Помощь студентам в учебе
Алгоритм управления космическим аппаратом на этапе посадки на астероид
|
ВВЕДЕНИЕ 7
1 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ УПРАВЛЕНИИ КОСМИЧЕСКИМ
АППАРАТОМ 9
1.1 Общее представление об астероидах 9
1.2 Функции и состав бортового комплекса управления 11
1.3 Соответствие платформы «Навигатор» требованию технического
задания 13
1.4 Унифицированная космическая микроплатформа «Карат» 17
1.5 Космическая платформа «Proteus» 18
1.6 Цели и задачи 20
Выводы 20
2 ВЫБОР АППАРАТУРЫ ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ И ПОСАДКИКОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА НА АСТЕРОИД
2.1 Подбор аппаратуры для платформы «Навигатор» 22
2.2 Астродатчик АД-1 на ПСЗ - матрице 23
2.3 Солнечный датчик положения СДП-1 24
2.4 Гироскопический измеритель вектора угловой скорости 25
2.5 Инерциальный измерительный блок 26
2.6 Лазерный скоростемер-дальномер 27
2.7 Бортовая цифровая вычислительная система «МАРС 4» 28
2.8 Блок силовой автоматики 29
Выводы 30
3 ОПИСАНИЕ ВЫБРАННЫХ ОРГАНОВ УПРАВЛЕНИЯ ДЛЯ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА 32
3.1 Маршевая двигательная установка 37
3.2 Маневровая двигательная установка 40
3.3 Двигательные установки точной ориентации 42
3.4 Зарубежный ракетный двигатель 44
Выводы 45
4 МОДЕЛИРОВАНИЕ ПОСАДКИ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА НА
АСТЕРОИД 46
4.1 Вертикальная посадка космического аппарата на астероид 47
4.2 Посадка космического аппарата на астероид с орбиты 53
Выводы 57
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 58
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 60
1 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ УПРАВЛЕНИИ КОСМИЧЕСКИМ
АППАРАТОМ 9
1.1 Общее представление об астероидах 9
1.2 Функции и состав бортового комплекса управления 11
1.3 Соответствие платформы «Навигатор» требованию технического
задания 13
1.4 Унифицированная космическая микроплатформа «Карат» 17
1.5 Космическая платформа «Proteus» 18
1.6 Цели и задачи 20
Выводы 20
2 ВЫБОР АППАРАТУРЫ ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ И ПОСАДКИКОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА НА АСТЕРОИД
2.1 Подбор аппаратуры для платформы «Навигатор» 22
2.2 Астродатчик АД-1 на ПСЗ - матрице 23
2.3 Солнечный датчик положения СДП-1 24
2.4 Гироскопический измеритель вектора угловой скорости 25
2.5 Инерциальный измерительный блок 26
2.6 Лазерный скоростемер-дальномер 27
2.7 Бортовая цифровая вычислительная система «МАРС 4» 28
2.8 Блок силовой автоматики 29
Выводы 30
3 ОПИСАНИЕ ВЫБРАННЫХ ОРГАНОВ УПРАВЛЕНИЯ ДЛЯ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА 32
3.1 Маршевая двигательная установка 37
3.2 Маневровая двигательная установка 40
3.3 Двигательные установки точной ориентации 42
3.4 Зарубежный ракетный двигатель 44
Выводы 45
4 МОДЕЛИРОВАНИЕ ПОСАДКИ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА НА
АСТЕРОИД 46
4.1 Вертикальная посадка космического аппарата на астероид 47
4.2 Посадка космического аппарата на астероид с орбиты 53
Выводы 57
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 58
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 60
Космос - это своего рода среда, в которой из всех сил природы, действующих на летательный аппарат, главной силой является притяжение небесных тел.
Теория притяжения, которая является законом всемирного тяготения Ньютона, позволяет количественно оценить силы притяжения различных материальных тел. Для понимания основ теории движения космических летательных аппаратов, нужны знания фундаментальных положений теории притяжения и ее основных результатов.
Космическая эра, начавшаяся с запуска первого искусственного спутника Земли, позволила добиться не только успехов в исследовании и освоения космического пространства, но и в развитии новых научных направлений техники, науки, промышленности, без которых эти успехи не были бы возможны. Одним из новых научных направлений является теория управления космическим кораблем.
Система управления движением относится к числу важнейших бортовых систем, с момента проектирования первых космических аппаратов и ее роль постоянно растет по мере увеличения возлагаемых на нее функций.
На сегодняшний день, когда многие страны принимают участие в гонке вооружений и стремятся к военному и техническому превосходству, задача сближения с космическими телами является одной из самых актуальных в мире. Причин такого интереса к астероидам множество, начиная от научного интереса (добыча полезных ископаемых, исследование космических тел), заканчивая возможностью использовать космические теля для военного превосходства. Также не на последнем месте стоит задача обороны Земли от возможных столкновений с другими космическими телами (кометы, астероиды).
Земля движется в огромном космическом пространстве, полном астероидов, комет и другого «космического мусора», дрейфующего рядом с её орбитой. Столкновение с этими объектами может привести к гибели человечества. Судя по частоте столкновений с внеземными телами в прошлом, существует небольшая вероятность, что в ближайшие несколько десятков лет столкновение с астероидом станет причиной гибели большей части человечества, либо его полного вымирания. Так как столкновения Земли с другими космическими телами уже происходили в прошлом, то вероятность столкновения в ближайшие миллионы лет возрастает почти до 100%.
Основной целью полетов к астероидам является добыча полезных ископаемых из них, а также изменение траектории, либо уничтожение космические тела в том случае, если траектория полета астероида будет каким-либо образом угрожать обитателям Земли.
Посадка на астероид — задача достаточно сложная с точки зрения управления. Связано это с тем, что астероид движется в космическом пространстве с достаточно большой скоростью и при этом вращается относительно своего центра масс. Из-за этого возникают трудности с выбором места посадки. К тому же, астероиды, как правило, имеют не геометрическую форму, а отличаются неправильной формой. Связано это с тем, что сила тяжести на астероидах настолько слаба, что она не может сжать астероид в шар. При посадке космического аппарата это создает достаточно много проблем, если цель полета связана с приземлением на астероид.
Американцы в своих исследованиях пришли к выводу, что проще не садиться на астероид, а, с помощью специальной амортизирующей системы, «ударяться» об него, собирая в момент «удара», например частицы грунта, и, после нескольких таких ударов, возвращать КА на Землю. На этапе причаливания, необходимо выбрать, где лучше состыковаться с астероидом, для выполнения тех или иных задач, и направить космический аппарат так, чтобы он с максимальной точностью и за максимально малое время достиг необходимого нам участка.
Основной задачей является, выбор оптимальной посадки и алгоритм обработки данных с учетом технического задания.
Теория притяжения, которая является законом всемирного тяготения Ньютона, позволяет количественно оценить силы притяжения различных материальных тел. Для понимания основ теории движения космических летательных аппаратов, нужны знания фундаментальных положений теории притяжения и ее основных результатов.
Космическая эра, начавшаяся с запуска первого искусственного спутника Земли, позволила добиться не только успехов в исследовании и освоения космического пространства, но и в развитии новых научных направлений техники, науки, промышленности, без которых эти успехи не были бы возможны. Одним из новых научных направлений является теория управления космическим кораблем.
Система управления движением относится к числу важнейших бортовых систем, с момента проектирования первых космических аппаратов и ее роль постоянно растет по мере увеличения возлагаемых на нее функций.
На сегодняшний день, когда многие страны принимают участие в гонке вооружений и стремятся к военному и техническому превосходству, задача сближения с космическими телами является одной из самых актуальных в мире. Причин такого интереса к астероидам множество, начиная от научного интереса (добыча полезных ископаемых, исследование космических тел), заканчивая возможностью использовать космические теля для военного превосходства. Также не на последнем месте стоит задача обороны Земли от возможных столкновений с другими космическими телами (кометы, астероиды).
Земля движется в огромном космическом пространстве, полном астероидов, комет и другого «космического мусора», дрейфующего рядом с её орбитой. Столкновение с этими объектами может привести к гибели человечества. Судя по частоте столкновений с внеземными телами в прошлом, существует небольшая вероятность, что в ближайшие несколько десятков лет столкновение с астероидом станет причиной гибели большей части человечества, либо его полного вымирания. Так как столкновения Земли с другими космическими телами уже происходили в прошлом, то вероятность столкновения в ближайшие миллионы лет возрастает почти до 100%.
Основной целью полетов к астероидам является добыча полезных ископаемых из них, а также изменение траектории, либо уничтожение космические тела в том случае, если траектория полета астероида будет каким-либо образом угрожать обитателям Земли.
Посадка на астероид — задача достаточно сложная с точки зрения управления. Связано это с тем, что астероид движется в космическом пространстве с достаточно большой скоростью и при этом вращается относительно своего центра масс. Из-за этого возникают трудности с выбором места посадки. К тому же, астероиды, как правило, имеют не геометрическую форму, а отличаются неправильной формой. Связано это с тем, что сила тяжести на астероидах настолько слаба, что она не может сжать астероид в шар. При посадке космического аппарата это создает достаточно много проблем, если цель полета связана с приземлением на астероид.
Американцы в своих исследованиях пришли к выводу, что проще не садиться на астероид, а, с помощью специальной амортизирующей системы, «ударяться» об него, собирая в момент «удара», например частицы грунта, и, после нескольких таких ударов, возвращать КА на Землю. На этапе причаливания, необходимо выбрать, где лучше состыковаться с астероидом, для выполнения тех или иных задач, и направить космический аппарат так, чтобы он с максимальной точностью и за максимально малое время достиг необходимого нам участка.
Основной задачей является, выбор оптимальной посадки и алгоритм обработки данных с учетом технического задания.
В работе рассмотрены теоретические сведения об управлении космическим аппаратом, общее представление об астероидах, варианты защиты Земли от астероидной опасности.
Полет к астероиду делится на три этапа: этап дальнего наведения, этап орбитального движения и посадка. В работе рассмотрен этап посадки на астероид. Требуется разработать алгоритм управления космическим аппаратом на этапе посадки на астероид. Точность системы управления определяется не только алгоритмом, но и характеристиками элементов БКУ КА.
В работе представлены общие сведения и требования, предъявляемые к БКУ КА. Кроме того, в состав БКУ должны входить все необходимые системы для дистанционного контроля, так как полет предполагается в автоматизированном режиме. За прототип взят БКУ унифицированных платформ УКП «Навигатор» и «Карат», разработанных МОКБ «Марс», так как они подтвердили свою работоспособность в условиях космического пространства.
Рассматривается астросистема, в состав которой входят астродатчики АД-1, инерциальный измерительный блок АИСТ-350, лазерный дальномер-скоростемер
ЛСДК, датчик солнца СДП-1, камеры УТК и ШТК, трехкомпонентный измеритель угловой скорости КИНД34-020.
Скорость космического аппарата при посадке на астероид должна не превышать 3,5 м/с, а скорость соприкосновения КА с астероидом при посадке должна быть не более 0,5 м/с. Радиус астероида примерно равен 300 м. Размер посадочной площадки должен составлять 110% от размера космического аппарата. Посадка на астероид должна быть выполнена в течение 1 часа. Погрешность угловой ориентации относительно усредненного перпендикуляра к
поверхности не должна превышать 5%.
В работе используется компоновка, разрабатываемая МКБ «Астероид». Одной из особенностей компоновки является наличие в посадочном устройстве краш- элемента, который позволяет погасить удар и предотвратить отскок от поверхности при посадке, а также имеется механизм выдвижения опоры, который совместно с системой ориентирования позволяет приспосабливаться к любым неровностям поверхности и предотвратить опрокидывание космического аппарата.
Разрабатываемая компоновка оснащается следующими двигательными установками, разработанными ФГУП «НИИМаш»:
1 маршевая двигательная установка 11Д428А-16;
4 двигателя стабилизации и ориентации 17Д58Э;
24 двигателя точной коррекции МД08-02.
Все вышеупомянутые двигатели импульсные с нерегулируемой тягой. Одним из главных недостатков импульсных двигателей является непостоянство тяги. Поэтому фактическая тяга не соответствует номинальной. Из-за невозможности регулирования тяги двигателя данная проблема решается регулированием времени работы двигательных установок, а, следовательно, должна быть учтена в алгоритмах управления КА в БЦВМ. Современные двигательные установки, в том числе используемые в настоящей работе, изготавливают такими, что эта характеристика представляет собой монотонный процесс.
В ходе работы была рассмотрена математическая модель космического аппарата, представлены уравнения для вертикальной посадки и посадки с орбиты, так же промоделированы оба случая посадки на астероид, рассчитаны затраты топлива и электроэнергии (таблица 9).
Из полученных результатов делаем вывод, что самая быстрая посадка это вертикальная посадка с временем 13,3 мин, с затраченным топливом 18,56 кг и 26,28 Вт-ч электроэнергией. Посадка с орбиты произведена по времени за 34,154 часа, затрачено топлива 0,2352 и электроэнергии 3 752,11 Вт- ч.
Наиболее предпочтительнее вертикальная посадка, так как время и электроэнергии затраченной при посадке меньше, чем при посадке с орбиты.
Стоит отметить, что на данный момент моделирование проводилось в условиях полной информации, в дальнейшем можно рассмотреть с учетом точностных характеристик приборов и систем, а также с учетом их собственных шумов и более точной модели работы двигательных установок.
Полет к астероиду делится на три этапа: этап дальнего наведения, этап орбитального движения и посадка. В работе рассмотрен этап посадки на астероид. Требуется разработать алгоритм управления космическим аппаратом на этапе посадки на астероид. Точность системы управления определяется не только алгоритмом, но и характеристиками элементов БКУ КА.
В работе представлены общие сведения и требования, предъявляемые к БКУ КА. Кроме того, в состав БКУ должны входить все необходимые системы для дистанционного контроля, так как полет предполагается в автоматизированном режиме. За прототип взят БКУ унифицированных платформ УКП «Навигатор» и «Карат», разработанных МОКБ «Марс», так как они подтвердили свою работоспособность в условиях космического пространства.
Рассматривается астросистема, в состав которой входят астродатчики АД-1, инерциальный измерительный блок АИСТ-350, лазерный дальномер-скоростемер
ЛСДК, датчик солнца СДП-1, камеры УТК и ШТК, трехкомпонентный измеритель угловой скорости КИНД34-020.
Скорость космического аппарата при посадке на астероид должна не превышать 3,5 м/с, а скорость соприкосновения КА с астероидом при посадке должна быть не более 0,5 м/с. Радиус астероида примерно равен 300 м. Размер посадочной площадки должен составлять 110% от размера космического аппарата. Посадка на астероид должна быть выполнена в течение 1 часа. Погрешность угловой ориентации относительно усредненного перпендикуляра к
поверхности не должна превышать 5%.
В работе используется компоновка, разрабатываемая МКБ «Астероид». Одной из особенностей компоновки является наличие в посадочном устройстве краш- элемента, который позволяет погасить удар и предотвратить отскок от поверхности при посадке, а также имеется механизм выдвижения опоры, который совместно с системой ориентирования позволяет приспосабливаться к любым неровностям поверхности и предотвратить опрокидывание космического аппарата.
Разрабатываемая компоновка оснащается следующими двигательными установками, разработанными ФГУП «НИИМаш»:
1 маршевая двигательная установка 11Д428А-16;
4 двигателя стабилизации и ориентации 17Д58Э;
24 двигателя точной коррекции МД08-02.
Все вышеупомянутые двигатели импульсные с нерегулируемой тягой. Одним из главных недостатков импульсных двигателей является непостоянство тяги. Поэтому фактическая тяга не соответствует номинальной. Из-за невозможности регулирования тяги двигателя данная проблема решается регулированием времени работы двигательных установок, а, следовательно, должна быть учтена в алгоритмах управления КА в БЦВМ. Современные двигательные установки, в том числе используемые в настоящей работе, изготавливают такими, что эта характеристика представляет собой монотонный процесс.
В ходе работы была рассмотрена математическая модель космического аппарата, представлены уравнения для вертикальной посадки и посадки с орбиты, так же промоделированы оба случая посадки на астероид, рассчитаны затраты топлива и электроэнергии (таблица 9).
Из полученных результатов делаем вывод, что самая быстрая посадка это вертикальная посадка с временем 13,3 мин, с затраченным топливом 18,56 кг и 26,28 Вт-ч электроэнергией. Посадка с орбиты произведена по времени за 34,154 часа, затрачено топлива 0,2352 и электроэнергии 3 752,11 Вт- ч.
Наиболее предпочтительнее вертикальная посадка, так как время и электроэнергии затраченной при посадке меньше, чем при посадке с орбиты.
Стоит отметить, что на данный момент моделирование проводилось в условиях полной информации, в дальнейшем можно рассмотреть с учетом точностных характеристик приборов и систем, а также с учетом их собственных шумов и более точной модели работы двигательных установок.