CC BY
36
УДК 629.7.017.1 ББК 39.62
ПРОБЛЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ПРИ ВЫВЕДЕНИИ НА ОРБИТУ КРУПНОГАБАРИТНЫХ ГРУЗОВ
1 2 3
Андриенко А. Я. , Тропова Е. И. , Чадаев А. И.
(Учреждение Российской академии наук Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова РАН, Москва)
Приводятся отдельные результаты решения проблем управления, возникших при введении в эксплуатацию РН «Союз-2» с повышенными габаритами головных обтекателей.
Ключевые слова: система управления расходованием топлива, крупногабаритные головные обтекатели, ветровые возмущения, уровнемерные ошибки измерения.
1. Введение
Совершенствование космических ракет-носителей (РН) проводится не только в части повышения их грузоподъёмности, надёжности и экологичности выведения, но и в части расширения допустимых габаритных размеров выводимых на целевые орбиты полезных нагрузок (ПН). При этом соответствующим образом деформируется геометрическая конфигурация РН - с увеличением габаритных размеров головных обтекателей (ГО) для ПН. Конкретно, при модернизации космических средств выведения среднего класса типа «Союз» [4] (с переходом от РН «Союз-ФГ» к «Союз-2») максимальный диаметр ГО был увеличен с 3000 мм до 3700 мм (и более) при сохранении размеров
1 Анатолий Яковлевич Андриенко, заведующий лабораторией, доктор технических наук, профессор (vladguc@ipu.rssi.ru).
2 Елена Ивановна Тропова, научный сотрудник (тел. (495) 334-88-71).
3 Александр Иванович Чадаев, старший научный сотрудник, кандидат технических наук (тел. (495) 334-88-71).
других частей РН (в частности, диаметра 2660 мм блока последней ступени).
Возросшая «парусность» головных частей РН доставляет дополнительные трудности в работе
1) системы угловой стабилизации (СУС) полётом РН - в основном на атмосферном участке полёта I ступени;
2) системы управления расходованием топлива (СУРТ) - из-за усиления порождаемых действием СУС колебаний поверхностей жидкого топлива в тех уровнемерах СУРТ, которые сме-щёны относительно оси бака [1].
В статье представлены результаты исследований, направленных преимущественно на преодоление трудностей, возникших в работе СУРТ модернизированной РН «Союз-2».
2. История вопроса
1. Спорадические превышения ошибками измерения рассогласования уровней компонентов топлива проектно-предельных их значений в районе максимальных аэродинамических напоров отмечались ещё в начале 70-х гг. прошлого века при пусках РН «Восток». Подобного же рода возрастание (не более чем на ~0,5 с) уровнемерных временных ошибок измерения из-за действия ветровых возмущений на автомат угловой стабилизации РН проявлялось (не чаще, чем в 5% пусках) и при эксплуатации РН «Молния» и «Союз», где оно практически не сказывалось на конечной точности управления расходованием топлива.
2. В конце 2006 г. были успешно осуществлены три эксплуатационных пуска РН «Союз-2» [5] с обновлёнными ГО:
27 октября на заданную орбиту выведен тяжёлый метеорологический спутник «Метоп-А»;
24 декабря выведен первый из орбитальной группировки связных космических аппаратов «Меридиан»;
27 декабря - французский научный спутник «Коро».
В каждом из этих пусков проявился в той или иной мере эффект возрастания уровнемерных ошибок Д^ измерения рассогласования объёмов компонентов топлива - возрастания, обусловленного действием ветровых возмущений на автомат угло-
вой стабилизации РН. Наиболее заметным этот эффект был в последнем из проведённых в 2006 г. пусков: «ветровая» составляющая ошибки измерения рассогласования объёмов почти втрое превысила уровень «штатных» (проектных) ошибок измерения, а главное, заметно расширился временной интервал действия этой составляющей ошибки, так что почти вдвое сократилась длительность конечного интервала времени регулирования опорожнения баков относительно свободного от проявлений «ветровой» составляющей уровнемерных ошибок (ср. рис. 1 с рис. 2), где 1 - номер чувствительного элемента (ч.э.).
Д^, с
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 и ! 2 0 2 г 2 2 \ ^ 2 8 3
\ / \ /
1/ V
Рис. 1. Ошибки действия уровнемерных ч.э. в боковых блоках В и Дпри выведении КА «Коро» 27.12.06 г.
0
Поэтому при пуске РН «Союз-2» с КА «Коро» погрешность внутриблочной синхронизации опорожнения баков окислителя и горючего одного из боковых блоков РН более чем вдвое превысила допустимое по ТЗ значение.
Примечание. Представляемые в статье результаты анализа пусков РН получены на основе использования методологии [2].
Выявленное возрастание ошибок измерения рассогласования объёмов компонентов топлива однозначно связывается с
влиянием боковых перегрузок РН на положение уровня жидкости в уровнемере горючего ББ, смещённом от оси бака (на 300 мм). Эти перегрузки оказываются тем сильнее, чем больше размеры ГО.
с
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
Рис. 2. Ошибки действия уровнемерных ч.э. в боковых блоках Б и Г при выведении КА «Метоп» 27.10.06 г.
3. Постановка задачи
Выявленное по результатам пусков РН «Союз-2» в 2006г. существенное возрастание погрешностей действия уровнемеров СУРТ не сказалось на конечных результатах выведения КА - в силу располагаемого резерва в грузоподъёмности РН. Но следует иметь в виду, что:
1) уже в последующем пуске - при выведении изделия 14Ф137 - такого резерва не будет;
2) в перспективе совместной (с французским концерном) эксплуатации РН «Союз-2» [3] необходимо обеспечить дополнительное повышение надёжности выведения КА (при пусках с космодрома Гвианского космического центра (ГКЦ) в Куру).
В соответствии с положениями 1) и 2) формируется двух-этапная постановка следующей задачи.
1. В экстренном порядке скорректировать параметрическое обеспечение (ПО) работы СУРТ с тем, чтобы гарантировать выполнение требований по точности синхронизации опорожнения баков окислителя и горючего боковых блоков РН «Союз-2» в экстремальных условиях проявления «ветровой» составляющей уровнемерных ошибок.
2. К началу запусков РН «Союз-2» с космодрома ГКЦ в Куру скорректировать программно-математическое обеспечение (ПМО) работы СУРТ с тем, чтобы в тех же экстремальных условиях проявлений уровнемерных ошибок существенно снизить, в обеспечение надёжности работы жидкостных ракетных двигателей, отклонения (от номинала) соотношения расходов компонентов топлива.
4. Решение задачи
Этап 1. Представленные головной организацией-разработчиком РН «Союз-2» данные о предельных значениях той составляющей уровнемерных ошибок измерения объёмов горючего ББ, что обусловлена действием ветровых возмущений на автомат угловой стабилизации РН «Союз-2», приведены в графическом виде на рис. 3. Конечное влияние ветровых возмущений на погрешности действия уровнемеров окислителя ББ, расположенных строго по продольным осям баков ББ, оказалось пренебрежимо малым.
Полученные с учетом этих данных результаты статистического моделирования работы СУРТ с программно-математическим и параметрическим обеспечениями, использовавшимися при пуске РН «Союз-2» в 2006 г., представлены на рис. 4 в виде графика, выделенного жирной линией. Из этого графика следует, что в пусках РН «Союз-2», проводимых без доработок ПМО или ПО СУРТ (либо доработок автомата угловой стабилизации изделия), вполне возможны двукратные пре-
c
1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0 -0,2
-0,4 -0,6
поле разброса
ши
13 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31
Рис. 3. Уровнемерные ошибки измерения объёмов горючего ББ, возникающие при отработке системой стабилизации РН «Союз-2» максимальных ветровых возмущений
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 работе СУРТ РН "Союз-2 " -ожидаемье после корректировки параметров СУРТ РН "Союз-2" - - при работе прототипной СОБИС
-
\
\ \
■
\ ■
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
Рис. 4. Статистически предельные значения истинных рассогласований объёмов компонентов топлива в ББ
с
РН «Союз-2» при максимальных ветровых возмущениях
вышения истинными конечными рассогласованиями объемов компонентов топлива ББ допустимого по ТЗ значения. Впрочем, прототипная система (с аббревиатурой СОБИС) РН «Молния» и «Союз» в тех же условиях пуска и при таком же действии автомата угловой стабилизации «сработала» бы не лучше (см. график на рис. 4, выделенный пунктирной линией).
Разница же между СУРТ и СОБИС состоит в том, что «совершенствование» параметров СОБИС применительно к экстремальным условиям действия ветровых возмущений на изделие не может привести к сколько-нибудь заметному улучшению точностных характеристик внутриблочного регулирования опорожнения баков, а «совершенствование» параметров СУРТ -может: статистически предельное значение конечного рассогласования объёмов компонентов топлива ББ на РН «Союз-2» при скорректированном по результатам моделирования ПО не превышает 0,29 с (допуск 0,3 с по ТЗ), но отклонения (от номинала ) соотношения объёмных расходов компонентов топлива ББ при этом могут превысить допустимое значение (7,0%) на »1,0%. В реальном же пуске РН «Союз-2» (со скорректированным ПО) при выведении изделия 14Ф137, состоявшемся 26.07.08 г., конечные рассогласования объёмов компонентов топлива ББ не превысили 0,06 с, а отклонения соотношения расходов компонентов топлива от номинала К^у не выходили за рамки допустимых значений.
Этап 2. Целесообразность совершенствования алгоритмов действия СУРТ боковых блоков РН «Союз-2» обуславливается неопределенностью знаний о величине и длительности действия «ветровых» составляющих уровнемерных рассогласований объёмов компонентов топлива как при запусках с отечественных космодромов, так и особенно для планируемых пусков с космодрома ГКЦ в Куру, и, следовательно, негарантированно-стью полного парирования этих составляющих за счет только выбора параметров СУРТ ББ.
Конечно, можно было бы производить на борту РН формирование оценок возмущений, действующих в полете (с «очище-
нием» их от ошибок измерения на основе калмановской фильтрации). Однако это привело бы к резкому возрастанию (примерно на два порядка) объёма вычислений, выполняемых на борту для нужд СУРТ ББ.
Поэтому с целью минимизации изменений в уже отработанных бортовых алгоритмах СУРТ РН «Союз-2» предлагается дополнительно к основному управляющему сигналу СУРТ Ки (7 = 1, 2, ..., 32 - номер чувствительного элемента уровнемера ББ; 1 = 2, 3, 4, 5) для каждого 1-го ББ вычислять корректирующую поправку ДдКи (7 = 1, 2, ..., 32; 1 = 2, 3, 4, 5). На рис. 1 и
рис. 2 были представлены примеры ошибок уровнемерного измерения в ББ. Нетрудно заметить, что влияние боковой перегрузки приводит в баках горючего оппозитно расположенных ББ к появлению противоположных по знаку ошибок измерения. Данное обстоятельство позволяет по моментам срабатывания ч.э. в баках горючего оппозитных ББ формировать временное рассогласование Д1тЛ1 (7 = 1, 2, ..., 32; 1 = 2, 3, 4, 5) этих срабатываний и соответственно корректирующую поправку ДЖ71.
Формирование же нового уставочного для отработки системой РСК значения коэффициента соотношения объёмных расходов компонентов топлива Ки (7 = 1, 2, ..., 32; 1 = 2, 3, 4, 5) предполагается производить по следующему алгоритму: (1) Ки : = Ки + КУ Д5Ки , / = 1,2,...,32,
0, при 1 = 1 или 7 = 1,
А*(ВБ Дг. и - Д{г.(1 -1)1) , при 1 = 2,3,...,5 и 7 > 1, где Дг.г2 = 4 - ?г.,2)/2 , Дг.й = (^5 " ^в)/2 , 4 = (^2 - ^4)/2 , 4.75 = Сг.й - 'г.г5)/2 ; А*7 - коэффициент усиления корректирующего контура; ВБ7 -коэффициент «прицеливания» основного алгоритма СУРТ ББ.
Основную трудность в реализации предложенного подхода к совершенствованию алгоритмов действия СУРТ ББ доставляет выбор программы изменения коэффициента А*7 . Дело в том, что
(2) ДК .
координата (1 = 2, 3, 4, 5) зависит не только от поперечных
перегрузок, действующих на изделие в полете I ступени, но и от основных (традиционных) возмущений, действующих на СУРТ боковых блоков (ошибки настройки двигателей, расходомеров, заправки баков и др.). На рис. 5 и рис. 6 в виде графиков представлены результаты статистического моделирования работы СУРТ ББ при выбранных параметрах корректирующего контура. Из этих графиков, свидетельствующих о возможности резкого (полуторакратного) снижения отклонений (от номинала) соотношения расходов компонентов топлива (с 8,0% до 5,2%) при высокоточной (с погрешностью 0,27 с) синхронизации опорожнения баков, следует обнадёживающий вывод по перспективам поддержания надёжности предстоящей эксплуатации РН «Союз-2».
с
-2,8
Рис. 5. Статистически предельные значения истинных рассогласований объёмов компонентов топлива в ББРН «Союз-2» при действии ветровых возмущений и внутриблочном регулировании опорожнения баков с использованием корректирующей поправки (2)
Рис. 6. Статистически предельные значения относительного отклонения (от номинала) объёмного соотношения расходов компонентов топлива в ББРН «Союз-2» при действии ветровых возмущений и внутриблочном регулировании опорожнения баков с использованием корректирующей поправки (2)
%
5. Заключительное замечание
В статье изложены только конечные результаты поиска решения проблем управления, порождаемых возрастанием парусности РН. Возможности других решений тех же проблем, доставляемые средствами [1], оказались либо чрезмерно сложными в реализации, либо малоэффективными.
В качестве примера одного из отвергнутых решений второго типа можно привести вариант регулирования опорожнения баков с заменой (на интервале времени действия повышенных боковых перегрузок) уровнемерных данных об объёме горючего на текущие расходомерные их оценки: при вполне удовлетворительной терминальной точности регулирования опорожнения баков отклонения (от номинала) соотношения расходов компонентов топлива заметно вышли (см. рис. 7) за рамки допустимых значений.
%
Рис. 7. Статистически предельные значения относительного отклонения (от номинала) объёмного соотношения расходов компонентов топлива в ББРН «Союз-2» при действии ветровых возмущений и внутриблочном регулировании опорожнения баков с заменой (на интервале 12< 7 <25) уровнемерных данных об объёме горючего на текущие расходомерные их оценки
Литература
1. АНДРИЕНКО А. Я., ИВАНОВ В. П. Совершенствование энергетических характеристик жидкостных ракет средствами автоматического управления. I, II // Проблемы управления. - 2009. - №№1, 2. - С. 66-71.
2. АНДРИЕНКО А. Я., ТРОПОВА Е. И., ЧАДАЕВ А. И. Опыт совершенствования методологии анализа работы бортовых систем управления ракет-носителей при их лётной эксплуатации // Сб. трудов международной конференции «Проблемы управления безопасностью сложных систем» МКПУ-1У. - 2009. - С. 1811-1821.
3. АФАНАСЬЕВ И. Подписан контракт на запуск первых «Союзов» из ГКЦ // Новости космонавтики. - 2007. - №8 (295). Том 17. - С. 50-51.
4. КОЗЛОВ Д. И. Основные направления модернизации косми-
ческих средств выведения среднего класса типа ракеты-носителя «Союз» // Космонавтика и ракетостроение. - 1999. - №15. - С. 42-48. 5. ПАВЕЛЬЦЕВ П. «Космос-2441», российский «Кейхоул»? // Новости 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, vladguc@ipu.rssi.ru). 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.
Статья представлена к публикации членом редакционной коллегии В Г. Заскановым
