ИЗВЕСТИЯ РАИ. ТЕОРИЯ И СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ, 2007, № 3, с. 118-137
= СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ДВИЖУЩИМИСЯ ОБЪЕКТАМИ
УДК 62-50:629.788:629.7.072.1
ПОСТРОЕНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ БАЛЛИСТИЧЕСКИХ СХЕМ ПОЛЕТА МАРСИАНСКОГО ПИЛОТИРУЕМОГО КОРАБЛЯ
© 2007 г. Н. М. Иванов, Ю. Ф. Колшка
Королев, ЦНИИМАШ Поступила в редакцию 08. 09. 06 г.
Работа посвящена вопросам баллистического обоснования принятой в настоящее время концепции пилотируемой экспедиции на Марс, призванным дать ответ: каким образом можно осуществить реализацию этого проекта в рамках выдвинутых требований и ограничений с точки зрения законов космической баллистики и технических возможностей двигательных систем и какова будет цена такого полета по критериям энергетических и временных затрат. Выполненные проектно-баллисти-ческие построения осуществлялись на основе исходных данных, отражающих последние результаты соответствующих проектно-конструкторских, технологических и научных проработок, и были направлены на поиск наиболее оптимальных баллистических схем, способных обеспечить реализацию данной экспедиции при заданных условиях. Были рассмотрены варианты баллистических схем как с применением двигательных систем "большой" тяги, работающих на химическом топливе, так и на базе электрореактивных двигателей "малой" тяги. Построение баллистических схем и выбор оптимальных траекторий для разных участков полета пилотируемого межпланетного корабля осуществлялось с помощью методических и программно-алгоритмических средств, разработанных в ЦУП ЦНИИМАШ. Полученные и приведенные в статье результаты баллистического проектирования и анализа схем полета пилотируемого межпланетного корабля могут служить исходными данными для дальнейшей работы по проекту марсианской экспедиции по разным направлениям, включая задачи управления движением космического объекта и реализацией его полета в целом.
Введение. Подготовка и осуществление пилотируемых полетов на Марс рассматривается руководством и научно-техническими кругами ведущих космических держав, а также широкой международной общественностью как одно из наиболее перспективных, "прорывных" направлений развития космонавтики ближайшего будущего. В связи с этим в последнее время стали более активно проводиться научно-исследовательские и проектные изыскания, связанные с разработкой марсианской пилотируемой экспедиции. Необходимо подчеркнуть, что подготовка и реализация подобного космического проекта представляет собой грандиозное мероприятие, требующее мобилизации большого количества финансовых, технологических и интеллектуальных ресурсов разных стран. Для успешного выполнения намеченной программы должен быть рассмотрен огромный комплекс научных, технологических и организационных задач, охватывающих разные направления человеческой деятельности. Очевидно, что данный проект потребует всплеска новых идей, подходов и методов для наиболее эффективного их решения. В этом плане должны рассматриваться различные концепции и сценарии организации марсианской пилотируемой экспедиции с обязательным учетом ряда важных объективных факторов, определяющих принципиальные возможности и основные
особенности выполнения межпланетных пилотируемых полетов, что выявляется прежде всего в ходе проведения баллистических исследований.
Накопленный опыт изучения и освоения космического пространства с помощью ракетно-космической техники свидетельствует, что баллистические расчеты и исследования являются неотъемлемой, а во многом и первоочередной частью разработки любого космического проекта, связанного с полетом космических аппаратов. Именно баллистические расчеты и основанный на них про-ектно-баллистический анализ позволяют дать ответы на следующие важнейшие вопросы:
может ли быть принципиально реализован разрабатываемый космический проект при заданных требованиях и ограничениях с точки зрения законов небесной механики и космической баллистики;
каким образом (по каким орбитам, схемам, с помощью каких двигателей) может совершаться полет космического аппарата, чтобы обеспечить выполнение целевой программы проекта с учетом выдвинутых требований и условий;
каковы будут основные характеристики выбираемой баллистической схемы полета и какова цена реализации данной схемы, в том числе по временным и массово-энергетическим критериям, и мн. др.
На основании проведенных проектно-балли-стических расчетов и заключений строится остальная работа по проекту. При этом полученные результаты баллистических проработок могут оказывать существенное влияние на другие составные части проекта и, в целом, на его первоначальный облик. Особое место принадлежит баллистической части работ при проектировании сложных межпланетных полетов, состоящих из нескольких разных этапов, которая предусматривает их комплексное увязывание в единую схему экспедиции. Здесь большое значение приобретает многовариантность построений различных возможных баллистических схем и их детальный анализ. Это позволяет, в конечном счете, выбрать оптимальную (или, по крайней мере, наиболее рациональную) итоговую схему, отвечающую выдвинутым требованиям и критериям по ключевым аспектам миссии, либо сделать обоснованное заключение, что при заданных исходных данных и условиях такую баллистическую схему построить невозможно.
Работа над сложными космическими проектами предполагает определенную итерационность процесса разработки, в том числе и в части, касающейся проектной баллистики. В этом случае результаты баллистических расчетов могут оказывать влияние и вносить существенные коррективы в принимаемые концептуальные и технические решения по проектируемой миссии, и, наоборот, по мере внесения изменений в концепцию или составные части проекта будет необходимо проведение соответствующих баллистических перерасчетов, способных обосновать приемлемость этих изменений с баллистической точки зрения. Сказанное в полной мере относится и к разработке проекта марсианской пилотируемой экспедиции.
Достаточно богатый опыт практических полетов автоматических межпланетных станций (АМС) к Марсу и материалы серьезных исследований по ряду возможных вариантов автоматической доставки образцов грунта с поверхности этой планеты однозначно выявляют две основные проблемы: огромные потребные массово-энергетические затраты и недопустимо большое время проведения космической миссии, от преодоления которых в значительной степени будет зависеть успех пилотируемой экспедиции на Марс. Основные усилия разработчикам придется направить на поиск некоторого компромиссного варианта решения этих проблем, в максимальной степени обеспечивающего прежде всего безопасность реализации пилотируемого полета. Сколь сложны затронутые проблемы, видно из следующего. Как известно, все полеты АМС выполнялись по так называемым энергетически оптимальным траекториям в оптимальные "окна" старта с целью максимального снижения потребных массово-энергетических затрат на реализа-
цию полета АМС. В этом случае общая продолжительность полета по трассе Земля - Марс - Земля составляет порядка трех лет, что на сегодняшний день для пилотируемой экспедиции считается недопустимым, принимая во внимание не только физиологические возможности космонавтов, но и условия обеспечения максимальной безопасности экипажа. В частности, следует найти схему полета и разработать стратегию управления пилотируемым межпланетным комплексом в случае возникновения чрезвычайных ситуаций, требующих организации срочного прекращения полета и возвращения экипажа на Землю (уместно вспомнить аварийный полет "Аполло-13"). Априори ясно, что следует отыскать вариант с минимальным общим временем проведения экспедиции без принципиального ухудшения других факторов. С другой стороны, даже при полете по энергетически оптимальным траекториям потребные массово-энергетические затраты на проведение пилотируемой экспедиции составляют многие сотни и даже тысячи тонн базового блока на орбите ИСЗ, что является, естественно, трудно выполнимой задачей. Отмеченные факторы предопределяют необходимость пересмотра ранее разработанных и реализованных "классических" решений по выбору схем межпланетных полетов. С целью получения приемлемого по основным требованиям и технически достижимого решения следует искать иные подходы с использованием, в том числе, новых технологий, вплоть до выхода на некоторые "экзотические" варианты. Это чрезвычайно сложная и трудоемкая работа, требующая участия многих организаций из разных стран и принятия коллективного решения.
Материалы настоящей статьи посвящены про-ектно-баллистическому построению и исследованию различных схем полета марсианского пилотируемого корабля с целью выявления наиболее характерных особенностей и закономерностей организации пилотируемой экспедиции, определения направлений дальнейших исследований и основных задач, требующих первоочередного решения для подтверждения реализуемости того или иного варианта.
1. Общая постановка задачи. Проектно-балли-стические построения и анализ возможных схем марсианской пилотируемой экспедиции осуществлялись в соответствии с основными положениями рассматриваемой в настоящее время концепции этой экспедиции и на базе исходных данных, отражающих последние результаты про-ектно-конструкторских, технологических и научных проработок, полученных в различных организациях, участвующих в создании этого проекта по своим профильным направлениям [1, 2]. В данном случае предполагалось, что марсианская экспедиция обеспечивается одним пилотируемым межпланетным кораблем. При этом рассматри-
вались два концептуальных варианта однокора-бельной экспедиции:
а) без высадки экипажа на поверхность Марса (сокращенная программа экспедиции),
б) с возможностью проведения орбитально-де-сантных операций с помощью взлетно-посадочного комплекса (полная программа экспедиции).
Для обоих вариантов одной из основных задач полета была доставка пилотируемого межпланетного корабля (ПМК) на околомарсианскую орбиту с заданными параметрами, на которой он должен совершать полет в течение определенного времени с выполнением предусмотренной программы исследования Марса. После завершения марсианской фазы экс
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.