автореферат диссертации по авиационной и ракетно-космической технике, 05.07.09, диссертация на тему:Разработка методов наведения повышенной точности для спускаемого аппарата с малым аэродинамическим качеством

МОСКОВСКИМ 1 и1 у дАРС 1 ВьН НЫ и А в IIА Ц И и Н Н ы и. иНС I И 1 У 1

(ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

У\ н Каичжун

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ НАВЕДЕНИЯ ПОВЫШЕН НО И

ТОЧНОСТИ ДЛЯ СПУСКАЕМОГО АППАРАТА С МАЛЫМ АЭРОДИНАМИЧЕСКИМ КАЧЕСТВОМ

специальность Ob.U7.09.

Динамика, оаллистика и управление движением ЛА

диссертаций на соискание ученой С1 епени кандидата технических наук

Научный руководитель - кандидат технических наук,

профессор Б. И. Кочетков

131 ДАВЛЕНИЕ

Введение

Глава 1. Сравнительный анализ алгоритмов управления движением космического аппарата в атмосфере Земли

1.1. ПроЬлемы входа в атмосферу и управления спуском С А

1.2. Анализ способов управления траекторией движения С А

1.3. Анализ систем управления спуском и алгоритмов управление

1.4. Выводы к главе I

I лава2. Математические модели движения СА в атмосфере Земли, используемые для построения управления спуском

2.1. Уравнения движения СА

2.2. Модель плотности атмосферы Земли

2.3. Аэродинамические характеристики С А и формирование управляющих сил

2.4. выводы к главе 2

1 лава 3. Выбор номинальной траектории и программы управления

3.1. Оптимизация траектории спуска и формирование программы управления

3.2. Определение области возможного маневра

3.3. Номинальная программа управления с наибольшим запасом управления

3.4. Выводы к главе 3

1 лава 4.1 юстроение алгоритма автономного управления и анализ

4.1. сформирование алгоритма управления с использованием

метода модулирующих функций

4.2. Моделирование алгоритма управления

4.3. Парирование начального промаха точки входа в атмосферу

4.4. Анализ влияния вариаций плотности атмосферы

4.5. Анализ влияния отклонений аэродинамических параметров

4.6. Анализ влияния погрешности автономной навигации

4.7. Выводы к главе 4

1 лава 5. Метод неавтономного управления посадкой СА

5.1. 11 олуавтономный метод управления

5.2. уточнение значений параметров дижения

5.3. Моделирование процесса управления и анализ результатов

5.4. Оценка точности посадки С А

5.5. Выводы к главе 5 Заключение

1 Гриложение Список литературы

Введение

Снижение и насадка космического корабля (КК) в заданном районе поверхности земли являются ответственным этапом космического полета, так как он определяет успех всей космической экспедиции в целом. Значимость этого этапа возрастает, если на борту К К находятся космонавты.

Этап снижения и посадки К К будем в дальнейшем называть спуском, а сам КК — спускаемым аппаратом (СА). Целью управления спуском в атмосфере является приведение космического корабля с требуемой точностью в заданный район посадки при одновременном удовлетворении ограничений, обеспечивающих безопасный и

комфортабельный спуск. Можно привести примеры успешного решения задачи спуска с орбиты ИСЗ (космические корабли "восток", "Союз", "Меркурий", "Джемини") и входа в атмосферу Земли с параболической скоростью (космические корабли "Зонд" и "Аполлон").

До настоящего времени опубликовано большое количество работ, посвященных исследованию и построению алгоритмов и систем управления спуском для различных С А. Но в большинстве этих работ, особенно для С А с малым а э р о д и н а м и ч е с к о м качеством, алгоритмы и методы управления в целом сформированы на основе приближенных аналитических решений уравнений движения и ряда допущений относительно окружающей среды полета С А, что вполне обосновано для периода отсутствия мощных бортовых в ы ч и с л и т ел ь н ы х машин[55]. Такой подход неизбежно снижает эффективность и работоспособность систем управления и

проводит к увеличению рассеивания точки посадки от заданной. Теперь, как нам представляется, по мере ввода в эксплуатацию более совершенных ЭВМ, обладающих все возрастающими возможностями в отношении быстродействия и объема памяти, в инженерной практике все сильнее проявляется тенденция к решению любых задач путем численного расчета траекторий непосредственно в полете. Это приводит к тому, что постепенно предаются забвению хорошо разработанные, весьма экономные методы исследования и расчета, без которых нельзя было обойтись раньше и которые могут значительно ускорить расчеты сегодня, будучи "переложенными на плечи" современных ЭВМ. Речь идет о приближенных методах расчета траекторий при решении краевых задач, о методах расчета возмущенного движения с помощью линеаризации уравнений движения, об использовании ряда свойств орбитального движения при планировании полета и решении некоторых других часто встречающихся задач[3]. Однако, при включении

современных ЭВМ в состав системы управления открываются широкие перспективы построения более совершенных алгоритмов управления движением, позволяющих обеспечить высокую точность приведения С А в заданное место посадки с учетом многих ограничений. При разработке алгоритмов появляется возможность обеспечения необходимой гибкости функционирования, способности адаптации к изменяющимся условиям полета и своевременной реакции на возмущения. В алгоритмах управления могут быть в достаточно полной мере

использованы априорная информация и данные, получаемые в процессе полета.

Цель исследования заключается в том, чтобы найти рациональные, с точки зрения применимости и располагаемых ресурсов ЭВМ на борту С А, алгоритмы управления траекторией спуска СА с малым аэродинамическим качеством в атмосфере для обеспечения требуемой точности посадки в заданную точку Земли.

Основной задачей диссертационной работы является разработка математических моделей, формирование оптимальной номинальной траектории и методов управления спуском СА. Имеется в виду, что при выборе модели движения СА и формировании алгоритма управления необходимо, насколько можно, полнее использовать возможности предоставляемые современной вычислительной техникой. Соответственно этому, желательно использовать по возможности более точные методы управления для повышения эффективности и работоспособности при парировании различных возмущений в процессе управления и обеспечения высокой точности посадки.

Постановка такой задачи и определение указанной цели исследования особенно актуальны для стран, не располагающих большими свободными равнинными площадями для организации полигона посадки С А, Например, в Китае географическая и демографическая обстановка не предоставляет возможности для организации подходящего полигона посадки СА с малым

аэродинамическим качеством в виду чрезвычайной

пересеченности местности и высокой плотности населения более или менее равнинных участков. Поэтом}' посадка С А в такой стране должна выполняться на очень ограниченную по размерам площадь, а следовательно необходимо обеспечить высокую точность посадки. С другой стороны обеспечение высокой точности посадки будет снижать требования к поисково-спасательным средствам и непосредственно увеличивать безопасность экипажа.

Анализ существующих автономных методов управления спуском показывает, что они не гарантируют точности

Ни^^ХДАП Ии^/йДЛД СД'АПЙЦ ¡4 М: 11; Л1 1 ч} I11 > "" ) ¿1 V 11 V' I ^¡и>|

ошибок прогнозирования траектории спз?ска, особенно на конечном ее участке, вследствие большого разброса параметров входа в атмосферу, инструментальных погрешностей автономных навигационных систем и изменения в широких пределах аэродинамических характеристик С А.

Одним из возможных путей решения этой проблемы является использование дополнительной информации о положении С А относительно заданной точки приведения. Эту информацию предполагается получать с помощью сигналов от наземных радиотехнических средств, размещаемых в районе посадки.

В диссертационной работе представлена следующая схема комбинированного управления спуском на атмосферном участке спуска. Она заключается в том, что до момента захвата сигнала маяка с Земли управление осуществляет автономная система управления епуском(СУС), основанная на

прогнозировании движения и тонки посадки СА, после захвата сигнала наземного маяка начинается полуавтономное управление спуском. Другими словами, данная комбинированная система управления спуском построена на использовании автономного алгоритма управления на

"йЛВП ^'1*1 Ч ¿X V А IV С' 1 рй^Л 1 и^/Ий Я I ! V/. 1 ;V I V'-11 ¡V» 11 1 О' £1Л1 V' 11 « -VI 5.1

на конечном участке спуска. Результаты моделирования траекторий спуска показывают, что с использованием предлагаемого комбинированного алгоритма управления удается существенно снизить ошибки автономного управления и обеспечить попадание СА в заданную точку с промахом порядка одного километра.

В работе предполагается, что на участке спуска управление СА осуществляется путем изменения только угла крена у с постоянным балансировочным углом атаки, спускаемый аппарат обладает сравнительно небольшим

аэродинамическим качеством (К—и.2Ь). Также предполагается, что для данного С А начиная с высоты 40 км, восстанавливается устойчивая радиосвязь.

Научная новизна работы заключается в том, что разработаны эффективные численные методики анализа и оптимизации управления движением СА. Предложены модифицированный автономный метод и полуавтономный метод управления траекторией С А, позволяющие

У V/! р£1Кг1"1С11г1/11*1 Пй I Срй11111£1ЛЬ11ЫС И/НПхЛ/хйЫС

характеристики.

Практическая значимость работы состоит в решении задачи анализа и формирования метода управления

движением СА, а также построения алгоритмического обеспечения бортовой вычислительной машины , связанной с работами по созданию в КНР пилотируемого космического аппарата. Результаты решения подтвердили возможность реализации траектории СА с требуемой точностью при помощи несложных технических средств, соответствующих состоянию приборостроения в КНР. Основные результаты, полученные в диссертации внедрены в учебный процесс кафедры 604 МАИ. Названные результаты получены лично

й й 1 V р О ЛХ .

На защиту выносятся:

• Методика численного решения задачи оптимизации траектории спуска в атмосфере и выбора номинальной программы управления С А.

« Модифицированный метод автономного управления движением С А, с прогнозированием траектории спуска и точки посадки, основанный на использовании метода модулирующих функций. Модификация состоит в использовании идентификации аэродинамических

характеристик в процессе спуска, обеспечивающей повышение точности прогнозирования.

• Методика комплексирования и обработки автономных (инерциальных) и неавтономных (радиолокационных) навигационных измерений, обеспечивающая повышение точности и надежности управления движением С А.

• Алгоритмическое обеспечение комплексного полуавтономного метода управления движением СА, основанного на модифицированном автономном методе

наведения с использованием радиолокационной н а в и г а ц и о н н о й системы.

Основные научные и практические результаты, полученные в диссертации докладывались на 1 агаринских научных чтениях (МАТИ, 1997 г.), XXXI11 научных чтениях, посвященных разработке творческого наследия К. Э. Циолковского (Калуга, 1998 г.), международной научно-технический конференции "Бортовые интегрированные комплексы и современные проблемы управления" (МАИ, Яропольце, 1998 г.); а также на семинарах кафедры 604 МАИ (1996-98 г.)

Диссертация состоит из пяти глав.

В первой главе дается обзор алгоритмов управления движением СА при входе в атмосферу. В этой области значительный вклад внесли русские , советские и зарубежные ученые: В. А. Ярошевский, В. В. Андреевский, Н. М. Иванов, А. И. Мартынов, Л. Н. Лысенко, Д. ь. Охоцимский, Ю. Ф. Голубев, Ю. Г. Сихарулидзе, А. А. Лебедев, В. Н. Баранов, М. Н. Красильщиков, В. В. Малышев, ь. Ф. Каменков, Л. Р. Шкадов, Д. Ь". Чепмен, Лох У и многие другие. В этих работах дается общая характеристика проблем, связанных с выполнением безопасного спуска космического аппарата на Землю или другую планет)?, обладающую атмосферой, обсуждаются ограничения, накладываемые на перегрузочный и тепловой режимы, анализируются аэродинамические характеристики космических аппаратов различных типов. Сопоставляются аналитические и полуаналитические методы

расчета траекторий входа в атмосферу, определяются области применимости полученных приближенных решений. Исследуются задачи об оптимизации траекторий входа, анализируются основные виды возмущений, методы навигации и управления.

В работах Н. М. Иванова, А. И. Мартынова, Л. Р. Шкадова и других авторов уделено большое внимание вопросам оптимизации траекторий спуска СА в атмосфере. Их работы [2, \ 6,1 В, 19,М ] посвящены комплексному исследованию оптимальных траекторий и режимов движения в атмосфере Земли и других планет Солнечной системы, имеющих атмосфер}7. В связи с развитием техники электронных вычислительных машин в работах Д. Охоцимского|20] и других авторов были исследованы вопросы создания алгоритмов, рассчитанных на использование ЬЦВМ в системе управления. Авторы стремились дать систематическое изложение проблемы и на примере задачи спуска СА в атмосфере продемонстрировать некоторые методы использования эффективных алгоритмов управления, основанные на прогнозировании траекторий спуска и точки посадки С А на поверхности Земли.

В работах А. А. Лебедева, В. Н. Баранова, М. Н. Красильщикова, В. В. Малышева[31], Ь. Ф. Каменкова{24] и др. исследуются алгоритмы управления движением СА путем одновременного изменения углов крена и атаки для повышения эффективности управления. Такой способ наиболее приемлем для космических аппаратов планирующего

типа, обладающих большим значением аэродинамического качества.

В настоящее время с целью повышения точности управления все большее внимание уделяется использованию

1г1 1 и П С/' IV! Г11>Х Л IV! V 1 V Д У ХЗ у' XX р С115 л VXX Х'Х Л XX и Хл. V/ И V *1 XX и т у Ч (X V X Л V

спуска, основанных на уточнении взаимного положения СА и точки посадки. В этом направлении в работах ь. Ф. Каменкова[22,23,24] рассматриваются некоторые алгоритмы полуавтономного управления СА как при одноканальном управлении по углу крена (у — управление), так и при управлении по углам атаки и крена (а —у управление). В конце главы приводится постановка задачи на исследования, проводимые в данной диссертации.

Во второй главе анализируются различные математические модели движения С А в атмосфере Земли, методы расчета траекторий спуска, анализа их свойств и характеристик и синтеза закона управления. В связи с целью исследования (повышение точности) в работе рассматривается только движение центра масс СА. В данном случае обоснован выбор математических моделей движения СА и моделей окружающий среды (внешних воздействий) разной степени полноты. Представлены модели гравитационного поля и атмосферы Земли, в том числе, экспоненциальная стандартная и нестандартная модели атмосферы, которые

У' *"Х XX X 1ЭХ ¿5 а X V V V XX XX V XXX11 р V х XX Ы V ХЗ ¿1XX £Х Д XX И X X ^ X V X XX и V X XX •

Подробно исследуются аэродинамические характеристики спускаемого аппарата типа "Союз % обосновывается выбор способа управления спуском путем поворота по крену.

В третьей главе разработаны методики выбора и расчета номинальной траектории спуска и соответствующей программы управления. Расчет номинальных траекторий необходим в дальнейшем на этапе прогноза движения при решении общей задачи управления. Проанализированы критерии оптимизации и ограничения, используемые при выборе траектории движения СА в атмосфере. Отмечается,

" 1 о* 1У1 и л хх IV! 11 а л л ]5|/ ч/т Спи у а пр" и и 1 рлй и ч сяй и и с^1 С/1 р у а и

является физически оправданным критерием оптимальности. Обоснован способ расчета оптимальной номинальной траектории и программы управления с использованием принципа максимума Понтрягина. С помощью указанного метода оптимизации определена область возможного маневра С А в атмосфере при ограничении перегрузки. Номинальная программа управления, полученная на основе оптимизации траектории спуска, содержит элемент нерациональности, так как она получена без учета возможных возмущений, действующих на СА при спуске. С точки зрения парирования непредсказуемых возмущений и обеспечения заданной точки посадки целесообразно выбрать номинальную программу управления таким образом, чтобы точка посадки находилась как можно ближе к центру области возможного маневра.

Четвертая глава посвящена исследованию основной проблемы управления — построению алгоритма управления спуском при воздействии различных возмущений и приведению СА в заданную точку посадки. Гак как для автономных систем управления спуском СА алгоритм управления, основанный на прогнозировании движения и

точки посадки, имеет заметное преимущество перед алгоритмом с отслеживанием номинальной траектории и оказывается более перспективным, то для формирования закона управления выбран алгоритм с прогнозированием. Предложен модифицированный автономный метод н