Исследование режимов функционирования системы управления движением межорбитального малого разгонного блока с использованием неортогональных схем компоновки реактивных двигателей

Объект управления — малый межорбитальный разгонный блок – это маневрирующий космический аппарат, оснащенный двигательной установкой, реактивной системой управления и развитым бортовым вычислительным комплексом.

Основная задача ММРБ — доставка полезной нагрузки в заданную точку космического пространства. Ограничивающие факторы: масса снаряженного разгонного блока, высота орбиты перелета, масса полезной нагрузки.

Согласно требованиям ММРБ должен выполнять несколько транспортных операций и, таким образом, может быть представлен в виде нескольких конструктивных модификаций [1]:

1) Перелет с орбиты высотой 500 км на орбиту высотой 800 км с полезной нагрузкой массой 150 кг.

Выполнение данной транспортной операции требует наличие запаса характеристической скорости 160 м/с. Данная модификация ММРБ считается базовой. С точки зрения особенностей построения СУД данная модификация отличается возможностью использования в качестве измерительных приборов, приборов, обладающих большей массой.

2) Перелет с орбиты высотой 500 км на орбиту высотой 1500 км с полезной нагрузкой массой 110...130 кг.

Для данной транспортной операции потребуется наличие запаса характеристической скорости 500 м/с. В этом случае для СУД потребуется минимизация массы измерительных приборов.

3) Перелет с орбиты высотой 500 км на отлетную орбиту с ПН массой 15...20 кг.

Для выполнения перелета потребуется наличие запаса характеристической скорости не менее 3200 м/с. В этом случае для СУД также потребуется минимизация массы измерительных приборов.

Основные задачи СУД ММРБ:

• Формирования вектора ориентации ММРБ с требуемой точностью для обеспечения миссии.
• Построение трехосной ориентации согласно полетному заданию или по команде наземного комплекса управления.
• Поддержание трехосной ориентации во время свободного орбитального полета, а также во время выдачи импульса маршевой двигательной установки (до 2-х минут).
• Стабилизация ММРБ (гашение угловых скоростей и ускорений) после отделения от ракеты-носителя.
• Возможность реализации осевой закрутки ММРБ.
• Формирование управляющего сигнала для двигателей коррекции.

Практически все многообразие режимов ориентации можно реализовать на единой основе, используя кинематический принцип формирования закона управления и аппарат алгебры кватернионов [2, 3].

В работе приведена функциональная схема СУД ММРБ в которой объединены все характерные режимы ориентации. Выделены два контура: кинематический и динамический, причем динамический контур — составная часть кинематического [4].

Динамический контур включает: объект управления – ММРБ в угловом движении, блок датчиков угловой скорости (ВИУС — векторный измеритель угловой скорости), систему исполнительных органов, а также две составляющие ЗУкин и ЗУдин блока формирования закона управления (БФЗУ). Свойство динамического контура определяется составляющей ЗУдин.

Кинематический контур включает: динамический контур, уравнения кинематики углового движения, а также составляющие ЗУкин БФЗУ. Переходные процессы кинематического контура определяются составляющей ЗУкин, которая выбирается исходя из свойств уравнений кинематики (предполагается, что свойства динамического контура практически не оказывают влияния).

Для выполнения цели полета ММРБ формируется конкретная программа полёта, включающая определенную последовательность из совокупности отдельных режимов, в состав которых входят следующие: остановка вращения ММРБ; ориентация в инерциальной СК (ИСК); программные развороты в ИСК; ориентация в орбитальной СК (ОСК); стабилизация ММРБ в ОСК при выдаче корректирующего импульса; закрутка ММРБ относительно осей ССК со стабилизацией оси вращения; ориентация на Солнце; поддержание орбитальной (солнечной, инерциальной) ориентации.

Особенностью всех указанных режимов является использование реактивных двигателей малой тяги в качестве основных исполнительных устройств, работающих в режиме «включено — выключено» и имеющих ограничение на длительность выдачи минимального импульса. Кроме того, важным фактором является компоновка двигателей на борту ММРБ. Указанные особенности существенно сказываются на формирование законов управления для каждого режима.

В данной работе:

• Основное внимание уделено возможностям построения СУД ММРБ с использованием реактивных двигателей ориентации и коррекции. Для этой цели использовались средства моделирования и кинематический принцип, закладываемый в построение систем ориентации и коррекции.

• Предлагается для ММРБ использовать минимальные компоновки системы исполнительных органов на реактивных двигателях, которые отличаются от традиционных ортогональных схем. Однако, основные трудности применения реактивных двигателей ориентации и коррекции связаны с наличием ограничений по минимальному выдаваемому импульсу.
• Проведено исследование функционирования предлагаемых неортогональных схем компоновки системы исполнительных органов (СИО) с использованием разработанных алгоритмов для основных режимов управления ММРБ при их различных параметрах и начальных условиях.
• Разработаны структурные схемы режимов и математические модели элементов СУД ММРБ. Проведено исследование основных режимов СУД ММРБ средствами моделирования по предлагаемой методике.
•  Проведено сравнение характеристик СИО с точки зрения длительности переходного процесса и суммарной длительности включения двигателей (расхода рабочего тела) неортогональных схем компоновок СИО с традиционными, которое показало ряд преимуществ предлагаемых схем.