Космонавтика
Управление
космическими полетами
В.А. СОЛОВЬЁВ, член-корреспондент РАН Ракетно-космическая корпорация "Энергия" им. С.П. Королёва
С помощью современных космических аппаратов (КА), совершающих полеты в различных областях Солнечной системы - на околоземных орбитах, в межпланетном пространстве, в окрестностях небесных тел, -решается огромный круг задач научного и прикладного характера. Программы полета,
Шжш
определяющие их движение в космосе и выполнение ими разнообразных операций, непрерывно усложняются. Эффективность работы космических аппаратов, то есть полнота достижения поставленных целей, во многом зависит от качества управления полетом.
ПРОЦЕСС УПРАВЛЕНИЯ ПОЛЕТОМ КА
Вслед за начальной частью цикла разработки космического аппарата (проектирование, конструирование, изготовление, наземные испытания и запуск) наступает этап летных испытаний. По их результатам можно судить, оправдает ли КА свое назначение - достигнет ли поставленной цели. После летных ис-
© Соловьёв В.А.
пытаний следует фаза эксплуатации космического аппарата. В ходе ее проведения, как и при летных испытаниях, осуществляется управление полетом КА, которое обеспечивает выполнение аппаратом необходимых операций и его движение в пространстве, поддержание жизнеспособности и надежности функционирования КА. Применительно к пилотируемым космическим
кораблям и орбитальным станциям одной из основных задач этого процесса является обеспечение безопасности их экипажей.
Эксплуатация пилотируемых орбитальных станций, а в будущем также лунных и планетных баз требует их материального снабжения, обслуживания и ремонта, постоянного дооснаще-ния, проведения транспортных операций для
смены экипажей, доставки грузов, удаления отходов.
Цель космического полета, как правило, многокомпонентна:
- доставка полезного груза и/или космонавтов в необходимый район космического пространства или на рабочую орбиту либо на другой КА;
- выполнение научных исследований и экспериментов в космосе;
- решение прикладных задач космонавтики (например, дистанционное зондирование Земли, сближение пилотируемого КА с автоматическими КА и их ремонт, производство новых материалов в условиях невесомости);
Ф - отработка техники
космических полетов и методов управления ими.
Обязательная составляющая успешного достижения цели пилотируемого полета -удовлетворительноесамо-чувствие экипажа КА при возвращении на Землю.
Управление полетом космического аппарата -весьма сложный процесс, методология которого базируется на общепринятых принципах управления сложными системами. В силу этого оно складывается из следующих компонентов:
- планирование полета;
- формирование и выдача команд на КА для реализации принятого плана;
4
- контроль состояния и функционирования КА, его движения, выполнения им запланированных операций;
- принятие по результатам контроля и реализация решений о дальнейшем проведении полета и управлении им.
СТРУКТУРА СРЕДСТВ УПРАВЛЕНИЯ ПОЛЕТОМ
Управление полетом КА выполняется человеко-машинной системой, ее основные управляющие звенья - наземный комплекс, бортовой автоматический комплекс и экипаж КА, которые согласованно действуют по единому плану. Основные части наземного комплекса - Центр управления полетом и средства обмена информацией с КА. Бортовой автоматический комплекс состоит из вычислительной системы и средств ее коммутации с бортовыми системами КА. Экипаж оснащен средствами, обеспечивающими управление КА и контроль его состояния и функционирования. В случае утраты каким-либо из указанных основных звеньев способности выполнять свои функции, управление полетом возлагается на оставшиеся звенья.
ПЛАНИРОВАНИЕ ПОЛЕТА
Разработка плана космической миссии вы-
полняется как в предполетный период, так и оперативно, то есть во время полета. Подробные типовые ("стандартные") элементы предполетного плана проходят тщательную отработку на наземных стендах и математических моделях КА. Стратегический план устанавливает цели полета, средства и способы их достижения, необходимые ресурсы и принципы их использования, основные ограничения, которые необходимо учитывать. В стратегический план входят принципиальная схема полета, разбивка его на этапы, их продолжительность, рекомендации по построению оперативных планов раз- ф
личного уровня, устанавливаются лимиты расхода имеющихся ресурсов в разных группах операций на всех этапах полета. Кроме этого, задаются состав и необходимый объем выполнения научных исследований и экспериментов, распределение рабочего времени экипажа между видами основных работ. Здесь же могут быть оговорены особые условия проведения некоторых операций. Кроме того, определяется состав экипажа, распределяются обязанности между его членами, приводятся требования к плану, направленные на обеспечение безопасности космонавтов, их работоспособности,
Планирование полета
Реализация разработанного плана
Контроль полета
Продолжение полета по разработанному плану
(К)
Принятие решения по результатам контроля
Результаты контроля
норма не норма
(К) (К)
(К)
Коррективы к разработанному плану
Выполнение оперативных мероприятий по парированию нештатной ситуации
Структура процесса управления космическим полетом.
нормального физического и психического состояния в течение всего периода пребывания на кА. Стратегический план, по существу, является заданием на полет. На его основе формируется долгосрочный номинальный план, охватывающий либо все время от старта до окончания его работы КА, либо его отдельный этап и устанавливающий последовательность выполнения основных операций с их ориентировочной привязкой к определенным
суткам. В ходе полета долгосрочный план может корректироваться с учетом фактического состояния КА, его ресурсов и текущих функциональных возможностей, внешней обстановки, результатов выполнения целевой программы.
План следующего уровня - краткосрочный - создается на основе долгосрочного. Он охватывает относительно небольшой период времени (в практике длительных пилотируемых миссий удобная величина этого периода - одна-две недели), однако содержит существенно более подробную информацию, чем долгосрочный. В частности, он устанавливает полный детализированный со-
став операций, которые ф
должны быть проведены в этот период, а не только основные из них. Он содержит информацию, определяющую или уточняющую методику проведения этих операций, и ряд указаний, касающихся формирования плана следующего уровня - детального.
Детальный план - подробный руководящий документ для проведения полета - создается на основе краткосрочного с использованием методик выполнения намечаемых операций, оперативных данных о реальной обстановке, текущей баллистической информации. Он формируется частями последовательно на каж-
5
дые сутки и включает в себя скоординированные между собой компоненты, определяющие:
- порядок выполнения операций в целом;
- работу основных систем КА, обеспечивающих выполнение операций;
- деятельность экипажа пилотируемого КА;
- обмен сообщениями между экипажем пилотируемого КА и ЦУП;
- выдачу команд на системы КА, программной информации в бортовой комплекс автоматического управления;
- работу средств измерений и связи, обеспечивающих обмен различными видами информации между КА и ЦУП;
Ф - обмен информацией
между наземными службами, участвующими в управлении полетом.
На основе детального плана разрабатываются команды и программная информация, выдаваемые на КА, а также указания экипажу.
При планировании полета КА учитывается возможность возникновения аномальных ситуаций, негативно влияющих на выполнение намечаемых операций, жизнеспособность КА и безопасность экипажа. На этот случай предусмотрены запасные варианты, резервы времени и ресурсы, необходимые для реализации мер по устранению таких ситуаций. Следует заметить, что оперативные
6
изменения плана полета могут быть вызваны не только аномальными ситуациями и другими проблемами, но и позитивными обстоятельствами, например досрочным выполнением этапов целевой программы.
При планировании полета КА в ЦУП используется автоматизированная система, повышающая оперативность и безошибочность работы. Планы проверяются на их выполнимость и удовлетворение принятых ограничений с использованием математического моделирования. В космических программах, предусматривающих длительные периоды автономного функционирования КА при отсутствии обмена информацией с ЦУП, должна применяться специальная бортовая автоматизированная система.
Планирование космического полета представляет собой процесс высокой степени сложности ввиду необходимости увязки различных сторон функционирования КА между собой и с внешними условиями, в которых оно происходит, в рамках заданных целей и установленных ограничений. Опыт управления КА показал, что достаточно часто возникают конфликтные ситуации, требующие принятия решений о приоритете выполнения операций с
учетом многих факторов конкретного периода. Такие решения, как правило, носят компромиссный характер, и их часто надо принимать в условиях дефицита необходимой информации.
УПРАВЛЕНИЕ РЕАЛИЗАЦИЕЙ ПЛАНА ПОЛЕТА
Разработанный, проверенный и утвержденный план реализуется за счет функционирования бортовых систем КА, а также за счет ряда работ, выполняемых экипажем. Для того чтобы инициировать их деятельность, на бортовые системы надо выдать команды и нужную программную информацию, а экипажу следует начать выполнять необходимые работы в соответствии с имеющимися у него инструкциями и указаниями ЦУП.
Источниками выдачи управляющих воздействий на бортовые системы могут быть наземный комплекс, бортовой автоматический комплекс и экипаж КА. Чтобы исключить возможность выдачи ими команд, противоречащих друг другу (ситуация лебедя, рака и щуки из известной басни), используются правила распределения функций между наземным комплексом управления, экипажем и бортовым комплексом, методики работы бортовых систем
Структура контура управления полетом космических аппаратов. ТМИ - телеметрическая информация.
в различных операциях, указания, содержащиеся в детальном плане и ра
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.