|
| |
лючают, в свою очередь соответствующие
исполнительные органы (рули), тем самым формируя замкнутую
колебательную систему спускаемый аппарат - автомат стабили-
зации (СА - АС).
При определенных условиях, в значительной степени за-
висящих от " совершенства" компоновки СА, могут возникнуть
нарастающие колебания корпуса СА, приводящие в конечном
счете к его разрушению.
Характерным здесь является то, что корни неустойчивос-
ти лежат именно в особенностях компоновочной схемы СА, что
влечет за собой необходимость самого тщательного исследова-
ния этих особенностей (рис.7).
Использование жидкостного ракетного двигателя для
обеспечения мягкой посадки СА порождает, как видно, ряд
проблем, связанных с обеспечением его устойчивости.
Займемся одной из них, а именно - исследованием роли
- 17 -
конструктивных параметров компоновочной схемы СА в формиро-
вании динамических свойств СА как управляемой системы.
Управление СА относительно центра масс в плоскостях
тангажа и рыскания осуществляется специальным автоматом
стабилизации путем создания управляющих моментов при целе-
направленном включении управляющих двигателей. Возможны и
другие схемы управления, например, путем перераспределения
тяг управляющих двигателей или отклонения маршевого двига-
теля (газового руля).
Что касается топливных баков, то они обычно выполняют-
ся в виде тонкостенных оболочек различной геометрической
конфигурации (обычно осесимметричной) и размещены внутри
СА.
Какими параметрами желательно характеризовать ту или
иную компоновочную схему с тем, чтобы формализовать даль-
нейший анализ? С точки зрения динамики представляют инте-
рес те, которые в первую очередь характеризуют: форму и
расположение топливных баков; положение центра масс СА; по-
ложение и тип управляющих органов; соотношение плотностей
компонентов топлива; "удлинение" (т.е. отношение высоты к
диаметру) СА.
Будем предполагать, что траектория посадки СА выбрана
(и является оптимальной в том или ином смысле). Есть также
(или формируется в процессе полета) программа работы марше-
- 18 -
вого двигателя. Все это однозначно определяет упомянутые
выше параметры компоновочной схемы СА в каждый момент вре-
мени активного участка.
Этих предположений достаточно для формализации обсуж-
даемой проблемы - исследования влияния особенностей компо-
новки СА на его устойчивость.
Однако задача стабилизации СА при посадке на планеты,
лишенные атмосферы, включающая в себя анализ динамики объ-
екта, исследование причины неустойчивости и методов ее
устранения, не допускает полной формализации и требует прив-
лечения 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 математичес-
ких моделей; своеобразия методов исследования этих моделей.
Спускаемый аппарат как механическая система представ-
ляет собой тонкостенную (частично ферменную) конструкцию,
снабженную тормозным устройством - жидкостным ракетным дви-
гателем - и необходимой системой стабилизации.
Важной особенностью компоновочной схемы СА является
наличие в конструкции топливных отсеков (с горючим и окис-
лителем) различной геометрической конфигурации.
Стабилизация СА относительно центра масс осуществляет-
- 19 -
ся специальным автоматом стабилизации путем создания управ-
ляющих 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 по-
рождает колебания объекта в целом.
Чувствительные элементы (гироскопы) и исполнительные
элементы (рули) замыкают колебательную систему спускаемый
аппарат - автомат стабилизации и рождают весь комплекс воп-
росов, связанный с обеспечением устойчивости системы в це-
лом.
Движение СА мы представляем себе как "возмущенное"
движение, наложенное на программную траекторию. Термин "ус-
тойчивость" 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 выбо-
ре моделей?
Прежде всего ясно, что не имеет смысла перегружать
расчетную модель различными подробностями, делая ее неоп-
равданно сложной. Поэтому представляются разумными следую-
щие соображения.
Для анализа запасов статистической устойчивости объек-
- 20 -
та 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 ис-
точник возмущающих моментов.
Выбор рационального размещения датчиков системы стаби-
лизации объекта приходится делать с учетом упругости.
Некоторые методы, используемые при анализе процессов
стабилизации, связаны с анализом динамических свойств объ-
екта в некоторый фиксированный момент времени. Для получе-
ния интегральных характеристик объекта в течение небольшого
интервала времени или на всем исследуемом участке использу-
ются геометрические методы, связанные с построением в
пространстве областей устойчивости, стабилизируемости спе-
циальным образом выбранных параметров (как безразмерных,
так и размерных). Эти методы также позволяют длать ответ на
вопрос, насколько велик запас устойчивости или стабилизиру-
емости, и помогают выяснить причины возникновения неустой-
чивости.
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 по-
- 21 -
мощью установки специальных устройств;
3) рациональный выбор компоновочной схемы объекта (пе-
рекомпоновка), с одновременной настройкой параметров АС или
с принципиальным изменением его структуры.
Обратимся теперь собственно к термину "технология ре-
шения" проблемы. Под этим термином мы будем понимать набор
комплексов отдельных подзадач, на которые разбивается об-
суждаемоая задача, математических методов и соответствующих
технических средств для их реализации, процедур, регламен-
тирующих порядок использования этих средств и обеспечивающих
решение задачи в целом.
Конечной целью проектных разработок по динамике СА яв-
ляется обеспечение его устойчивости на участке посадки.
Этой задаче подчинены все другие, в том числе и задача ана-
лиза структурных свойств СА как объекта регулирования (по
управляемости, наблюдаемости, стабилизируемости).
Так как устойчивость - это то, что в конечном счете
интересует разработчиков (и заказчиков), то с этой задачи
(в плане предварительной оценки) приходится начинать в про-
цессе исследования, ею же приходится и завершать все разра-
ботки при окончательной доводке параметров системы стабили-
зации. При этом меняется лишь глубина проработки этого воп-
роса: на первом этапе используются сравнительно грубые мо-
дели как объекта регулирования, так и регулятора. На конеч-
- 22 -
ном этапе, после того как проведен комплекс исследований,
проводится детальный анализ устойчивости и качества процес-
сов регулирования объекта.
Итак, следует руководствоваться следующим принципом:
занимаясь анализом динамики объекта, начав с оценки устой-
чивости, время от времени надо возвращаться к ней, проверяя
все идеи и рекомендации, полученные в процессе анализа на
замкнутой системе объект - регулятор, используя (по обста-
новке) грубые или уточненные модели как объекта, так и ре-
гулятора.
Этот принцип и лежит в основе комплекса процедур, рег-
ламентирующих порядок использования моделей СА, методов
анализа этих моделей, обеспечивающих решение задачи устой-
чивости СА в целом.
ЛИТЕРАТУРА
1. "Проектирование спускаемых автоматических
космических аппаратов" под редакцией члена-
корреспондента АН СССР В.М.Ковтуненко. М.:
Машиностроение, 1985.
2. Баженов В.И., Осин М.С. Посадка космических
аппаратов на планеты. М.: Машиностроение, 1978.
| |
|
