Разработка комплексной методики определения динамических параметров жесткой посадки спускаемого аппарата на поверхность планеты

Определение актуальности поставленной задачи.

В настоящее время, одним из перспективных направлений решения задач практической космонавтики является использование автоматических межпланетных станций (АМС) с применением малых спускаемых аппаратов (СА) для посадки на поверхность планеты назначения. Во многих случаях, жесткие требования к массовым и геометрическим характеристикам для таких аппаратов делают невозможным использование различных парашютных и других тормозных систем. Это приводит к случаю «жесткой» посадки на поверхность планеты. При встрече СА с поверхностью планеты с атмосферой малой плотности (например, Марса) даже при применении парашютной системы, скорость подхода СА к поверхности достигает десятков метров в секунду. Это также приводит практически к «жёсткой» посадке.

Неоднородность грунтовых пород, неровность рельефа поверхности, наличие возмущающих факторов внешней среды, таких как ветер, являются источниками дополнительных возмущающих сил и моментов, действующих на СА в момент посадки. Перечисленные факторы усложняют процесс посадки, сопровождаемый возникновением больших перегрузок, которые могут превышать допустимые для СА значения.

Проектирование СА, совершающих посадку в таких условиях, невозможно без решения задачи моделирования параметров динамики посадки СА на поверхность планеты с априори малоизвестными параметрами грунта и наличием возмущающих факторов внешней среды.

Изложенное дает основание считать, что исследования, направленные на изучение динамики жесткой посадки на поверхность планеты, являются весьма актуальными и имеют важное теоретическое и прикладное значение, а тема диссертации, в которой разрабатывается методика и исследуется динамика движения СА в момент контакта с поверхностью при жесткой посадке, является актуальной.

Научная цель работы.

Цель работы заключается вповышении надежности посадки СА на поверхность планеты с малоизвестными характеристиками грунта и действии возмущающих факторов внешней среды.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующую совокупность задач:

— разработать математическую модель пространственного движения СА при посадке на поверхность планеты;

— разработать математическую модель силового воздействия грунта и других возмущающих факторов при жесткой посадке СА на поверхность планеты;

— создать и отладить программное обеспечение для математических моделей, позволяющее проводить исследования динамики жесткой посадки СА;

— провести численное моделирование динамики жесткой посадки СА на поверхность планеты и выполнить анализ результатов;

— провести экспериментальное моделирование процесса посадки для оценки работоспособности предлагаемой методики расчета параметров динамики жесткой посадки.

Методы исследования.

Решение поставленных задач осуществлялось с использованием методов теоретической механики, баллистики, высшей математики, методов математического моделирования и программирования.

Научная новизна.

Новизна полученных результатов диссертационной работы заключается:

— в разработке комплексной методики исследования динамики посадки С, А на поверхность планеты, включающей декомпозицию задачи на подзадачи анализа динамики пространственного движения СА в грунте и моделирования силового нагружения конструкции при воздействии на неё грунта;

— в разработке математической модели пространственного движения СА в процессе посадки на поверхность планеты, при обеспечении многократного решения дифференциальных уравнений в частных производных за приемлемое время;

— в разработке математической модели силового воздействия грунта при жесткой посадке СА на поверхность планеты, реализующей разработанную вычислительную схему решения поставленной задачи и позволяющей определять параметры движения СА в грунте;

— в получении с помощью разработанной методики результатов исследования динамики жесткой посадки СА на поверхность планеты с учетом характеристик видов грунта и действии различных возмущающих факторов.

Достоверность полученных научных положений, результатов и выводов, приведенных в диссертации, обосновывается и подтверждается:

— применением строгих математических методов, базирующихся на фундаментальных, классических законах механики, использованием точных моделей движения;

— совпадением отдельных результатов расчетов с данными расчетов других авторов;

— соответствием результатов расчетов, приведенных в диссертации, с результатами экспериментальных исследований.

Практическая значимость диссертационной работы.

Практическое значение работы состоит в возможности применения разработанной методики при проведении исследовательских работ по обоснованию возможности создания перспективных С А, предназначенных для жесткой посадки на поверхность планет Солнечной системы и их спутников.

Разработанное программное обеспечение универсально. С его помощью возможно проводить расчеты по динамике посадки СА различного конструктивного исполнения: корпус СА и подвижный контейнер могут быть представлены набором различных поверхностей (сфера, конус, тор, цилиндр и т. д.). Внедрение результатов работы.

Частично материалы диссертации использованы при формировании математической модели посадки на поверхность Земли возвращаемого аппарата по программе «Фобос-Грунт» в НПО им. С. А. Лавочкина.

Полученные в диссертационной работе методика, результаты исследований и программы, использованы в учебном процессе МГТУ им. Н. Э. Баумана.

Защищаемые положения.

На защиту выносятся следующие положения и результаты, полученные в диссертационной работе:

— методика исследования динамики посадки СА;

— математическая модель пространственного движения СА при посадке на поверхность Земли;

— математическая модель силового воздействия грунта при жесткой посадке СА;

— компьютерная реализация математических моделей;

— результаты исследований динамики посадки СА на поверхность планеты.

Апробация основных результатов работы.

Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на:

— ХЬ, ХЫ, ХЫ1, ХЫП, ХЫУ, ХЬУ Научных чтениях памяти К. Э. Циолковского — научное творчество К. Э. Циолковского и современное развитие его идей (г. Калуга, 2005 — 2010 г.);

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 9 научных работ: в 3 статьях, опубликованных в изданиях, включенных в список рекомендуемых ВАК РФ, и 6 тезисах докладов.

Структура и объём диссертации.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и выводов, списка литературы и приложений, содержащих листинги разработанных программ. Объем диссертации 167 страниц. Работа включает в себя 113 рисунков и 23 таблицы.

Список литературы

содержит 103 наименования.

Выводы и заключение.

На основании выполненного диссертационного исследования, носящего квалификационный характер, представляется возможным заключить, что на его основе решена актуальная научно-техническая задача разработки комплексной методики определения динамических параметров жесткой посадки СА на поверхность планеты.

По результатам выполненной работы могут быть сделаны следующие выводы:

1. Сформулирована задача исследования динамики движения СА и разработана методика исследования динамики посадки, позволяющая получить совместное решение задачи динамики пространственного движения СА и оценки силового нагружения конструкции при воздействии на неё грунта.

2. Разработана обладающая элементами новизны математическая модель пространственного движения СА в процессе посадки на поверхность планеты при обеспечении многократного решения дифференциальных уравнений в частных производных за приемлемое время.

3. Разработана математическая модель силового воздействия грунта при жесткой посадке СА на поверхность планеты, реализующая разработанную вычислительную схему решения поставленной задачи, позволяющей определять параметры движения СА в грунте.

4. С помощью разработанной математической модели пространственного движения и силового воздействия грунта, разработанного программного обеспечения для создания необходимой виртуальной среды моделирования, получены результаты численного решения задачи исследования движения спускаемого аппарата при жесткой посадке на поверхность планеты.

5. Полученные результаты моделирования показали наиболее опасные схемы, условия и режимы посадки СА на поверхность планеты.

6. Проведенные экспериментальные исследования динамики подхода СА к поверхности Земли показали хорошее совпадение величин максимальных перегрузок, испытываемых СА, с их значениями, полученными моделированием по разработанной методике.

7. Применение методики и программно-алгоритмического обеспечения на этапе проведения научно-исследовательских работ и на начальных этапах проектирования СА позволяет повысить надежность посадки СА на поверхность планеты с малоизвестными характеристиками грунта и наличии возмущающих факторов внешней среды.