Введение к работе
Диссертационная работа посвящена исследованию устойчивости резонансного движения асимметричных твердых тел (ТТ) при спуске в атмосферу планеты в нелинейной постановке.
Актуальность работы. Подавляющее большинство современных и перспективных космических программ широко используют аппараты и капсулы, совершающие неуправляемый спуск в атмосферу. Ряд современных управляемых летательных аппаратов (ЛА), предназначенных для возвращения экипажа на Землю в случае отказа системы управления могут совершать неуправляемый спуск в атмосферу.
Неуправляемые ЛА обычно проектируются как осесимметричные тела, обладающие динамической симметрией. Однако при создании и эксплуатации аппаратов неизбежно возникают малые отклонения геометрических и динамических параметров от их номинальных значений. Такие отклонения принято называть малой асимметрией. Малая асимметрия включает в себя, во-первых, смещение центра масс с оси симметрии формы, во-вторых, несовпадение поперечных моментов инерции и перекос главных центральных осей инерции ТТ относительно осей связанной системы координат, в-третьих, возмущающие аэродинамические моменты.
Наличие у аппарата малой асимметрии приводит к тому, что колебательное движение оси симметрии формы относительно набегающего потока и вращение тела вокруг оси симметрии становятся связанными и взаимозависимыми. Если частоты указанных движений относятся как целые малые простые числа, то возникает резонанс. Особенно опасными являются случаи, когда резонансный режим движения поддерживается в течении длительного промежутка времени. Такие резонансные режимы принято называть устойчивыми. Существование устойчивых резонансных режимов движения ведет к значительным отклонениям параметров траектории от их номинальных (нерезонансных) значений. Эти отклонения могут стать причиной частичного или полного нарушения функционирования ЛА. Поэтому вопросы исследования устойчивости резонансных режимов движения ТТ и выбора проектно-баллистических параметров, исключающих появление устойчивых резонансов и обеспечивающих заданные условия функционирования ЛА на траектории являются важными научными и прикладными задачами. Исследованием резонансных режимов движения в атмосфере асимметричных ЛА занимались А.А.Шилов, М.Г.Гоман, Г.Е.Кузмак, В.А.Ярошевский, В.С.Асланов, Ю.М.Заболотнов и др.
Целью работы является исследование устойчивости нелинейного резонансного движения в атмосфере твердого тела с малой асимметрией в нелинейной постановке и разработка на этой основе алгоритмов выбора про-
ектно-баллистических параметров аппарата, обеспечивающих заданные условия его движения.
Научная новизна работы состоит в следующем.
-
Для нелинейного случая найдено условие устойчивости резонансов при действии малых возмущений, которое определяет устойчивость колебательного движения ТТ.
-
Получено достаточное условие устойчивости положения равновесия относительно малых возмущений при резонансе для нелинейного случая движения тела. Это условие обобщает известное соотношение для квазилинейного случая движения.
-
Предложена методика практического использования схемы приведения уравнений пространственного движения ТТ к стандартной двухчастотной форме для общего случая собственного вращения.
-
Разработан алгоритм выбора проектно-баллистических параметров аппарата, обеспечивающих наименьшее влияние асимметрии на возмущенное движение ЛА.
5. Построена процедура поиска наихудшего сочетания компонентов
вектора малой асимметрии.
Практическая ценность работы заключается в том, что во-первых, все соотношения получены для нелинейного случая движения тела и для любого типа резонанса. Во-вторых, на основе полученных формул построены эффективные вычислительные алгоритмы, предназначенные для выбора проектно-баллистических параметров аппаратов широкого класса и назначения. Использование данных алгоритмов позволяет улучшить качество и сократить сроки эскизного проектирования за счет расширения пространства допустимых проектных переменных и уменьшения количества рассчитываемых траекторий. Разработанные алгоритмы внедрены в практику проектирования ЛА в Центральном специализіфованном конструкторском бюро (г. Самара), что подтверждается соответствующим актом внедрения.
На защиту выносятся следующие основные положения и результаты.
-
Условие устойчивости нелинейных резонансов при действии малых возмущений.
-
Достаточное условие устойчивости положения равновесия относительно малых возмущений при резонансе для нелинейного случая движения тела.
-
Методика практического использования схемы приведения уравнений пространственного движения ТТ к стандартной двухчастотной форме для общего случая собственного вращения.
-
Алгоритм выбора проектно-баллистических параметров аппарата, обеспечивающих наименьшее влияние асимметрии на возмущенное движение ЛА.
-
Процедура поиска наихудшего сочетания компонентов вектора малой асимметрии.
Апробация работы осуществлялась на различных научных конференциях. В том числе на XXI Научных чтениях по космонавтике (г.Москва, январь 1997), Научных чтениях посвященных творческому наследию Н.Е. Жуковского (г.Москва, январь 1997), XXXI Научных чтениях, посвященных разработке творческого наследия К.Э. Циолковского (г.Калуга, октябрь 1996), Всероссийской научно-технической конферепции (г.Пермь, октябрь 1995), Межрегиональной научно-техішческой конференции ученых Урала и Поволжья (г.Пермь, сентябрь 1994).
Публикации. Результаты исследований опубликованы в печати, в частности в журнале "Космические исследования". Всего по теме диссертации опубликовано 7 печатных работ, список которых приведен в конце автореферата. Материалы работы вошли в два научно-технических отчета. Тема одного из шгх была поддержана в 1994 году Российским фондом фундаментальных исследований (проект №94-01-01799).
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 43 источников и приложения. Объем диссертации 168 страниц, из них 121 страница машинописного текста, 42 рисунка и 5 таблиц.