Спуск и посадка космических аппаратов на планеты без атмосферы

Будем предполагать, что траектория посадки СА выбрана (и является оптимальной в том или ином смысле). Есть также (или формируется в процессе полета) программа работы маршевого двигателя. Все это однозначно определяет упомянутые выше параметры компоновочной схемы СА в каждый момент времени активного участка.

Этих предположений достаточно для формализации обсуждаемой проблемы — исследования влияния особенностей компоновки СА на его устойчивость.

Однако задача стабилизации СА при посадке на планеты, лишенные атмосферы, включающая в себя анализ динамики объекта, исследование причины неустойчивости и методов ее устранения, не допускает полной формализации и требует привлечения диалоговой технологии исследования.

Для построения такой технологии необходимо начать с анализа основных факторов, определяющих в конечном счете структуру диалога «человек ЭВМ», а именно: особенностей СА как механической системы; особенностей его математичек моделей; своеобразия методов исследования этих моделей.

Спускаемый аппарат как механическая система представляет собой тонкостенную (частично ферменную) конструкцию, снабженную тормозным устройством жидкостным ракетным двигателем — и необходимой системой стабилизации.

Важной особенностью компоновочной схемы СА является наличие в конструкции топливных отсеков (с горючим и окислителем) различной геометрической конфигурации.

Стабилизация СА относительно центра масс осуществляется специальным автоматом стабилизации путем создания управляющих моментов за счет отклонения управляющих двигателей, маршевого двигателя или газовых рулей.

В процессе движения СА жидкость в отсеках колеблется, корпус аппарата испытывает упругие деформации, все это порождает колебания объекта в целом.

Чувствительные элементы (гироскопы) и исполнительные элементы (рули) замыкают колебательную систему спускаемый аппарат — автомат стабилизации и рождают весь комплекс вопросов, связанный с обеспечением устойчивости системы в целом.

Движение СА мы представляем себе как «возмущенное» движение, наложенное на программную траекторию. Термин «устойчивость» относится именно к этому возмущенному движению.

Уместно заметить, что выбор модели представляет собой хороший пример неформализуемой процедуры: без участия разработчика он в принципе невозможен.

Какими соображениями руководствуется инженер при выборе моделей?

Прежде всего ясно, что не имеет смысла перегружать расчетную модель различными подробностями, делая ее неоправданно сложной. Поэтому представляются разумными следующие соображения.

Для анализа запасов статистической устойчивости объекта можно ограничиться моделью твердого жесткого тела.

При выборе же характеристик устройств, ограничивающих подвижность жидкости в отсеках, необходимо уже учитывать волновые движения на свободной поверхности жидкости как источник возмущающих моментов.

Выбор рационального размещения датчиков системы стабилизации объекта приходится делать с учетом упругости.

Некоторые методы, используемые при анализе процессов стабилизации, связаны с анализом динамических свойств объекта в некоторый фиксированный момент времени. Для получения интегральных характеристик объекта в течение небольшого интервала времени или на всем исследуемом участке используются геометрические методы, связанные с построением в пространстве областей устойчивости, стабилизируемости специальным образом выбранных параметров (как безразмерных, так и размерных). Эти методы также позволяют дать ответ на вопрос, насколько велик запас устойчивости или стабилизируемости, и помогают выяснить причины возникновения неустойчивости.

Существует еще группа методов обеспечения устойчивости СА, включающая в себя:

1) рациональный выбор структуры и параметров автомата стабилизации;

2) демпфирование колебаний жидкости в отсеках с помощью установки специальных устройств;

3) рациональный выбор компоновочной схемы объекта (перекомпоновка), с одновременной настройкой параметров АС или с принципиальным изменением его структуры.