектных исследованиях ГНПРКЦ «ЦСКБ-Прогресс», что подтверждается актом внедрения. Результаты диссертационной работы отражены в отчёте о научно-исследовательской работе «Проведение проектных исследований в обеспечение создания многофункциональных маневрирующих малых КА с электроракетными энергодвигательными модулями», выполненной в СГАУ по заказу ГНПРКЦ «ЦСКБ-Прогресс» в 2010 г.
Результаты работы включены в отчётные материалы по проектам «Разработка методов конструирования унифицированных платформ малых космических аппаратов научного назначения на основе модульных технологий системного проектирования» (Госконтракт № 02.740.11.0155) и «Разработка методик формирования проектного облика и конструирования малых космических аппаратов многофункционального назначения» (Госконтракт № П682) в рамках Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы.
Результаты работы используются в учебном процессе: при дипломном проектировании, в учебно-исследовательских работах студентов, включены в учебное пособие «Проектирование малых космических аппаратов на основе модульных технологий», Самара, СГАУ, 2011 г.
На защиту выносятся:
1. Процедура и результаты декомпозиции общей задачи оценки
эффективности средств орбитальной инспекции на базе маневрирующих малых КА.
Методика расчёта затрат характеристической скорости на динамические операции маневрирующего КА-инспектора с двигателями малой тяги.
Итерационный алгоритм синтеза проектных параметров КА-инспектора, базирующийся на методе морфологического анализа и процедуре вьщеления Парето-оптимальных решений.
Методика интегральной относительной оценки эффективности средств орбитальной инспекции на базе маневрирующих малых космических аппаратов с электрореактивными энергодвигательными модулями.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на международных и российских конференциях:
II Международной научно-практической конференции «Университетские микроспутники - перспективы и реальность», отмечен дипломом (г. Евпатория, 2007 г.);
Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы ракетно-космической техники и её роль в устойчивом социально-экономическом развитии общества» (г. Самара, 2009 г.);
Симпозиуме «Управление, навигация и наведение в аэрокосмических системах» Международной федерации по автоматическому управлению (IFАС) (г. Самара, 2009 г.);
Международной конференции «Перспективные информационные технологии для авиации и космоса» (г. Самара, 2010 г.);
16-й Международной научной конференции «Системный анализ, управление и навигация» (г. Евпатория, 2011 г.).
Публикации. Основное содержание диссертационной работы отражено в 12 печатных работах, из которых 3 статьи опубликованы в рецензируемых журналах, определённых ВАК Министерства образования и науки РФ.
Объём и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четьфёх глав, заключения, приложений и списка литературы. Общий объём 153 страницы, в том числе 31 таблица, 48 рисунков. Список литературы включает 114 наименований.
