Статистический анализ движения неуправляемых лёгких спускаемых аппаратов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.07.09, кандидат технических наук Никонова, Ирина Анатольевна

• Никонова, Ирина Анатольевна
• кандидат технических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат технических наук Никонова, Ирина Анатольевна

Введение.

1 Аналитический обзор и решаемые задачи.

1.1 Статистические методы моделирования.

1.2 Математические модели и методы анализа движения спускаемых аппаратов.

1.3 Методы оценки значимости возмущений.

1.4 Решаемые задачи и схема исследований.

2 Описание и анализ возмущений, действующих на СА при спуске с орбиты

2.1 Возмущения, связанные с начальными условиями движения СА

2.2 Возмущения среды и неточность знания аэродинамических характеристик СА.

2.3 Возмущения, связанные с малой статической асимметрией СА

2.4 Возмущения, возникающие при возвращении СА с помощью орбитальной тросовой системы.

3 Статистический анализ движения классических спускаемых аппаратов на внеатмосферном и атмосферном участках полёта.

3.1 Системы координат. Аэродинамические силы и моменты, действующие на спускаемый аппарат в атмосфере.

3.2 Уравнения движения.

3.3 Статистический анализ движения СА на внеатмосферном участке полёта

3.4 Статистический анализ вращательного движения симметричного СА в атмосфере.

3.5 Анализ влияния асимметрии на законы распределения контролируемых характеристик вращательного движения СА.

4 Статистический анализ движения лёгких СА капсул, возвращаемых с помощью тросовой системы.

4.1 Статистический анализ движения лёгких СА на внеатмосферном участке полёта.

4.2 Рассеивание траекторий движения лёгких СА, возвращаемых с помощью орбитальной тросовой системы.

4.3 Статистический анализ движения вокруг центра масс симметричного лёгкого С А.

4.4 Влияние асимметрии на законы распределения контролируемых характеристик движения лёгкого С А относительно центра масс.

5 Автоматизированная информационная система статического анализа движения СА в атмосфере.

5.1 Информационно-логическая модель функционирования системы

5.2 Конструкторско-технологическая часть.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Статистический анализ движения неуправляемых лёгких спускаемых аппаратов»

Актуальность исследования. При освоении космоса возрастает важность доставки на Землю результатов научно-прикладных исследований и экспериментов. В беспилотном варианте основным средством доставки грузов с орбиты остаются неуправляемые спускаемые аппараты (СА). В последнее время начали использоваться лёгкие СА или спускаемые капсулы (СК) для доставки с орбиты небольших полезных грузов (вес менее 15 кг). Примером такого использования может служить эксперимент YES2 (Young Engineers' Satellite), в котором на космическом аппарате (КА) «Фотон МЗ» была реализована новая технология возвращения из космоса полезного груза с помощью тросовой системы (сентябрь 2007 года).

При проектировании и эксплуатации неуправляемых СА, совершающих снижение в атмосфере, необходимо учитывать большую степень неопределённости при расчёте контролируемых характеристик их движения. К основным контролируемым характеристикам движения СА в атмосфере обычно относят угол атаки и модуль угловой скорости в характерных точках траектории спуска, рассеивание точки посадки, измеряемое стандартными отклонениями продольной и боковой дальности полёта, и др. Возникающая неопределённость в значениях контролируемых характеристик движения вызвана, например, неточностью знания внешних условий движения в атмосфере (плотности атмосферы, характеристик ветра и др.), неточностью знания начальных условий движения СА и т. д. Указанные возмущения имеют объективный характер и приводят к тому, что заданные условия движения СА в атмосфере могут быть обеспечены лишь с определённой долей вероятности. Причём влияние случайных возмущений на контролируемые характеристики движения усиливается при малой массе СА.

Несмотря на большое количество работ, связанных с моделированием и анализом движения неуправляемых спускаемых аппаратов в атмосфере, таких авторов, как Ярошевский В. А., Шилов А. А., Дмитриевский А. А., Лысенко Л. Н., Асланов В. С., Заболотнов Ю. М., Тимбай И. А., Любимов В. В. и др., в них рассматриваются только отдельные аспекты статистического анализа движения относительно центра масс. Например, оценивается вероятность зависания спускаемого аппарата донной частью вперёд в направлении набегающего воздушного потока или производится оценка вероятности захвата в устойчивый резонансный режим по начальным условиям движения. Эти частные задачи решаются при неполном наборе возмущений.

Поэтому разработка методов статистического моделирования и анализа движения лёгких СА в атмосфере с учётом достаточно полного набора известных возмущений и выбор на этой основе параметров СА и характеристик их отделения от КА или от тросовой системы (ТС), обеспечивающих заданные условия движения, является актуальной задачей.

Объектом исследования является лёгкий спускаемый аппарат (спускаемая капсула), совершающий снижение в атмосфере Земли.

Предметом исследования является методы и модели, используемые для статистического анализа движения спускаемого аппарата в атмосфере.

Целью работы является разработка статистической математической модели движения СА, методов её анализа и определение на этой основе параметров СА и условий его отделения от КА или от тросовой системы, повышающих безопасность доставки полезного груза на поверхность Земли. Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Разработать математическую модель для статистического расчёта основных контролируемых характеристик движения СА с учётом достаточно полного набора известных возмущений.

2. Оценить законы распределения контролируемых характеристик движения в характерных точках траектории спуска и их эволюцию при изменении параметров СА и условий его отделения от КА или от тросовой системы.

3. Разработать метод оценки значимости возмущений для построенной статистической математической модели движения.

4. Исследовать влияние асимметрии СА на законы распределения контролируемых характеристик для атмосферного участка спуска.

5. Провести сравнительный статистический анализ движения лёгких С А и СА традиционного типа.

6. Исследовать возможность управления законами распределения контролируемых характеристик движения СА с целью повышения безопасности доставки полезного груза на Землю.

7. Разработать универсальную автоматизированную информационную систему статистического, моделирования и анализа неуправляемого движения СА в атмосфере.

Методы исследования. Решение перечисленных задач основано на использовании методов теории вероятностей, случайных процессов и математической статистики, фундаментальных положений механики, математики и численного анализа.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Получены законы распределения контролируемых характеристик движения СА вокруг центра масс в момент входа в плотные слои атмосферы (условная граница атмосферы 110 км) и в характерных точках атмосферного участка спуска.

2. Исследовано влияние на полученные законы распределения параметров СА и условий их отделения от базового КА или от тросовой системы.

3. Проведён сравнительный анализ различных методов оценки значимости возмущений для рассматриваемых контролируемых характеристик при статистическом моделировании движения неуправляемых СА.

4. Проведено статистическое исследование новой схемы спуска на Землю лёгких СА, возвращаемых с орбиты с помощью тросовой системы. Практическая значимость и внедрение результатов. Практическое значение работы состоит в том, что основные результаты статистических исследований движения лёгких СА доведены до конкретных аналитических оценок, выводов и рекомендаций.

Разработанные математическая модель и методы статистического расчёта реализованы в виде комплекса программ и составляют основу автоматизированной информационной системы статистического моделирования и анализа неуправляемого движения СА в атмосфере.

Результаты исследования использованы для независимой оценки альтернативных схем спуска с орбиты лёгкой капсулы при осуществлении эксперимента с тросовой системой, проведённого Европейским космическим агентством совместно с ФГУП ГНПРКЦ «ЦСКБ-Прогресс» (г. Самара). Результаты исследований внедрены в учебный процесс СГАУ. Апробация результатов исследования.

Основные теоретические и практические положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на конференциях и семинарах:

1. Всероссийская конференция молодых учёных и специалистов «Будущее машиностроения России», г. Москва, 2008 г.;

2. Международная конференция «Научные и технологические эксперименты на автоматических космических аппаратах и малых спутниках», г. Самара, 2008 г.;

3. Актуальные проблемы современной науки: 3-й Международный форум (8-я Международная конференция молодых учёных и студентов), г. Самара, 2007 г.;

4. 13-й Всероссийский семинар по управлению движением и навигации летательных аппаратов, г. Самара, 2007 г.;

5. 3-я Всероссийская научная конференция «Математическое моделирование и краевые задачи», г. Самара, 2006 г.;

6. Научно-техническая конференция с международным участием «Перспективные информационные технологии в научных исследованиях, проектировании и обучении (ПИТ-2006)», г. Самара, 2006 г.

Публикации. Результаты исследований опубликованы в 11 печатных работах, в том числе две в журналах, определённых Высшей аттестационной комиссией Министерства образования и науки Российской Федерации. Структура и объём работы.

Работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованных источников и двух приложений. Объём диссертации составляет 175 страниц машинописного текста.

Заключение диссертации по теме «Динамика, баллистика, дистанционное управление движением летательных аппаратов», Никонова, Ирина Анатольевна

выводы:

1. В случае нормального распределения начальных угловых скоростей СА закон распределения пространственного угла атаки на условной границе атмосферы (110 км) близок к распределению Симпсона (треугольное распределение). При увеличении номинальной угловой скорости закрутки СА вокруг своей продольной оси аох0 распределение эволюционирует к распределению Лапласа.

2. Выбирая номинальную ориентацию продольной оси СА при отделении и его номинальную угловую скорость вращения сох(), можно существенно изменять законы распределения угла атаки при входе в атмосферу, в частности, можно обеспечить максимум плотности распределения угла атаки при входе в атмосферу, близкий к нулю.

3. Законы распределения контролируемых характеристик движения СА относительно центра масс в атмосфере для статически и динамически симметричных аппаратов близки к законам распределения Эрланга и Релея. При наличии простых видов асимметрии законы распределения не изменяются.

4. Наибольший вклад в полную дисперсию контролируемых характеристик вращательного движения СА вносят такие факторы, как начальные угловые скорости вращения и начальная ориентация СА в момент отделения.

5. При увеличении уровня сложной асимметрии лёгких С А плотность распределения угла атаки в характерных точках (моменты прохождения максимальных теплового потока и скоростного напора) эволюционирует к двухмодальному закону распределения. При дальнейшем увеличении уровня асимметрий максимумы плотности распределения сближаются, и закон распределения эволюционирует к нормальному закону с математическим ожиданием угла атаки, равным 90 градусам.

6. Схема возвращения СА с помощью тросовой системы даёт возможность обеспечить наиболее благоприятные условия его входа в атмосферу (высота 110 км) с точки зрения распределения угла атаки СА. Чтобы улучшить условия входа в атмосферу, необходимо обеспечить небольшую номинальную закрутку СА вокруг его продольной оси.

7. Для лёгких СА (симметричных и с простой асимметрией) законы распределения контролируемых характеристик движения относительно центра масс остаются прежними (Эрланга, Релея).

8. Влияние асимметрии (при одних и тех же относительных её величинах) на движение лёгких СА по сравнению с классическими СА существенно больше. Поэтому требования по точности изготовления лёгких СА увеличиваются с точки зрения обеспечения заданной формы, статической и динамической балансировки.

Заключение

Таким образом, основные результаты работы следующие:

1. Построена статистическая математическая модель расчёта основных контролируемых характеристик движения СА в атмосфере при наиболее полном учёте случайных возмущений.

2. Проведено статистическое исследование движения СА на внеатмосферном участке для классической схемы спуска с орбиты ИСЗ и получены аналитические законы распределения угла атаки при пересечении условной границы атмосферы (высота 110 км).

3. Проведено статистическое исследование движения симметричных классических и лёгких СА (сфера и тела вращения) на атмосферном участке спуска и показано, что законы распределения основных контролируемых характеристик движения относительно центра масс приближаются известными теоретическими законами распределения (Эрланга, Релея, нормальным).

4. Проведён анализ влияния на законы распределения аэродинамической, статической и динамической асимметрий СА и исследована эволюция законов распределения при изменении их величины.

5. Разработана методика оценки значимости возмущений при статистическом моделировании движения СА, основанная на методе наименьших квадратов.

6. Проведён аналитический статистический анализ движения лёгкого СА, возвращаемого с помощью тросовой системы, на внеатмосферном участке его движения.

7. Исследовано рассеивание точек приземления лёгкого СА, возвращаемого с помощью тросовой системы, и предложен способ оценки допустимой погрешности работы системы управления при выпуске троса.

8. Исследовано влияние ветра на статистические оценки основных контролируемых характеристик движения лёгких СА.

9. Проведён сравнительный статистический анализ движения классических и лёгких СА при их движении в атмосфере.

10. Разработан комплекс программ, реализующих АИС статического моделирования и- анализа неуправляемого движения, С А различных типов и назначения на внеатмосферном и атмосферном участках спуска. По результатам < проведённых исследований можно сделать следующие

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Никонова, Ирина Анатольевна, 2010 год

1. Bennett M.D. Roll resonance probability for ballistic Missiles with random configurational asymmetry // Journal Guidance, Control and Dynamics. 1985. Vol.6. NO 3. pp.222- 224.

2. Franco Bonacina, "Back to the future": countdown to Shuttle return to flight Электронный ресурс., 2005. - Режим доступа: http://www.esa.int/esaHS/SEM16YRMD6Eiss0.html, свободный. - Загл. с экрана.

3. Franco Bonacina, Soyuz ТМА-5 landing with ESA astronaut Roberto Vittori marks completion of European Eneide Mission Электронный ресурс., -2005. Режим доступа: http://www.esa.int/esaHS/SEMQF42IU7EJss0.html, свободный. - Загл. с экрана.

4. History of the Project Электронный ресурс., -Режим доступа: http://www.estec.esa.nl/outreach/spacemail/history/history.htm, свободный. -Загл. с экрана.

5. РИА Новости Электронный ресурс., -. -Режим доступа: http://rian.ru/technology/cosmos/20070925/80860648.html , свободный. -Загл. с экрана.

6. International Space Station Электронный ресурс., 1999. - Режим доступа: http://www.shuttlepresskit.com/ISSOVR/index.htm, свободный. -Загл. с экрана.

7. Metroplois N., Ulam S. The Monte Carlo mehod. J. Amer. statistical assoc., - 1949.-44, №247, p. 335-341.

8. Murphy C.H., Brandley J.W. Nonlinear limit motion of a slighly asymmetric re-entry vehicles // AIAA Journal. July 1975. - Vol. 13. pp.851 -857.

9. Nayfeh A.H., Saric W.S. An analysis of asymmetric rolling bodes with nonlinear aerodynamics // AIAA Journal. 1972. - Vol.10. No.8. pp.1004-1011.

10. Platus D.H. Dispersion of Spinning Missiles Due to Lift Nonaveraging // AIAA Journal.- July 1977. Vol.15, - pp. 909-915.

11. Research in space Электронный ресурс., 2005. - Режим доступа: http://www.esa.int/esaHS/research.html, свободный. -Загл. с экрана.

12. Timbay I.A. Scattering of the Capsule Landing Points // Proceedings of the Russian-European Summer Space School. the Netherlands: European Space Agency, 2004. - pp. 29-43.

13. YES2 Spacemail Электронный ресурс., 2005. - Режим доступа: http://www.yes2.info/, свободный. - Загл. с экрана:

14. Young Engineers' Satellite 2Электронный ресурс., -. Режим доступа: http://en.wikipedia.org/wiki/YES2, свободный. — Загл. с экрана.

15. Zabolotnov Y.M. Movement of Light Re-entry Capsule Around of the Centre of Mass in an Atmosphere. The Netherlands: ESA, 2004.

16. Аржаников H.C., Садекова Г.С. Аэродинамика летательных аппаратов. М.: Высшая школа, 1983. - 359 с.

17. Асланов B.C. Пространственное движение тела при спуске в атмосфере. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2004. - 160 с.

18. Асланов B.C., Тимбай И.А. Переходные режимы углового движения КА на верхнем участке траектории спуска. // Космические исследования. 1997. Т.35. Вып.З. с. 279-286.

19. Белоконов В.М., Заболотнов М.Ю. Оценка вероятности захвата в резонансный режим движения космического аппарата при спуске в атмосферу // Космические исследования. 2002. Т.40. Вып.5. с. 1-12.

20. Белоконов И.В. Статистический анализ динамических систем (анализ движения летательных аппаратов в условиях статистической неопределённости): Учебное пособие. Самара: Самарский государственный аэрокосмический университет, 2001. — 64 с.

21. Бобылев А.В., Ярошевский В.А. Оценка условий захвата в режим резонансного вращения неуправляемого тела при спуске в атмосферу // Космические исследования. 1999. - Т.37. Вып.5.

22. Большая Советская Энциклопедия. Издание 3-е. — М.: Советская энциклопедия, 1970.

23. Бусленко Н. П., трейдер Ю. А. Метод статистических испытаний Монте-Карло и его реализация в цифровых машинах. -М.: Физматгиз, 1961. 226 с.

24. Вентцель Е.С. Теория вероятностей. М.: Наука, 1969. - 576 с.

25. Виленкин С. А. Статистические методы исследования систем автоматического регулирования. М.: Советское радио, 1967. - 200 с.

26. Гайдышев И. Анализ и» обработка данных: Специализированный справочник. СПб: Питер, 2001. - 752 с.

27. Галушкин А. И. и др. Оперативная обработка экспериментальной информации. М.: Энергия, 1972. - 306 с.

28. Гордон B.C. Рассеивание при воздушной стрельбе // Труды ВВИА им. Жуковского, №24, 1938, 63 1-34 с.

29. ГОСТ 20058-80.1981 Динамика летательных аппаратов в атмосфере. Термины, определения и обозначения. - М.: Издательство стандартов, 1981.

30. ГОСТ 24728-81 Ветер. Пространственное и временное распределение характеристик. - М.: Издательство стандартов, 1981. - 88 с.

31. ГОСТ 25645.101-83 Атмосфера Земли верхняя. Модель плотности для проектных баллистических расчётов искусственных спутников Земли. -М.: Издательство стандартов, 1984. - 168 с.

32. ГОСТ Р 25645.166-2004 Атмосфера Земли верхняя. Модель плотности для баллистического обеспечения полётов искусственных спутников Земли. - М.: Издательство стандартов, 2004. - 24 с.

33. Гроп Д. Методы идентификации систем. М.: Мир, 1979. - 302 с.

34. Дмитриевский А. А., Лысенко Л. Н. Прикладные задачи теории оптимального управления движением беспилотных летательных аппаратов. -М.: Машиностроение, 1978. 328 е., ил.

35. Дмитриевский A.A., Лысенко Л.Н., Богодистов С.С. Внешняя баллистика. М.: Машиностроение, 1991. — 640 с.

36. Ермаков С. М. Метод Монте-Карло и смежные вопросы. -М.: Наука, 1973.-471 с.

37. Ермаков С. М., Михайлов Г. А. Курс статистического моделирования. М: Наука, 1982. -296 с.

38. Ермаков С. М., Михайлов Г. А. Статистическое моделирование. -М: Наука, 1976.-320 с.

39. Заболотнов Ю.М. Асимптотический анализ квазилинейных уравнений движения! в атмосфере КА с малой асимметрией I // Космические исследования. 1993. — Т.31. Вып.6. с. 39-50.

40. Заболотнов Ю.М. Методы' моделирования и исследования устойчивости резонансного движения твёрдого тела с малой асимметрией в атмосфере // Диссертация на соискание учёной степени доктора технических наук. Самара, 1995. - 410 с.

41. Иванов Н.М., Мартынов А.И. Движение космических летательных аппаратов в атмосферах планет. -М.: Наука, 1985. 384 с.

42. Иващенко H.H. Автоматическое регулирование. -М.: Машиностроение, 1978. 736 с.

43. Казаков И.Е. Статистическая теория систем управления в пространстве состояний. М.: Наука, 1975. - 342 с.

44. Казаков И.Е. Статистические методы проектирования систем управления. М.: Машиностроение, 1969. - 262 с.

45. Казаков И.Е., Доступов Б.Г. Статистическая динамика нелинейных автоматических систем. М.: Физматгиз, 1962.- 332 с.

46. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике. М.: Наука, 1973 -830 с.

47. Корнеев H.B. Методы прогнозирования и снижения вибрации гибких систем турбоагрегатов. М.: Компания Спутник+, 2007. -157 с.

48. Применение метода интегральных многообразий для построения резонансных кривых в задаче входа КА в атмосферу // Космические исследования. М: 2003, Т. 41, №5. - с. 481^187.

49. Лаборатория «Информационные технологии» Электронный ресурс., . - Режим доступа: http://www.itlab.unn.ru,свободный. — Загл. с экрана.

50. Лебедев А.А, Бобронников В. Т., Красильщиков М. Н., Малышев В.В. Статистическая динамика и оптимизация управления летательных аппаратов. М: Машиностроение, 1985. - 280 с.

51. Лебедев A.A., Красильщиков М. Н., Малышев В.В. Оптимальное управление движением космических летательных аппаратов. -М: Машиностроение, 1974. 199 с.

52. Леоненков A.B. Самоучитель UML. СПб: БХВ - Петербург, 2004. -432 с.

53. Любимов В.В. Вторичные резонансные эффекты и устойчивость при движении твёрдого тела в атмосфере // Самара: СНЦ РАН, 2005. 166 с.

54. Метод стохастических испытаний (Метод Монте-Карло) / Бусленко Н. П., Голенко Д.И., Соболь И. М., Срагович В.Г., Шрейдер Ю. А. -М.: ГИМФЛ, 1962. 322 с.

55. Механика полёта /С. А. Горбатенко, Э.М. Макашов, Ю.Ф. Полушкин и др. М.: Машиностроение, 1969. - 420 с.

56. Основы теории полёта космические аппаратов // Под ред. Г.С.Нариманова. -М.: Машиностроение, 1972. 608 с.

57. Охоцимский Д.Е., Голубев Ю.Ф., Сихарулидзе Ю.Г. Алгоритмы управления космическим аппаратом при входе в атмосферу. М.: Наука, 1975.-400 с.

58. Петкевич В.В. Теоретическая механика. -М.: Наука, 1981. 496 с.

59. Поляк Ю.Г. Вероятностное моделирование на ЭВМ. -М.: Советское радио, 1971. -400 с.

60. Постников А.Г., Чуйко B.C. Внешняя баллистика неуправляемых авиационных ракет и снарядов. М.: Машиностроение, 1985. - 248 с.

61. Пугачев B.C. Общая задача о движении вращающегося артиллерийского снаряда в воздухе стрельбе // Труды ВВИА им. Жуковского, №70, 1940.

62. Соболь И. М. Метод Монте-Карло. М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1985. - 80 с.

63. Соболь И.М. Численные методы Монте-Карло. М.: Наука, 1973. -311 с.

64. Солодовников В.В. Введение в статистическую динамику систем автоматического управления. -М.: ГИТТЛ, 1952.

65. Статистическая динамика управляемого полёта // Лебедев A.A., Бобровников В.Т., Красильщиков М.Н. и др. М.: Машиностроение, 1978. -240 с.

66. Статистический анализ и оптимизация следящих систем /В. Т. Кочетков, Л. А. Майборода, В. М. Пономарёв и др. М.: Машиностроение, 1977.-360 с.

67. Унифицированный процесс разработки программного обеспечения / А. Якобсон, Г. Буч, Дж. Рамбо. СПб: Питер, 2002. - 496 с.

68. ЦСКБ-Прогресс: Ракеты-ностиели Электронный ресурс., 2005. -Режим доступа: http://www.samspace.iti/RN/RN.htm, свободный. — Загл. с экрана.

69. Что такое МКС: как объединяют усилия Электронный ресурс., -2003. Режим доступа: http://infomiacia.ru/kosmos/mks.htm, свободный. -Загл. с экрана.

70. Шалыгин A.C., Палагин Ю.И. Прикладные методы статистического моделирования. Л.: Машиностроение, 1986. — 327 с.

71. Шилов A.A., Васильев А.Ф. Динамическая устойчивость пространственного движения летательных аппаратов на больших углах атаки при некоторых видах инерционно-аэродинамической асимметрии // Труды ЦАГИ. 1971. -Вып. 1345. - 68 с.

72. Шилов A.A., Гоман М.Г. Резонансные режимы пространственного неуправляемого движения аппаратов на участке входа в атмосферу // Труды ЦАГИ. 1975. - Вып. 1624, 44 с.

73. Школьный Е. П., Майборода JI. А. Управление движением летательных аппаратов. СПб.: Гидрометиздат, 1973.

74. Ярошевский В.А. Движение неуправляемого тела в атмосфере. -М.: Машиностроение, 1978. 168 с.