Динамика отделения боковых блоков ракет-носителей типа "Союз" на пологих траекториях выведения

• Автор: Юдинцев, Вадим Вячеславович
• Шифр специальности: 05.07.09
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2003
• Место защиты: Самара
• Количество страниц: 127 с. : ил.

1. Пологие траектории выведения PH типа “Союз”

1.1 Дефицит массы полезного груза

1.2 Процесс отделения боковых блоков

1.3 Постановка задачи

2. Процедура моделирования динамики систем твердых тел с переменной структрурой

2.1 Уравнения движения твердых тел как система дифференциальноалгебраических уравнений
2.2 Матричная запись уравнений движения системы твердых тел в декартовых координатах

2.3 Уравнения связи

2.4 Удар в системах твердых тел

2.5 Совместное решение динамических уравнений и уравнений связи

2.6 Использование процедуры построения уравнений движения систем твердых тел

3. Модель отделения боковых блоков
3.1 Основные допущения, системы координат, исходные данные
3.2 Силы, действующие на тела механической системы
3.3 Уравнения движения
3.4 Оценка адекватности математической модели
4. Выбор параметров процесса отделения боковых блоков
4.1 Критерий безопасности процесса отделения боковых блоков
4.2 Влияние временных характеристик циклограммы процесса отделения на безударность отделения боковых блоков
4.3 Оценка безопасности отделения боковых блоков
Заключение
Библиографический список литературы
Приложение

Ракета-носитель (PH) “Союз” с начала своего создания и но настоящее время является основным российским средством доставки пилотируемых и грузовых космических аппаратов (КА) на околоземную орбиту. По мере усложнения КА увеличивалась их масса, что требовало увеличения и энергетических возможности PH. Поэтому в процессе эксплуатации проводились мероприятия по увеличению массы полезного груза (ПГ): облегчалась конструкция, использовалось более эффективное горючее. Существенный выигрыш в массе выводимого ПГ мог быть достигнут за счет использования траекторий выведения с меньшими гравитационными потерями, так называемыми пологими траекториями. Величина максимального скоростного напора на момент отделения боковых блоков (ББ) при использовании таких траекторий больше той величины, под которую изначально проектировалась система отделения ББ PH типа “Союз”, и поэтому потребовались дополнительные исследования процесса отделения ББ.
Актуальность работы обусловлена необходимостью увеличения массы полезного груза, выводимого при. помощи PH “Союз”, что требует исследования динамики отделения ББ с целью выбора параметров системы отделения, обеспечивающих безударное отделение ББ на пологих траекториях выведения.
Целью работы является совершенствование динамики процесса отделения ББ PH типа "Союз’’ на пологих траекториях выведения. Для достижения поставленной цели необходимо разработать алгоритм формирования уравнений движения систем твердых тел переменной структуры, необходимый для построения математической модели процесса отделения ББ PH типа “Союз”; оценить адекватность модели реальной физической системе; выбрать параметры системы отделения, обеспечивающих безударное отделение ББ.
Новизна работы заключается, во-первых, в предложенном алгоритме получения уравнений движения системы твердых тел переменной структуры в форме, удобной для решения на ЭВМ. Во-вторых, построена математическая модель процесса отделения ББ PH типа “Союз” и проведена оценка ее адекватности реальной системе. В-третьих, с использованием введенного критерия, характеризующего безопасность процесса отделения ББ, решена задача определения параметров циклограммы работы системы отделения ББ, обеспечивающих безударное отделение ББ на пологих траекториях выведения.
Практическая ценность работы определяется тем, что ее результаты, позволив увеличить величину предельно допустимого скоростного напора и использовать более выгодные траектории выведения ПГ, обеспечили увеличение его массы на 120 килограмм. Результаты настоящей работы позволяют проводить моделирование процесса отделения ББ PH типа “Союз” (“Аврора”, “Союз-2”, “Союз-ФГ”). Разработанную процедуру получения уравнений движения систем твердых тел можно использовать при построении моделей других систем отделения и функционирования подвижных элементов конструкции РКТ.
Основные положения работы, научные и практические результаты докладывались на XV конференции молодых специалистов (г. Москва, 1999 г.); IX и X Всероссийских научно-технических семинарах по управлению движением и навигации летательных аппаратов (г. Самара. 1999 и 2001 гг.); Первых Уткинских чтениях (г. Санкт-Петербург, 2002 г.); отчетной конференции-выставке подпрограммы 205 “Транспорт” научно-технической программы Минобразования РФ “Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники” (г. Москва, февраль 2002г.). Результаты исследований опубликованы в 6 печатных работах.
В первой главе приведены состав и порядок функционирования системы отделения ББ PH типа “Союз”. Рассмотрены пути увеличения

(Щ) или, учитывая ее симметричность, на нижнюю треугольную Ь и диагональную О (ГШ/) /14/, не будет возникать дополнительных ненулевых элементов и, таким образом, структура нижних треугольных матриц Ь будет повторять структуру матрицы Н /46/.
С точки зрения структуры механической системы незамкнутость графа означает, что тела механической системы также не образуют замкнутых цепочек. Рассматриваемая механическая система центральный блок с боковыми блоками относится к системам с незамкнутой цепью.
Тела механической системы, представленной на рис. 2.5, (1...6) и связи (7...11) пронумерованы произвольно. Матрица Н рассматриваемой механической системы; имеет структуру, представленную на рис. 2.7, темные клетки - ненулевые элементы матрицы (черные - элементы матрицы масс М, серые - элементы матрицы связей К). Из структуры матрицы (рис. 2.7) следует, что при выполнении разложения матрицы Н на множители, например, методом Гаусса (Ш) будут появляться дополнительные ненулевые элементы. Обнуление, например, поддиагональных элементов матрицы Н, выделенных серым цветом, будет приводить к тому, что в нижнем углу матрицы будут появляться новые ненулевые элементы, обнуление которых потребует дополнительных вычислительных затрат. Чтобы исключить появление ненулевых элементов, необходимо перераспределить элементы матрицы Н следующим образом. Граф матрицы Н состоит из N+/=11 вершин (шесть тел + пять связей). Примем одну из вершин, например, вершину, соответствующую телу б, за корень дерева, задавая, таким образом, в графе отношение “потомок-родитель”, и, следовательно, рассматривая граф как ориентированное дерево. Присвоим этой вершине индекс N+/=11. Далее пронумеруем все остальные вершины так, чтобы номер любой родительской вершины был больше номера любого потомка этой