РЕФЕРАТ
СПУСК И ПОСАДКА КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ (КА)
НА ПЛАНЕТЫ БЕЗ АТМОСФЕРЫ
Изучение Солнечной системы с помощью космических аппаратов вносит
большой вклад в развитие естественных наук.
Большое внимание к Солнцу определяется вечно живущим в человеке желанием
понять, как устроен мир, в котором он жи-вет. Но если раньше человек мог
только наблюдать движение небесных тел и изучать на расстоянии
некоторые (зачастую малопонятные) их свойства, то сейчас научно-
техническая ре-волюция дала возможность достичь ряда небесных тел Солнеч-
ной Системы и провести наблюдения и даже активные экспери-менты с
близкого расстояния в их атмосферах и на поверхнос-тях. Эта возможность
детального изучения «на месте» изменя-ет саму методологию изучения
небесных тел, которая уже сей-час широко использует арсенал средств и
подходов, применяе-мых в комплексе наук о Земле. На стыке планетной
астрофизи-ки и геологии идет формирование новой ветви научного знания -
сравнительной планетологии. Параллельно на базе законов
электродинамики, атомной физики и физики плазмы идет форми-рование
другого подхода к изучению Солнечной системы - кос-мической физики. Все
это требует развития методов и средств космических исследований, т.е.
разработки, проектирования, изготовления и запуска космических аппаратов.
Главное требование, предъявляемое к КА,- это его на-
. 2 -
дежность. Основными задачами спускаемых и посадочных (ПА) аппаратов
являются торможение и сближение с поверхностью планеты, посадка,
работа на поверхности, иногда взлет с по-верхности для доставки
возвращаемого аппарата на землю. Для обеспечения надежного решения всех
этих задач при проекти-ровании СА и ПА необходимо учитывать условия в
окрестностях и на поверхности изучаемого тела: ускорение свободного па-
дения, наличие или отсутствие атмосферы, а также ее свойс-тва,
характеристики рельефа и материала поверхности и т.д. Все эти параметры
предъявляют определенные требования к конструкции спускаемого
аппарата.
Спуск является очень важным этапом космического полета, так как только
успешное его выполнение позволит решить пос-тавленные задачи. При
разработке СА и ПА принимаются две принципиально различные схемы спуска:
с использованием аэродинамического торможения (для планет, имеющих
атмосферу);
с использованием тормозного ракетного двигателя (для планет и других
небесных тел, не имеющих атмосферы).
Участок прохождения плотных слоев атмосферы является решающим, так как
именно здесь СА испытывают наиболее ин-тенсивные воздействия,
определяющие основные технические решения и основные требования к
выбору всей схемы полета.
Отметим наиболее трудоемкие и сложные задачи , решае-
. 3 -
мые при проектировании СА:
исследование проблем баллистического и планирующего спусков в
атмосфере;
исследование динамики и устойчивости движения при раз-личных режимах
полета с учетом нелинейности аэродинамичес-ких характеристик ;
разработка систем торможения с учетом задач научных измерений в
определенных слоях атмосферы, особенностей ком-поновки спускаемого
аппарата, его параметров движения и траектории.
Что касается спуска на планеты, лишенные атмосферы (классическим
примером здесь является Луна), то в этом слу-чае единственной
возможностью является использование тор-мозного двигателя, чаще всего
жидкостного (ЖРД). Эта осо-бенность порождает дополнительные (кроме
чисто баллистичес-ких) проблемы, связанные с управлением и
стабилизацией СА на так называемых активных участках - участках работы
ра-кетного двигателя.
Рассмотрим более подробно некоторые из этих проблем. Корни проблемы
устойчивости СА на активном участке лежат в существовании обратной связи
между колебаниями топлива в баках, корпуса СА и колебаниями
исполнительных органов системы стабилизации.
Колебания свободной поверхности топлива, воздействуя
. 4 -
на корпус СА, вызывают его поворот относительно центра масс, что
воспринимается чувствительным элементом системы стабилизации, который, в
свою очередь, вырабатывает команд-ный сигнал для исполнительных органов.
Задача заключается в том, чтобы колебания замкнутой системы объект -
система стабилизации сделать устойчивыми (если нельзя их исключить
вовсе). Заметим, что острота этой проблемы зависит от совершенства
компоновочной схемы СА, а также от структуры и параметров автомата
стабилизации (АС).
Желательно, конечно, этот комплекс вопросов решить уже на стадии
эскизного проектирования СА. Трудность здесь, од-нако, в том, что на этом
этапе практически нет информации о системе стабилизации объекта, в
лучшем случае известна структура автомата стабилизации. Поэтому
проводить анализ устойчивости СА на данном этапе невозможно.
В то же время ясно, что полностью сформированный конс-
труктивный облик СА целиком (или, во всяком случае, в зна-
чительной мере) определяет его динамику - реакцию на возму-
щение в процессе посадки. Следовательно, задача теоретичес-
кого анализа заключается в выборе математического аппарата,
способного выявить эту зависимость на языке, понятном раз-
работчику. Такой аппарат существует, и он опирается на из-
вестные термины «управляемость», «наблюдаемость», «стабили-
зируемость», характеризующие именно свойства СА как объекта
. 5 -
управления в процессе регулирования.
Этот аппарат дает возможность детально изучить зависи-мость «качества»
конструктивно-компоновочной схемы СА от его проектных параметров и в
конечном счете дать необходи-мые рекомендации по доработке компоновки
объекта либо обос-новать направление дальнейших доработок.
Обычно для стабилизации СА кроме изменения компоновки объекта используют
также демпферы колебаний топлива, наст-ройку системы стабилизации и
изменение ее структуры.
Итак, применительно к рассматриваемой задаче на этапе эскизного
проектирования инженеру приходится решать целый комплекс задач по
качественному анализу проблемы устойчи-вости в условиях относительной
неопределенности в отношении целого ряда параметров. Поскольку
рекомендации разработчика должны быть вполне определенными,то
единственный выход - работать с математической моделью СА в режиме
диалога «ин-женер - ЭВМ».
Рассмотрим другой круг задач проектирования - моделиро-вание процессов
ударного взаимодействия посадочного аппара-та с поверхностью планеты.
Многие достижения отечественной и зарубежной космонав-
тики были связаны с применением посадочных аппаратов (ПА)
для непосредственного, контактного, исследования Луны и
планет Солнечной системы. Использование ПА потребовало раз-
. 6 -
работки новых теоретических и экспериментальных методов исследований,
так как этап посадки, характеризуемый значи-тельными (по сравнению с
другими этапами) действующими наг-рузками, аппаратурными перегрузками и
возможностью опроки-дывания аппарата,является критическим для всей
экспедиции. такие характеристики процесса посадки объясняются большой
энергией, накопленной ПА к моменту посадки, и совокупностью многих
неблагоприятных случайных действующих факторов: рельефом и физико-
механическими характеристиками места по-садки, начальными
характеристиками и ориентацией СА, упру-гостью его конструкции и др.
Очевидно, что в таких условиях полная оценка надежнос-ти всего этапа
посадки возможна лишь при глубоком и всесто-роннем аналитическом
исследовании характеристик ПА, завися-щем от наличия математических
моделей процесса и расчетных (или расчетно-экспериментальных) методов
организации расче-тов.
С точки зрения численного решения задача посадки, при
учете всех сторон процесса, характеризуется большим потреб-
ным машинным временем расчета для одной посадочной ситуа-
ции(до 10 с при быстродействии ЭВМ примерно 10 операций в 1
с), большим количеством возможных посадочных ситуаций, ог-
раничениями на шаг интегрирования уравнений движения СА
(резкое изменение величин действующих усилий может вызвать
. 7 -
вычислительную неустойчивость алгоритма). При параметричес-ком
исследовании характеристик СА, в ряде случаев проводи-мом
автоматизированно, возможно появление так называемых «окон
неустойчивости», где расчет динамики аппарата нецеле-сообразен и где
используется диалоговый режим работы ЭВМ для исключения из
рассмотрения ряда посадочных ситуаций.
При многих инженерных расчетах, ставящих целью выбор оптимального ПА, а
также при качественной оценке его харак-теристик, наиболее разумно
использовать упрощенные матема-тические модели процесса (например,
модель посадки на ров-ную абсолютно жесткую площадку). Потребное
машинное время при этом невелико (до десятка минут) и может быть
еще уменьшено за счет применения оптимальных методов и шагов
интегрирования уравнений движения ПА.
При проектировании ПА многократно возникает необходи-мость оценки
влияния незначительных конструктивных измене-ний на характеристики
процесса или оперативной обработки результатов испытаний в найденных
заранее расчетных случа-ях (критических ситуациях) посадки.
При проведении таких расчетных работ, доля которых в
общем объеме велика, наиболее выгодно использовать ПЭВМ,
обладающие такими (по сравнению с ЭВМ) преимуществами, как
доступность и оперативность. Применение ЭВМ в таких случаях
нерентабельно, так как в силу их большого быстродействия,
. 8 -
значительная часть дорогостоящего машинного времени расхо-дуется уже не
на расчет, а на подготовительные операции при вводе-выводе информации
или изменении начальных условий процесса. Применение ПЭВМ выгодно
также при отладке сложных программ контактной динамики, предназначенных
для серийных расчетов на больших ЭВМ. Время отладки таких программ, в
силу их объема и структуры, зачастую превышает время их на-писания, а
оперативная и постоянная отладка программ на ЭВМ в диалоговом режиме
работы нежелательна из-за большого вре-мени их компиляции и
неэкономичного режима работы ЭВМ.
Так как в настоящее время не происходит значительного усложнения
структуры моделей процесса посадки, то одновре-менное увеличение
быстродействия ПЭВМ вызывает широкое внедрение последних в расчетную
инженерную практику.
ТИПИЧНЫЕ СХЕМЫ СПУСКА.
Посадка космических аппаратов на поверхность безатмос-ферной планеты
Страницы: 1, 2
