САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

АЭРОКОСМИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

имени академика С.П. Королева

основные задачи и методы проведения экспериментальной отработки КОСМИЧЕСКИХ аппаратов

Самара 2009

САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

АЭРОКОСМИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

имени академика С. П. Королева

ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ И МЕТОДЫ ПРОВЕДЕНИЯ

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ ОТРАБОТКИ

КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ

Методические указания к лабораторной работе

Самара 2009

Составитель Е. И. Давыдов

УДК 629.7.02

Основные задачи и методы проведения экспериментальной отработки космических аппаратов: Метод. указания к лаб. работе / Самар. гос. аэрокосм. ун-т; Сост. Е.И. Давыдов. Самара, 2009, 24с.

Изложены современные методы и способы экспериментальной отработки летательных аппаратов. Определены требования к методам и средствам испытаний и измерений. Подробно освящены вопросы натурной и летной отработки комплекса летательных аппаратов.

Методические указания рекомендуются для студентов по специальностям 130600,130700 при выполнении лабораторных по оборудованию летательных аппаратов. Подготовлены на кафедре летательных аппаратов.

Печатаются по решению редакционно-издательского совета Самарского государственного аэрокосмического университета им. академика С. П. Королева.

Рецензент доц. В. Д. Закаблуковский.

Цель данной работы - ознакомить студентов с современными методами экспериментальной комплексной наземной и летной отработки космических аппаратов (КА). Изучение этих методов позволяет овладеть принципами проектирования этапов экспериментальной отработки, оценки оптимальности этих этапов, подготовки, организации и проведения комплексных наземных и летных испытаний основных систем КА в целом и в комплексе с наземным оборудованием, анализа результатов этих испытаний и получения опытных летно-технических характеристик .

Материал в значительной мере базируется на опыте отечественной и зарубежной техники, а также на изучении теоретических разработок и исследований, обеспечивающих высокие темпы развития отрасли.

1. Общая постановка экспериментальной отработки ка

Экспериментальная наземная и летная отработка является необходимой частью проектирования и создания КА. Связанные с ней научно-исследовательские и поисковые инженерные работы составляют значительную долю всех работ по созданию КА в силу специфических особенностей новой техники. По оценке ряда специалистов, на экспериментальные работы приходится до 90 % от общих расходов по этой отрасли.

Полет любого КА обеспечивается большим количеством наземных средств, которые играют важную роль на каждом этапе полета. Примером одного из наиболее сложных комплексов является комплекс космического аппарата (КА).

В комплекс входят:

- многоступенчатая ракета для запуска на орбиту КА;

- КА (спутник, космический корабль, космическая станция);

- сооружения и устройства для окончательной сборки, предстартовой проверки и пуска.

Пусковая установка и стартовое оборудование ракеты и КА называются стартовым комплексом. Если требуется управление полетом КА, наземные устройства объединяются в комплекс обеспечения полета, его часто называют командно-измерительным комплексом (КИК). Ракета-носитель, КА, стартовый комплекс и комплекс обеспечения полета (КИК) вместе составляют космическую систему или ракетно-космический комплекс (РКК). Очевидно, что между указанными частями большой

системы и внутри них существуют многочисленные и разнообразные закономерные конструктивные взаимосвязи. Из этих составляющих только КА обычно проектируется для выполнения вполне определенных заданий, остальные системы более универсальны и рассчитаны на выполнение целого ряда задач, причем для выполнения каждой задачи они специально модифицируются.

Ввиду сложности и новизны комплексов, составляющих современный КА, в настоящее время нельзя провести точные теоретические расчеты динамических процессов и надежности функционирования комплекса системы. Причина этого - неполное знание действительных режимов работы системы в натуральных условиях (высокого вакуума, резких перепадов температур, вибрационных и ударных воздействий), а также весьма сложные сочетания взаимодействий (взаимовлияния) систем, в особенности при переходных нестационарных режимах пуска изделия, выключения ДУ, а также включение и выключение остальных систем. Поэтому необходимо знать не только отдельные системы, но и их взаимодействие. Даже если определенная система сама по себе целесообразна, от нее придется отказаться, если в сочетании с другими системами она ухудшает общие характеристики аппарата.

Обычными типами взаимодействия являются механические, электрические, электромагнитные и взаимодействия “человек-машина”. Механические взаимодействия происходят в том случае, когда отдельные системы или элементы соединены друг с другом механической связью или упругой средой, когда они генерируют или передают механические или акустические колебания, взаимосоприкасаются. Наиболее сложные взаимодействия проявляются при нестационарных случайных процессах, вибрационных и ударных нагрузках, связанных с изменением режимов полета. Лучший способ изучения механических взаимодействий - создание натурных стендов.

В сложных системах не исключается вероятность того, что электрическая энергия, предназначенная для питания одного элемента, может быть ошибочно подведена к другому элементу, особенно при наличии разъемных блоков и штекеров кабельной сети. Обычно в практических условиях электрические системы изолируют друг от друга. Однако надежную изоляцию не всегда легко осуществить, поэтому схемы электросистем нужно тщательно исследовать, чтобы выявить случайные паразитные токи, нарушение изоляции с замыканием на корпус и с другой системой, а также те элементы, которые при незначительных изменениях параметров цепи могут выйти из строя. Существует также связь между оборудованием для генерирования или преобразования электрической энергии и разного рода электрическими нагрузками. Очевидно, что это оборудование и нагрузки должны быть совместимыми. Возможно также,

что два разных потребителя не могут подключаться к одной и той же электрической шине. При проектировании и отработке электрических систем ценную помощь оказывает создание электромоделирующих стендов.

Космический аппарат, ракета-носитель, наземное испытательно - пусковое оборудование и КИК обычно снаряжены электронным оборудованием различных типов. Вследствие этого возможно возникновение сложных индуктивных электромагнитных волновых связей при совместной работе радиотехнических, навигационных, измерительных и других систем. Выбор правильной конструкции и рабочих частот, изоляция и экранирование электронного оборудования позволяют уменьшить индуктивные и электронные взаимовлияния. Чтобы уменьшить до приемлемого уровня взаимовлияние отдельных электрических устройств, смонтированных на КА, необходим большой объем испытаний и исследований. Создание специальных моделирующих стендов и макетов на ранней стадии разработки КА позволяет решать возникающие задачи и вносить необходимые изменения заблаговременно.

Взаимодействие между космонавтом и космическим аппаратом часто называют взаимодействием “человек-машина”. К этому же типу взаимодействия могут быть отнесены действия операторов, обеспечивающих управление КА с помощью наземных устройств КИКа.

Необходимо проверить правильность проектирования компоновки отсека для экипажа с участием требований эргономики и инженерной психологии, а также оптимального распределения функций между экипажем и автоматикой. И в этом случае вопросы взаимодействия лучше всего решать путем изготовления макета на ранней стадии проектирования и отработки.

Физические явления, которые приходится анализировать при создании комплексов КА, настолько сложны, что они не могут быть полностью изучены при теоретическом рассмотрении. Однако следует отметить большое значение теоретических работ в получении необходимых сведений для организации экспериментальных исследований, а также для интерпретации их результатов.

Увеличение стоимости и сложности вновь создаваемых комплексов КА требует оптимизации методов экспериментальной отработки. Основные ее принципы сводятся к повышению роли и объема всех видов наземных испытаний; к созданию уникального дорогостоящего оборудования, позволяющего с достаточным приближением имитировать летные режимы в условиях наземных испытаний; к повышению ресурсов и надежности всех элементов комплекса и к повышению гарантийной надежности перед началом проведения летно-конструкторских испытаний (ЛКИ). До последнего времени основная экспериментальная отработка КА происходит при ЛКИ, причем на отработку и доводку КА затрачивалось

не менее 20-50 пусков; надежность КА перед выходом на ЛКИ была не более 50%.

Испытать какой-либо объект - это значит поставить его в такие условия, при которых обнаруживаются его реальные особенности.

Испытания могут служить разным целям.

На начальном этапе в результате испытаний узнают, реализуема ли эта или иная схема, совместимы ли и могут ли использоваться в комплексе отработанные автономные системы, подсистемы, агрегаты, элементы.

В дальнейшем возникает вопрос о том, какой вариант схемы является оптимальным в смысле эффективности, надежности, стоимости, поведения при различных возмущениях и т.д.

Далее начинается этап испытаний различных качеств, цель которого - проверка системы (комплекса) на выполнение определенных требований по эффективности и надежности.

Все многочисленные характеристики КА могут быть обобщенно сгруппированы следующим образом: энергетика, точность, надежность. Задача анализа результатов испытаний - получение достоверных значений этих основных характеристик аппарата.

Энергетические характеристики определяются суммарным импульсом энергетических (силовых) установок Э = Э (J_ДУ), необходимым для выполнения основной задачи аппарата - сообщения выбранному полезному грузу заданной скорости движения: Э = Э (m_к, V_к). Величина задаваемой скорости связана с назначением аппарата:

- с обеспечением дальности полета для баллистических аппаратов;

с получением первой, второй или третьей космической скорости для выводимого на орбиту спутника или космического корабля;

- с обеспечением величины суммарного импульса, необходимой космическому объекту для ориентации, коррекций, торможения, разгона и т.п.

Величина (масса) полезного груза также связана с назначением аппарата и является основным проектным параметром КА:

Э = Э (m_к, V_к, J_ДУ).

Точность движения аппарата в основном определяется точностью выведения его к концу активного участка на баллистический, орбитальный участок траектории либо точностью выведения в коридор входа при посадке на планету - получением точного значения вектора скорости и координат.

Для космических КА, точность выведения должна быть исключительно высокой. Так, в ряде случаев при малейшем ее нарушении настолько искажается участок свободного полета аппарата, что никакие реально возможные

последующие коррекции траектории не смогут обеспечить выполнение основной задачи.

Таким образом, характеристики точности

Т = Т (V, R)

или

T = T (V_x, V_y, V_z, X, Y, Z).

Рассмотрим несколько примеров.

Для орбиты спутника Земли при высоте апогея 800 км и высоте перигея 250 км погрешность по углу скорости в конце участка выведения, равная 1 град, приводит к понижению перигея на 25 км, что вызывает сокращение времени существования спутника в два раза. При расчете орбиты, гарантирующей безопасность, т.е. обеспечивающей время естественного снижения корабля при отказе тормозных устройств, не должно быть ошибок в сторону завышения перигея, так как ресурсы систем обеспечения жизнедеятельности космонавта будут исчерпаны до осуществления аэродинамического торможения, входа в плотные слои атмосферы и приземления.

Для гиперболической орбиты, по которой происходило движение второй советской космической ракеты, погрешность в скорости, равная 1 м/с, приводит к отклонению точки встречи с Луной от расчетной на 250 км. Отклонение вектора скорости от его расчетного направления на одну угловую минуту вызывает смещение точки встречи на 200 км.

При полете к Марсу по эллиптической орбите погрешность по скорости в конце участка выведения, равная 1 м/с, вызывает отклонение орбиты космического аппарата вблизи Марса порядка 30 тыс. км. Для современного космического аппарата, запускаемого к Марсу, зона прицеливания в конце полета на дальность 462 млн. км представляют собой квадрат 700 х 700 км, угловая ошибка 350 км / 462 млн. км = 0,76  ^. 10^-6 (для сравнения: погрешность прицеливания снайпера - 0,05 м / 50 м = 1,0 ^. 10^-3).

Получить удовлетворительные характеристики надежности КА, имеющего большое количество напряженных силовых установок, сложных механических агрегатов и механизмов, автоматически действующих элементов (например, комплекс “Сатурн”- “Аполлон” - более миллиона узлов), чрезвычайно важно, но очень сложно.

Надежность спроектированного и изготовленного комплекса современного КА и его отдельных систем на ранних этапах экспериментальной отработки очень невелика. Чем сложнее современный комплекс КА, предназначенный для выполнения более сложных задач, тем большую роль будут играть его экспериментальная отработка, методы организации испытаний и анализа их результатов.

К пилотируемым КА предъявляются крайне жесткие требования по обеспечению надежности. Так, например, при достаточно высокой вероятности выполнения задачи полета и успеха эксплуатации (порядка 0,950,96) вероятность безопасности экипажа, т.е. возвращения экипажа на Землю, должна быть не менее 0,999. Это требование охватывает все случаи аварий, кроме встреч с метеоритами, радиации и ошибок экипажа. Столь высокая надежность не может быть проверена статистически.

Требования высокой надежности в условиях выполнения сложных задач при малом количестве используемых образцов не могут быть удовлетворены с применением только вероятностных методов. Поэтому в программу надежности вводится ряд качественных показателей, и вся система определения надежности является сочетанием количественных, в том числе вероятностных, и качественных методов.

Всюду, где это возможно, для увеличения вероятности безопасности и выполнения задачи полета применено резервирование. Все системы, за исключением корпуса, тепловой защиты и некоторых частей главного двигателя, резервируются. Выработанные правила требуют прекращения экспедиции при таком положении, когда еще один отказ в критическом узле может привести к гибели экипажа. Поэтому функциональные элементы всех систем должны иметь двойное резервирование для безопасности экипажа и тройное, если полет должен продолжаться после одного отказа.

Так как большинство отказов не критичны по времени, принят метод контроля экипажем бортовых индикаторов и контроля наземными станциями телеметрических данных для обнаружения отказов и определения корректирующих действий.

Для повышения гарантий безопасности экипажа на активном участке полета создана специальная система аварийного спасения (САС) экипажа в случае аварии ракеты-носителя.

Поскольку подтвердить статистически величину надежности космического аппарата невозможно, программа испытаний составляется так, чтобы заменить “статистическую достоверность” “инженерной достоверностью”. Программа испытаний строится исходя из убеждения, что успехи космических исследований позволили определить внешние условия, в которых будет проходить полет КА, и поэтому наземные испытания с имитацией условий внешней среды могут установить пригодность КА и его систем для выполнения поставленной задачи. В этом случае отказы при летных испытаниях могут произойти вследствие непредусмотренного сочетания внешних условий (чего не должно быть) или отказа отдельных устройств. Строгость и полнота программы

наземных испытаний является поэтому основным фактором предупреждения отказов в полете.

Основное положение программы испытаний - необходимость анализа любого отказа на любом уровне испытаний, определение его причины и внесение соответствующих изменений в конструкцию или в эксплуатационную документацию.

Перейдем к определению требований к методам и средствам испытаний и измерений.

Обеспечение надежной работы комплекса КА может быть достигнуто путем экспериментальной отработки при наземных и летных испытаниях.

Программа наземных испытаний комплекса обычно делится на два основных этапа:

1) испытания исследовательские, конструкторско-отработочные, доводочные;

2) испытания контрольно-технологические, приемочные.

На первом этапе макет опытного образца, опытный и промышленный образцы подвергаются испытаниям для определения возможности создания конструкции, испытаниям по проверке работоспособности конструкции и испытаниям на соответствие конструкции техническим условиям - квалификационным испытаниям. Целью этого этапа является обеспечение способности разрабатываемой конструкции выполнять требуемые функции в течение заданного времени в возможном диапазоне внешних условий при наземной подготовке и в полете.

Цель этапа контрольно-технологических (приемочных) испытаний - проверка серийных изделий, соответствующих по конструкции изделиям, прошедшим квалификационные испытания, на отсутствие производительных дефектов. Программа этих испытаний включает в себя функциональные испытания и испытание отдельных изделий перед их монтажом на воздействие эксплуатационных условий, а также комплексные испытания систем и подсистем после монтажа.

Последней серией испытаний являются предстартовые проверки, за которыми следуют собственно летные испытания.

Таким образом, исследовательские, доводочные (квалификационные) испытания, контрольно-технологические (приемочные) испытания и полет являются тремя основными обКАстями, в которых элементы и системы комплекса КА подвергаются проверкам на воздействие внешних условий.

Значение каждого этапа испытаний можно ощутить на примере экспериментальной отработки КК “Аполлон”: 67,5% всех конструктивных недостатков было обнаружено при исследовательских (квалификационных) испытаниях; 30% недостатков выявили контрольно - технологические

(приемочные) испытания; всего 2,5 % недостатков выявили предстартовые и летные испытания. Кроме того, квалификационные испытания выявили

45,3 % производственных дефектов, контрольно-технологические - 53,7 %, а предстартовые и летные испытания - 1%.

Усложнение комплексов КА наложило новые, жесткие, но прогрессивные требования на информационно-измерительную систему.

Во-первых, возрос потребный объем информации. Так, например, МБР типа “Юпитер” имели объем информации порядка 100 параметров, РКК типа “Восход”, “Восток” - на порядок больше (~ 1000 параметров) и, наконец, мощные ракеты-носители типа “Сатурн” с КК “Аполлон” - еще на порядок больше.

Во-вторых, изменились методы использования и обработки информации как при проведении предстартовых испытаний, так и в полете. Например, при предстартовых испытаниях перестали использоваться отдельные измерительные системы, входящие в испытательные пульты. В этих операциях используется единая измерительно-информационная система. Различного рода испытательные пульты заменены счетно-вычислительными машинами, как наземными, так и бортовыми, и все проверки алгоритмизируются и программируются, а программы вводятся в ЭВМ.

В-третьих, существенно возрос радиус действия информационно-измерительных и командных систем по управлению КК, когда большой комплекс операций выполняется в районе Луны, Марса, Венеры и в других пунктах солнечной системы.

Рассмотрим методы, применяемые при анализе хода и результатов измерений.

Анализ результатов испытаний КА может быть подчинен одной из двух задач:

- определение состояния аппарата в ходе выполнения полета и прогнозирование его характеристик для принятия оптимальных решений по выполнению полной задачи пуска или прекращению полета - решение типа “Да” - “Нет” для целей управления полетом;

- получение наиболее полных характеристик КА по результатам закончившихся испытаний.

Обычно эти задачи бывают разделены только временно: после выполнения первой задачи обязательно приходится решать вторую.

Конечным результатом анализа должно быть определение опытных характеристик КА путем математической обработки полученной информации. Так, находят математическое ожидание (среднее), дисперсию, доверительные интервалы, общую точность, выделяют истинные значения путем фильтрации зашумленных сигналов, производят пересчет косвенных функций по прямым измерениям, сравнивают опытные и расчетные (проектные) данные и т.д.

Однако в реальных условиях, особенно при первых пусках КА, ситуации могут быть достаточно сложными. Например, возможны случаи

потери информации, либо полной с какого-то момента времени, либо частичной. Возможны также случаи выхода из строя узлов, агрегатов, систем и, наконец, аварийная ситуация в полете, когда анализ результатов испытаний особенно необходим, так как он позволяет обнаружить критические ситуации, для выявления которых, по существу, и ставятся испытания.

При таком усложненном ходе испытаний используют аппараты теории исследований операций, технической диагностики, прогнозирования и других методов системного анализа больших систем для поиска оптимальной стратегии выявления первопричины аварии и разработки рекомендаций по улучшению выявленной критичной системы.

Экспериментальная натурная и летная отработка комплекса КА является необходимой завершающей частью работ по проектированию и созданию КА.

Основные ее положения формируются:

- для определения наиболее оптимальных методов постановки экспериментальной летной отработки КА, требований к средствам испытаний и измерений, обеспечивающим проведение ЛИ, методов планирования и организации проведения летных испытаний КА;

- для создания оптимальных методов определения достаточно надежных опытных характеристик комплекса КА и основных его систем путем математической обработки информации, зарегистрированной в результате летных испытаний;

- для разработки методов и средств управления полетом беспилотных и пилотируемых КА.