Динамика мягкой посадки возвращаемого аппарата на этапе взаимодействия с поверхностью Земли тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.01 ВАК РФ

На правах рукописи

Воронин Виталий Викторович

Динамика мягкой посадки возвращаемого аппарата на этапе взаимодействия с поверхностью Земли

01.02.01-Теоретическаямеханика 1"| НОЯ 2015

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

0055643ии

Королёв-2015

005564300

Работа выполнена в Открытом акционерном обществе «Ракетно-космическая корпорация «Энергия» имени С.П. Королёва».

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор. Борзых Сергей Васильевич. Официальные оппоненты:

Фельдштейн Валерий Адольфович, доктор технических наук, Федеральное государственное унитарное предприятие «Центральный научно-исследовательский институт машиностроения», начальник отдела динамической и ударной прочности;

Дмитроченко Олег Николаевич, кандидат физико-математических наук, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Брянский государственный технический университет», старший научный сотрудник научно-исследовательского сектора.

Ведущая организация:

Акционерное общество «Ракетно-космический центр «Прогресс», г. Самара.

Защита состоится «23» декабря 2015 года на заседании диссертационного совета Д 212.215.07 созданного на базе федерального государствешшго автономного образовательного учреждения высшего образования «Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королева (национальный исследовательский университет)» по адресу: 443086, г. Самара, Московское шоссе, 34.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего образования «Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королева (национальный исследовательский университет)», http://vvww.ssau.ru.

Автореферат разослан 2 ?

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.215.07 доктор технических наук, профессор

Белоконов И.В.

Общая характеристика работы

В данной работе рассматривается динамика процесса посадки возвращаемого аппарата (ВА) пилотируемого транспортного корабля нового поколения (ПТК НП) от момента первого контакта посадочной поверхности и до полной остановки аппарата.

Актуальность темы исследования. Процесс мягкой посадки ВА на поверхность планеты является одной из ключевых операций, непосредственно влияющих на выполнение общей программы полета, поскольку отказ посадочного устройства (ПУ) в целом или отдельных его элементов практически всегда приводит к возникновению аварийных ситуаций, которые связаны с негативными последствиями.

Особенностью данного этапа процесса посадки является необходимость гашения большой кинетической энергии, которой обладает В А в момент первого контакта с поверхностью. Важно подчеркнуть, что в силу ряда обстоятельств (погрешностей системы управления спуском, порывов ветра, неточного знания ряда характеристик самого ВА и др.) кинематические параметры ВА лежат в некотором диапазоне. Кроме того, ориентация посадочной поверхности и ее физико-механические свойства могут быть случайными.

В то же время, при осуществлении посадки необходимо выполнить ряд требований:

1) «мягкость» посадки (ограничения, например, по перегрузкам);

2) сохранение устойчивости в течение движения ВА по посадочной поверхности;

3) конечное положение должно обеспечить возможность дальнейшего функционирования;

4) обеспечение минимально допустимого клиренса для последующего многоразового использования.

Для обеспечения выполнения этих требований аппарат снабжается ПУ, содержащим энергопоглощающие элементы.

Степень разработанности темы. Проблемами моделирования процесса посадки и обеспечения его безопасности занимались в ряде ведущих организаций ракетно-космического направления (ЦНИИ машиностроения, НПО им. С.А. Лавочкина, Ракетно-космической корпорации «Энергия» им. С.П. Королева, НПО «Молния», РКЦ «Прогресс», НПО машиностроения), академических институтах (ИМАШ им. A.A. Благонравова РАН, ИПРИМ РАН, Самарском НЦ РАН), профильных университетах и вузах (МГТУ им. Н.Э. Баумана, МАИ, СГАУ им. С.П. Королева, Санкт-Петербургском государственном морском техническом университете,) и связаны с именами Алексашина С.Н., Алифанова О.М., Арутюняна А.Г., Асланова B.C., Баженова В.И., Базилевского А.Т., Бакулина В.Н., Борзых C.B., Буслаева С.П., Воронцова В.А., Григорьева Е.И., Защиринского A.M., Калюжного Д.А., Кокушкина В.В., Корянова В.В., Круглова Г.Е., Миненко В.Е., Мнацаканова A.M., Панковой Н.В., Перминова М.Д., Петросяна Л.В., Пичхадзе K.M., Пономарева П.А., Сапрыкина O.A., Сиразетдинова Т.К., Стулова В.А., Щиблева Ю.Н., Щеглова Г.А., Финченко B.C., ряда зарубежных

исследователей.

На основании системного проектного анализа применительно к ПТК НП из многообразия возможных вариантов было выбрано ПУ рычажного типа, конструкция и кинематическая схема которого отличается от известных аналогов. В связи с этим существует необходимость разработки соответствующей математической модели динамики мягкой посадки с использованием такого ПУ, с учетом специфических особенностей возвращаемого аппарата и требований, предъявляемых к процессу посадки пилотируемой миссии.

Целью диссертации является разработка метода расчета динамики процесса посадки ВА на участке его взаимодействия с посадочной поверхностью, а также анализ успешности (выполнения предъявляемых требований) процесса посадки в рамках заданных ограничений.

Задачи, вытекающие из сформулированной цели, решению которых посвящена настоящая работа:

1) разработка математической модели процесса мягкой посадки В А;

2) исследование динамики процесса посадки для всего возможного диапазона типов посадочной поверхности (от твердых мерзлых грунтов до мягких супесчаных почв), углов наклона посадочной поверхности и диапазонов начальных линейных и угловых скоростей аппарата, обеспечиваемых системой управления;

3) определение параметров ПУ, обеспечивающих выполнение ограничений по перегрузкам, клиренсу и устойчивости движения в процессе взаимодействия с посадочной поверхностью;

4) разработка подхода к оценке успешности процесса посадки с учетом требований, предъявляемых к процессу мягкой посадки;

5) анализ нештатных ситуаций посадки (отказ отдельных элементов ПУ, посадка на корпус).

Научная новизна работы:

1) разработана математическая модель динамики движения В А с посадочным устройством новой кинематической схемы, обладающая возможностью адаптации в зависимости от изменений конструктивно-компоновочной схемы опор ПУ;

2) созданы расчетные схемы для определения силовых факторов в точках соединения элементов ПУ;

3) предложен подход к анализу успешности процесса посадки при взаимодействии его ПУ с посадочной поверхностью, сочетающий методы прямого моделирования и статистический подход;

4) разработаны модели нештатных ситуаций посадки, связанных с отказами элементов ПУ и отказом взведения самого ПУ.

Теоретическая и практическая значимость работы:

1) проведен динамический анализ процесса посадки во всем возможном диапазоне свойств грунтов посадочной поверхности, углов ее наклона, ориентации аппарата перед контактом с грунтом, угловых и линейных скоростей ВА;

2) разработан алгоритм, обеспечивающий адаптацию системы уравнений реакций связей для определения реакций в точках соединения элементов посадочного устройства при возникновении нештатных ситуаций или изменениях кинематической схемы ПУ;

3) выполнен сравнительный динамический анализ посадки ВА с различными модификациями ПУ;

4) исследованы нештатные ситуации посадки, связанные с отказами элементов ПУ и системы управления спуском.

Полученные автором результаты и разработанные алгоритмы отражены в документации РКК «Энергия» им. С.П. Королева. На устройство ПУ получен патент [7].

Предмет исследования - процесс посадки возвращаемого аппарата ПТК НП на участке взаимодействия его ПУ с посадочной поверхностью.

Объею" исследования — структурно сложная механическая система тел, включающая корпус ВА и элементы его ПУ, с внутренними связями, характерными для заданной кинематической схемы посадочного устройства.

Методы исследования — проведенные в работе исследования базируются на методах теоретической механики, методах динамики структурно-сложных систем, методах статистического анализа, численных методах решения дифференциальных уравнений.

Основные результаты и положения, выносимые на защиту:

1) математическая модель динамики посадки пилотируемого транспортного корабля нового поколения, основанная на представлении возвращаемого аппарата и элементов его посадочного устройства как структурно-сложной механической системы со специфическими внутренними связями, характер и число степеней свободы, которых соответствуют конструктивным особенностям опор посадочного устройства;

2) результаты анализа динамики посадки возвращаемого аппарата во всем диапазоне возможных начальных условий (углов ориентации аппарата относительно посадочной поверхности, линейных и угловых скоростей аппарата на момент первого касания поверхности опорой его посадочного устройства), возможных уклонов посадочной поверхности и широкого диапазона ее механических свойств (от песчаных почв до твердых мерзлых грунтов);

3) алгоритм построения областей успешности посадки, сочетающий методы прямого моделирования и статистический анализ;

4) сравнительный анализ динамики посадки аппарата с различными модификациями ПУ;

5) подход к описанию отказов элементов посадочного устройства и исследование динамики посадки в нештатных ситуациях, связанных с такими отказами.

Степень достоверности полученных результатов, научных положений и выводов, изложенных в диссертации, обеспечена использованием методов классической механики, динамики структурно-сложных механических систем, теории матриц, а также использованием проверенных экспериментальных данных.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 18 профильных международных и общероссийских конференциях, в том числе на:

• на 2-й и 3-й Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы ракетно-космической техники» («Козловские чтения») (г. Самара, «ЦСКБ-Прогресс», 2011 г. и 2013 г.);

• на международной конференции «Фундаментальные и прикладные задачи механики» (Москва, МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2013 г.);

• на 3-й международной конференции «Аэрокосмические технологии» (Москва, МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2014 г.);

• на 65-м Международном астронавтическом конгрессе (IAC 65th) (Торонто, Канада, 2014).

Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 9-ти печатных работах (включая 1 из перечня Scopus [8] и 6 работ в журналах из квалификационного перечня ВАК [1-6]) и отражены в сборниках материалов, трудов и тезисов международных и всероссийских профильных конференций.

Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 122 страницах и состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы, включающего 99 наименований.

Содержание работы

Во введении обосновывается актуальность темы диссертационной работы, излагаются цели и задачи работы, основные результаты, выводы и положения, полученные в процессе научно-технических проработок и выносимые на защиту.

В первой главе рассматривается современное состояние проблемы посадки. Приводятся типы посадочных устройств, которыми обладают существующие возвращаемые или спускаемые аппараты. Новизна и актуальность рассматриваемой задачи обусловлена новизной самого ВА, разрабатываемого в рамках создания пилотируемого транспортного корабля нового поколения, а также оригинальностью кинематической схемы посадочного устройства, не имеющей аналогов среди ПУ стержневого типа.

В состав посадочного устройства возвращаемого аппарата пилотируемого транспортного корабля нового поколения (рисунок 1) входят четыре одинаковые по конструкции посадочные опоры (ПО) (рисунок 2).

ПУ выполняет следующие функции:

1) поглощение остаточной энергии В А при посадке с обеспечением минимально возможного уровня нагрузок на экипаж и конструкцию;

2) обеспечение устойчивости ВА к опрокидыванию в заданном диапазоне начальных кинематических параметров, разбросов характеристик грунтов и рельефа;

3) гарантирование требуемого клиренса между ВА и посадочной поверхностью в процессе посадки и после останова ВА для обеспечения многоразовости использования ВА.

Рисунок 2 - Состав посадочной опоры: Рисунок 1 - Общий вид ВА с ПУ 1 - стакан, 2 - шток, 3 - тарель,

4- подкос

В конструкции элементов ПУ предусмотрены специальные энергопоглотители, которые представляет собой сотовую конструкцию, отличающуюся отсутствием восстанавливающей силы после остаточной деформации. Полный ход амортизатора (величина максимального обжатия) слабо оптимизируется, поскольку выбирается для конкретной компоновки аппарата, в зависимости от располагаемого упаковочного объема. Таким образом, существенные возможности организации процесса посадки предоставляют, в основном, рациональный выбор величины и профиля силы демпфирующих элементов посадочного устройства. Подбор силовой характеристики энергопоглотителя (амортизатора) ПУ осуществлялся в поле основных исходных параметров (инерционные характеристики ВА, геометрические параметры ПУ, направление и величина линейной и угловой скоростей ВА, ориентация ВА на момент касания с грунтом, наклоны посадочной поверхности, характеристики грунта) по критериям минимизации перегрузок в центре масс ВА, обеспечения клиренса и устойчивости к опрокидыванию [4,8].

Для взаимодействия с посадочной поверхностью в ПУ предусмотрено наличие опорных элементов - тарелей. Тарель, непосредственно контактирующая с грунтом при посадке, выполнена в виде сферического сегмента. Вертикальная составляющая реакции грунта посадочной поверхности при динамическом взаимодействии с тарелями ПУ в процессе посадки ВА зависит как от модели грунта, так и от формы опорной тарели, в данном случае рассматривается тарель сферической формы. В качестве расчетной модели грунта была выбрана реологическая модель Фойгта. С учетом параметров модели, выражение для реакции грунтовой поверхности, описываемой рассматриваемыми моделями, при вертикальном внедрении Иу — С Д + ц Д'. где С, г] — соответственно коэффициенты жесткости и вязкости грунта, Д -интегральная функция деформации грунта, Д'— ее производная по времени [3].

ч

Во второй главе приводится метод формирования математической модели процесса посадки. Движение В А с ПУ моделируются механической системой абсолютно твердых тел, состоящей из центрального тела (корпуса ВА) и тел, составляющих ПУ [1]. Уравнения поступательного перемещения центра масс каждого тела, рассматриваемой механической системы, и уравнения вращательного движения относительно центра масс соответственно будут иметь вид

= + Д;,

[/„;]£; + 0)1 X ([/„;]«;) = 10; + I; + Ьс1, 1 '

где а01 и е1 — соответственно ускорение цента масс, и угловое ускорение «/»-го тела системы, тг и [/„¡] - соответственно масса и тензор инерции «/»-го тела - главный вектор внешних сил, - главный вектор сил реакций связей, действующих на /-е тело, Ьо1 - главный момент внешних сил, - главный момент сил реакций связей, Ьс; - главный реактивный момент.

Помимо сил тяжести и сил реакций связей, в выражения главных векторов сил и моментов входят: для корпуса ВА - силы тормозных или прижимных двигателей (в случае их наличия); для стакана и штока — сила демпфера, для тарели — сила взаимодействия с грунтом.

Уравнения движения (1) не могут быть сразу проинтегрированы, поскольку, кроме внешних сил и моментов, в них входят неизвестные силы и моменты реакций связи. Для определения этих неизвестных предложен подход, который заключается в дополнении системы дифференциальных уравнений специальными уравнениями связей.

Для каждого типа механической связи (рисунок 3) записываются векторные уравнения, основанные на условии нерасхождения в шарнирной точке соединения.

а) ось вращения б) цилиндрический в) сферический

Рисунок 3 - Типы шарнирных соединений На рисунке 4 приведена система векторов, описывающих взаимное расположение тел системы в пространстве на примере одной опоры относительно корпуса ВА и инерциального пространства.

Векторное уравнение для определения реакций связи между стаканом и корпусом ВА (ось вращения) основаны на условии нерасхождения шарнирной точки этих тел [5]:

^*кор ^кор—ст Гс

+ г,

ст-кор>

(2)

где гкоР и гст~ радиусы-векторы, определяющие положение центров масс корпуса и стакана в инерциальной системе координат, гкор_ст и Г ст-кор - радиусы-векторы, определяющие положение точки связи в связанных системах координат каждого из тел (рисунок 3 а).

Второе векторное уравнение связи между корпусом и стаканом равенство

отражает проекций скоростей

угловых корпуса и

(3)

Рисунок 4 - Структура векторов расчётной схемы посадочной опоры стакана на две оси, ортогональные оси разворота (рисунок 2) :: шст — а)кор = О

В общей точке связи ее полная скорость и ускорение в инерциальной системе координат одинаковы для корпуса и стакана в произвольный момент времени. После двойного дифференцирования, уравнение связи (2) по перемещению приобретает вид

°Р ^ (^кор ^ гкор-ст)

^кор ^кор ^ *~кор—ст

■ ^ ^"ст—кор ' ^ Шс

■ * С^ст * ^"ст-кор)

и, соответственно, дифференцирование выражения (3) дает Екор - «СТ + ^кор х о>ст = О (5)

Аналогичные выражениям (4) и (5) будут уравнения связи для общей точки в соединении корпуса с подкосом и подкоса со штоком в силу типа соединения (рисунок 3 а).

Связь между стаканом и штоком допускает относительное проскальзывание вдоль общей продольной оси, а также относительный проворот тел относительно этой оси (рисунок 3 б). Первое из уравнений связи основано на равенстве радиус-векторов точки контакта стакана и штока в инерциальной системе координат

Аналогично выражению (3) выглядит выражение для равенства угловых скоростей стакана и штока на две оси, ортогональные продольной:

0}„ - сошт = 0 (7)

Двойное дифференцирование выражения (6) дает

:т * С^ст X Гст_шх) +

+2(остх—1г + -1-г-- (8)

— ^шт ^шт ^ ^"шт—СТ ^ШТ ^ ОШТ X Т*шт_ст) ^'"ст—шт ^^ гст-:::т

где —-—, ——=— - соответственно локальная относительная скорость и

аЬ а^

относительное ускорение движения штока внутри стакана.

3 г 3 г

Локальная скорость —^р1 определяется как —^р1 = Кшт — Уст + <ишт х

гшт_ст - и>„ х (гшт - гст + гшт_,-,.), а радиус-вектор гст_шт = гшт - гст +

Двойное дифференцирование (7) дает соответственно £Ст - £шт + X = 0. (9)

Связь между штоком и тарелью выполнена в виде сферического шарнира (рисунок 3 в), запрещающего линейные перемещения точки связи, но допускающего любые относительные развороты тарели и штока. Уравнением связи будет соотношение, аналогичное по смыслу первому из векторных уравнений (6)

^шт ^шт ^ '"шт—тар ^шт * (^шт ^ '"шт—тар) (10)

— ^тар ^тар ^ ^"тар-шт ^тар ^ (^тар * ^*тар-шт)

Из динамических уравнений движения (1) и дважды продифференцированных уравнений связей формируется система дифференциально-алгебраических уравнений вида

где М — обобщенная матрица инерции, Q — матрица коэффициентов уравнений связей, - вектор-столбец координат, А - вектор-столбец реакций связей.

На основе приведенных уравнений движения и уравнений связей формируется динамическая модель процесса посадки ВА как механической системы. Полученная система динамических уравнений может быть адаптирована для различных модификаций схем ПУ, включающих как другие типы механических соединений, так и различный набор силовых факторов.

В третьей главе приводится анализ динамики процесса посадки для штатных условий; также рассматриваются и нештатные условия, связанные с частичными отказами системы управления спуском. Рассмотрен процесс посадки ВА на подготовленную грунтовую посадочную поверхность без локальных бугров и впадин как естественного, так и искусственного происхождения. В расчетах использовались две разновидности грунта: с низкой жесткостью Сг = 0,8' 106 кгс/м3, что соответствует слабым супесчаным почвам, и с высокой жесткостью Сг = 60'10б кгс/м3, что близко к мерзлым тяжелым грунтам. Угол наклона посадочной поверхности апп от горизонтали находится в диапазоне (0±10)° (рисунок 5). Располагаемый рабочий ход амортизатора определяется компоновочными ограничениями и составляет 0,45 м [4,6].

К моменту касания грунта (рисунок 5) система управления ВА обеспечивает следующие параметры движения, являющиеся штатными

начальными условиями для процесса посадки:

А,

Рисунок 5 - Конфигурация ВА перед контактом с посадочной поверхностью

1) вертикальная скорость снижения Ув = (-1,5±1,5) м/с;

2) горизонтальная скорость ¥р = (0±3) м/с;

3) угловая скорость относительно любой из осей ВА со = (0±12,5) °/с;

4) угловое отклонение продольной оси ВА от вертикали /?ВА = (0±15)°;

5) угловое отклонение ВА вокруг продольной оси относительно направления горизонтальной скорости

уВА=(0±15)°.

В результате, при штатных начальных условиях, в процессе посадки должны быть выполнены следующие требования:

1) клиренс не менее 0,2 м;

2) устойчивость (отсутствие переворота);

3) непревышение располагаемого хода амортизатора;

4) перегрузка относительно продольной оси ВА Хвл не более 8 единиц и не дольше 8 мс.

В работе получены зависимости по

времени основных характеристик процесса посадки ВА в штатных условиях, выбрана силовая характеристика (усилие-ход) амортизатора. На рисунке 6 представлены компоненты перегрузки ^ = в центре масс ВА в

штатных условиях посадки. Как видно из графика, процесс посадки занимает несколько секунд (активная фаза, характеризующаяся большими

градиентами перегрузки, порядка 1,2 с), при этом наблюдается

быстрозатухающий характер

динамического процесса.

Для получения областей успешности посадки (выполнения всех предъявляемых к посадке требований) во всем возможном диапазоне начальных условий, линейные скорости

I, с

Рисунок 6 - Перегрузка в центре масс ВА

варьируются в диапазоне, выходящим за пределы штатных условий, а именно Уе = (-3,5±3,5) м/с, Уг = (0±15) м/с [8]. Значение горизонтальной линейной скорости до 15 м/с обусловлено возможным отказом системы управления в части гашения горизонтальной скорости и, следовательно, максимальным значением скорости ветра, при которой возможна посадка. Вертикальная скорость при парашютировании может достигать 7 м/с в случае отказа системы управления в части гашения вертикальной скорости. Остальные параметры остаются в диапазоне штатных условий. Результат каждого расчетного случая процесса посадки фиксируется по таким событиям как: успешная посадка (выполнение всех требований), переворот по углу наклона ВА, контакт корпуса ВА с посадочной поверхностью, выход штока амортизатора на упор либо превышение перегрузкой предельно допустимого значения.

«Область успешной ~ " посадки представлена в системе координат линейных скоростей, а именно в осях горизонтальной и вертикальной скорости (Уг и Ув) (рисунок 7). В результате анализа результатов процесса посадки, выяснилось, что при посадке в полностью штатных условиях возможны случаи превышения перегрузкой допустимого значения, поэтому необходимо оценить, насколько

> 3

# # ф Успешная посадка XXX Выход ил ока на упор

Штатные условия Граница успешной посадки

Рисунок 7 - Область успешной посадки для штатных условий, при посадке на жесткий грунт

вероятно такое событие с точки зрения статистического анализа процесса посадки в штатных условиях. При моделировании процесса посадки решалась статистическая задача, в которой в качестве случайного дискретного события рассматривался факт неблагоприятного исхода посадки, который может иметь место с некоторой постоянной вероятностью при осуществлении п независимых испытаний. Для каждого параметра (скорости, ориентации) задавался равномерный закон распределения в диапазоне штатных начальных условий. Из общего числа реализаций, которое равно 16000, число успешных составило 15963, количество неуспешных исходов посадки 37, частота 0,00231. Из 37 неуспешных исходов 4 пришлись на переворот, остальные на превышение перегрузкой допустимого значения. Доверительный интервал при надежности 0,90000 [0,99920 0,99842]. Таким образом, возникновения перегрузки, превышающей допустимое значение, маловероятно.

Проведенный анализ показал, что рассмотренная схема ПУ (рисунок 2)

(далее условно обозначенная как «схема 1») вполне работоспособна при реализации большинства сочетаний штатных условий посадки. В то же время, для схемы 1 характерны возникновения перегрузок, превышающих предельно допустимые, в некоторых штатных условиях посадки, и сравнительно небольшой запас устойчивости (рисунок 7).

В связи с этим, предложена запатентованная автором [7] модификация схемы и конструкции посадочной опоры (условно обозначенная «схема 2»), которая заключается В исключении ИЗ её „Раздвижной упор состава откидной рамы и двух подкосов, и введении в состав посадочной опоры двух тросов из сверхвысокомодульного материала, и ограничителя возможного возвратного вращения стойки (раздвижного упора) (рисунок 8).

Ввиду конструктивных особенностей схемы 2, вводятся силовые факторы, моделирующие действия тросов и раздвижного упора. Внесенные изменения позволяют существенно снизить рабочее усилие амортизаторов ПУ (рисунок 9 а), увеличить базу ПУ и соответственно повысить запас устойчивости ВА (за счет оптимизации исходного рабочего положения опоры (рисунок 9 б)) [2-4].

Рисунок 8 - Схема 2

О 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5

. б) Исходные углы рабочего

а) Силовые характеристики амортизаторов

г г г г положения

Рисунок 9 - Отличительные особенности схем опор ПУ Для обеих схем ПУ был проведен анализ успешности посадки во всем диапазоне начальных условий и параметров (рисунок 10). Как видно из рисунка 10 для полностью штатных условий посадки обе схемы в целом удовлетворяют требованиям.

Для схемы 2 также решалась статистическая задача. Из всего числа реализаций (16000) все оказались успешными. Результаты серии расчетов процесса посадки ВА с модифицированной схемой позволили провести сравнительный анализ двух схем ПУ для дальнейшего обоснованного принятия решения по выбору основной схемы. Необходимо подчеркнуть, что само

принятие решения по выбору основной схемы будет приниматься на основе системного анализа обоих вариантов. Предложенный методический подход,

математическая модель и выполненный анализ

позволяет лишь оценить преимущества той или иной схемы с точки зрения динамических особенностей процесса посадки и выполнения требований к

1 2 з

Vг, м/с

..... Штатные условия-схема 2.....схема 1

Рисунок 10 - Области успешной посадки для схем опор ПУ

самому процессу посадки.

Четвертая глава

посвящена рассмотрению нештатных случаев,

связанных с отказом функционирования ПУ для рассматриваемых схем опор ПУ. Рассмотрены следующие нештатные случаи: отказ взведения штока одной из опор, отказ взведения одной из опор целиком, и посадка на корпус при отказе сброса лобового теплозащитного экрана (ЛТЭ). Следует отметить, что начальные условия полностью штатные. Моделирование посадки производилось на жесткий грунт, как наиболее критичный с точки зрения возникновения предельно допустимых перегрузок.

Первый случай - отказ взведения штока одной из опор (рисунок 11) -означает, что относительное движение штока и стойки вдоль их продольной оси и относительный разворот относительно этой же оси исключается, т.е. накладываются дополнительные ограничения на степени свободы в точке связи (уравнения связей (8]п

а) схема 1 б) схема 2

Рисунок 11 - Отказ взведения штока опоры При моделировании посадки в случае отказа взведения штока, из всех оценочных параметров, критичным оказалось пиковое значение продольной перегрузки, которое составило 22.5 единицы для схемы 1 и длительность превышения предельно допустимого значения в 8 единиц составляет 0.018 с, что больше предела переносимости человеком. Совершенно иная картина по перегрузкам

наблюдается для схемы 2. В данном случае максимум перегрузки составляет 9.6 единиц и длительность ее выхода за допустимое значение составляет 0.024 с. Такая разница объясняется наличием у схемы 2 упругих элементов (тросов) в составе посадочной опоры, что позволяет снижать пиковые значения ускорений, но растягивает их по времени.

Во втором случае отказа предполагается, что одна из опор посадочного устройства не переведена из сложенного положения в раскрытое рабочее (рисунок 12). Для каждой из рассматриваемых схем, в результате такой постановки задачи, происходит контакт корпуса ВА с грунтом посадочной поверхности в месте невзведенной опоры. В данном случае для обеих схем посадочного устройства результаты не имеют существенных различий. Значение пиковой перегрузки более 32 единиц и длительность превышения предельно допустимой - 0.017 с существенно выходят за пределы допустимых норм.

В третьем случае рассматривается отказ отделения ЛТЭ (корпус ВА контактирует с посадочной поверхностью). Такой случай с точки зрения математической модели равносилен полному отказу взведения ПУ. Таким образом, формируется система дифференциальных уравнений, описывающих только движение корпуса ВА без связей. Значение пиковой перегрузки (около 39 единиц, длительность 0.017 с) существенно, как и в случае отказа взведения опоры ПУ, выходит за пределы допустимых норм.

Заключение

В соответствии с целью диссертации и поставленными задачами получены следующие основные результаты:

1) разработана математическая модель и создана на ее основе система моделирования динамики процесса посадки ВА, обладающая широкими адаптационными возможностями по учету конструктивно-компоновочных особенностей посадочного устройства, начальных условий процесса, свойств грунта посадочной поверхности, а также потенциально возможных отказов элементов посадочного устройства:

2) выполнено исследование динамики процесса посадки ВА во всем диапазоне штатных условий посадки в обоснование возможности выполнения специфических требований к процессу посадки по перегрузкам, клиренсу, устойчивости движения;

3) предложен алгоритм оценки успешности процесса посадки, сочетающий прямое моделирование и статистический подход;

4) проведен анализ динамики посадки возвращаемого аппарата с модифицированным посадочным устройством, включающим тросовые связи;

5) исследованы нештатные ситуации посадки, связанные с отказами

Рисунок 12-Отказ взведения опоры ПУ

элементов посадочного устройства и системы управления спуском.

Полученные в данной работе результаты подтверждают возможность обеспечения безопасности экипажа при реализации штатных условий посадки и позволяют оценить возможные последствия нештатных ситуаций, связанных с отказами элементов посадочного устройства и системы управления спуском.

Использование математического моделирования для исследования процесса посадки возвращаемого аппарата представляется единственно возможным способом обоснования принимаемых решений на начальной стадии разработки самого аппарата и, связано с неточным знанием ряда его характеристик и условий посадки. Ценность данного исследования в том, что оно позволяет дать оценку динамических особенностей процесса посадки во всем рассматриваемом диапазоне исходных параметров и сделать соответствующие выводы о принятии решений при дальнейшей разработке аппарата.

В плане подготовки экспериментальной базы для отработки процесса посадки и его оценки потребуется создание математических моделей экспериментальных стендов, составной частью которых будет разработанная в данной работе модель.

В перспективах разработки данной темы исследований возможен учет в конструкции посадочного устройства упругих элементов.

Публикации по теме диссертации

1. Бакулин, В.Н. Математическое моделирование процесса посадки космического аппарата на участке его контакта с поверхностью / В.Н. Бакулин C.B. Борзых В.В. Воронин // Вестник Московского авиационного института. -

2011. - т.18. -№4. - С.38-46.

2. Бакулин, В.Н. Динамика процесса посадки космического аппарата с рычажно-тросовым посадочным устройством / В.Н. Бакулин В.В. Кокушкин C.B. Борзых В.В. Воронин // Вестник Московского авиационного института. -

2012. - т. 19. -№5. - С.45-50.

3. Бакулин, В.Н. Исследование влияния свойств грунта посадочной поверхности на устойчивость процесса посадки космического аппарата с механическим посадочным устройством / В.Н. Бакулин В.В. Кокушкин C.B. Борзых В.В. Воронин Ю.Н. Щиблев // Вестник Московского авиационного института. - 2014. - т.21. - №1. - С.38-46.

4. Борзых, C.B. Анализ динамики процесса посадки для различных схем опор посадочного устройства / C.B. Борзых В.В. Воронин Ю.Н. Щиблев // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета им. С.П. Королева. - 2013. -№ 4(42). - С.86-93.

5. Воронин, В.В. Выбор энергетических характеристик амортизатора механического посадочного устройства возвращаемого космического аппарата / В.В. Воронин // Космонавтика и ракетостроение. - 2013. - Вып. 1(70). - С.95-102.

6. Воронин, В.В. Динамика процесса посадки спускаемого аппарата на участке его контакта с поверхностью / В.В. Воронин // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета им. С.П. Королева. - 2012. -

№ 4(35). - С.52-58.

7. Пат.2546042 Российская Федерация. Посадочное устройство космического аппарата / В.В. Кокушкин Ю.Н. Щиблев Н.С. Ососов Н.К. Петров С.В. Борзых В.В. Воронин / Опубл. 27.02.2015.

8. Voronin V. Landing capsule soft touchdown dynamics. Paper code IAC-14, C2,3,3,x22547 // 65th International Astronautical Congress / Toronto, Canada. -Sept. 29-Oct. 3/2014.

Подписано в печать: 21.10.2015

Формат 60x84 1/16 Заказ № 10922 Тираж -100 экз. Печать трафаретная. Типография «11-й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 115230, Москва, Варшавское ш., 36 (499) 788-78-56 \v\vw .autoreferat.ru