Содержание
Введение.......................................................... 4
1 Проблема исследования неуправляемого движения сегментальноконических тел и методы ее решения............................ 11
1.1 Типы КА, предназначенных для спуска в атмосфере............... 11
1.2 Особенности сегментально-конических тел....................... 16
1.3 Методы усреднения нелинейной механики и резонансы............. 19
1.3.1 Метод Волосова.............................................. 20
1.3.2 Резонансы................................................... 23
1.4 Метод Ныотона для определения аэродинамических характеристик сегментально-конического тела................................. 26
1.5 Методы хаотической динамики................................... 31
1.5.1 Динамический хаос........................................... 32
1.5.2 Метод Мельникова............................................ 33
1.5.3 Отображения Пуанкаре........................................ 42
2 Движение тел сегментально-конической формы в атмосфере.......... 49
2.1 Вывод уравнений возмущенного движения......................... 49
2.1.1 Системы координат и матрицы перехода........................ 49
2.1.2 Силы и моменты, действующие на твердое тело в атмосфере 52
1 2.1.3 Уравнения движения центра масс............................... 59
2.1.4 Уравнения движения относительно центра масс................. 62
2.2 Решение уравнений невозмущенного движения..................... 72
2.3 Усредненная система уравнений................................. 77
3 Анализ возмущенного движения. Резонансы......................... 86
3.1 Критерий устойчивости областей движения....................... 86
3.2 Расчетная процедура........................................... 91
3.3 Результаты численного моделирования........................... 94
4 Хаотический анализ движения асимметричного сегментальноконического тела............................................. 106
2
4.1 Использование метода Мельникова................................. 106
4.2 Хаотический анализ возмущенного движение асимметричного
сегментально-конического тела при спуске в атмосфере.............. 111
5 Способы устранения резонанса.................................... 116
5.1 Устранение резонанса с помощью изменения формы тела........... 116
5.2 Устранение резонанса с помощью выбора начальных условий движения............................................................ 125
5.3 Устранение резонанса с помощью демпфирования.................. 127
Заключение.......................................................... 133
Список использованных источников.................................... 134
Приложение А. Вычисление аэродинамических коэффициентов тел... 141
3
Введение
Неуправляемые аппараты и капсулы являются надежным средством доставки груза с орбит на поверхность планет. Для посадки в разреженной и слабоизученной атмосфере, например, Марса или Титана широко применяются затупленные сегментально-конические аппараты[1-9]. Такая форма обеспечивает эффективное торможение при неуправляемом спуске в разреженной атмосфере. Сегментально-коническую конфигурацию имели все аппараты, используемые в программах освоения планет Солнечной системы (Марса, Венеры, Титана) [1-10J. Космический аппарат (КА) “Союз” и разрабатываемый в настоящее время европейский КА “Automated Transfer Vehicle - Evolution” также имеют сегментально-коническую форму [11]. Такой выбор обусловлен простотой конструкции и присущим ей ненулевым аэродинамическим качеством [12]. Наличие подъемной силы при движении в атмосфере позволяет осуществлять спуск по пологим траекториям, которые обеспечивают эффективное торможение при сравнительно небольших перегрузках. Хотя в штатном режиме работы эти КА подразумевают управляемый спуск, при различных аварийных ситуациях они вполне допускают посадку в неуправляемом режиме.
Сегментально-конические тела обладают важной особенностью аэродинамической природы - наличием трех балансировочных положений равновесия по углу атаки а, два из которых (а = 0 и а = 7г) устойчивы. Существование устойчивого положения равновесия в области больших углов атаки может привести к тому, что под действующих возмущений колебания перейдут из окрестности точки а - 0 в окрестность точки а = л. Б этом случае КА будет двигаться тыльной стороной вперед, что сделает невозможным применение парашютных систем, а также может привести к нарушению теплового режима, поскольку тыльная сторона не имеет теплозащитного покрытия [11].
4
Проблеме исследования неуправляемого движения тела в атмосфере в научной литературе уделяется большое внимание ввиду ее практической важности. Наибольший интерес при этом представляет изучение движения относительно центра масс, которое описывается системой нелинейных дифференциальных уравнений с переменными коэффициентами. Найти приближённые аналитические решения этих уравнений возможно только при использовании тех или иных допущений. Основополагающие результаты исследований в этой области приведены в монографиях: Г. С. Бюшгенса и Р. В. Студнева [13]; Ф. Р. Гантмахсра и Л.М. Левина [14]; А. А. Дмитриевского, Л. Н. Лысенко и С. С. Богодистова [15]; А. В. Кострова [16]; Г.Е. Кузмака [17]; В. А. Ярошевского [18]; Асланова B.C. [19]. Полученные в этих работах приближённые аналитические решения справедливы при одном из следующих допущений: либо о малости пространственного угла атаки, либо о малости отношений поперечных угловых скоростей к продольной угловой скорости, либо о квазистатическом характере изменения параметров, определяющих движение тела вокруг центра масс. Сегментально-конические тела имеют по углу атаки два устойчивых положения равновесия и могут совершать колебания с большой амплитудой. В связи с этим, широко используемый в подобных задачах метод линеаризации неприменим и задачу требуется рассматривать в нелинейной постановке. В монографии B.C. Асланова [19] довольно подробно в нелинейной постановке изучено движение тела, зависимость коэффициента восстанавливающего момента которого близка к синусоидальной, а также намечены пути исследования движения тела с бигармонической моментной характеристикой.
При разработке неуправляемых спускаемых аппаратов, как правило, стремятся обеспечить динамическую симметрию и придать им внешнюю осесимметричную форму. При этом на практике обычно возникает малая асимметрия, которая приводит к тому, что колебательное движение оси симметрии тела относительно набегающего потока и вращательное движение тела вокруг оси симметрии становятся взаимозависимыми. Если частоты
указанных движений относятся как целые простые числа, то возникает резонанс. Резонансы, сохраняющиеся в течение достаточно большого промежутка времени, могут привести к значительным возмущениям параметров траектории спуска в атмосфере: увеличению амплитуды колебаний угла атаки, росту перегрузки, раскрутки аппарата вокруг его продольной оси и другим нежелательным последствиям. Исследованию поведения систем при резонансе посвящены работы В. И. Арнольда, Ы. Н. Боголюбова, Ю.А. Митропольского, В.Ф. Журавлёва, Д.М. Климова, H.H. Моисеева, М.М. Ханаева, Ф. JI. Черноусько, В. А. Ярошсвского и других авторов. Теория нелинейного резонанса позволяет получить аналитический критерий возникновения нерегулярного движения. Этот критерий впервые был введен Б. Чириковым [20, 21]. Более полное изложение резонансной теории содержится в монографии [22].
Резонансы сопровождаются скачкообразным изменением амплитуды колебаний и связанны с переходом системы из одной области в другую. Попадание в ту или иную область движения при этом определяется текущей фазой угла атаки, которая зависит от начальных условий, и носит вероятностный характер [23]*. Единичное численное интегрирование полной системы уравнений возмущенного движения не дает достоверных результатов, поскольку не позволяет получить представление о всех возможных вариантах движения системы [24]‘.
Актуальность настоящей работы обусловлена широким применением сегментально-конических аппаратов для решения задач безопасной доставки полезной нагрузки с орбиты на поверхность планет и определяется наличием неизученных в достаточной мере особенностей движения КА данного класса при спуске в атмосфере.
Целью работы является разработка математических моделей, описывающих движение осесимметричных и асимметричных сегментально-
- работы автора
6
конических тел в атмосфере, исследование с их помощью резонансных режимов движения сегментально-конических тел при спуске в атмосфере и поиск способов устранения резонансов.
К основным методам исследования, используемым в настоящей работе, относятся общие методы классической механики, методы усреднения, методы хаотической динамики и метод Ыыотона для получения аэродинамических характеристик тел.
Научная новизна работы состоит в следующем.
1. Построена усредненная математическая модель, описывающая возмущенное пространственное движение осесимметричного сегментально-конического тела в атмосфере.
2. Получен критерий устойчивости областей движения осесимметричного сегментально-конического тела при резонансе.
3. Найдено приближенное аналитическое условие, определяющее начальную угловую скорость, обеспечивающую отсутствие резонанса при спуске осесимметричного сегментально-конического тела в атмосфере.
4. Получен критерий, определяемый геометрическими параметрами осесимметричного сегментально-конического тела, и позволяющий оценивать возможность возникновения резонанса при спуске в атмосфере.
5. Разработана методика оценки влияния резонансов на поведение сегментально-конического тела с малой асимметрией при спуске в атмосфере и поиска необходимого для устранения резонансов демпфирования.
Практическая ценность работы заключается, во-первых, в возможности
использования полученной математической модели для исследования
неуправляемого движения сегментально-конического КЛ при спуске в разреженной атмосфере. Во-вторых, найденные аналитические критерии позволяют оценить подверженность КА резонансам на ранних стадиях его проектирования. В-третьих, найденные критерии дают возможность
7
выполнить синтез начальных условий и геометрических параметров КА, исключающих появление резонансов.
Апробация результатов, полученных в настоящей диссертации, осуществлялась на различных научных конференциях: 51-ой научной конференции «Современные проблемы фундаментальных наук» Московского физико-технического института (Длгопрудный, 2008г.); XXVIII конференции молодых ученых механико-математического факультета МГУ (Москва, 2006 г.); международной молодежной научной конференции XII Туполевские чтения. (Казань. 2004 г.); Всероссийской молодежной научной конференции VIT Королевские чтения (Самара, 2003 г.); X Всероссийском научно-техническом семинаре по управлению движением и навигации летательных аппаратов (Самара, 2002 г.)
Математические модели были использованы при разработке программного комплекса моделирования движения КА в рамках договора с ГНП РКЦ «ЦСКБ-Прогресс»: “Разработка программного комплекса анализа пространственного движения неуправляемых спускаемых аппаратов с 3-D визуализацией результатов. Разработка пакета прикладных программ численного моделирования динамики и отображения аппаратов относительно центра масс на атмосферном участке”.
Результаты исследований вошли в научно-технические отчеты по проект)'' Российского фонда фундаментальных исследований №06-01-00355-а "Возмущенное движение систем твердых тел постоянного и переменного состава", а также были внедрены в учебный процесс кафедры теоретической механики Самарского государственног о аэрокосмического университета.
Результаты исследований опубликованы в 11 печатных работах, из них 5 в ведущих рецензируемых журналах и изданиях, определенных высшей аттестационной комиссией: «Космические исследования», Общероссийский научно-технический журнал "Полет", Известия Самарского научного центра РАИ, «Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета им. С.П. Королева», Aerospace Science and Technology [23-33]*.
В первой главе дан обзор современного состояния рассматриваемой проблемы. Указаны космические программы последнего десятилетия, в которых использовались КА сегментально-конической формы. Рассмотрены различные методы и подходы, применяемые при изучении неуправляемого движения тела в атмосфере.
Во второй главе приведен вывод уравнений возмущенного движения тела при спуске в атмосфере. Для случая невозмущенного движения осесимметричного тела дано аналитическое решение, с помощью которого построена приближенная усредненная система дифференциальных уравнений, не содержащая быстрых переменных. Достоинством этой системы является определенность в выборе рассчитываемой области, где продолжится движение, при наступлении резонанса.
В третьей главе проведен анализ возмущенного движения тела при спуске в атмосфере. Вводится новый критерий, позволяющий судить об устойчивости областей движения при наступлении резонанса. На основании этого критерия и усредненной системы, полученной в предыдущей главе, строится расчетная процедура, позволяющая получить все возможные варианты движения системы. С помощью разработанной процедуры проведено численное моделирование неуправляемого спуска гипотетического КА в атмосфере Марса.
В четвертой главе рассматривается динамика асимметричного тела при спуске в атмосфере. Особенностью таких тел является возможность возникновения нелинейных резонансов в процессе спуска. Для анализа движения тела предлагается использовать новый, не применявшийся к данной задаче ранее, хаотический подход. Полученная во второй главе система дифференциальных уравнений рассматривается в при фиксации всех медленных переменных, и для такого фиксированного состояния записывается критерий Мельникова, позволяющий судить о наличие хаотических режимов движения. Показано, что система наиболее
9
подвержена хаосу в окрестности точки на траектории спуска, имеющей максимальный скоростной напор.
В пятой главе предлагаются различные способы устранения резонансных режимов движения тела. Для осесимметричного сегментально-конического тела получен аналитический критерий, зависящий от его геометрических параметров, и позволяющий судить о принципиальной возможности возникновения резонанса. На основании этого критерия даны рекомендации по выбору формы тела. Помимо этого изучено влияние начальных условий на возможность появления резонанса. В аналитическом виде найдена приближенная зависимость, определяющая достаточную для устранения резонанса начальную угловую скорость движения тела. Для асимметричного тела с определено демпфирование, достаточное для устранения хаотических режимов движения на всей траектории спуска.
Построенные математические модели и критерии позволяют проводить анализ неуправляемого движения затупленного сегментально-конического тела при спуске в атмосфере с учетом возможных резонансных режимов движения.
10
1 Проблема исследования неуправляемого движения сегментально-конических тел и методы ее решения
В главе дан обзор проблемы исследования неуправляемого движения сегментально-конических тел в атмосфере. На примере ряда космических программ последнего десятилетия показано, что указанная конфигурация стала классической формой КА, предназначенных для спуска в атмосфере. Движение КА вокруг его центра масс носит нестационарный характер, и возможность его моделирования на этапе подготовки программы во многом определяет ее успешность. В главе сформулированы задачи настоящего исследования. Рассмотрены основные методы, применяемые при изучении движения тел в атмосфере, в частности, методы усреднения, методы хаотической динамики и метод Ныотона для получения приближенных аэродинамических характеристик.
1.1 Типы КА, предназначенных для спуска в атмосфере
Космические аппараты, предназначенные для спуска в атмосфере планет, можно разделить на две группы: управляемые и неуправляемые. Неуправляемый спуск широко используется в современной космонавтике. В частности, в таком режиме осуществляются: доставка с орбиты на Землю результатов технологических экспериментов и оперативной информации о поверхности планеты; аварийный спуск управляемых спускаемых аппаратов; спуск отработанных ступеней ракетоносителей и их фрагментов; спуск аппаратов на поверхность планет с атмосферой (Венера, Марс, Титан). Большинство современных КА оснащено системой управления, которая позволяет скорректировать траекторию и уменьшить разброс возможных точек посадки. Первые спускаемые аппараты (спускаемые модули кораблей-спутников, КА «Восток» и «Восход») имели сферическую форму, и их спуск
И
проходил по баллистической траектории. Особенностью сферической конструкции является отсутствие аэродинамического качества [12].
При баллистическом спуске КА в атмосфере действующие на него перегрузки могут достигать довольно больших значений. Их величина зависит от скорости и угла входа в атмосферу. Наименьшие перегрузки наблюдаются при малых углах входа. Для уменьшения перегрузок необходимо осуществлять спуск не по баллистической, а по пологой траектории, получить которую можно, используя КА с ненулевым аэродинамическим качеством. Примером таких аппаратов служат затупленные сегментально-конические аппараты в форме фары (Союз). Аэродинамическое качество таких аппаратов может достигать значения 0,35. Затупленная сегментально-коническая форма также позволяет обеспечить эффективное торможение в разряженных слоях атмосферы, поэтому КА такой конфигурации широко применяются при доставке грузов на поверхность планет с разреженной атмосферой. Приведем краткий обзор программ последнего десятилетия, где применялись КА сегментальноконической формы.
В 1998 году NASA приступило к реализации программы Mars Surveyor 2001 (MSP’01) [1], в рамках которой на орбиту Марса были доставлены орбитальный (Mars Odyssey) и спускаемый (MSP Lander [2]) аппараты. Mars Odyssey должен был исследовать поверхность планеты и передавать полученные данные на MSP Lander (рис.
1.1), который бы на месте проверял их правильность. Эта схема была унаследована от связки Mars Climate Orbiter - Mars Polar Lander (MPI.) (рис. 1.2), запуск которых был произведен в 1999 году. К сожалению, спускаемые аппараты MSP и MPL были потеряны в процессе спуска. Эти неудачи
12
Рисунок 1.1 -Mars Surveyor 2001 Lander
- Київ+380960830922