Особенности управления космическими аппаратами

В настоящее время большое внимание в международных проектах исследования космоса уделяется организации космических миссий к Луне и Марсу, планетам Солнечной системы, что вызывает необходимость в разработке эффективных технологий управления орбитальными и посадочными модулями [1,2,3,102,103,105].

Следует отметить, что США, Китай, страны Европы существенно активизируют работы по подготовке полетов к Луне, Марсу, планетам Солнечной системы. Сложившаяся ситуация вызывает необходимость активизации участия РФ в исследовании дальнего космоса, создание опережающего научно-технического задела для разработки методики и технологии осуществления космических миссий.

Одним из наиболее важных направлений космической деятельности является реализация космических проектов с целью расширения знаний о Земле, Солнечной системе и Вселенной, проведение фундаментальных исследований в областях астрофизики и планетологии. Для реализации указанной направленности предполагается подготовка и проведение космических миссий к Марсу, Венере, Юпитеру, Меркурию. Организация управления КА при полетах к этим планетам требует учета специфических особенностей, характерных для реализации каждой космической миссии: выбор рациональных схем межпланетных перелетов с учетом осуществления гравитационных маневров в окрестностях небесных тел, условий входа КА в атмосферу, управление на участках аэродинамического торможения и т.д. [2, 4, 96].

В этих условиях чрезвычайно важной становится проблема разработки, обоснования и реализации технологий рационального управления перспективными КА.

При исследовании Марса и других планет Солнечной системы возникает необходимость в учете специфических особенностей планет назначения. Так, при движении аппаратов в разряженной атмосфере Марса технология управления должна разрабатываться с учетом обеспечения эффективного гашения скорости КА.

Технологию управления спускаемого КА при исследовании Марса можно разделить на несколько этапов:

1. Выбор орбитально-десантной схемы для спускаемого модуля, предусматривающей предварительное формирование спутниковой орбиты с последующим сходом с нее и спуском в атмосфере.

2. Выбор основных критериев оптимальности: минимум конечной скорости при вводе в действие системы мягкой посадки (минимум максимальной перегрузки, минимум максимальной температуры, максимум дальности полета).

3. Выбор проектных параметров космического комплекса: определение баллистических коэффициентов и аэродинамического качества.

4. Определение оптимальных законов управления КА: определение оптимального управления КА в атмосфере углами крена и атаки.

Разработка рациональных стратегий управления КА в атмосфере сопряжена с усовершенствованием методики оптимального управления с учетом набора различных ограничений. В частности, представляется необходимой разработка методов минимизации конечной скорости с учетом ограничений на максимально допустимые значения температуры и перегрузки, действующих на КА. 

В общем виде, постановка задачи управления полетами может быть сформулирована следующим образом: для космического аппарата с известными проектными, весовыми, конструкционными, энергетическими и другими характеристиками, осуществляющего полет в соответствии с заданным целевым назначением требуется:

-  определить последовательность распределенных по времени управляющих воздействий, обеспечивающих движение КА в заданной ограниченной области космического пространства;

- обеспечить выполнение задач программы полета, реализующих экстремум обобщенного критерия оптимальности процесса функционирования.

При этом следует выделить основные направления исследований проблем управления КА при спуске в атмосферах планет:

- обеспечение комфортных температурных и перегрузочных режимов, маневренных возможностей для достижения заданных областей посадки;

- эффективного гашения скоростей КА.

Для решения задач управления КА при реализации оптимальных схем движения КА на этапе его спуска, необходимо обеспечение высокого уровня точности и быстродействия выполнения целевых программ. Вышеизложенное определяет необходимость разработки новых методических подходов к оптимизации управления КА, включающей определение оптимальной структуры и процессов функционирования системы управления.

В работе проведено исследование проблемы оптимизации управления КА. Решаются задачи выбора и обоснования оптимальных траекторий движения КА на основе методов оптимального управления. Успешная реализация планируемых миссий перспективных космических комплексов во многом зависит от возможностей осуществления полета КА по оптимальным (или, по крайней мере, рациональным) траекториям, что требует совершенствования существующих и разработки новых методов, алгоритмов оптимального управления КА.

Анализ проблемных вопросов

              Эффективность исследования космического пространства во многом определяется успешной реализацией миссий дальнего космоса. Изучение планет Солнечной системы обусловлено как желанием получить ответы на ряд фундаментальных вопросов, так и практическим интересам. Фундаментальные исследования строения планет по мнению ученых помогут в значительной степени дать прогноз дальнейшего развития Земли, ответить на вопросы о происхождении жизни [49, 103, 104]. Практическая значимость проведения исследований определяется тем, что развитие космической промышленности будет в значительной степени способствовать созданию новых наукоемких технологий и их применению в других сферах деятельности (металлургии, машиностроении, приборостроении, транспортном комплексе и др.).

Проблемы изучения планет и околопланетного пространства наиболее эффективно решаются с использованием орбитальных КА, длительное время функционирующих в околопланетном пространстве и спускаемых на поверхность планет аппаратов. Только с помощью таких КА может быть обеспечено решение следующих задач:

– получение космических снимков поверхности планет с передачей получаемых изображений на Землю;

– проведение прямых измерений параметров атмосферы (температуры, химического состава, давления) и анализ их изменения в зависимости от высоты над поверхностью планеты;

– изучение рельефа поверхности планет, физических свойств и состава грунта;

– исследования гравитационного поля планет путем анализа траекторий движения их искусственных спутников и спускаемых аппаратов и др.

Решение перечисленных и ряда других целевых задач предопределяет необходимость разработки рациональных технологий управления орбитальными и спускаемыми КА. При этом, в зависимости от исследуемых задач используются различные критерии оптимальности:

– минимизация ширины коридора входа КА в атмосферу, т.к. обеспечение физически реализуемого коридора входа большего, чем навигационный является необходимым условием успешной реализации программ посадки КА на поверхность планет и выведения на спутниковые орбиты;

– минимизация максимальной температуры, действующей на поверхность КА в процессе его снижения в плотных слоях атмосферы. Данная задача определяет требования к параметрам теплозащитного покрытия КА и является чрезвычайно важной особенно при спуске в высокоплотных, протяженных, быстровращающихся атмосферах планет юпитерианской группы;

– минимизация максимальной перегрузки при спуске КА в атмосферах планет. Уменьшение максимальных перегрузок позволит повысить устойчивость движения КА, понизить требования к элементам конструкций, обеспечивающих необходимые прочностные характеристики аппарата;

– минимизация конечной скорости КА на заданных высотах полета вблизи поверхности планет. Успешное решение данной задачи позволит снизить потребные энергетические затраты на осуществление мягкой посадки аппарата на поверхность планет назначения.

Анализ траекторий движения КА показывает что, обеспечение всей совокупности перечисленных критериев сопровождается значительной сложностью поиска оптимальных решений. Так, оптимальное управление, полученное с использованием одного критерия, может быть не только не оптимальным, но и не рациональным с точки зрения других критериев. Например, при оптимальном управлении, реализующем расширение коридора входа будут действовать большие перегрузки, а на оптимальных траекториях, минимизирующих максимальную перегрузку, будут иметь место достаточно большие значения интегральных тепловых потоков, действующих на поверхность аппарата и т.д. [26,27].

Это обуславливает необходимость создание методического задела для исследования проблем комплексной многокритериальной оптимизации управления КА с использованием обобщенных критериев оптимальности и четко обозначенных ограничений на траекторные параметры. Анализ существующей отечественной и зарубежной литературы показал отсутствие единого методического подхода к решению проблемы комплексной оптимизации управления КА, в частности, при реализации космических миссий к планетам Солнечной системы.

С учетом вышеизложенного, представляет методической и практический интерес решение задач комплексной оптимизации управления КА с учетом всех перечисленных критериев, в частности задач, где критерии оптимальности достигаются в различных точках внутри допустимой области фазового пространства. Например, при спуске КА в атмосфере принципиально могут быть определены программы управления, последовательно обеспечивающие минимум максимальной температуры, минимум максимальной перегрузки, минимум конечной скорости аппарата [65]. Также, представляется практически важным проведение исследований по оптимизации управления, обеспечивающего поиск экстремума одного из критериев (например, минимума конечной скорости или минимума интегрального теплового потока) при наличии ряда ограничений на фазовые координаты: на максимально допустимые значения температуры, перегрузки, скоростного напора и т.д.

Решение этих задач позволит определить и обосновать рациональные траектории движения КА при различных сочетаниях критериев оптимальности и наборов ограничений на фазовые координаты.