Путешествие в космос - Баллистика и навигация космических аппаратов

Баллистика и навигация космических аппаратов

ВВЕДЕНИЕ

Начало есть более чем половина всего.

Аристотель

Все, что происходит с нами, оставляет тот или иной след в нашей жизни.

И. Гёте

4 октября 1957 г. с запуском первого ИСЗ родилось новое направление в технике, связанное с созданием искусственных небесных тел — космических аппаратов (КА). Менее чем через 4 года — 12 февраля 1961 г. — в сторону Венеры отправилась первая советская автоматическая межпланетная станция (АМС) «Венера-1». В итоге она пролетела на расстоянии примерно 100 тыс. км от поверхности Венеры, но, учитывая уровень достоверности исходных данных, это оказалось выдающимся достижением космической техники. Прошло чуть более года и к Марсу направилась АМС «Марс-1». Но в промежутке между этими событиями, 12 апреля 1961 г., на орбиту ИСЗ был выведен первый космический аппарат с человеком на борту — гражданином СССР, космонавтом Юрием Гагариным. Сбылась многовековая, казалось, несбыточная мечта человечества. Начались регулярные полеты человека в космос.

21 июля 1969 г. произошло не менее выдающееся событие — американский астронавт Э. Олдрин впервые ступил на поверхность Луны.

В 1967 г. предпринята попытка посадить автоматический аппарат на поверхность Венеры. С этой целью советскими специалистами была запущена АМС «Венера-4». Но, как это случалось неоднократно в разных космических полетах, исходные данные по атмосфере планеты оказались не совсем достоверными и АМС была раздавлена плотной атмосферой Венеры. Лишь в августе 1970 г. АМС «Венера-7» достигла поверхности планеты, полностью решила поставленные задачи и позволила обнаружить много ранее неизвестного.

Еще дольше «добирались» до поверхности Марса. Лишь 20 июля 1976 г. американский КА «Викинг-1» осуществил успешную посадку на эту планету. И опять-таки был выявлен ряд новых явлений в атмосфере Марса, незнание которых в значительной степени препятствовало более раннему решению этой проблемы.

В марте 1986 г. произошло еще одно знаменательное событие: советские АМС «Вега-1» и «Вега-2», а также западноевропейский КА «Джотто» встретились с загадочной кометой Гал-лея, получив уникальные снимки и ряд принципиально новых данных о комете. Ниже, при обсуждении различных научных проблем об этом будет рассказано более подробно, а здесь отметим лишь, что использование ошибочных исходных данных при проектировании западноевропейского КА «Джотто» делало отот проект практически невыполнимым, обреченным на неудачу. Лишь квалифицированная и бескорыстная помощь советских специалистов, обеспечивших наведение КА «Джотто» на комету Галлея, позволили западноевропейским специалистам выполнить поставленную задачу.

И наконец, еще одна важная веха космонавтики: американский аппарат «Пионер-10», запущенный 3 марта 1972 г., через 15 лет полета пересек плоскость орбиты Плутона и направился за пределы Солнечной системы. В начале 2002 г. он находился на расстоянии около 12 млрд км от Земли, что вдвое больше, чем расстояние от Плутона до Земли.

«Пионер-10о — это первый созданный руками человека объект — посланец Земли, отправившийся в межзвездное путешествие. Через несколько миллионов (!) лет он достигнет точки Вселенной, где сейчас находится звезда Альдебаран в созвездии Тельца.

Разработка и запуск любого КА невозможны без совершенной теории космического полета, которая превратилась з конце XIX — начале XX в. в науку благодаря фундаментальным трудам великого русского ученого 1С. Э. Циолковского. Действительно, чтобы создать КА и послать его в полет, надо прежде всего знать его дорогу — траекторию* на участке выведения, в космическом пространстве, при спуске в атмосфере и т. п., а также условия этого полета. В результате решения этих задач определяется необходимый состав первоочередных исходных данных для разработки КА.

Ознакомление с многочисленными публикациями по теории движения КА выявляет большое разнообразие названий этого научного направления, используемых различными специалистами в нашей стране и за рубежом: механика космического полета, прикладная небесная механика, небесная баллистика, космическая баллистика, космодинамика, астродинамика, теория движения искусственных небесных тел и т. д. Все названия имеют практически один и тот же смысл, и для определенности следует остановиться на чаще употребляемом. В нашей стране наибольшее распространение получил термин космическая баллистика и даже просто Баллистика — это новый приклад-ной раздел небесной механики, который является одновременно разделом как теоретической механики, так и астрономии.

Как известно, небесная механика — раздел астрономии, изучающий движение любых небесных тел: естественных (Луна, Солнце, планеты, кометы и др.), искусственных (ИСЗ, пилотируемые КА, автоматические межпланетные станции и т. п.) На основе закона всемирного тяготения. Входя составной частью в классическую небесную механику, космическая баллистика пользуется многими ее методами, но все больше приобретает самостоятельное значение. Принципиальное их различие состоит в том, что последняя не просто констатирует и изучает естественные явления, а обеспечивает возможность формирования орбит КА и контроль их движения. Кроме того, в классической небесной механике учитываются исключительно силы взаимного притяжения небесных тел, а космическая баллистика занимается вопросами выбора, проектирования и реализации орбит под действием также и активных сил (например, создаваемых двигательными установками).

Практическое обеспечение сложных программ полета поставило перед космической баллистикой задачу быстрого получения результатов. В небесной механике построение теорий движения того или иного тела зачастую продолжается годами, и о решении задачи в часы и минуты речи практически не идет. В космической же баллистике малое время решения или, как говорят, оперативность решения, стало первоочередным условием, что потребовало разработки специальных алгоритмов и применения совершенной вычислительной техники.

В итоге можно утверждать, что космическая баллистика — это, по определению П. Е. Эльясберга, «активная инженерная наука», занимающаяся изучением и решением следующих основных задач:

► выбор орбит или траекторий КА (оптимальных или практически целесообразных) на всех этапах полета, включая спуск и посадку на поверхность Земли или планет;

► определение реализованных орбит КА;

► расчет управлений, изменяющих орбиту КА для достижения поставленных целей.

Только вторая из указанных задач в какой-то степени является общей для небесной механики и космической баллистики, поскольку уравнения пассивного полета КА принципиально не отличаются от уравнений движения естественных небесных тел. Однако используемые методы решения не одинаковы из-за различия в оперативности получения результата; кроме того, небесная механика имеет дело преимущественно с постоянными длительно существующими орбитами, тогда как орбиты КА сравнительно кратковременны, быстро мевяются. При этом зачастую приходится рассматривать множество вариантов орбит и выбирать из них наилучшие, что, естественно, требует проведения трудоемких вычислений с использованием быстродействующих ЭВМ.

Следует признать, однако, что термин «баллистика» недостаточно удачен и неудобен во взаимодействиях с зарубежными партнерами, которые предпочитают более содержательный термин «механика космического полета»*. Действительно, баллистикой традиционно называли теорию свободно брошенного тела. Она имеет слабое отношение к теории управляемого полета, каковым и является движение подавляющего большинства КА. Однако исторически сложилось так, что теорию движения КА в нашей стране разрабатывали именно баллистики, которые в напряженное время 50-х гг. XX в. (к тому же при отсутствии прямых контактов с зарубежными специалистами) не задумывались особенно над терминологией, а новую специфику учли определением «космическая». Данная ремарка основана наличных беседах одного из авторов с выдающимися отечественными ученым и-баллистиками профессорами П. Е. Эльясбергом и М. Д. Кисликом. Причем в дальнейшем эти специалисты сами не раз пытались сгладить эту «узаконенную» некорректность и указывали на новый более широкий смысл используемого термина.

Значительное место в обеспечении полета КА занимает космическая навигация. Существует несколько подходов к определению этого термина. Во всех случаях предполагается, что основной задачей навигации является определение координат и скорости КА по результатам измерений и их обработки. Вместе с тем многие специалисты вкладывают более щироквй смысл в этот термин, рассматривая космическую навигацию как обеспечение полета по траектории (орбите) с целью выполнения заданных условий. В этом случае, помимо указанной выше, требуется решать и ряд других, не менее важных задач, связанных с наведением КА:

► определение и прогнозирование фактической орбиты КА;

► оценка результатов прогноза с точки зрения выполнения целевой задачи;

► выполнение маневров, необходимых для неправленая ошибок траектории или поддержания заданной орбиты и т. д.

Сравнивая эти задачи с задачами космической баллистики, можно заметить много общего. Таким образом, космическая навигация, входя самостоятельной частью в состав космической баллистики, расширяет и дополняет ее. В силу этого указанные дисциплины, по крайней мере, нельзя противопоставлять. Более того, подавляющее большинство специалистов в последнее время рассматривают их совместно, вводя понятие «баллисти-ко-навигационное обеспечение», подчеркивая тем самым неразрывность этих терминов.

Построение учебника соответствует изложенным особенностям, понятиям и смыслу космической баллистики как науки. Йрежде всего обсуждаются обстановка и условия космического полета, выявляется состав сил, действующих на КА. Затем очень кратко рассматриваются методы классической небесной механики — возмущенное и невозмущенное движение, без понимания и звания которых невозможно изучение теории космического полета. Применение общих методов небесной механики хорошо иллюстрируется выбором траекторий межпланетных КА, когда на первом этапе исследований можно ограничиться учетом только сил тяготения Солнца, планет и их спутников.

После изучения общетеоретических вопросов орбитального движения рассматриваются основные задачи космической баллистики, начиная с определения и прогнозирования орбит КА. Специфика этих задач состоит в следующем. Если известны положение и скоррсть КА, то, используя методы небесной механики, в общем случае можно определить и его орбиту. Однако на практике эти данные известны с большими погрешностями или вообще неизвестны, но зато проводятся измерения, позволяющие контролировать орбиту КА. Определение орбиты КА по внешне-траекторным измерениям требует разработки специальных методов и приемов.

Учитывая огромное практическое значение спутниковых систем, в том числе навигационных, введен отсутствующий в первом издании раздел, посвященный баллистическому проектированию, анализу эволюции орбит СНС (в частности, космического сегмента системы ГЛОНАСС), методам решения навигационных задач и оценки точности навигационного обеспечения космических средств.

Подчеркнем, что при изложении данного материала, учитывая учебный характер издания, не ставится задача детального знакомства с конкретными СНС, будь то отечественная ГЛОНАСС или американская GPS «Навстар». Этому посвящены специализированные издания, а также значительное количество публикаций в специальной периодической литературе.

Особое место в космической баллистике занимают вопросы маневрирования в космическом пространстве и обеспечения движения в атмосфере Земли и планет, включая посадку на их поверхность. Это самостоятельные направления космонавтики, со всей наглядностью иллюстрирующие сегодняшние возможности человечества в организации космических полетов. Решение соответствующих задач потребовало разработки специальных методов исследования, учитывающих общие условия и специфические требования, исходящие из целей полета КА.

В последнем разделе учебника рассматриваются задачи практической организации полета конкретных КА, т. е. баллистике-навигационного обеспечения управления полетом. Очень кратко излагаются организационные принципы построения службы управления полетом и показывается место баллистиков в решении задач управления. Далее на конкретных примерах иллюстрируется специфика решения основных задач баллистического обеспечения, определяемая практически абсолютной достоверностью результатов, их высокой точностью и быстротой получения. Помимо этого приводятся алгоритмы решения ряда задач, напрямую не связанных с определением движения КА, но необходимых для организации разного рода экспериментов, выявления условий проведения различных операций на борту КА и во время его маневрирования и т. п.

Стоит подчеркнуть, что в годы подготовки первого издания учебника понятие «баллистико-навигационное обеспечение» (БНО) отнюдь не относилось к числу канонизированных и однозначно определенных. Даже многие профессионалы высокого уровня вкладывали в него разные понятия и различным образом расставляли акценты в постановке и решении входящих в БНО задач.

Кстати, и сейчас многие военные баллистики используют термин «навигационно-балдиетическое обеспечение» (НБО), отдавая приоритет навигационной компоненте как исходной при решении задач определения и прогнозирования вектора состояния КА по результатам измерений, используемых в качестве соответствующих начальных условий.

Поэтому включение соответствующего раздела в официальный учебник (впервые в практике написания учебной литературы) получило в те годы разноречивые оценки.

Признавая, что к настоящему времени БНО сформировалось как самостоятельное научное направление, отдельные специалисты, однако, спустя десятилетие после выхода учебника в свет продолжали считать, что все еще «отсутствует единый подход к определению предметной области БНО, его структуры и круга решаемых при этом задач».

В этих условиях авторы, несущие определенную ответственность за распространение и пропаганду соответствующего понятия, вынуждены были еще раз вернуться к предметной области БНО как самостоятельного научного раздела, расширив и уточнив его с позиций современных трактовок.

В заключение отметим, что при написании учебника авторы старались учесть общепринятые представления и тенденции, а также установившиеся понятия.

<<<Назад Страница 7 Далее>>>

WalkInSpace.Ru

Правила:

«Путешествие в космос» © 2024

Использование материалов допускается при условии указания авторства WalkInSpace.ru и активной ссылки на www.WalkInSpace.ru.

Используются технологии uCoz