Динамика мягкой посадки возвращаемого аппарата на этапе взаимодействия с поверхностью Земли Воронин Виталий Викторович

Содержание к диссертации

Введение

1 Состояние проблемы посадки аппаратов на поверхность планеты и постановка задачи 12

1.1 Типы посадочных устройств 12

1.2 Схема посадочного устройства 16

1.3 Обзор подходов к математическому моделированию процессапосадки 23

2 Динамическая модель процесса посадки 28

2.1 Динамические уравнения движения 28

2.2 Система уравнений для определения сил и моментов реакций связей в точках соединения тел механической системы

2.2.1 Уравнения связей элементов «k»-ой опоры посадочного устройства 33

2.2.2 Главные вектора сил и моментов реакций связей 38

2.2.3 Структура итоговой матрицы коэффициентов системы уравнений связей 2.3 Демпфирующие элементы посадочного устройства 48

2.4 Механика взаимодействия тарелей с грунтом 52

3 Исследование динамики посадки возвращаемого аппарата в штатных условиях 3.1 Штатные условия посадки 57

3.1.1 Начальные условия к моменту первого контакта возвращаемого аппарата с грунтом посадочной поверхности 57

3.1.2 Зависимости, характеризующие процесс посадки 59

3.2 Построение областей успешной посадки 62

3.2.1 Параметры, влияющие на процесс посадки 63

3.2.2 Области успешной посадки для штатных условий и частичных отказах системы управления спуском 64

3.3 Статистический анализ процесса посадки 77

3.4 Сравнительный анализ динамики процесса посадки для модифицированной схемы опоры посадочного устройства 80

4 Анализ нештатных ситуаций посадки 93

4.1 Отказ взведения штока опоры посадочного устройства 93

4.2 Отказ взведения опоры посадочного устройства 101

4.3 Динамика посадки на корпус 105

Заключение 109

Список литературы 111

• Обзор подходов к математическому моделированию процессапосадки
• Система уравнений для определения сил и моментов реакций связей в точках соединения тел механической системы
• Зависимости, характеризующие процесс посадки
• Отказ взведения опоры посадочного устройства

Введение к работе

Актуальность темы исследования. Процесс мягкой посадки ВА на поверхность планеты является одной из ключевых операций, непосредственно влияющих на выполнение общей программы полета, поскольку отказ посадочного устройства (ПУ) в целом или отдельных его элементов практически всегда приводит к возникновению аварийных ситуаций, которые связаны с негативными последствиями.

Особенностью данного этапа процесса посадки является необходимость гашения большой кинетической энергии, которой обладает ВА в момент первого контакта с поверхностью. Важно подчеркнуть, что в силу ряда обстоятельств (погрешностей системы управления спуском, порывов ветра, неточного знания ряда характеристик самого ВА и др.) кинематические параметры ВА лежат в некотором диапазоне. Кроме того, ориентация посадочной поверхности и ее физико-механические свойства могут быть случайными.

В то же время, при осуществлении посадки необходимо выполнить ряд требований:

1. «мягкость» посадки (ограничения, например, по перегрузкам);

2. сохранение устойчивости в течение движения ВА по посадочной поверхности;

3. конечное положение должно обеспечить возможность дальнейшего функционирования;

4. обеспечение минимально допустимого клиренса для последующего многоразового использования.

Для обеспечения выполнения этих требований аппарат снабжается ПУ, содержащим энергопоглощающие элементы.

Степень разработанности темы. Проблемами моделирования процесса
посадки и обеспечения его безопасности занимались в ряде ведущих
организаций ракетно-космического направления (ЦНИИ машиностроения, НПО
им. С.А. Лавочкина, Ракетно-космической корпорации «Энергия»

им. С.П. Королева, НПО «Молния», РКЦ «Прогресс», НПО машиностроения),
академических институтах (ИМАШ им. А.А. Благонравова РАН, ИПРИМ РАН,
Самарском НЦ РАН), профильных университетах и вузах (МГТУ
им. Н.Э. Баумана, МАИ, СГАУ им. С.П. Королева, Санкт-Петербургском
государственном морском техническом университете,) и связаны с именами
Алексашина С.Н., Алифанова О.М., Арутюняна А.Г., Асланова В.С.,
Баженова В.И., Базилевского А.Т., Бакулина В.Н., Борзых С.В., Буслаева С.П.,
Воронцова В.А., Григорьева Е.И., Защиринского А.М., Калюжного Д.А.,
Кокушкина В.В., Корянова В.В., Круглова Г.Е., Миненко В.Е.,

Мнацаканова А.М., Панковой Н.В., Перминова М.Д., Петросяна Л.В., Пичхадзе К.М., Пономарева П.А., Сапрыкина О.А., Сиразетдинова Т.К., Стулова В.А., Щиблева Ю.Н., Щеглова Г.А., Финченко В.С., ряда зарубежных

исследователей.

На основании системного проектного анализа применительно к ПТК НП из многообразия возможных вариантов было выбрано ПУ рычажного типа, конструкция и кинематическая схема которого отличается от известных аналогов. В связи с этим существует необходимость разработки соответствующей математической модели динамики мягкой посадки с использованием такого ПУ, с учетом специфических особенностей возвращаемого аппарата и требований, предъявляемых к процессу посадки пилотируемой миссии.

Целью диссертации является разработка метода расчета динамики процесса посадки ВА на участке его взаимодействия с посадочной поверхностью, а также анализ успешности (выполнения предъявляемых требований) процесса посадки в рамках заданных ограничений.

Задачи, вытекающие из сформулированной цели, решению которых посвящена настоящая работа:

5. разработка математической модели процесса мягкой посадки ВА;

6. исследование динамики процесса посадки для всего возможного диапазона типов посадочной поверхности (от твердых мерзлых грунтов до мягких супесчаных почв), углов наклона посадочной поверхности и диапазонов начальных линейных и угловых скоростей аппарата, обеспечиваемых системой управления;

7. определение параметров ПУ, обеспечивающих выполнение ограничений по перегрузкам, клиренсу и устойчивости движения в процессе взаимодействия с посадочной поверхностью;

8. разработка подхода к оценке успешности процесса посадки с учетом требований, предъявляемых к процессу мягкой посадки;

9. анализ нештатных ситуаций посадки (отказ отдельных элементов ПУ, посадка на корпус).

Научная новизна работы:

10. разработана математическая модель динамики движения ВА с посадочным устройством новой кинематической схемы, обладающая возможностью адаптации в зависимости от изменений конструктивно-компоновочной схемы опор ПУ;

11. созданы расчетные схемы для определения силовых факторов в точках соединения элементов ПУ;

12. предложен подход к анализу успешности процесса посадки при взаимодействии его ПУ с посадочной поверхностью, сочетающий методы прямого моделирования и статистический подход;

13. разработаны модели нештатных ситуаций посадки, связанных с отказами элементов ПУ и отказом взведения самого ПУ.

Теоретическая и практическая значимость работы:

1) проведен динамический анализ процесса посадки во всем возможном диапазоне свойств грунтов посадочной поверхности, углов ее наклона, ориентации аппарата перед контактом с грунтом, угловых и линейных скоростей ВА;

2. разработан алгоритм, обеспечивающий адаптацию системы уравнений реакций связей для определения реакций в точках соединения элементов посадочного устройства при возникновении нештатных ситуаций или изменениях кинематической схемы ПУ;

3. выполнен сравнительный динамический анализ посадки ВА с различными модификациями ПУ;

4. исследованы нештатные ситуации посадки, связанные с отказами элементов ПУ и системы управления спуском.

Полученные автором результаты и разработанные алгоритмы отражены в документации РКК «Энергия» им. С.П. Королева. На устройство ПУ получен патент [7].

Предмет исследования – процесс посадки возвращаемого аппарата ПТК НП на участке взаимодействия его ПУ с посадочной поверхностью.

Объект исследования – структурно сложная механическая система тел, включающая корпус ВА и элементы его ПУ, с внутренними связями, характерными для заданной кинематической схемы посадочного устройства.

Методы исследования – проведенные в работе исследования базируются на методах теоретической механики, методах динамики структурно-сложных систем, методах статистического анализа, численных методах решения дифференциальных уравнений.

Основные результаты и положения, выносимые на защиту:

1. математическая модель динамики посадки пилотируемого транспортного корабля нового поколения, основанная на представлении возвращаемого аппарата и элементов его посадочного устройства как структурно-сложной механической системы со специфическими внутренними связями, характер и число степеней свободы, которых соответствуют конструктивным особенностям опор посадочного устройства;

2. результаты анализа динамики посадки возвращаемого аппарата во всем диапазоне возможных начальных условий (углов ориентации аппарата относительно посадочной поверхности, линейных и угловых скоростей аппарата на момент первого касания поверхности опорой его посадочного устройства), возможных уклонов посадочной поверхности и широкого диапазона ее механических свойств (от песчаных почв до твердых мерзлых грунтов);

3. алгоритм построения областей успешности посадки, сочетающий методы прямого моделирования и статистический анализ;

4. сравнительный анализ динамики посадки аппарата с различными модификациями ПУ;

5. подход к описанию отказов элементов посадочного устройства и исследование динамики посадки в нештатных ситуациях, связанных с такими отказами.

Степень достоверности полученных результатов, научных положений и выводов, изложенных в диссертации, обеспечена использованием методов классической механики, динамики структурно-сложных механических систем, теории матриц, а также использованием проверенных экспериментальных данных.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 18 профильных международных и общероссийских конференциях, в том числе на:

на 2-й и 3-й Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы ракетно-космической техники» («Козловские чтения») (г. Самара, «ЦСКБ-Прогресс», 2011 г. и 2013 г.);

на международной конференции «Фундаментальные и прикладные задачи механики» (Москва, МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2013 г.);

на 3-й международной конференции «Аэрокосмические технологии» (Москва, МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2014 г.);

на 65-м Международном астронавтическом конгрессе (IAC 65^th) (Торонто, Канада, 2014).

Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 9-ти печатных работах (включая 1 из перечня Scopus [8] и 6 работ в журналах из квалификационного перечня ВАК [1-6]) и отражены в сборниках материалов, трудов и тезисов международных и всероссийских профильных конференций.

Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 122 страницах и состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы, включающего 99 наименований.

Обзор подходов к математическому моделированию процессапосадки

В штатном режиме посадка осуществляется на четыре ПО, взведенные в рабочее положение. В этом режиме посадочная двигательная установка обеспечивает снижение скоростей ВА от величин, соответствующих установившейся скорости спуска на парашютной системе, до остаточных значений к моменту первого касания поверхности, на которые рассчитывается ПУ.

При полном отказе выпуска или нештатном раскрытии ПУ приземление осуществляется на раскрывшиеся элементы опор и сферическое днище ВА.

Разработка нового ВА сопровождается соответствующими исследованиями, затрагивающими все фазы его функционирования. Процесс посадки, начиная с момента касания поверхности, является финальной и одной из ключевых операций всей программы полета. К моменту контакта с посадочной поверхностью ВА имеет остаточные угловые и линейные скорости, величина которых обусловлена точностью системы управления спуском. Ряд работ посвящен рассмотрению участка торможения при спуске, конечная фаза которого определяет начальные условия процессам мягкой посадки [1,36,41,42,46,49,53,67,55,56,59,65,69-71,73-75,82,84,97].

В данной работе рассматривается процесс посадки ВА, оборудованного посадочным устройством, на участке взаимодействия с посадочной поверхностью. Известны работы, в которых рассматривается движение космического аппарата при взаимодействии с посадочной поверхностью с использованием различных типов посадочных устройств и видов амортизации. Так, в работах [27,69] выполнено компьютерное моделирование процесса мягкой посадки аппарата, выполненного по схеме «несущий корпус», на отводимый щит. В работах [51,52] рассмотрено движение спускаемого аппарата при жесткой посадке на поверхность планеты с учетом ветрового воздействия. В работах [32,34] исследована посадка автоматической межпланетной станции на грунты Венеры и Фобоса, в которой в качестве посадочного устройства использовалась тороидальная амортизирующая оболочка.

Известны также работы в области моделирования динамики посадки аппаратов с ПУ пружинно-рычажного типа, содержащего опорные тарели, контактирующие с посадочной поверхностью, и элементы с энергопоглотителем. Они предполагают либо использование плоских моделей, которые могут быть применены лишь для предварительных, качественных оценок [6], либо используются пространственные модели, но движение корпуса и элементов посадочного устройства рассматривается независимо, при этом масса определенных элементов посадочной опоры, таких как шток и стакан, не учитывается, а тарели, вследствие этого, приписывается некоторая «приведенная» масса [7]. Для такого подхода есть определенные основания. Действительно, масса штока и стакана существенно меньше массы корпуса ВА и даже массы тарели. Однако неучет их массы автоматически означает внесение методической погрешности в динамическую модель. Кроме того, существенной проблемой становится выбор «приведенной» массы тарели. Критерием «приведения» может быть только сравнение с экспериментом, который всегда носит совершенно конкретный характер (масштаб модели, тип грунта, угол наклона поверхности и т.д.). В силу этого критерий выбора «приведенной» массы будет корректен лишь в каком-либо диапазоне расчетных условий и, в любом случае, никогда не будет универсальным.

Предполагаемый в данной работе подход основывается на корректной формулировке предпосылок модели - каждый элемент (корпус ВА, стаканы, штоки, тарели) имеют собственные реальные массы, положения центров масс и моменты инерции. Как отмечалось выше, в конструкции элементов ПУ предусмотрены специальные энергопоглотители. Эти устройства поглощают основную часть остаточной кинетической энергии ВА. Другая, гораздо меньшая часть энергии, поглощается за счёт трения в шарнирах и трения о грунт.

В работах [7,21] рассмотрена возможность применения ряда моделей демпферов, основанных на различных принципах рассеивания энергии – фрикционных на сухом трении, энергопоглотителей среза, энергопоглотителей с деформируемым стержнем, сотовых конструкций. При выборе конкретного решения по выбору демпфера должны учитываться следующие дополнительные факторы: массовые характеристики энергопоглотителя, удобство его компоновки в располагаемом упаковочном объеме, возможность обеспечения запаса по характеристике в случае возникновения нерасчетных условий посадки (отказа парашюта или тормозного двигателя, попадания на выход твердых пород, горизонтальных порывов ветра), способности функционировать в экстремальных условиях космического полета.

Энергопоглощающие элементы в математической модели посадки ВА могут иметь функцию зависимости усилия от деформации любого вида, однако, в данном случае, в силу заданности свойств энергопоглотителя, они будут иметь характеристику усилие-деформация в виде ступенчатой функции (рисунок 2.14). При повторном нагружении энергопоглотителей в процессе посадки учитывается величина остаточной деформации от предшествующего нагружения.

Для взаимодействия с посадочной поверхностью в опоре предусмотрено наличие опорных элементов – тарелей. Тарель, непосредственно контактирующая с грунтом при посадке, может быть выполнена в виде сферического, эллиптического сегментов, конусов с постоянным либо переменным углом раскрытия, цилиндров с плоским основанием, которые могут быть снабжены шипами в виде конусов. В данной работе рассматривается тарель заданной сферической формы.

При внедрении тарелей ПУ в грунт возникает сила противодействия со стороны грунта посадочной поверхности, определение которой представляет собой в общем случае достаточно сложную задачу [43,44,47,54]. С целью ее упрощения грунт при динамическом взаимодействии с тарелью иногда рассматривают как некоторую условную сплошную среду без учета волновых процессов в грунтовом массиве и возникающих в нем инерционных сил. Грунтовый массив заменяется механической системой (упруго-пластической либо упруго-вязко-пластической) с одной степенью свободы и при этом изучается поведение материальной точки, координаты которой соответствуют положению грунтовой поверхности в месте нагружения. Этот метод не позволяет определять параметры напряженно-деформированного состояния в любой точке грунтового массива при действии динамической нагрузки. Вместе с тем, данным методом можно определить с достаточной степенью точности напряжения на поверхности тарели в зоне контакта её с грунтом и вычислить нагрузки на ПУ.

Помимо реологических моделей имеет место рассмотрение грунта как сплошной среды. Метод расчёта динамики сплошной среды нагрузок на ПУ при динамическом взаимодействии состоит в применении расчетной схемы в виде одномерной либо трехмерной системы с распределенными параметрами, соответствующими деформационным свойствам грунта. Решение задачи сводится к определению закономерностей распространения волн возмущения в среде от динамической нагрузки с использование математического аппарата теории упруго-пластических волн [44,47,54]. Существует множество частных случаев и подходов к решению подобных задач, однако, зачастую это сопряжено с высокой сложностью математической модели.

Система уравнений для определения сил и моментов реакций связей в точках соединения тел механической системы

Последнее выражение представляет собой девять дополнительных дифференциальных уравнений первого порядка, из которых можно непосредственно определить элементы матриц перехода.

Таким образом, для каждого тела механической системы появляется девять дополнительных уравнений, которые решаются совместно с уравнениями движения (2.2), приведенных к дифференциальным уравнениям первого порядка. В итоге систему составляют 357 дифференциальных уравнений первого порядка, описывающих движение рассматриваемой механической системы.

Система уравнений для определения сил и моментов реакций связей в точках соединения тел механической системы Рассмотрена система векторов, описывающих взаимное расположение тел системы в пространстве на примере одной опоры относительно ВА и инерциального пространства (рисунок 2.2).

На рисунке 2.2 в инерциальной системе координат (ХиУиги) векторами соответственно показано положение корпуса ВА, подкоса, стакана, штока и тарели. Вектора гкор_ст и гкор_под указывают на положение связей ВА со стаканом и корпусом соответственно в связанной системе координат ВА. Остальные вектора, относящиеся к стакану, штоку, тарели и подкосу, обозначают положение в конкретном теле связи со смежными телами относительно собственной системы координат.

Введена индексация по количеству опор и соответствующим им структурным элементам. Пусть опора будет иметь индекс «k», тогда каждая составляющая опоры также будет иметь соответствующий индекс. Таким образом, механическая система будет состоять из центрального тела, «k» – стаканов, штоков, тарелей и подкосов. Амортизатор будет иметь такой же индекс соответственно. Для определения реакций связи в точках связей корпус ВА – «k»-й стакан, корпус ВА – «к»-я - рамка, «к»-й стакан - «к»-й шток, «к»-й шток - «к»-ая - тарель, «к»-й шток - «к»-я рамка - записываются дополнительные уравнения связи (к=\ А).

Корпус и «к»-й стакан соединены связью в виде оси вращения, совпадающей с осью у (рисунок 2.3 и 2.4), запрещающей в точке связи линейные относительные перемещения по всем трем осям и разворот относительно осей х, у. Тогда действие «к»-го стакана на корпус учитывается в виде пространственной силы реакции (трех ее неизвестных проекций на какие-либо координатные оси, в данном случае - на оси х, у, z) и двух моментов реакции (в проекциях на две оси, ортогональные оси разворота z).

На стакан со стороны корпуса действуют сила и момент, равные по модулю и противоположные по направлению. Таким образом, в точке связи корпус ВА -«к»-й стакан имеется пять неизвестных компонент реакций связи (три компоненты силы и две - момента), для определения которых необходимо иметь пять скалярных соотношений. Рисунок 2.4 - Структура векторов реакций связей для стойки Первое векторное уравнение для определения реакции связи основано на условии нерасхождения шарнирной точки контакта корпуса и «к»-го - стакана (далее индекс «к» опускается (рисунок 2.2)): Гкор + Гкор-ст = Гст + Гст_кор , (2.3) где гкор и гст - радиусы-векторы, определяющие положение центров масс корпуса и стакана в инерциальной системе координат; гкор-ст и гст-кор – радиусы-векторы, определяющие положение точки связи в связанных системах координат каждого из тел. Векторное равенство (2.3) можно дважды продифференцировать, т.к. при общей точке связи ее полная скорость и ускорение в инерциальной системе координат одинаковы для корпуса и стакана в произвольный момент времени: «кор + кор X Гкор-ст + кор X Окор X кор-ст) = (2 4) = аст + ст х гст_кор + а)ст х ( aCT х гст_кор) Второе векторное уравнение связи между корпусом и стаканом отражает равенство проекций угловых скоростей корпуса и стакана на две оси, ортогональные оси разворота z: о)ст — o)KOV = О Дифференцирование последнего равенства дает: кор - ст + кор X ст = 0 (2.5) Связь между корпусом и «к»-м подкосом (рисунок 2.3 и 2.5), а также между штоком и подкосом выполнена также в виде оси вращения, поэтому уравнения связи будут полностью аналогичны полученным выше, с соответствующими изменениями индексов.

Структура векторов реакций связей для подкоса Связь между стаканом и штоком допускает относительное проскальзывание вдоль общей продольной оси, а также относительный проворот тел относительно этой оси (рисунок 2.6 и 2.4). Тогда в точке связи стакана и штока появляется сила реакции (имеющая две проекции на оси, ортогональные продольной), и момент реакции (имеющий две аналогичных проекции). Для определения сил и моментов реакции также необходимо записать уравнения связи. Первое из уравнений связи основано на равенстве радиус-векторов точки контакта стакана и штока в инерциальной системе координат (рисунок2.2):

Связь между штоком и тарелью (рисунок 2.7) выполнена в виде сферического шарнира, запрещающего линейные перемещения точки связи, но допускающего любые относительные развороты тарели и штока. Уравнением связи будет соотношение, аналогичное по смыслу первому из векторных уравнений (2.4)

Зависимости, характеризующие процесс посадки

Возможны различные способы анализа успешности процесса посадки и, соответственно, различные варианты графического представления соответствующих областей в осях ключевых параметров. В данном случае, для ВА, область успешной посадки представлена в системе координат линейных скоростей, а именно в осях горизонтальной и вертикальной скорости (VГ и VВ), при этом значения ряда других параметров, влияющих на успешность, перебираются в некотором реально возможном диапазоне либо фиксируются.

Для построения области успешной посадки фиксированным параметром является только жесткость грунта, а остальные параметры, такие как линейные и угловые скорости, углы ориентации ВА и посадочной поверхности перебирались в определённом диапазоне (таблица 3.1).Кроме того, для исследования влияния взаимной ориентации ВА и посадочной поверхности (угла подхода к поверхности) реализована следующая методика построения областей успешной посадки: фиксируются значения угла отклонения продольной оси аппарата от вертикали, угла отклонения посадочной поверхности от горизонтали, угловой скорости в момент первого контакта с грунтом, а также задается тип грунта; варьируются вертикальная и горизонтальная компонента скорости.

Результат каждого расчетного случая процесса посадки фиксируется по таким событиям как: успешная посадка (выполнение всех требований), переворот по углу наклона ВА, контакт корпуса ВА с посадочной поверхностью, выход штока амортизатора на упор либо превышение перегрузкой предельно допустимого значения.

Для получения областей успешности посадки во всем возможном диапазоне начальных условий, линейные скорости варьируются в диапазоне, выходящим за пределы штатных условий, а именно Vв = (-3,5±3,5) м/с, Vг = (0±15) м/с. Значение горизонтальной линейной скорости до 15 м/с обусловлено возможным отказом системы управления в части гашения горизонтальной скорости и следовательно максимальным значением скорости ветра, при которой возможна посадка. Вертикальная скорость может достигать 7 м/с, также, в случае отказа системы управления спуском в части гашения вертикальной скорости, т.е. это максимальная скорость спуска на парашюте[3]. Остальные параметры останутся в диапазоне штатных условий, однако также будет рассмотрен случай углового отклонения ВА (УВА)относительное продольной оси до 45 (рисунок3.8) с целью исследования работоспособности ПУ в случае отказа системы ориентации ВА относительно вектора горизонтальной скорости.

В таблице 3.1 приведены расчетные случаи для исследования процесса посадки, которые разбиты на 4 группы, отличительными признаками которых является жесткость грунта и значения ВА. Все параметры, за исключением линейных скоростей и ВА, в штатном диапазоне. Такие параметры, как осПП и ВА находятся в наиболее неблагоприятных сочетаниях (рисунки 3.7 и 3.8).

Для каждой группы массив расчетных случаев, включающего все возможные сочетания начальных условий из рассматриваемых диапазонов, формировался методом Монте-Карло. Рисунок 3.7 – Конфигурация подхода ВА к посадочной поверхности для групп 1 и 2 из таблицы 3.1 Рисунок 3.8 – Конфигурация подхода ВА к посадочной поверхности для групп 3 и 4 из таблицы 3.1 Таблица 3.1 – Расчетные случаи процесса посадки № группы Жесткость грунта, кгс/м3 YBA, апп, PBA, Vz, м/с Ve, м/с CO, % 1 60106 0-15 -10-0 0-15 -15-15 -7-0 0-12,5 2 0,8-106 3 60-106 15-45 4 0,8-106 На рисунке 3.9 отображена область успешной посадки для условий группы 1 из таблицы 3.1, и она соответствует штатному подходу ВА к плоскости как показано на рисунке 3.7. Область штатных условий посадки находится внутри области успешной посадки, за незначительным исключением – превышение предельной перегрузки (левый верхний угол). Показаны случаи переворота ВА и выхода штока амортизатора на упор. Область успешной посадки для группы 1 Переворот ВА происходит при отрицательной горизонтальной скорости менее минус 3 м/с и преимущественно при вертикальной скорости менее 3 м/с, что говорит об отсутствии или очень малом запасе устойчивости вне диапазона штатных условий. При нештатных значениях хотя бы одной из компонент линейной скорости происходит выработка хода амортизатора (выход штока на упор). При положительной горизонтальной скорости и штатной вертикальной преимущественно наблюдается успешная посадка.

Превышение предельно допустимой перегрузки наблюдается в основном для отрицательной горизонтальной скорости и частично попадает в область штатных условий посадки. Превышение перегрузки, при выполнении всех остальных требований вызвано особенностями конструкции ПУ и определенным углом подхода ВА к посадочной поверхности. Дело в том, что начиная с определённого угла подхода к посадочной поверхности и при определенном соотношении линейных скоростей, главный вектор силы взаимодействия опорной тарели с грунтом посадочной поверхности имеет преобладающую проекцию силы грунта на подкос. Таким образом, подавляющая часть силы реакции грунта передается непосредственно на корпус ВА (рисунок 3.10). Амортизатор в такой ситуации практически не работает и соответственно не гасит энергию, т.к. проекция вектора силы реакции грунтаFnn на него (F 0K) незначительна относительно проекции на подкос (F ). область успешной посадки для условий из группы 2 таблицы 1. Все условия посадки идентичны группе 1 за исключением грунта - в данном случае он мягкий. Как видно - область устойчивости несколько шире, относительно случая с жестким грунтом. Имеет место иное распределение зон переворота, выхода штока на упор и перегрузки. На основе распределения областей результатов можно сделать вывод, что на исход посадки сильно влияет сочетание линейных скоростей, т.е. при приоритете вертикальной скорости происходит более интенсивное сжатие амортизаторов, а при приоритете горизонтальной скорости -переворот.

Отказ взведения опоры посадочного устройства

В итоге, с точки зрения динамики посадки и оценки ее успешности, схема 2 представляется предпочтительнее схемы 1. При этом у каждой их схем имеются свои «узкие места»: для схемы 1 маловероятное, но возможное, возникновение перегрузки, превышающей допустимое значение; у схемы 2 – подлом опоры, однако, согласно проведенному анализу, данное событие в штатных условиях практически исключено.

Результаты серии расчетов процесса посадки ВА с модифицированной ПО позволили провести сравнительный анализ двух схем ПУ для обоснованного принятия решения по выбору основной схемы, с последующим проведением полного цикла испытаний ПО и ПУ. Необходимо подчеркнуть, что само принятие решения по выбору основной схемы будет приниматься на основе системного, комплексного анализа обоих вариантов, включающего особенности компоновки, конструктивного исполнения, технологические, материаловедческие особенности, возможности и проблемы частной и комплексной экспериментальной отработки, экономические факторы, сроки изготовления и т.д. Предложенный методический подход, математическая модель и выполненный анализ позволяет лишь оценить преимущества той или иной схемы с точки зрения динамических особенностей процесса посадки и выполнения требований к самому процессу посадки.

Содержание главы изложено в статьях автора [14,20,29,30,50,98] и материалах конференций [8,9,12,15,19,23,26]. 4 Анализ нештатных ситуаций посадки

В предыдущей главе рассматривался штатный случай посадки, то есть предполагалась, что сработали тормозные двигатели и парашютная система, снизившие вертикальную скорость аппарата до штатного значения, обеспечена заданная, с учетом допустимых погрешностей, ориентация аппарата относительно посадочной поверхности. Также были рассмотрены нештатные случаи, связанные с отказом в системе управления спуском в части гашения линейных скоростей ВА и ориентации относительно его продольной оси с целью определения возможностей посадочного устройства по парированию этих ситуаций. При этом, для всех случаев подразумевалось, что само посадочное устройство переведено из сложенного транспортированного положения в раскрытое рабочее и полностью работоспособно (рисунок 1.10).

В данной главе рассмотрены следующие нештатные ситуации: отказ взведения штока одной из опор, отказ взведения одной из опор целиком и посадка на корпус при отказе сброса лобового теплозащитного экрана. Поскольку были рассмотрены две схемы посадочного устройства, соответственно для каждой из схем будут рассмотрены все нештатные варианты посадки связанные с отказом элементов посадочного устройства.

При разработке модели штатного процесса посадки учитывался конкретный характер связей между корпусом и отдельными элементами посадочного устройства (рисунки 2.4 – 2.8). Предполагалось, что в точках связи «корпус – стойка», «корпус – подкос», «подкос-шток» находятся шарниры с одной степенью свободы по вращению (ось вращения), в точках «шток – тарель» – шарниры с тремя степенями свободы по вращению (сферические шарниры), а связь «стойка – шток» допускает проскальзывание относительно общей продольной оси и относительный разворот относительно этой же оси (цилиндрический шарнир). Записывалась специальная система уравнений для определения реакций этих связей, которая решалась численными методами совестно с уравнениями движения каждого из тел рассматриваемой механической системы.

Рассматриваемый случай – отказ взведения штока одной из опор (рисунок 4.1) – означает, что относительное движение штока и стойки вдоль их продольной оси и относительный разворот относительно этой же оси исключается (рисунок 4.2), и указанные выше степени свободы в точках связи «стойка – шток» запрещены. Поэтому в точках связи возникают дополнительные проекции силы реакции на продольную ось и момент реакции относительно продольной оси (рисунок 4.3). Т.к. конструкция опоры в части соединения штока и стойки в обеих схемах одинаковая, то модификация механической связи в точке «стойка – шток» соответственно ничем не отличаются для каждой из двух рассматриваемых схем опор ПУ. В качестве исходных уравнений для определения реакций в точках связи «стойка – шток» могут быть использованы два уравнения для штатного случая посадки (2.10), (2.11), которые необходимо модифицировать в соответствии с рассматриваемыми случаями отказов.

Поскольку при отказе взведения штока его относительное перемещение внутри стойки исключено, в уравнении (4.1) следует локальную относительную скорость и относительное ускорение положить равными нулю, и проектировать уравнение (4.1) не на две оси, ортогональные продольной, как это было для штатного случая, а на все три оси, включая продольную ось. В выражении (4.1) ускорение центра масс стойки аст определяется выражением (4.2), угловое ускорение ст - выражением (4.3).

Это уравнение для рассматриваемого случая отказа взведения штока также следует проектировать на все три оси, при этом последнее слагаемое обращается в нуль, поскольку при отказе взведения штока относительного вращения стойки и штока не происходит.

Итоговые уравнения для определения реакций связи получается подстановкой (4.2) - (4.5) в равенства (4.1) и (4.6).

Выражения (4.1)–(4.6) записаны для схемы 1, т.е. для опоры с подкосами. Т.к. в случае схемы 2 отсутствует подкос, то соответственно для неё выражения, описывающие механическую связь, будут такими же, за исключением наличия в выражениях для штока (4.4)-(4.5) момента и силы от реакции связи.

На рисунках 4.4 - 4.7 представлены результаты моделирования процесса посадки при отказе взведения штока одной из опор. Из рисунка4.4 следует, что пиковое значение продольной (вдоль оси аппарата) перегрузки составляет 22.5 единицы и длительность превышения предельно допустимого значения в 8 единиц составляет 0.018 с, что больше предела переносимости человеком [72]. Моделирование процесса посадки проводилось для штатных кинематических начальных условий на жесткий грунт, как наиболее критичный с точки зрения перегрузки.

Совершенно иная картина по перегрузкам наблюдается для схемы 2 (рисунок 4.5). В данном случае максимум перегрузки составляет 9.6 единиц и длительность ее выхода за допустимое значение составляет 0.024 с. В случае со схемой 2 перегрузка меньше более чем в 2 раза, но длительность ее больше. Это объясняется наличием у схемы 2 упругих элементов (тросов) в составе посадочной опоры, что позволяет демпфировать пиковые значения ускорений, но растягивает