КОСМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2013, том 51, № 3, с. 250-264
УДК
ПАРАМЕТРИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ ЭНЕРГОДВИГАТЕЛЬНОГО КОМПЛЕКСА СИСТЕМЫ ТРАНСПОРТНО-ТЕХНИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ОРБИТАЛЬНОЙ ГРУППИРОВКИ КА © 2013 г. Р. А. Евдокимов1, |Ю. Н. Чилин?
Ракетно-космическая корпорация "Энергия" им. С.П. Королева, г. Королев 2Военно-космическая академия им. А.Ф. Можайского, г. Санкт- Петербург
evdokimovrom@vandex.ru Поступила в редакцию 03.04.2008 г.; после переработки 04.02.2012 г.
Предложен метод оптимизации проектных параметров энергодвигательного комплекса (ЭДК) системы транспортно-технического обеспечения (СТТО) орбитальной группировки (ОГ) космических аппаратов. Под ЭДК СТТО понимается совокупность энергодвигательных систем (ЭДС) космических аппаратов, предназначенных для развертывания ОГ и технического обслуживания ее КА на рабочих орбитах.
В качестве показателя эффективности процесса функционирования ЭДК СТТО предложено использовать вероятность выполнения им своей задачи, которая определяется как вероятность выполнения совокупности стохастических неравенств, устанавливающих требования к энергодвигательному комплексу. С целью формализации показателя качества был разработан комплекс математических моделей, состав и некоторые примеры которых приводятся в статье.
Использование предложенного метода продемонстрировано на примере конкретной СТТО. Дана математическая формулировка оптимизационной задачи. Рассмотрен метод решения. На основе анализа результатов оптимизации показана целесообразность использования данного метода на ранних этапах проектирования ЭДК СТТО.
Б01: 10.7868/80023420613030035
ВВЕДЕНИЕ
К современным КА предъявляются исключительно жесткие требования по ресурсу и надежности. Платой за большой ресурс при высокой вероятности безотказной работы является увеличение массы космического аппарата за счет многократного резервирования критически важных систем, а также за счет достаточно больших запасов топлива на коррекцию орбиты и построение ориентации. Больших затрат требует развертывание обширных ОГ, включающих множество КА, выполняющих общую задачу.
Одним из возможных способов решения указанных проблем является техническое обслуживание (ТО) КА на рабочей орбите, которое подразумевает дозаправку двигательных установок КА топливом, а также замену вышедших из строя элементов бортовых систем. При проведении регулярных технических обслуживании начальная масса КА может быть значительно снижена за счет сокращения запасов топлива на борту и снижения уровня резервирования. Это позволяет снизить затраты на развертывание ОГ. Кроме того, ТО позволяет достичь высокого уровня технической готовности ОГ при приемлемых массах КА.
Регулярное обслуживание разветвленных ОГ подразумевает использование многоразовых средств — межорбитальных буксиров многократного применения, полезной нагрузкой которых являются топливо и резервные элементы КА орбитальной группировки, а также робототехнические комплексы (РТК) для проведения ремонтных операций. Такие КА были названы космическими аппаратами обслуживания (КАО). Использование одноразовых КАО требует большого числа запусков, что снижает эффект от применения ТО.
Затраты на развертывание могут быть снижены за счет применения многоразовых межорбитальных буксиров (МБ) на базе электроракетных двигательных установок (ЭРДУ). В то же время, часто (особенно для КА двойного назначения) время развертывания ОГ ограничено. В этом случае целесообразно применять многоразовые МБ с двигателями большой тяги, например, жидкостными ракетными двигателями (ЖРД), либо использовать стандартную схему — выведение с помощью одноразовых разгонных блоков.
Использование многоразовых МБ и КАО может подразумевать также их дозаправку и ремонт на борту орбитального космического центра (ОКЦ) — орбитальной пилотируемой станции,
предназначенной для обслуживания и запуска КА. Запасные элементы и топливо для МБ и КАО могут доставляться на борт ОКЦ, как и другие грузы, с помощью транспортных кораблей снабжения (ТКС).
В ряде работ [1—4] показано, что в составе КА может быть выделена совокупность бортовых систем, от степени совершенства которой в первую очередь зависит эффективность выполнения им целевых задач. Данный комплекс, получивший название энергодвигательной системы, предназначен для снабжения целевых систем КА электрической энергией, создания импульсов и моментов импульсов тяг для осуществления пространственных эволюции КА, а также обеспечения теплового режима. Соответственно, в состав ЭДС обычно включают системы энергопитания, терморегулирования, хранения и подачи топлива, а также активные исполнительные органы систем управления движением и ориентации (двигательные установки). В ряде случаев для пилотируемых КА в ЭДС включают также систему жизнеобеспечения (СЖО) [4]. Детально понятие ЭДС, способы представления ее структуры, метод структурно-параметрической оптимизации ЭДС на ранних стадиях проектирования КА рассмотрены в работе [3]. Здесь же отметим, что в соответствии с определением ЭДС, МБ и КАО являются, фактически, энергодвигательными системами, облеченными в конструкцию, ибо для транспортных КА (особенно с маршевыми ЭРДУ) характеристики ЭДС определяют эффективность выполнения ими своей задачи. Согласно подходу, изложенному в [1—4], остальные системы КА можно условно объединить в информационно-управляющую систему (ИУС) и несущий комплекс (НК).
Введение понятия ЭДС связано с наличием тесных физических и функциональных связей между ее отдельными элементами. Существование этих связей и обусловливает целесообразность использования системного подхода при выборе структуры и проектных параметров ЭДС КА на ранних стадиях проектирования (этапе формирования облика). Однако наличие теснейших функциональных связей характерно и между ЭДС КА, входящих в состав СТТО. Так, параметры ЭДС КАО (например, удельный импульс ЭР-ДУ, ее тяга, количество резервных тяговых модулей и т. п.) определяют требуемые затраты топлива на его перелет, а значит — требования к системам хранения топлива на борту ОКЦ. Масса МБ и затраты топлива на его перелеты зависят от начальной массы КА ОГ, которая определяется в том числе периодом и степенью технического обслуживания. С другой стороны, период и степень ТО во многом определяют ограничения на времена перелетов КАО и массу их полезной нагрузки, а значит оказывают влияние на облик ЭДС КАО. Поскольку на решение единой задачи, стоящей перед СТТО, может накладываться ограничение
по суммарным затратам материальных ресурсов, то, например, увеличение затрат на развертывание неизбежно влечет за собой уменьшение ресурсов, выделяемых на обеспечение технического обслуживания, т.е. варьирование параметров ЭДС МБ сказывается на выборе параметров ЭДС КАО. Количество компонентов топлива для КАО и МБ, хранимых на борту ОКЦ, влияет на его массу и (в общем случае) на требования к его системам электропитания и терморегулирования, а, следовательно, и на выбор проектных параметров двигательной установки коррекции ОКЦ и т. д.
В связи с вышесказанным, целесообразно рассматривать совокупность ЭДС МБ, КАО и ОКЦ как единую сложную техническую систему — энергодвигательный комплекс СТТО. В данной работе предложен подход к комплексной оптимизации проектных параметров ЭДК СТТО, осуществлена постановка и формализация этой задачи. При этом намеренно рассматривался один из наиболее общих и сложных вариантов СТТО, поскольку разработанный для оптимизации ее ЭДК метод может быть адаптирован к решению широкого круга задач по формированию облика более простых систем, которые могут быть созданы в обозримом будущем. Акцент сделан на методологических аспектах и общей постановке задачи, результаты решения оптимизационной задачи для конкретной СТТО приводятся с демонстрационными целями — показать возможность реализации метода и целесообразность его использования при оптимизации систем подобного типа.
1. МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ
КОМПЛЕКСНОЙ ОПТИМИЗАЦИИ ЭДК
ЭДК СТТО является ярким примером сложной технической системы, разрабатываемой и функционирующей в условиях неопределенности. Будущие условия применения ЭДК СТТО априори стохастичны, поскольку поток отказов на борту КА орбитальной группировки случаен, а, следовательно, случаен и грузопоток с опорной орбиты (орбиты ОКЦ) на рабочую (орбита КА ОГ). В этом случае, как показано в работах [1—3], задачу оптимального синтеза ЭДК СТТО целесообразно решать на основе методологии, в рамках которой показателем качества ЭДК выступает вероятность выполнения им своей задачи (ВВЗ) — Рвз. ВВЗ характеризует степень соответствия случайных достижимых результатов функционирования ЭДК требуемым результатам:
Рвз = Р(Хдп> У< п>}), (1)
где X < п> — вектор случайных достижимых результатов процесса функционирования ЭДК, а "V < п> — вектор случайных требуемых результатов. Таким образом, пригодность результатов функциониро-
вания ЭДК — случайное событие, а ВВЗ характеризует степень его объективной возможности при заданном комплексе условий. Случайный характер данного события обусловлен влиянием на условия применения ЭДК, а также на характеристики его процесса функционирования целого
ряда случайных факторов. Векторы Хдп> и У<п> включают четыре группы векторов, отвечающие таким свойствам процесса функционирования ЭДК как результативность, ресурсоемкость, оперативность и надежность:
Vя 1)д -^(2)д -^(3)д -^(4)д\
Х<П> - (Х<П1>, Х<п2>, Х<Пз>, Х<п4>) ;
V - /I ^ у(2) у(3) у(4) \
I <П> - ( I <«1>, I <п2>, I <Пз>, I <П4>; ,
(2) (3)
где Х< П1>, У< П1> — векторы достижимых и требуемых целевых эффектов функционирования ЭДК;
Х(<п2>, Щ} — векторы фактически достижимых и допустимых значении характеристик оперативности; Х^з), V(<3„)3> — векторы фактических и предельно допустимых значений затрат активных (расходуемых в процессе функционирования
глтттгч ^(4)Д ^(4)
ЭДК) ресурсов; Х<п4>, У<n4> — векторы реально достижимых характеристик надежности ЭДК и требуемых временных параметров программы функционирования ЭДК.
Таким образом, с учетом (2) и (3), ВВЗ представляет собой вероятность выполнения системы стохастических неравенств:
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.