CC BY
33траектория выведения, система управления разгонного блока
УДК 629.764.015.05:531.55
траектория выведения, система управления разгонного блока и точность выведения космического аппарата по программе «морской старт»
© 2014 г. гаврелюк о.п., купцова и.в.
ОАО «Ракетно-космическая корпорация "Энергия" имени С.П. Королёва» (РКК «Энергия») Ул. Ленина, 4А, г. Королёв, Московская область, Россия, 141070, e-mail: [email protected]
Приведено описание схемы и траектории выведения космического аппарата на целевую орбиту ракетой космического назначения «Зенит-3SL» по программе «Морской старт», рассмотрены некоторые аспекты работы системы управления разгонного блока ДМ-SL, приведена оценка точности выведения.
Ключевые слова: точка старта, траектория выведения, ракета космического назначения, ракета-носитель, разгонный блок, схема полета, система управления, точность выведения.
ascent trajectory, upper stage control system and spacecraft injection accuracy under sea launch program
Gavrelyuk o.P., Kuptsova I.v.
S.P. Korolev Rocket and Space Public Сorporation Energia (RSC Energia) 4A Lenin Street, Korolev, Moscow region, 141070, Russia, e-mail:[email protected]
The ascent pattern and trajectory of a spacecraft to be launched into a target orbit by Zenit-3SL integrated launch vehicle under the Sea Launch program are described, some aspects of DM-SL upper stage control system operation are reviewed, the injection accuracy assessment is provided.
Key words: launch point, ascent trajectory, integrated launch vehicle, launch vehicle, upper stage, flight pattern, control system, injection accuracy.
ГАВРЕЛЮК Олег Петрович — ведущий инженер-математик РКК «Энергия», e-mail: [email protected]
GAVRELYUK Oleg Petrovich — Leading mathematical engineer at RSC Energia
КУПЦОВА Ирина Викторовна — инженер РКК «Энергия», e-mail: [email protected] KUPTSOVA Irina Viktorovna — Engineer at RSC Energia
гаврелюк о.п.
купцовА и.в.
Ракета космического назначения (РКН) «3енит-351», в состав которой входят ракета-носитель (РН) «Зенит-25£» и разгонный блок (РБ) ДМ-51, используется в программе «Морской старт» для выведения космического аппарата (КА) на околоземные круговые и эллиптические орбиты, а также — отлетные межпланетные траектории [1].
В настоящей статье анализируется участок полета разгонного блока с описанием некоторых аспектов работы системы управления (СУ) разгонного блока, обеспечивающей выведение космического аппарата на целевую орбиту с высокой точностью по гибким, оптимальным по энергетике, траекториям. Для определенности, не нарушая общности, рассматривается выведение космического аппарата на переходную к геостационарной орбиту (ПГСО), которая является типичной для космического аппарата с двигательной установкой, используемой для довыведения на рабочую орбиту.
Оценивается влияние ряда факторов и возмущений на точность выведения космического аппарата.
Схема и траектория выведения
Схему выведения космического аппарата ракетой космического назначения на переходную к геостационарной орбиту можно разбить на два этапа. На первом этапе работой двигателей двух ступеней ракеты-носителя осуществляется выведение орбитального блока (РБ + КА) на незамкнутую промежуточную орбиту, после чего происходит его отделение от ракеты-носителя. На втором этапе первым включением маршевого двигателя (МД) разгонного блока реализуется выведение космического аппарата на опорную орбиту, и вторым включением маршевого двигателя разгонного блока — на переходную к геостационарной орбиту.
Для траектории ракеты космического назначения используется указанная схема выведения с организацией выключения двигателей I и II ступеней ракеты-носителя, как правило, по информации об окончании компонентов топлива (ОКТ), на разгонном блоке предусматривается выключение маршевого двигателя, как правило, по функционалу Р.
выключение двигателей ступеней ракеты-носителя или разгонного блока по ОКТ предполагает увеличение энергетики выведения за счет выжигания гарантийного запаса топлива, но при этом значительно возрастают разбросы параметров орбиты на момент
выключения двигателей. Для проектной оценки энергетики выведения (изменение выводимой массы космического аппарата), погрешности выдерживания краевых условий, изменения точности выведения удобно использовать разброс скорости, который в конце работы каждой ступени ракеты-носителя или разгонного блока при выключении по ОКТ составляет ДУ(ОКТ) - ±(50-60) м/с.
Разброс скорости при выключении по функционалу значительно меньше и составляет ДУ(Р) - ±(1-2) м/с. Выключение двигателей ступеней ракеты-носителя по функционалу вводится в случае наличия ограничений по расположению на трассе полета районов падения отработавших блоков ступеней ракеты-носителя, и платой за это является уменьшение выводимой массы космического аппарата. Размеры районов падения указанных блоков при выключении по функционалу меньше, чем при выключении по окончании компонентов топлива.
Схема выведения и параметры целевой орбиты выбираются из условия получения высоких энергетических характеристик ракеты космического назначения с учетом требований и ограничений на параметры движения. Например, одним из таких требований является необходимость увода разгонного блока на орбиту хранения после выведения космического аппарата, в результате чего высота апогея переходной к геостационарной орбиты понижается на 50...70 км, чтобы избежать столкновения со спутниками на геостационарной орбите. Однако, этого с учетом статистических разбросов высот недостаточно. Поэтому РКК «Энергия» для каждой миссии предлагает заказчику понижать расчетную высоту апогея на ~200 км (было принято для ряда проведенных пусков), что вместе с уводом выводит отработавший разгонный блок из рабочего слоя высот геостационарных спутников.
После проектного этапа работ по конкретной миссии проводится расчет номинальной сквозной траектории выведения ракеты космического назначения (участок полета ракеты-носителя и разгонного блока) на заданную орбиту. На базе этой траектории готовятся полетные задания для ракеты-носителя и разгонного блока. Траектория соответствует выведению максимальной массы космического аппарата и отвечает всем требованиям и ограничениям на параметры движения ракеты космического назначения. На рис. 1 показаны основные события и баллистические характеристики для номинальной траектории выведения.
ТРАЕКТОРИЯ ВЫВЕДЕНИЯ, СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ РАЗГОННОГО БЛОКА
Рис.1. Характерные события для номинальной траектории выведения
Примечание. ОЧ — отделяемая часть конструкции; ГО — головной обтекатель; СПрх — средний переходник; МД — мар шевый двигатель; H — высота полета; H — высота перигея; H
t — время начала перевода РБ на орбиту хранения; t —
нач г г ^ г ^ г ' кон
ность падения от точки старта.
Система управления рБ и точность выведения кА
СУ РБ решает задачу выведения КА как материальной точки на заданные параметры целевой орбиты и задачу ориентации РБ как материального тела с учетом упругости конструкции и колебания жидкости на активных и пассивных участках движения. СУ РБ является автономной инерциальной системой управления, т. е. не использует внешнюю информацию и строится на базе применения гиростабилизированной платформы (ГСП). Все алгоритмы СУ реализуются в бортовой цифровой вычислительной машине (БЦВМ).
Для выявления основных факторов, влияющих на точность выведения КА, рассмотрим некоторые аспекты решения задачи выведения РБ, которое строится по методу терминального наведения.
Принципиальная схема решения задачи выведения РБ приводится на рис. 2.
Из рис. 2 следует, что задача выведения предполагает наличие в СУ РБ блоков навигации и наведения. Указанные задачи решаются в инерциальной геоцентрической начально-стартовой системе координат OXYZ, которая строится на базе ГСП.
высота апогея; i — наклонение; t — время полета; время окончания перевода РБ на орбиту хранения; L — даль-
Рис. 2. Схема решения задачи выведения РБ на заданную орбиту: 1 — гиростабилизированная платформа; 2 — блок навигации; 3 — блок наведения; 4 — автомат стабилизации; — кажущееся ускорение; г, V — текущий навигационный вектор; г0, У0 — начальный навигационный вектор; У — краевые условия; и — единичный вектор тяги; ф = (фх у) — углы ориентации РБ
навигация
В результате решения навигационной задачи определяются координаты и скорость (г, V) в процессе решения системы уравнений:
£=* (Р, ту+■
г),
где — кажущееся ускорение; g — гравитационное ускорение; Р — тяга; Л — аэродинамическая
сила; г — вектор положения, направленный от центра Земли до текущей точки на траектории. Кажущееся ускорение определяется на основе инерциальных измерений акселерометрами, установленными на ГСП. При расчете гравитационного ускорения используется весьма полная модель гравитационного поля Земли (ГПЗ).
В качестве начальных значений навигационного вектора (г0, У0) берется его расчетное значение на момент старта РКН, принятое для номинальной траектории выведения.
Пуск РКН проводится с плавучей стартовой платформы (СП). За 3,5 ч до старта система позиционирования СП должна поддерживать стартовую позицию в пределах круга радиусом Кст = 50 м (рис. 3, область В), расположенного внутри круга радиусом Кдоп = 2 000 м с центром в расчетной точке старта (рис. 3, область А). В настоящее время пуски проводятся из акватории Тихого океана, и географические координаты расчетной точки старта составляют по широте 0,0° и по долготе 154,0° з. д. Введение области А связано со сносом СП при неблагоприятных метеоусловиях в районе старта (повышенное волнение, повышенные скорости ветра и подводного течения).
Рис. 3. Допустимые области положения стартовой платформы (СП) в пусковой конфигурации: А — допустимая область положения СП (К = 2 000 м); В — об-
4 доп ' '
ласть стартовой позиции СП (Кст = 50 м); 1 — расчетная точка старта; 2 — направление полета РКН Примечание. Область В располагается в любом месте внутри области А.
Точность решения навигационной задачи определяется степенью отличия фактического начального навигационного вектора от расчетного, полнотой модели ГПЗ и инструментальными ошибками (ИО) комплекса командных приборов СУ РБ и напрямую влияет на точность выведения КА.
Наведение
Система наведения формирует:
• времена включения и выключения двигателей системы обеспечения запуска для создания продольной перегрузки перед включением МД РБ, а также для импульсов увода РБ на орбиту хранения;
• времена запуска и выключения МД РБ;
• программу угловой ориентации РБ на активных участках полета с применением метода терминального наведения.
Процесс терминального наведения сводится к итеративной процедуре определения потребной ориентации вектора тяги (и) путем решения на борту краевой задачи выведения на заданную орбиту, где и — единичный вектор.
В качестве краевых условий (А!*р) используется расчетный навигационный вектор (г, V)* на момент окончания активного участка (АУ). На прогнозируемый момент окончания^АУ определяются ожидаемые краевые условия Акр = (г, V) и вычисляются невязки краевых условий ДА = А - А* , на базе которых находится по-
кр кр кр7 1
требная текущая ориентация вектора тяги. Ориентацию вектора тяги удобно задавать в форме направляющих косинусов, что позволяет избежать вырожденных случаев, возможных при описании ориентации в углах Эйлера.
Для поддержания автоматом стабилизации потребной ориентации РБ на АУ проводится пересчет ориентации вектора тяги (и) к трем углам ориентации РБ (см. рис. 2) ф = (фх, фу, ф2); где фх — угол крена (принимается фх = 0); Фу — угол рысканья; ф2 — угол тангажа.
Оценка точности выведения
Рассмотренные особенности работы СУ РБ позволяют обозначить факторы, которые оказывают определяющее влияние на точность выведения КА:
• погрешность знания фактического начального навигационного вектора, которая определяется условиями подвижного старта с учетом штатной работы системы позиционирования СП;
• инструментальные ошибки комплекса командных приборов СУ РБ (погрешности акселерометров, погрешность знания скорости ухода гироблоков и пр.);
• разброс импульса последействия МД РБ и вариации приращения скорости после команды на выключение МД РБ, связанной с дискретностью работы БЦВМ.
Суммарная погрешность выведения для контролируемых параметров целевой орбиты (высота перигея, высота апогея, наклонение)
траектория выведения, система управления разгонного блока
получается геометрическим сложением отдельных составляющих. В столбцах 1, 2, 3 табл. 1 приведены априорные погрешности выведения от каждой из трех групп факторов, указанных выше, ожидаемые суммарные погрешности — в столбце 4, требования заказчика пуска — в столбце 5. Ожидаемая точность выведения должна удовлетворять требованиям заказчика.
Таблица 1
погрешности выведения кА
Расчеты точности выведения КА проводятся перед каждым пуском РКН.
Информация по точности выведения КА для проведенных пусков РКН «Зенит-351» приводится в работе [2] и табл. 2.
Таблица 2
данные по точности выведения на момент отделения кА для проведенных пусков ркн
Продолжение таблицы 2
Миссия Целевая орбита Отклонения по бортовой навигации *
Параметры Расчетные значения Требуемая точность (2,33а)
КотваЗсЛ 5 22.08.2006 Н, км 2 923,92 ±10 +0,068
Н, км 35 658,034 ±80 +5,721
г, ° 0 ±0,2 +0,0003
ХЫКаАю-4 31.10.2006 Н, км 1 236,833 ±10 -0,028
Н, км 36 124,541 ±80 +2,788
г, ° 0,0001 ±0,2 +0,0001
ТНитауа-БЗ 15.01.2008 Н, км 738,657 ±10 -0,005
Н, км 35 834,971 ±80 + 10,537
г, ° 6,201 ±0,2 0
ттвсТУ-11 20.03.2008 Н, км 247,872 ±10 -0,009
Н, км 36 571,204 ±80 +3,449
г, ° 0 ±0,2 0
Са1аху-18 21.05.2008 Н, км 2 548,835 ±10 +0,053
Н, км 35 661,8 ±80 +2,217
г, ° 0 ±0,2 +0,0001
ЕсЬо$1ат-Х1 16.07.2008 Н, км 747,672 ±10 +0,014
Н, км 35 717,05 ±80 +7,995
г, ° 0 ±0,2 +0,0006
Са1аху-19 24.09.2008 Н, км 2 808,84 ±10 +0,310
Н, км 35 660,099 ±80 +8,45
г, ° 0 ±0,2 +0,0001
5гста11В 20.04.2009 Н, км 8 604,767 ±20 +0,385
Н, км 35 675,711 ±80 +5,575
г, ° 0 ±0,2 0
Примечание. * В состав бортовой навигации разгонного блока (РБ) входят текущие значения координат и скорости (Ъ г, V) = (I, х, у, г, Ух, Уу,Уг), как результат решения навигационной задачи системы управления РБ, по которым на момент отделения космического аппарата определяются параметры орбиты и сравниваются с расчетными.
Данные табл. 2 подтверждают высокую точность выведения КА.
Область А (см. рис. 3) допустимого положения СП в пусковой конфигурации, в принципе, может быть расширена после комплексной проработки, в т. ч. с заказчиком, так как в этом случае увеличиваются погрешности выведения.
Величина отклонения начального навигационного вектора от расчетного зависит от метеоусловий в районе старта и от эффективности работы системы позиционирования по созданию приемлемых параметров СП для обеспечения безопасного старта, нормальной динамики движения и управляемости РКН. В табл. 3 приводятся результаты расчета погрешностей параметров орбиты (высоты перигея АНр, высоты апогея АНа, наклонения Аг) только из-за отклонения начального навигационного вектора
Уо), где г0 = (х0, У0, 20), V = (у0, Уу0, у20).
Контролируемый параметр орбиты Погрешности (3а)
1 2 3 4 5
Высота перигея, км 1,4 5,3 1,4 5,6 25
Высота апогея, км 9,8 56,8 21,0 61,4 105
Наклонение, ° 0,00 0,10 0,00 0,10 0,25
Миссия Целевая орбита Отклонения по бортовой навигации *
Параметры Расчетные значения Требуемая точность (2,33а)
Са1аху-ХШ 01.10.2003 Н, км 2 378,801 ±10 +0,183
Н , км 35 814,249 ±105 11,565
г, ° 0 ±0,2 0,0003
ХИЕаЛо-З 01.03.2005 Н, км 2 466,865 ±10 +0,088
Н , км 35 811,807 ±80 +6,744
г, ° 0 ±0,2 0
5расвтау-1 16.04.2005 Н, км 247,734 ±10 0,001
Н , км 34 213,273 +80...-1 000 4,104
г, ° 0 ±0,2 +0,0001
ТвЫат-8 23.06.2005 Н, км 199,6 ±10 +0,055
Н , км 35 732,5 ±80 +6,528
г, ° 0 ±0,2 0
1пшат$а1-4 08.11.2005 Н, км 307,654 ±13 +0,008
Н , км 35 879,356 ±120 + 10,664
г, ° 3,0002 ±0,26 0
ЕсЬо$1ат-10 16.02.2006 Н, км 1 682,664 ±10 +0,013
Н , км 35 789,939 ±80 + 10,879
г, ° 0,0001 ±0,2 0
]С5а1-9 13.04.2006 Н, км 1 682,787 ±10 -0,025
Н , км 35 786,572 ±80 0,705
г, ° 0,0001 ±0,2 +0,0002
Са1аху-16 18.06.2006 Н, км 2 298,178 ±10 +0,065
Н , км 35 678,752 ±80 7,144
г, ° 0 ±0,2 +0,0001
Таблица 3
погрешности выведения_кА из-за отклонения начального вектора (г0, У0)
Отклонение Погрешности
АНр, км АЯа, км Ы, °
Ах0 = 1 км -1,2 -2,7 ~0
Ах0 = -1 км 1,2 2,7 ~0
Аг0 = ±1 км ~0 ~0 ±0,0086
АУ = ±1 м/с ±3,3 ±4,7 ~0
А У = ±1 м/с ~0 ~0 ±0,006
Ат0 = 10 км -12,0 -27,0 ~0
Ах0 = -10 км 12,0 27,0 ~0
Аг0 = ±10 км ~0 ~0 ±0,086
АУ = ±10 м/с ±33 ±47,0 ~0
лу = ±10 м/с ~0 ~0 ±0,06
Примечание. Погрешности выведения для промежуточных отклонений (г0, У0) определяются путем линейной интерполяции приведенных значений погрешностей.
Анализ показал, что заметное влияние на точность выведения КА оказывает схема выведения, в частности, взаимное расположение участков включения маршевого двигателя РБ. Это связано с ИО комплекса командных приборов СУ РБ, которые по-разному сказываются на параметрах орбиты выведения в зависимости от момента второго включения РБ.
Для определенности рассмотрим выведение по схеме с двумя включениями РБ. При первом включении орбитальный блок выводится на опорную, близкую к круговой, орбиту, второе включение проводится в разные моменты полета на опорной орбите. Момент второго включения задается углом 5 (рис. 4).
Рис. 4. Взаимное расположение участков включения маршевого двигателя разгонного блока (РБ)
Результаты оценки влияния момента второго включения РБ на точность выведения при прочих равных условиях приводятся в табл. 4 и на рис. 5.
Таблица 4
точность выведения кА в зависимости от момента второго включения разгонного блока (5)
5, ° Точность
АЯр, км АЯа, км А^ °
0 5 55 0,15
45 5 42 0,15
90 5 35 0,15
135 5 58 0,15
180 5 96 0,15
225 5 109 0,15
270 5 98 0,15
315 5 88 0,15
360 5 100 0,15
Рис. 5. Точность по высоте апогея в зависимости от момента второго включения разгонного блока (5)
Приведенные результаты (табл. 4, рис. 5) позволяют для указанной схемы выведения отметить:
• имеет место периодическая зависимость точности выведения от момента второго включения РБ;
• минимальное влияние ИО на точность выведения реализуется, когда второе включение РБ отстоит от первого на 5 « 90°.
Таким образом, выбором момента второго включения РБ при расчете номинальной траектории выведения можно влиять на точность выведения КА с учетом требований и ограничений на параметры движения РКН.
Быводы
Рассмотрено и проанализировано влияние возмущающих факторов и особенностей работы системы управления РБ на точность выведения КА ракетой космического назначения «Зенит-35Х» на целевую орбиту.
Выявлено периодическое влияние момента второго включения РБ на точность выведения КА. Показано, что выбором момента второго
ТРАЕКТОРИЯ ВЫВЕДЕНИЯ, СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ РАЗГОННОГО БЛОКА
включения РБ при расчете номинальной траектории выведения можно влиять на точность выведения КА с учетом требований и ограничений на параметры движения РКН.
Результаты проведенных пусков РКН «3енит-35х» по программе «Морской старт» подтверждают эффективность баллистического обеспечения полета ракеты космического назначения и высокую точность выведения КА на целевые орбиты.
Авторы выражают благодарность ктн С.А. Заборскому за полезные обсуждения статьи,
Т.И. Верховцевой — за предоставленные материалы по траекториям выведения КА.
Список литературы
1. Sea Launch User's Guide. Rev. D. WA: Boeing Commercial Space Company, 2008.
2. Верховцева Т.И., Гаврелюк О.П., Забор -ский С.А., Мовчан А.А., Панчуков А.А., Улыбы-шев Ю.П., Шибаев И.М. Баллистика программы «Морской старт» // Космическая техника и технологии. 2013. № 1. С. 16-25.
Статья поступила в редакцию 25.03.2014 г.
