Введение к работе
Совершенствование космической техники, применяемой для «следования околоземного пространства, идет по пути создания яюгоразовых систем, спускаемые аппараты которых производят посадку іа аэродром по самолетной схеме. Совершают полеты многоразовые системы "Спейс-Шатл", прошел испытательный полет комплекса 'Энергия-Буран". Научные и проектные программы развития ішогоразовой техники реализуются во многих странах мира: Франции, йюнии, Германии, Англии.
Траектория спуска аэрокосмического аппарата имеет большую зротяженность (6+13 тыс. км) и продолжительность полета Соколо 10 мин). Обычно траекторию разбивают на несколько участков, в конце которых необходимо выдержать заданные ограничения на терминальные условия приведения. Это следующие участки: спуска Свысоты 100-20 км), предпосадочного маневрирования Свысоты 20-4 км), захода на посадку Свысота 4 км - касание взлетно-посадочной полосы) и пробега. Для управления аппаратом типа. "Буран" используются 7 аэродинамических органов и 20 двигателей кормовых комплектов реактивной системы управления. Командные сигналы на исполнительные органы вырабатываются дискретно один раз за такт БЦВМ С~32 мс). Алгоритмы наведения раз в 32 такта определяют командные углы атаки и крена Сили вертикальной перегрузки и крена в зависимости от участка полета). Система управления носит релейный характер. Сочетание такого управления с повышенной чувствительностью движения
3.
аэрокосыического аппарата к воздействию возмущений вызывает большие трудности при моделировании полного движения в атмосфере.
Актуальность, Этап спуска в атмосфере является необратимо* операцией, поэтому отработка бортовых алгоритмов, проведение мероприятий, направленных на повышение надежности выполнения этогс завершающего этапа полета орбитального корабля - одна из важнейвш задач. Решение ее во многом зависит от наличия достоверной моделі полного движения аэрокосмического аппарата в атмосфере. Создание такой модели сталкивается с многочисленными проблемами, включая эффективность вычисления аэродинамических коэффициентов аппарата сложной формы, определение движения исполнительных органов Сприводов), численное интегрирование разрывных систем дифференциальных уравнений, характерных для описания движения орбитального корабля в атмосфере.
Работы по созданию методов решения уравнении движения исполнительных органов с. приемлемыми временными характеристиками проводились в НПО "Молния", НЛО АЛ. Вопросам численного интегрирования нелинейных систем посвящено много работ. Можно отметить монографии Хола и Уатта, Деккера и Вервера, работы Ракитскаго Ю. В. и др, Федоренко Р.П. и многих других. Однако, непосредственное применение предложенных в них методов для решения рассматриваемой в диссертации задачи не представляется возможным. Одна из особенностей системы уравнений полного движения аэрокосмического аппарата состоит в том, что коэффициенты уравнений являются функцией вектора управления, который в свою очередь зависит от фазового вектора и его производных.
Эти проблемы требуют проведения специальных исследований, что и обуславливает актуальность выбранной темы диссертационной работы.
Цели и задачи исследования. Целью выполненных в
иссертационной работе исследований является разработка адекватной
одели полного движения аэрокосмического аппарата на участке спуска
атмосфере. Для этого в диссертации решаются следующие задачи:
определение условий корректного численного интегрирования системы
уравнений полного движения,
повышение эффективности методов решения уравнений движения рулевых приводов аэродинамических органов управления, разработка эффективного программного комплекса для моделирования полного движения аппарата.
Методы исследований. В работе используются явные и неявные этоды численного интегрирования систем нелинейных обыкновенных іфференциальньїх уравнений, методы определения погрешностей 1Сленного интегрирования, методы определения собственных значений векторов якобиана, методы численного определения частных юизводных нелинейных уравнений, методы численного решения линейных алгебраических уравнений.
Научная новизна. Для решения траєкторних задач создана іиболее подробная модель полного движения аэрокосмического іпарата в атмосфере. Разработана методика комплексного следования системы дифференциальных уравнений, учитывающая ее юбеиности. На основе этой методики найдены ограничения, кладываемые системой на методы численного интегрирования. Для лучения корректных результатов моделирования разработаны и алиэованы алгоритмы управления выбором шага интегрирования, итывающие влияние конечного представления чисел в ЭВМ на точность шения.'
Созданы методы эффективного решения дифференциальных уравнений
движения приводов аэродинамических органов управления, имевших кусочно-постоянные коэффициенты в правых частях. Для повышения точности интегрирования реализованы алгоритмы выхода на точки моментов смены коэффициентов уравнений.
Разработаны алгоритмы и программное обеспечение эффективного комплекса моделирования полного движения аэрокосмического аппарата при спуске в атмосфере.
Практическое значение. Рассматриваемые в работе уравнения характерны для описания многих сложных дискретных технических систем, имеющих адаптивное управление. Разработанные в работе методы исследования разрывных систем нелинейных уравнений, предложенные алгоритмы, реализующие произвольный шаг интегрирования с выходом на точки разрыва первых производных, позволяют повысить достоверность моделей движения таких технических систем, а в некоторых случаях уменьшить затраты машинного времени на получение решений. Разработанный подход к построение гибкого программного комплекса позволяет без больших трудозатрат реализовывать различной сложности модели движения аппаратов.
Реализация результатов. данная диссертационная работа выполнена в рамках плановой научно-исследовательской работы, целью которой было создание и верификация бортовых алгоритмов управления орбитальным кораблем "Буран" на участке спуска и посадки. Исследование включало полунатурное моделирование траектории спуска в атмосфере с использованием реальной БЦВМ и полетного программного обеспечения. С помоцью созданной математической модели полного движения решались задачи в рамках выполнения государственной программы "Безопасность населения и народнохозяйственных объектов с учетом риска возникновения природных и техногенных катастроф" от
7.1991 за N 1011 по проекту N 1.12.1.6 "Построение математических іделей сложной технической системы и ее системы управления для югноза возможных аварийных ситуаций и анализа их последствий на астках орбитального полета, сближения и стыковки на орбите с битальной платформой, спуска в атмосфере",
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 1В учно-технических отчетах, докладе на Международном симпозиуме в рмштадте и тезисах доклада на межотраслевом научном семинаре.
Структура диссертационной работы. Диссертация состоит из едения, четырех глав и заключения, списка литературы, включающего наименований. Она содержит 37 рисунков и И таблиц в тексте.