В своих хабах я хочу рассказывать вам о управлении пилотируемыми космическими кораблями. В основном о корабле «Союз» и «Space Shuttle». За 15 лет изучения этих кораблей у меня собралось достаточное количество информации о них, а так же знаний которыми я хочу поделится с вами.
На Хабре я хочу рассказать вам о режиме сближения корабля «Союз» с Международной Космической Станцией (МКС). Так как в космосе в 70% случаев представления информации используются аббревиатуры, то мне придется их так же использовать, но я постараюсь самые сложные и непонятные расшифровывать и пояснять их значение.
Для того что бы говорить о данном режиме нам надо описать динамику корабля и станции, а так же описать основные принципы управления кораблем.
При сближении в условиях космического пространства динамика транспортного корабля (ТК) и международной космической станции (МКС) может быть представлена в виде двух независимых движений:
- вращения каждого из космических аппаратов вокруг своего центра масс (задания угловых скоростей);
- относительного движения центров масс ТК и МКС (задания линейных скоростей).
Поэтому управления включает в себя:
- управление движением каждого космического аппарата вокруг его центра масс (управление ориентацией или управление взаимным угловым положением)
- управление относительным движением центров масс космических аппаратов (управление относительной траекторией сближения).
На практике же, в процессе сближения МКС движется по известной орбите и поддерживает заданную ориентацию (в заранее выставленную для удобства стыковки ТК), поэтому МКС называют пассивным кораблем (ПК). На транспортный корабль, который является активным кораблем (АК), ставится задача маневрирования, то есть управления вращением и движение относительно центра масс относительно МКС. Поэтому для реализации сближения ТК с МКС в системе управления движением (СУД) ТК предусмотрен режим сближения (СБ).
Какие же задачи решает режим сближения?
- выбор оптимальной траектории сближения (ОТС) ТК с МКС, исходя из минимального расхода топлива на ее реализацию;
- организация управления движением ТК по выбранной траектории сближения;
- обеспечение автоматического (дискретного) или ручного (аналогового) облета к заданному стыковочному узлу МКС, зависания напротив него, причаливания с параметрами относительного движения, обеспечивающими нормальную работу стыковочного механизма;
- обеспечение автоматического контроля за состоянием системы управления движением
- ТК в режиме сближения. При возникновении отказов осуществляется автоматическое
- переключение на исправные приборы;
- выдача информации экипажу о прохождении режима сближения, параметрах
- относительного движения и отказах СУД ТК;
- обеспечение автоматического или ручного увода ТК от МКС при наличии опасности
- столкновения.
Итак, система сближения, как и любая другая система управления, должна удовлетворять следующим требованиям:
- минимальный расход топлива на сближение;
- высокая точность управления ТК;
- простота программного обеспечения и приборной реализации;
- минимальная масса, габариты и энергопотребление системы;
- высокая надежность системы;
- безопасность процесса сближения.
Кроме того, хочу отметить, что для обеспечения контроля прохождения режима сближения и оперативного вмешательства ЦУПа в управление ТК при возникновении нештатных ситуаций (НшС) на ответственных этапах сближения (облет, зависание, причаливание, стыковка) желательно, чтобы эти операции выполнялись на свету в сеансах связи, то есть в зонах видимости наземных измерительных пунктов. Но сеансы связи возможны только в определенные интервалы времени, обусловленные географическим расположением наземных измерительных пунктов и прецессией орбиты, вследствие суточного вращения Земли. Поэтому необходимо создать такое управление транспортным кораблем в режиме сближения, чтобы вывести его в окрестность МКС (относительная дальность менее 1 км) к заданному моменту времени, обеспечивающему надежную и продолжительную связь с ЦУПом и благоприятную светотеневую обстановку на этапах облета, причаливания и стыковки.
Назначение системы, требования к ней и ограничения по времени с учетом светотеневой обстановки определяют принципы управления транспортным кораблем и принципы
построения СУД ТК в режиме сближения.
Теперь давайте разберем с вами принцип управления ТК в режиме СБ.
Так как требования к системе управления сближением противоречивы, то удовлетворить их полностью невозможно, ибо нельзя подобрать такой метод наведения на цель, для управления транспортным кораблем, который бы обеспечивал одновременное выполнение всех требований к системе. Поэтому на практике весь процесс сближения делится на два участка:
- дальний участок (ДУ), задача которого вывести ТК в район нахождения МКС по оптимальной траектории сближения, то есть с минимальными затратами топлива;
- — ближний участок (БУ), задача которого обеспечить управление с заданной точностью ориентацией и движением центра масс ТК к выбранному стыковочному узлу и мягкий контакт при стыковке. Исходя из вышеперечисленных соображений, для транспортного корабля ДУ сближения реализуется по методу свободных траекторий, а БУ- по модифицированному методу наведения по линии визирования ( здесь под линией визирования (ЛВ) принимается линия, соединяющая центры масс сближающихся объектов).
Наведение по методу свободных траекторий
Метод свободных траекторий учитывает орбитальное движение КА в поле тяготения Земли. Он позволяет осуществить переход транспортного корабля с орбиты ожидания в окрестность МКС с помощью многоимпульсного маневра, который состоит из участков баллистического (свободного) движения КА в поле тяготения и управляемого (при включенной двигательной установке) движения ТК. Направление, величина и моменты выдачи этих корректирующий импульсов рассчитываются из условия попадания в конечном счете в окрестность МКС. Следует отметить, что время выдачи корректирующий импульсов очень мало по сравнению с временем свободного движения ТК. Таким образом, траектория сближения состоит из участков свободного движения ТК, в точках сопряжения которых выдаются корректирующие импульсы. Отсюда и вытекает название метода наведения. Для ТК наведение на цель методом свободных траекторий предусматривает следующие схемы сближения с МКС:
- двухимпульсную;
- трехимпульсную.
Конечно существуют и другие схемы, но в данной статье мы рассмотрим только эти.
1. В случае двухимпульсной схемы построение траектории сближения осуществляется с помощью 2-химпульсного маневра, где
ΔV1 предназначен для построения орбиты перехвата, которая обеспечивает попадание ТК в окрестность ОК к заданному моменту времени Тзад;
ΔV2 предназначен для выравнивания орбитальных скоростей ТК и ОК.
2. В случае трехимпульсной схемы траектория сближения представляет собой биэллиптический переход, реализуемый тремя корректирующими импульсами ΔV1, ΔV2, ΔV3.
При этом ΔV1 прикладывается на орбите ожидания для перевода ТК на внутреннюю
эллиптическую орбиту перехода,
ΔV2 — предназначен для осуществления перехода ТК в окрестность МКС к заданному
моменту времени Тзад,
ΔV3 — необходим для выравнивания орбитальных скоростей ТК и МКС.
В следующих статьях мы разберем наведение по линии визирования, параллельное наведение и т.д.
Автор: Роман Акимов
