Наводяться окремі результати вирішення проблем управління, що виникли при введенні в експлуатацію РН «Союз-2» з підвищеними габаритами головних обтічників.

Анотація наукової статті з механіки і машинобудування, автор наукової роботи - Андрієнко Анатолій Якович, Тропова Олена Іванівна, Чадаєв Олександр Іванович


Several results are introduced of solving control problems that occurred during putting in service "Sojuz-2" launch vehicle with enlarged nose fairing.


Область наук:
  • Механіка і машинобудування
  • Рік видавництва: 2009
    Журнал: Управління великими системами: збірник праць

    Наукова стаття на тему 'Проблеми управління при виведенні на орбіту великогабаритних вантажів '

    Текст наукової роботи на тему «Проблеми управління при виведенні на орбіту великогабаритних вантажів»

    ?УДК 629.7.017.1 ББК 39.62

    ПРОБЛЕМИ УПРАВЛІННЯ ПРИ виведення на орбіту ВЕЛИКОГАБАРИТНИХ ВАНТАЖІВ

    1 2 3

    Андрієнко А. Я., Тропова Е. І., Чадаєв А. І.

    (Установа Російської академії наук Інститут проблем управління ім. В.А. Трапезникова РАН, Москва)

    Наводяться окремі результати вирішення проблем управління, що виникли при введенні в експлуатацію РН «Союз-2» з підвищеними габаритами головних обтічників.

    Ключові слова: система управління витрачанням палива, великогабаритні головні обтічники, вітрові обурення, уровнемерние помилки вимірювання.

    1. Введення

    Удосконалення космічних ракет-носіїв (РН) проводиться не тільки в частині підвищення їх вантажопідйомності, надійності і екологічності виведення, а й в частині розширення допустимих габаритних розмірів виведених на цільові орбіти корисних навантажень (ПН). При цьому відповідним чином деформується геометрична конфігурація РН - зі збільшенням габаритних розмірів головних обтічників (ГО) для ПН. Конкретно, при модернізації космічних засобів виведення середнього класу типу «Союз» [4] (з переходом від РН «Союз-ФГ» до «Союз-2») максимальний діаметр ГО був збільшений з 3000 мм до 3700 мм (і більше) при збереженні розмірів

    1 Анатолій Якович Андрієнко, завідувач лабораторією, доктор технічних наук, професор (Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.).

    2 Олена Іванівна Тропова, науковий співробітник (тел. (495) 334-88-71).

    3 Олександр Іванович Чадаєв, старший науковий співробітник, кандидат технічних наук (тел. (495) 334-88-71).

    інших частин РН (зокрема, діаметра 2660 мм блоку останнього ступеня).

    Зросла «парусність» головних частин РН доставляє додаткові труднощі в роботі

    1) системи кутовий стабілізації (СВР) польотом РН - в основному на атмосферному ділянці польоту I ступеня;

    2) системи управління витрачанням палива (Сурті) - через посилення породжуваних дією СУС коливань поверхонь рідкого палива в тих рівнемірах Сурті, які сме-щёни щодо осі бака [1].

    У статті представлені результати досліджень, спрямованих переважно на подолання труднощів, що виникли в роботі Сурті модернізованої РН «Союз-2».

    2. Історія питання

    1. Спорадичні перевищення помилками вимірювання неузгодженості рівнів компонентів палива проектно-граничних їх значень в районі максимальних аеродинамічних напорів відзначалися ще на початку 70-х рр. минулого століття при пусках РН «Восток». Подібного ж роду зростання (не більше ніж на ~ 0,5 с) уровнемерних тимчасових помилок вимірювання через дії вітрових збурень на автомат кутовий стабілізації РН проявлялося (не частіше, ніж в 5% пусках) і при експлуатації РН «Блискавка» і « Союз », де воно практично не позначалося на кінцевій точності управління витрачанням палива.

    2. В кінці 2006 року було успішно здійснено три експлуатаційних пуску РН «Союз-2» [5] з оновленими ГО:

    27 жовтня на задану орбіту виведений важкий метеорологічний супутник «метопах-А»;

    24 грудня виведений перший з орбітального угрупування зв'язкових космічних апаратів «Меридіан»;

    27 грудня - французький науковий супутник «Коро».

    У кожному з цих пусків проявився в тій чи іншій мірі ефект зростання уровнемерних помилок Д ^ вимірювання неузгодженості обсягів компонентів палива - зростання, обумовленого дією вітрових збурень на автомат угло-

    виття стабілізації РН. Найбільш помітним цей ефект був в останньому з проведених в 2006 р пусків: «вітрова» складова помилки вимірювання неузгодженості обсягів майже втричі перевищила рівень «штатних» (проектних) помилок вимірювання, а головне, помітно розширився часовий інтервал дії цієї складової помилки, так що майже вдвічі скоротилася тривалість кінцевого інтервалу часу регулювання спорожнення баків щодо вільного від проявів «вітрової» складової уровнемерних помилок (пор. рис. 1 з рис. 2), де 1 - номер чутливого елемента (ч.е.).

    Д ^, з

    1,6

    1,2

    0,8

    0,4

    -0,4 -0,8 -1,2 -1,6

    1 + 1 -блок В ~~ блокД

    /

    \

    / / 1 + 1 > 1 \ 1 1 / К,

    \ Л / / / 1? 4 1 к \

    1 0 1 1 (1 6 \ / 1 1 і! 2 0 2 г 2 2 \ ^ 2 8 3

    \ / \ /

    1 / V

    Мал. 1. Помилки дії уровнемерних ч.е. в бічних блоках В і Дпрі виведенні КА «Коро» 27.12.06 р.

    0

    Тому при пуску РН «Союз-2» з КА «Коро» похибка внутрішньоблокових синхронізації спорожнення баків окислювача і пального одного з бічних блоків РН більш ніж удвічі перевищила допустимий по ТЗ значення.

    Примітка. Подані в статті результати аналізу пусків РН отримані на основі використання методології [2].

    Виявлене зростання помилок вимірювання неузгодженості обсягів компонентів палива однозначно пов'язується з

    впливом бічних перевантажень РН на положення рівня рідини в рівнемірів пального ББ, зміщеному від осі бака (на 300 мм). Ці перевантаження виявляються тим сильніше, чим більше розміри ГО.

    з

    1,6

    1,2 0,8 0,4 0,0 -0,4 -0,8 -1,2 -1,6

    | 1-блок Б блок Г ~

    Г <1 |А

    \ А .- V А \ Л »

    \ 0 'Г48! ? Г "\ 1 У2 2 2 4 2 6 2 \ 8 ^

    1

    Мал. 2. Помилки дії уровнемерних ч.е. в бічних блоках Б і Г при виведенні КА «метопах» 27.10.06 р.

    3. Постановка завдання

    Виявлене за результатами пусків РН «Союз-2» в 2006р. суттєве зростання похибок дії рівнемірів Сурті не позначилося на кінцевих результатах виведення КА - в силу наявного резерву в вантажопідйомності РН. Але слід мати на увазі, що:

    1) вже в наступному пуску - при виведенні вироби 14Ф137 - такого резерву не буде,

    2) в перспективі спільної (з французьким концерном) експлуатації РН «Союз-2» [3] необхідно забезпечити додаткове підвищення надійності виведення КА (при пусках з космодрому Гвианского космічного центру (ГКЦ) в Куру).

    Відповідно до положень 1) і 2) формується двох-етапна постановка наступного завдання.

    1. В екстреному порядку скорегувати параметричне забезпечення (ПО) роботи Сурті з тим, щоб гарантувати виконання вимог по точності синхронізації спорожнення баків окислювача і пального бічних блоків РН «Союз-2» в екстремальних умовах прояву «вітрової» складової уровнемерних помилок.

    2. До початку запусків РН «Союз-2» з космодрому ГКЦ в Куру скорегувати програмно-математичне забезпечення (ПМО) роботи Сурті з тим, щоб в тих же екстремальних умовах проявів уровнемерних помилок істотно знизити, в забезпечення надійності роботи рідинних ракетних двигунів, відхилення (від номіналу) співвідношення витрат компонентів палива.

    4. Рішення завдання

    Етап 1. Представлені головною організацією-розробником РН «Союз-2» дані про граничні значення тієї складової уровнемерних помилок вимірювання обсягів пального ББ, що обумовлена ​​дією вітрових збурень на автомат кутовий стабілізації РН «Союз-2», наведені в графічному вигляді на рис. 3. Кінцеве вплив вітрових збурень на похибки дії рівнемірів окислювача ББ, розташованих строго по поздовжніх осях баків ББ, виявилося дуже незначним.

    Отримані з урахуванням цих даних результати статистичного моделювання роботи Сурті з програмно-математичним і параметричних забезпеченнями, які використовувались під час пуску РН «Союз-2» в 2006 р, представлені на рис. 4 у вигляді графіка, виділеного жирною лінією. З цього графіка випливає, що в пусках РН «Союз-2», що проводяться без доробок ПМО або ПО Сурті (або доробок автомата кутовий стабілізації вироби), цілком можливі дворазові пре-

    c

    1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0 -0,2

    -0,4 -0,6

    поле розкиду

    ши

    13 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31

    Мал. 3. Уровнемерние помилки вимірювання обсягів пального ББ, що виникають при відпрацюванні системою стабілізації РН «Союз-2» максимальних вітрових збурень

    2,8 2,6 2,4 2,2 2 1,8 1,6 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0

    -при роботі Сурті РН "Союз-2" -ожідаемье після коригування параметрів Сурті РН "Союз-2" - - при роботі прототипної Собіса

    -

    \

    \ \

    |

    \ |

    ч г *

    % \ / \ \

    N

    - | | • * 1 Ч >

    \ /

    - 4 ч

    1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32

    Мал. 4. Статистично граничні значення істинних неузгодженостей обсягів компонентів палива в ББ

    з

    РН «Союз-2» при максимальних вітрових збурень

    щення істинними кінцевими неузгодженості обсягів компонентів палива ББ допустимого по ТЗ значення. Втім, прототипна система (з абревіатурою Собіса) РН «Блискавка» і «Союз» в тих же умовах пуску і при такому ж дії автомата кутовий стабілізації «спрацювала» б не краще (див. Графік на рис. 4, виділений пунктирною лінією).

    Різниця ж між Сурті і Собіса полягає в тому, що «вдосконалення» параметрів Собіса стосовно до екстремальних умов дії вітрових збурень на виріб не може привести до скільки-небудь помітного поліпшення точностних характеристик внутрішньоблокові регулювання спорожнення баків, а «вдосконалення» параметрів Сурті -Може: статистично граничне значення кінцевого неузгодженості обсягів компонентів палива ББ на РН «Союз-2» при скоригованому за результатами моделювання ПЗ не перевищує 0,29 с (допуск 0,3 с по ТЗ), але відхилення (від номіналу) співвідношення об'ємних витрат компонентів палива ББ при цьому можуть перевищити допустиме значення (7,0%) на "1,0%. У реальному ж пуску РН «Союз-2» (зі скоригованими ПО) при виведенні вироби 14Ф137, яке відбулося 26.07.08 р, кінцеві неузгодженості обсягів компонентів палива ББ не перевищили 0,06 с, а відхилення співвідношення витрат компонентів палива від номіналу К ^ у не виходили за рамки допустимих значень.

    Етап 2. Доцільність вдосконалення алгоритмів дії Сурті бічних блоків РН «Союз-2» обумовлюється невизначеністю знань про величину і тривалості дії «вітрових» складових уровнемерних неузгодженостей обсягів компонентів палива як при запусках з вітчизняних космодромів, так і особливо для планованих пусків з космодрому ГКЦ в Куру, і, отже, негарантованих-стю повного відбивання цих складових за рахунок тільки вибору параметрів Сурті ББ.

    Звичайно, можна було б виробляти на борту РН формування оцінок збурень, що діють в польоті (з «очищені-

    ням »їх від помилок вимірювання на основі калмановської фільтрації). Однак це призвело б до різкого зростання (приблизно на два порядки) обсягу обчислень, виконуваних на борту для потреб Сурті ББ.

    Тому з метою мінімізації змін до вже відпрацьованих бортових алгоритмах Сурті РН «Союз-2» пропонується додатково до основного керуючому сигналу Сурті Кі (7 = 1, 2, ..., 32 - номер чутливого елемента рівнеміра ББ; 1 = 2, 3, 4, 5) для кожного 1-го ББ обчислювати коригувальну поправку ДдКі (7 = 1, 2, ..., 32; 1 = 2, 3, 4, 5). На рис. 1 і

    Мал. 2 були представлені приклади помилок уровнемерного вимірювання в ББ. Неважко помітити, що вплив бічний перевантаження призводить в баках пального опозитно розташованих ББ до появи протилежних за знаком помилок вимірювання. Дана обставина дозволяє по моментам спрацьовування ч.е. в баках пального оппозітних ББ формувати тимчасовий неузгодженість Д1тЛ1 (7 = 1, 2, ..., 32; 1 = 2, 3, 4, 5) цих спрацьовувань і відповідно коригувальну поправку ДЖ71.

    Формування ж нового уставочного для відпрацювання системою РСК значення коефіцієнта співвідношення об'ємних витрат компонентів палива Кі (7 = 1, 2, ..., 32; 1 = 2, 3, 4, 5) передбачається проводити за таким алгоритмом: (1) Ки: = Кі + КУ Д5Кі, / = 1,2, ..., 32,

    0, при 1 = 1 або 7 = 1,

    А * (ВБ ДГ. І - Д {р (1 -1) 1), при 1 = 2,3, ..., 5 і 7 > 1, де Дг.г2 = 4 -? М, 2) / 2, Дг.й = (^ 5 "^ в) / 2, 4 = (^ 2 - ^ 4) / 2, 4.75 = Сг.й - 'г.г5) / 2; А * 7 - коефіцієнт посилення коригуючого контуру; ВБ7 коефіцієнт «прицілювання» основного алгоритму Сурті ББ.

    Основну складність в реалізації запропонованого підходу до вдосконалення алгоритмів дії Сурті ББ доставляє вибір програми зміни коефіцієнта А * 7. Справа в тому що

    (2) ДК .

    координата (1 = 2, 3, 4, 5) залежить не тільки від поперечних

    перевантажень, що діють на виріб в польоті I ступені, але і від основних (традиційних) збурень, що діють на Сурті бічних блоків (помилки настройки двигунів, витратомірів, заправки баків та ін.). На рис. 5 і рис. 6 у вигляді графіків представлені результати статистичного моделювання роботи Сурті ББ при вибраних параметрах коригуючого контуру. З цих графіків, які свідчать про можливість різкого (півтораразового) зниження відхилень (від номіналу) співвідношення витрат компонентів палива (з 8,0% до 5,2%) при високоточної (з похибкою 0,27 с) синхронізації спорожнення баків, слід обнадійливий висновок по перспективам підтримки надійності майбутньої експлуатації РН «Союз-2».

    з

    -2,8

    Мал. 5. Статистично граничні значення істинних неузгодженостей обсягів компонентів палива в ББРН «Союз-2» при дії вітрових збурень і внутрішньоблокові регулювання спорожнення баків з використанням коректує поправки (2)

    Мал. 6. Статистично граничні значення відносного відхилення (від номіналу) об'ємного співвідношення витрат компонентів палива в ББРН «Союз-2» при дії вітрових збурень і внутрішньоблокові регулювання спорожнення баків з використанням коректує поправки (2)

    %

    5. Заключне зауваження

    У статті викладені лише кінцеві результати пошуку вирішення проблем управління, породжуваних зростанням парусності РН. Можливості інших рішень тих же проблем, що доставляються засобами [1], виявилися або надмірно складними в реалізації, або малоефективними.

    Як приклад одного з відкинутих рішень другого типу можна навести варіант регулювання спорожнення баків з заміною (на інтервалі часу дії підвищених бічних перевантажень) уровнемерних даних про обсяг пального на поточні витратомірного їх оцінки: при цілком задовільною термінальній точності регулювання спорожнення баків відхилення (від номіналу) співвідношення витрат компонентів палива помітно вийшли (див. рис. 7) за рамки допустимих значень.

    %

    Мал. 7. Статистично граничні значення відносного відхилення (від номіналу) об'ємного співвідношення витрат компонентів палива в ББРН «Союз-2» при дії вітрових збурень і внутрішньоблокові регулювання спорожнення баків з заміною (на інтервалі 12< 7 <25) уровнемерних даних про обсяг пального на поточні витратомірного їх оцінки

    література

    1. АНДРІЄНКО А. Я., ІВАНОВ В. П. Удосконалення енергетичних характеристик рідинних ракет засобами автоматичного управління. I, II // Проблеми управління. - 2009. - №№1, 2. - С. 66-71.

    2. АНДРІЄНКО А. Я., Тропова Е. І., чада А. І. Досвід вдосконалення методології аналізу роботи бортових систем управління ракет-носіїв при їх льотної експлуатації // Зб. праць міжнародної конференції «Проблеми управління безпекою складних систем» МКПУ-1У. - 2009. - С. 1811-1821.

    3. АФАНАСЬЄВ І. Підписано контракт на запуск перших «Союзів» з ГКЦ // Новини космонавтики. - 2007. - №8 (295). Том 17. - С. 50-51.

    4. КОЗЛОВ Д. І. Основні напрями модернізації космічний-

    чеських засобів виведення середнього класу типу ракети-носія «Союз» // Космонавтика і ракетобудування. - 1999. - №15. - С. 42-48. 5. ПАВЕЛЬЦЕВ П. «Космос-2441», російський «Кейхоул»? // Новини космонавтики. - 2008. - №9 (308). Том 18. - С. 3436.

    CONTROL PROBLEMS AT LAUNCHING TO ORBIT OF LARGE-SIZED PAYLOAD

    Anatolii Andrienko, Institute of Control Sciences of RAS, Moscow, Laboratory Head, Doctor of Science, professor (Moscow, Prof-soyuznaya st., 65, (495) 334-88-71, Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.). Elena Tropova, Institute of Control Sciences of RAS, Moscow, researcher, (495) 334-88-71.

    Alexander Chadaev, Institute of Control Sciences of RAS, Moscow, Cand. Sc., Senior scientific worker, (495) 334-88-71.

    Abstract: Several results are introduced of solving control problems that occurred during putting in service "Sojuz-2" launch vehicle with enlarged nose fairing.

    Keywords: propellant-consumption control system, large-sized nose fairing, wind disturbance, level gauges errors.

    Стаття представлена ​​до публікації членом редакційної колегії В Г. Заскановим


    Ключові слова: СИСТЕМА УПРАВЛІННЯ використанню палива / ВЕЛИКОГАБАРИТНІ головного обтічника / ВІТРОВІ Обурені / УРОВНЕМЕРНИЕ ПОМИЛКИ ВИМІРУ / PROPELLANT-CONSUMPTION CONTROL SYSTEM / LARGE-SIZED NOSE FAIRING / WIND DISTURBANCE / LEVEL GAUGES ERRORS

    Завантажити оригінал статті:

    Завантажити