автореферат диссертации по авиационной и ракетно-космической технике, 05.07.09, диссертация на тему:Динамика отделения боковых блоков ракет-носителей типа "Союз" на пологих траекториях выведения

Введение.

1. Пологие траектории выведения РН типа "Союз".

1.1 Дефицит массы полезного груза.

1.2 Процесс отделения боковых блоков.

1.3 Постановка задачи.

2. Процедура моделирования динамики систем твердых тел с переменной структрурой.

2.1 Уравнения движения твердых тел как система дифференциальноалгебраических уравнений.

2.2 Матричная запись уравнений движения системы твердых тел в декартовых координатах.

2.3 Уравнения связи.

2.4 Удар в системах твердых тел.

2.5 Совместное решение динамических уравнений и уравнений связи.

2.6 Использование процедуры построения уравнений движения систем твердых тел.

3. Модель отделения боковых блоков.

3.1 Основные допущения, системы координат, исходные данные.

3.2 Силы, действующие на тела механической системы.

3.3 Уравнения движения.

3.4 Оценка адекватности математической модели.

4. Выбор параметров процесса отделения боковых блоков.

4.1 Критерий безопасности процесса отделения боковых блоков.

4.2 Влияние временных характеристик циклограммы процесса отделения на безударность отделения боковых блоков.

4.3 Оценка безопасности отделения боковых блоков.

Ракета-носитель (РН) "Союз" с начала своего создания и по настоящее время является основным российским средством доставки пилотируемых и грузовых космических аппаратов (КА) на околоземную орбиту. По мере усложнения КА увеличивалась их масса, что требовало увеличения и энергетических возможности РН. Поэтому в процессе эксплуатации проводились мероприятия по увеличению массы полезного груза (ПГ): облегчалась конструкция, использовалось более эффективное горючее. Существенный выигрыш в массе выводимого ПГ мог быть достигнут за счет использования траекторий выведения с меньшими гравитационными потерями, так называемыми пологими траекториями. Величина максимального скоростного напора на момент отделения боковых блоков (ББ) при использовании таких траекторий больше той величины, под которую изначально проектировалась система отделения ББ РН типа "Союз", и поэтому потребовались дополнительные исследования процесса отделения ББ.

Актуальность работы обусловлена необходимостью увеличения массы полезного груза, выводимого при. помощи РН "Союз", что требует исследования динамики отделения ББ с целью выбора параметров системы отделения, обеспечивающих безударное отделение ББ на пологих траекториях выведения.

Целью работы является совершенствование динамики процесса отделения ББ РН типа "Союз" на пологих траекториях выведения. Для достижения поставленной цели необходимо разработать алгоритм формирования уравнений движения систем твердых тел переменной структуры, необходимый для построения математической модели процесса отделения ББ РН типа "Союз"; оценить адекватность модели реальной физической системе; выбрать параметры системы отделения, обеспечивающих безударное отделение ББ.

Новизна работы заключается, во-первых, в предложенном алгоритме получения уравнений движения системы твердых тел переменной структуры в форме, удобной для решения на ЭВМ. Во-вторых, построена математическая модель процесса отделения ББ РН типа "Союз'" и проведена оценка ее адекватности реальной системе. В-третьих, с использованием введенного критерия, характеризующего безопасность процесса отделения ББ, решена задача определения параметров циклограммы работы системы отделения ББ, обеспечивающих безударное отделение ББ на пологих траекториях выведения.

Практическая ценность работы определяется тем, что ее результаты, позволив увеличить величину предельно допустимого скоростного напора и использовать более выгодные траектории выведения ПГ, обеспечили увеличение его массы на 120 килограмм. Результаты настоящей работы позволяют проводить моделирование процесса отделения ББ РН типа "Союз" ("Аврора", "Союз-2", "Союз-ФГ"). Разработанную процедуру получения уравнений движения систем твердых тел можно использовать при построении моделей других систем отделения и функционирования подвижных элементов конструкции РКТ.

Основные положения работы, научные и практические результаты докладывались на XV конференции молодых специалистов (г. Москва, 1999 г.); IX и X Всероссийских научно-технических семинарах по управлению движением и навигации летательных аппаратов (г.Самара. 1999 и 2001 гг.); Первых Уткинских чтениях (г. Санкт-Петербург, 2002 г.); отчетной конференции-выставке подпрограммы 205 "Транспорт" научно-технической программы Минобразования РФ "Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники" (г. Москва, февраль 2002г.). Результаты исследований опубликованы в 6 печатных работах.

В первой главе приведены состав и порядок функционирования системы отделения ББ РН типа "Союз". Рассмотрены пути увеличения массы ПГ, среди которых выделен основной путь, связанный с использованием пологих траекторий выведения. Определены основные трудности, возникающие при использовании таких траекторий.

Во второй главе предложена процедура построения дифференциальных уравнений движения систем твердых тел переменной структуры в матричной форме.

В третьей главе на основе полученной процедуры сформирована математическая модель процесса отделения ББ РН типа "Союз" -получены уравнения движения. Для оценки адекватности модели реальному процессу на основе статистических методов проведено сравнение ее параметров с параметрами реального физического процесса отделения ББ, для чего использованы результаты обработки телеметрической информации успешных пусков РН.

В четвертой главе решена задача модификации системы управления отделением ББ, определена наилучшая величина задержки выключения основного двигателя ББ, позволяющая увеличить предельно-допустимую величину скоростного напора на момент отделения ББ. Для внесенных в циклограмму работы системы отделения изменений на математической модели подтверждена безударность отделения ББ методом статистической динамики.

6. Результаты работы использованы при модификации РН "Союз" и проектировании РН "Аврора".

Заключение

В работе выполнены исследования процесса отделения боковых блоков РН типа "Союз", направленные на совершенствование динамики этого процесса на пологих траекториях выведения, которые позволяют существенно увеличить массу выводимого полезного груза. В результате проведенных исследований получены следующие научные выводы и практические результаты:

1. Предложена процедура построения матричных уравнений движения системы связанных твердых тел, позволяющая формировать уравнения движения механических систем РКТ в форме удобной для дальнейшего их решения на ЭВМ.

2. Получена математическая модель процесса отделения ББ и проведена оценка ее адекватности.

3. Получен критерий безопасности процесса отделения ББ РН типа "Союз".

4. Определена величина задержки выключения основного двигателя боковых блоков, обеспечивающая их безударное отделение при повышенных значениях скоростного напора.

5. Возможность отделения ББ при больших значениях скоростного напора позволила использовать более выгодные пологие траектории выведения и увеличить массу выводимого ПГ на 120 кг.

1. Аппазов Р. Ф., Лавров С. С. Мишин В. П. Баллистика управляемых ракет дальнего действия. М.: Наука, 1966.

2. Беклемишев Д. В. Курс аналитической геометрии и линейной алгебры. -М.: Наука, 1971.

3. Богомолов А. Сиразетдинов Т. К. Решение основной задачи управления методом градиентного спуска // ИВУЗ, Авиационная техника. 1974. - №1.

4. В. А. Александров, В. В. Владимиров, Р. Д. Дмитриев, С. О. Осипов Ракеты-носители. М.: Воениздат, 1981.

5. Вентцель Е.С. Теория вероятностей. М.: Государственное издательство физико-математической литературы, 1962.

6. Ю.Вильке В. Г. Теоретическая механика. М.: Изд-во МГУ, 1998.11 .Виттенбург Й. Динамика систем твердых тел. М.: Мир, 1980.

7. Воеводин В. В., Кузнецов Ю. А. Матрицы и вычисления М.: Наука, 1984.

8. Галлиулин А. С. Аналитическая динамика. М.: Изд-во РУДН, 1998.

9. ГолубДж., Ван Лоун Ч. Матричные вычисления: Пер. с англ. М.: Мир, 1999.

10. Динамика движения системы твердых тел под действием произвольной системы сил MOTION, ОФАП САПР per. № 3096, 1987. Добронравов В. В., Никитин Н. Н., Дворников А. Л. Курс теоретической механики. - М.: Высшая школа, 1966.

11. Исследование процессов отделения двигательной установки системы аварийного спасения, головного обтекателя и боковых блоков РН 11А511У с КК «Союз-ТМ» при увеличенных скоростных напорах, 353П-Научно-технический отчет, 511У-223 64-1502, 1998.

12. Исходные данные для анализа возможности увеличения максимально-допустимого скоростного напора при отделении боковых блоков РН "Союз" с КК "Союз-ТМ", 353П-11А511У-22231-112, 1998.

13. Материалы конференции "Первые Уткинские чтения", "Военмех", СпБ, 2002. С. 32-35

14. Колесников К.С. и др. Динамика разделения ступеней летательных аппаратов». М.: Машиностроение, 1977.21 .Корн Г., Корн Т., Справочник по математике. Для научных работников и инженеров. М.: Наука, 1970.

15. И.Круглов Г. Е. Аналитическое проектирование механических систем: Учебное пособие, СГАУ, Самара, 2001.

16. Крылов В. И., Бобков В. В. , Монастырный П. И. Вычислительные методы. М: Наука, 1976. - т. 1, 2.2А.Летов A.M. Динамика полета и управление. М.: Наука, 1969.

17. Мак-Коннел А. Дж. Введение в тензорный анализ.' М: Физматгиз, 1963.

18. Механика промышленных роботов: Учебное пособие для втузов: в 3 кн./ под ред. К. В. Фролова, Е. И. Воробьева. Кн. 1: Кинематика и динамика /Е. И. Воробьев, С. А. Попов, Г. И. Шевелева. М.: Высшая школа, 1988.

19. Могилевский В. Д. Формализация динамических систем. М.: Вузовская книга, 1999.

20. ОСТ 92-5165-92. Методика задания горизонтальной скорости ветра и термодинамических параметров атмосферы в районе полигона "Байконур" в диапазоне высот 0-120 км.

21. Отделение боковых блоков РН 11А511У с КК "Союз-ТМА" при увеличенных значениях скоростного напора. Научно-технический отчет 353П-511У-23359-1502, 1998.

22. ЗО.Петров Н. К. Методология обеспечения и анализа безопасности близкого относительного движения космических летательных аппаратов Автореф— докт. техн. наук. М., 2001.

23. ЗУ.РастригинЛ. А. Статистические методы поиска. М.: Наука, 1968.

24. Расчет силового взаимодействия твердых тел динамической системы с голономными связями // LINKU, ОФАП САПР per. № 3740, 1989.

25. ЪЪ.Сиразетдинов Т. К. Богомолов А. И. Аналитическое проектирование сложных систем. II // ИВУЗ, Авиационная техника, 1978, №2.

26. ЪЛ.Сиразетдинов Т. К., Богомолов А. И. Аналитическое проектирование сложных систем. I. // ИВУЗ, Авиационная техника, 1978, №3.

27. ЪЪ.Сиразетдинов Т.К., Богомолов А.И. Решение основной задачи управления методом градиентного спуска // Авиационная техника №1,1974.

28. ЪЪ.Сиразетдинов Т.К., Круглое Г.Е. и др. К аналитическому проектированию посадочного устройства // Авиационная техника, №4, 1974.

29. Современные численные методы решения обыкновенных дифференциальных уравнений. Под. ред. Дж. Холла, Дж. Уатта, М.: Мир, 1976.

30. ГОСТ 4401-81 Стандартная атмосфера. М.: Издательство стандартов, 1981.

31. Тарасов Е. В. Космонавтика. М.: "Машиностроение", 1977.

32. Уманский С.П. Отечественные ракеты-носители // Земля и Вселенная. -1994.-№2.-С. 97-105.

33. А\.Фельдбаум А.А. Основы теории оптимальных систем Наука, 1966.

34. Феодосъев В. И. Основы техники ракетного полета. М.: Наука, 1981.

35. АЪ.Щиблев Ю. Н. Динамика раскрытия крупногабаритных многозвенных солнечных батарей космических аппаратов. Автореф. . канд. техн. наук. М., 2003.

36. А5.Апп Arbor ADAMS Theory in a Nutshell, for Class ME543 Department of Mechanical Engineering. The University of Michigan. Ann Arbor, 2001.

37. Baraff D. Linear-time dynamics using Lagrange multipliers // Carnegie Mellon University, 1996.

38. G. Le. Vey, Differential Algebraic Equations a new look at the index. Institut de recherche en informatique et systemes aleatoires, 1994.

39. Radu Serban, Dan Negrut, Florian A. Potra, Edward J. Haug. Topology Based Linear solver for exploiting sparsity in multibody dynamics.

40. StatSoft, Inc. (2001). Электронный учебник по статистике. Москва, StatSoft. WEB: http://www.statsoft.ru/home/textbook/default.htm.нош1> с

41. Рис. 1.1 Гистограмма распределения времени tHOmi (реальн.)1. НОШ2> С

42. Рис. 1.2 Гистограмма распределения времени tHOlu2 (реальн.)1. мм

43. Рис. 1.3 Гистограмма распределения времени L| (реальн.)1., мм

44. Рис. 1.4- Гистограмма распределения L2 (реальн.)0640 0.683 0.726 0.768 0.811 0.854 0.897 0.940 0.982 1.025 1.068

45. Рис. 1.5 Гистограмма распределения времени tHOmi (расч.)1. HOUJ2> С

46. Рис. 1.6 Гистограмма распределения времени tH0Uj2 (расч.)394 437 481 525 568 612 656 700 743 787 8311. мм

47. Рие. 1.7 Гистограмма распределения Li (расч.)307 362 418 474 530 585 641 697 753 808 8641., мм

48. Рис. 1.8 Гистограмма распределения L2 (расч.)