RU2575556C2 - Control over spacecraft at orbiting of artificial satellite orbit - Google Patents

Control over spacecraft at orbiting of artificial satellite orbit Download PDF

Info

Publication number
RU2575556C2
RU2575556C2 RU2014105471/11A RU2014105471A RU2575556C2 RU 2575556 C2 RU2575556 C2 RU 2575556C2 RU 2014105471/11 A RU2014105471/11 A RU 2014105471/11A RU 2014105471 A RU2014105471 A RU 2014105471A RU 2575556 C2 RU2575556 C2 RU 2575556C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
spacecraft
atmosphere
angle
velocity vector
velocity
Prior art date
Application number
RU2014105471/11A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2014105471A (en
Inventor
Виктор Михайлович Иванов
Николай Леонидович Соколов
Юрий Александрович Карцев
Ирина Александровна Селезнева
Original Assignee
Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный научно-исследовательский институт машиностроения" (ФГУП ЦНИИмаш)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный научно-исследовательский институт машиностроения" (ФГУП ЦНИИмаш) filed Critical Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный научно-исследовательский институт машиностроения" (ФГУП ЦНИИмаш)
Priority to RU2014105471/11A priority Critical patent/RU2575556C2/en
Publication of RU2014105471A publication Critical patent/RU2014105471A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2575556C2 publication Critical patent/RU2575556C2/en

Links

Images

Abstract

FIELD: aircraft engineering.
SUBSTANCE: invention relates to the control over the spacecraft, mainly, at the orbiting path atmospheric section. Claimed process comprises the online by onboard means of the altitude of the path pericentre immediately after the spacecraft re-entry. Then, the reactive correction of said path nearby the entry corridor lower boundary is performed. At skipping, the optimum control programs are operated for control over aerodynamic forces before spacecraft exit from atmosphere. Note here that the spacecraft flight nearby said entry corridor lower boundary can be performed in more rarefied atmosphere layers to ensure the higher speed at the transition orbit apocentre. At said apocentre the spacecraft receives the extra acceleration pulse to generate the preset orbit of the planet artificial satellite.
EFFECT: higher efficiency of control, decreased consumption of fuel.
2 dwg

Description

Изобретение относится к космонавтике, в частности к области выведения космического аппарата (КА) на орбиту искусственного спутника планеты (ИСП) с использованием предварительного аэродинамического торможения в атмосфере.The invention relates to astronautics, in particular to the field of launching a spacecraft (SC) into orbit of an artificial planetary satellite (ISP) using preliminary aerodynamic drag in the atmosphere.

Известен ряд способов выведения КА на орбиты ИСП. Так, в работе Эйсмонта Н.А. «Оптимальное управление космическим аппаратом, переводимым с гиперболической траектории на орбиту спутника планеты торможением в атмосфере», Космические исследования, 1972, т. 10, вып. 2, стр. 290-292 - [1] описан ракетодинамический способ формирования спутниковых орбит, где осуществляется перевод КА с гиперболической подлетной траектории к планете на орбиту ИСП за счет гашения кинетической энергии КА путем управления двигательными установками большой тяги. Основным недостатком этого способа является чрезвычайно большие затраты топлива.A number of methods are known for launching spacecraft into ICP orbits. So, in the work of Eismont N.A. “Optimal control of a spacecraft transferred from a hyperbolic trajectory to the orbit of a planetary satellite by braking in the atmosphere”, Space Research, 1972, v. 10, no. 2, pp. 290-292 - [1] describes the rocket-dynamic method of forming satellite orbits, where the spacecraft is transferred from a hyperbolic approach path to the planet into ICP orbit by damping the kinetic energy of the spacecraft by controlling high-thrust propulsion systems. The main disadvantage of this method is the extremely high fuel consumption.

Способ управления КА при его выведении на орбиту ИСП с использованием предварительного аэродинамического торможения в атмосфере с последующей подачей разгонного импульса в апоцентре переходной орбиты описан в работе - Иванов Н.М., Мартынов А.И. «Управление движением космического аппарата в атмосфере Марса». М.: «Наука», 1977, стр. 357-360 - [2]. Указанный способ заключается в управлении КА на атмосферном участке путем переключения эффективного аэродинамического качества Kэф=Kбcosγ с одного граничного значения на другое (γ - угол крена, Kб - балансировочное аэродинамическое качество, установленное на заданном постоянном угле атаки). Моменты переключений эффективного аэродинамического качества определяются из условия обеспечения максимума скорости КА в апоцентре переходной орбиты. Этот способ позволяет сократить затраты топлива, потребные на формирование заданной орбиты.The method of controlling the spacecraft during its launch into ICP orbit using preliminary aerodynamic drag in the atmosphere followed by an acceleration pulse in the apocenter of the transitional orbit is described in the work - Ivanov N.M., Martynov A.I. "Control of the motion of a spacecraft in the atmosphere of Mars." M .: "Science", 1977, pp. 357-360 - [2]. The indicated method consists in controlling the spacecraft in the atmospheric section by switching the effective aerodynamic quality K eff = K b cosγ from one boundary value to another (γ is the angle of heel, K b is the balancing aerodynamic quality set at a given constant angle of attack). The switching moments of effective aerodynamic quality are determined from the condition of ensuring the maximum speed of the spacecraft in the apocenter of the transitional orbit. This method allows to reduce the fuel costs required for the formation of a given orbit.

Недостатком данного способа является низкая эффективность предварительного аэродинамического торможения в атмосфере планеты в связи с управлением КА только за счет изменения угла крена γ. Вместе с тем, введение дополнительного управляющего параметра - угла атаки α, позволяет уменьшить потребные расходы топлива на формирование заданных орбит ИСП.The disadvantage of this method is the low efficiency of preliminary aerodynamic drag in the atmosphere of the planet in connection with the control of the spacecraft only by changing the angle of heel γ. At the same time, the introduction of an additional control parameter - the angle of attack α, allows to reduce the required fuel consumption for the formation of the specified ICP orbits.

В работе Иванова В.М., Соколова Н.Л. и др., «Optimal control of spacecraft during the ascent of Mars artificial satellite». 63nd International Astronautical Congress, Naples, Italy, 2012, № IAC-12,A3,3A,18.p1,x13148 - [3] описан способ выведения КА на орбиту ИСП, где управление аппаратом на участке аэродинамического торможения осуществляется путем совместного изменения углов крена и атаки. Показано наличие выигрыша в массе топлива по сравнению со способом, предусматривающим однопараметрическое управление КА углом крена. При этом была выявлена общая закономерность, характерная для широкого диапазона изменения исходных данных и граничных условий полета. Она заключается в том, что при входе КА в атмосферу вблизи нижней границы коридора расход топлива в несколько раз превосходит расход, соответствующий входу КА в атмосферу на 65-75% коридора входа, отсчитываемого от его верхней границы. Такая особенность позволяет сделать вывод о существенном недостатке рассматриваемого способа, заключающемся в значительном перерасходе массы топлива в случаях входа КА в атмосферу вблизи нижней границы коридора и существовании резервов для снижения потребных энергозатрат.In the work of Ivanov V.M., Sokolova N.L. et al., "Optimal control of spacecraft during the ascent of Mars artificial satellite." 63nd International Astronautical Congress, Naples, Italy, 2012, No. IAC-12, A3,3A, 18.p1, x13148 - [3] describes a method for launching a spacecraft into orbit of an ICP, where the device is controlled in the area of aerodynamic braking by changing angle of heel and attacks. It is shown that there is a gain in the mass of fuel compared to the method that provides for one-parameter control of the spacecraft by the roll angle. At the same time, a general pattern was revealed that is characteristic of a wide range of changes in the initial data and boundary flight conditions. It consists in the fact that when the spacecraft enters the atmosphere near the lower boundary of the corridor, the fuel consumption several times exceeds the consumption corresponding to the spacecraft's entry into the atmosphere by 65-75% of the entrance corridor, measured from its upper boundary. This feature allows us to conclude that there is a significant drawback of the considered method, which consists in a significant overspending of the mass of fuel in cases of spacecraft entering the atmosphere near the lower boundary of the corridor and the existence of reserves to reduce the required energy consumption.

Наиболее близким по совокупности существующих признаков и достигаемому результату (прототипом) к заявленному изобретению является способ перевода космического аппарата на орбиту ИСП, предусматривающий подачу импульса характеристической скорости в плоскости полета космического аппарата под углом около 90°, отсчитываемым от вектора скорости космического аппарата против часовой стрелки в направлении от планеты, при входе КА в атмосферу вблизи нижней границы коридора, а также управление аэродинамическими силами на участке движения в атмосфере с последующим разгоном космического аппарата в апогее переходной орбиты. Указанный известный способ описан в книге - Иванов Н.М., Мартынов А.И. «Движение космических летательных аппаратов в атмосферах планет». М.: «Наука», 1985, стр. 347-364 - [4]. За счет движения КА в более разреженных слоях атмосферы, осуществляемого после проведения коррекции траектории полета, скорость КА гасится слабее и обеспечивается уменьшение расхода топлива на формирование конечных орбит. В рамках данного способа предполагается, что основным признаком движения КА вблизи нижней границы коридора входа является высокая интенсивность возрастания кажущейся скорости после входа космического аппарата в атмосферу. В этом случае подается импульс характеристической скорости в плоскости полета космического аппарата под углом около 90°, отсчитываемым от вектора скорости космического аппарата против часовой стрелки в направлении от планеты, через 20-40 секунд после входа КА в атмосферу. Показано, что теоретически такой способ управления при проведении оптимальных коррекций траекторий движения КА при его входе в атмосферу вблизи нижней границы коридора входа позволяет обеспечить снижение массы топлива в 1,5-2 раза по сравнению со способом, не предусматривающим подачу корректирующего импульса в атмосфере.The closest in the totality of existing signs and the achieved result (prototype) to the claimed invention is a method of transferring a spacecraft into ICP orbit, which provides for the impulse of the characteristic velocity in the plane of flight of the spacecraft at an angle of about 90 °, counted from the velocity vector of the spacecraft counterclockwise in direction from the planet, when the spacecraft enters the atmosphere near the lower boundary of the corridor, as well as the control of aerodynamic forces in the area of movement at the sphere, followed by the acceleration of the spacecraft at the peak of the transitional orbit. The specified known method is described in the book - Ivanov N.M., Martynov A.I. "The movement of spacecraft in the atmospheres of planets." M .: "Science", 1985, p. 347-364 - [4]. Due to the motion of the spacecraft in the more rarefied layers of the atmosphere, carried out after the correction of the flight path, the speed of the spacecraft is damped weaker and the fuel consumption for the formation of final orbits is reduced. In the framework of this method, it is assumed that the main sign of spacecraft motion near the lower boundary of the entrance corridor is the high intensity of the increase in apparent velocity after the spacecraft enters the atmosphere. In this case, the impulse of the characteristic speed is applied in the plane of flight of the spacecraft at an angle of about 90 °, measured from the velocity vector of the spacecraft counterclockwise in the direction from the planet, 20-40 seconds after the spacecraft enters the atmosphere. It is shown that theoretically such a control method during optimal corrections of the trajectories of the spacecraft motion when it enters the atmosphere near the lower boundary of the inlet corridor allows to reduce fuel mass by 1.5-2 times in comparison with the method that does not provide for the supply of a correction pulse in the atmosphere.

Вместе с тем, анализ операций управления КА при реализации данного способа позволяет выявить ряд недостатков. Во-первых, высокая интенсивность роста кажущейся скорости может быть не только признаком движения КА вблизи нижней границы коридора входа, но и возникать в связи с возможным разбросом плотности атмосферы планет в сторону наиболее плотных моделей атмосферы. Так, например, плотности атмосферы Юпитера для «холодной» и «теплой» моделей отличаются на 2-3 порядка [4, стр. 23]. Ошибки в диагностировании причин интенсивного роста кажущейся скорости могут привести к принятию некорректного решения о необходимости проведения коррекций движения КА в атмосфере: подача импульса характеристической скорости в большей части коридора входа (65-75% от общей ширины коридора) может привести к дополнительному перерасходу топлива, а при движении КА вблизи верхней границы коридора - к невозможности выведения КА на заданную орбиту и к срыву программы полета. Во-вторых, в способе-прототипе предполагается проведение коррекций траекторий движения через 20-40 секунд после входа КА в атмосферу, например, при входе в атмосферу Юпитера через 21 секунду. Несмотря на то, что за это время скорость движения КА меняется мало, высота полета снижается примерно в два раза. В результате КА подвергается избыточному аэродинамическому торможению и, как следствие, к снижению скорости вылета аппарата из атмосферы. Вместе с тем, за указанное время (20-40 секунд после входа КА в атмосферу) может быть успешно решена задача автономного определения положения КА внутри коридора входа в атмосферу за счет использования бортовых алгоритмов прогнозирования параметров движения аппарата на оставшихся участках и обоснована необходимость (или ее отсутствие) проведения коррекции движения КА. В третьих, в способе-прототипе предусматривается подача импульса характеристической скорости, величина которого не зависит от высоты условного перицентра траектории входа. Вместе с тем, характер зависимости потребных энергозатрат ΔV от высоты условного перецентра траектории входа показывает чрезвычайно интенсивный рост ΔV при приближении hπ к нижней границе коридора

Figure 00000001
. Это обстоятельство дает основание предполагать, что значительным резервом снижения суммарных затрат топлива на формирование спутниковых орбит является выбор и отработка рациональных значений корректирующих импульсов характеристической скорости, зависящих от высот условного перицентра траекторий входа. При этом в ряде случаев представляется энергетически эффективным последовательно подавать в атмосфере несколько корректирующих импульсов характеристической скорости различной величины.At the same time, the analysis of spacecraft control operations during the implementation of this method reveals a number of disadvantages. First, a high rate of increase in apparent velocity can be not only a sign of spacecraft movement near the lower boundary of the entrance corridor, but also arise in connection with a possible spread of planetary atmosphere density towards the densest atmospheric models. So, for example, the atmospheric densities of Jupiter for the “cold” and “warm” models differ by 2-3 orders of magnitude [4, p. 23]. Errors in diagnosing the reasons for the intense increase in apparent speed can lead to an incorrect decision about the need for spacecraft motion corrections in the atmosphere: the impulse of the characteristic speed in most of the entrance corridor (65-75% of the total width of the corridor) can lead to additional fuel overruns, and when the spacecraft moves near the upper boundary of the corridor - to the impossibility of launching the spacecraft into a given orbit and to the disruption of the flight program. Secondly, in the prototype method, it is assumed that the motion paths are corrected 20-40 seconds after the spacecraft enters the atmosphere, for example, when Jupiter enters the atmosphere after 21 seconds. Despite the fact that during this time the speed of the spacecraft changes little, the flight altitude decreases by about half. As a result, the spacecraft is subjected to excessive aerodynamic drag and, as a result, to a decrease in the speed of flight of the vehicle from the atmosphere. At the same time, for the indicated time (20-40 seconds after the spacecraft’s entry into the atmosphere), the problem of autonomous determination of the spacecraft’s position inside the atmosphere’s entry corridor can be successfully solved by using on-board algorithms for predicting the vehicle’s motion parameters in the remaining areas and the need (or absence) spacecraft motion correction. Thirdly, in the prototype method, a pulse of characteristic speed is provided, the value of which does not depend on the height of the conditional pericenter of the input path. At the same time, the nature of the dependence of the required energy consumption ΔV on the height of the conditional re-center of the entry path shows an extremely intense increase in ΔV as h π approaches the lower boundary of the corridor
Figure 00000001
. This circumstance suggests that a significant reserve for reducing the total fuel consumption for the formation of satellite orbits is the selection and development of rational values of the correcting impulses of the characteristic speed, which depend on the heights of the conditional pericenter of the input paths. Moreover, in a number of cases, it seems energetically efficient to consistently deliver several corrective impulses of characteristic velocity of various sizes in the atmosphere.

Сущность изобретения заключается в предварительном определении положения высоты условного перицентра траектории входа космического аппарата в атмосферу внутри заданного физически реализуемого коридора. Это достигается путем определения сразу после входа космического аппарата в атмосферу в i-е (i=1, 2, 3…) моменты времени значений скорости движения космического аппарата Vi, угла наклона вектора скорости к местному горизонту θi, радиуса-вектора ri, плотности атмосферы ρi и прогнозирования на их основе значений скоростей Vk и углов наклона вектора скорости к местному горизонту θk на момент вылета космического аппарата из атмосферы, а также его скоростей в апоцентре переходной орбиты Vα при движении на участке аэродинамического торможения с нулевым углом крена и углом атаки α*, соответствующим максимальному значению аэродинамического качества.The essence of the invention lies in the preliminary determination of the height of the conditional pericenter of the trajectory of the spacecraft entering the atmosphere inside a given physically feasible corridor. This is achieved by determining immediately after the spacecraft enters the atmosphere at the i-th (i = 1, 2, 3 ...) time instants of the velocity of the spacecraft V i , the angle of inclination of the velocity vector to the local horizon θ i , and the radius vector r i , atmospheric density ρ i and predicting on their basis the values of velocities V k and the angles of inclination of the velocity vector to the local horizon θ k at the time of the spacecraft’s departure from the atmosphere, as well as its velocities in the apocenter of the transitional orbit V α when moving in the aerodynamic drag section from n the angle of heel and the angle of attack α * corresponding to the maximum value of aerodynamic quality.

Также сущность заявленного способа управления космическим аппаратом при его выведении на орбиту искусственного спутника планеты заключается в подлете космического аппарата к планете в заданном коридоре входа в атмосферу, в определении в i-е, где i=1, 2,…, N, моменты времени параметров движения космического аппарата, а именно его скорости - Vi, угла наклона вектора скорости космического аппарата к местному горизонту θi, радиуса-вектора ri и плотности атмосферы ρi, в обеспечении входа космического аппарата в атмосферу с величиной угла крена γ около 0 рад и значением угла атаки космического аппарата около α*, соответствующим максимальной величине аэродинамического качества, в подаче импульса характеристической скорости в плоскости полета космического аппарата под углом около 90°, отсчитываемым от вектора скорости космического аппарата против часовой стрелки в направлении от планеты, при его входе в атмосферу вблизи нижней границы коридора входа, в управлении космическим аппаратом по углам крена γ и атаки α до вылета из атмосферы, при этом в i-е, где i=1, 2,…, N, моменты времени для заданного положительного приращения угла наклона вектора скорости к местному горизонту δθ≤0,1° определяют значения импульса характеристической скорости в плоскости полета космического аппарата под углом около 90°, отсчитываемым от вектора скорости космического аппарата против часовой стрелки в направлении от планеты, приложение которого обеспечивает увеличение угла θi на величину δθ; для каждого из двух положений космического аппарата, характеризующихся известными значениями параметров его движения S1i={Vi, θi, ri, ρi} и S2i={Vi, θi+δθ, ri, ρi} прогнозируют значения скоростей Vк(S1i) и Vк(S2i), углов наклона вектора скорости к местному горизонту θк(S1i) и θк(S2i) на момент вылета космического аппарата из атмосферы и скоростей космического аппарата в апоцентре переходной орбиты Vα(S1i) и Vα(S2i) при движении на оставшихся участках полета в атмосфере с нулевым углом крена и углом атаки, равным α* в соответствии с математическими зависимостями:Also, the essence of the claimed method of controlling a spacecraft when it is put into orbit of an artificial satellite of the planet lies in the approach of the spacecraft to the planet in a given corridor of entry into the atmosphere, in the definition in i, where i = 1, 2, ..., N, time points of parameters the motion of the spacecraft, namely its speed - V i , the angle of inclination of the spacecraft's velocity vector to the local horizon θ i , the radius vector r i and the atmospheric density ρ i , in ensuring the spacecraft enters the atmosphere with a roll angle γ about 0 rad and the value of the angle of attack of the spacecraft about α * , corresponding to the maximum value of aerodynamic quality, in the impulse of the characteristic velocity in the plane of flight of the spacecraft at an angle of about 90 °, counted from the velocity vector of the spacecraft counterclockwise in the direction from the planet, at its entry into the atmosphere near the lower boundary of the entry corridor, in controlling the spacecraft at the angles of heel γ and attack α before departure from the atmosphere, and at the ith, where i = 1, 2, ..., N, time instants for of a given positive increment of the angle of inclination of the velocity vector to the local horizon δθ≤0.1 ° determine the values of the impulse of the characteristic velocity in the flight plane of the spacecraft at an angle of about 90 °, counted from the velocity vector of the spacecraft counterclockwise in the direction from the planet, the application of which provides an increase angle θ i by δθ; for each of the two positions of the spacecraft characterized by known values of its motion parameters S 1i = {V i , θ i , r i , ρ i } and S 2i = {V i , θ i + δθ, r i , ρ i } predict the values of the velocities V k (S 1i ) and V k (S 2i ), the angles of inclination of the velocity vector to the local horizon θ k (S 1i ) and θ k (S 2i ) at the time of the spacecraft’s departure from the atmosphere and the speeds of the spacecraft in the transition apocenter the orbits V α (S 1i ) and V α (S 2i ) when moving on the remaining flight sections in the atmosphere with a zero roll angle and an angle of attack equal to α * in accordance with mathematical their dependencies:

Vk(S1i)=exp[-zk(S1i )], Vk(S2i)=exp[-zk(S2i)],Vk(S1i) = exp [-zk(S1i)],  Vk(S2i) = exp [-zk(S2i)],

Figure 00000002
Figure 00000002

Figure 00000003
Figure 00000003

Figure 00000004
Figure 00000005
Figure 00000004
Figure 00000005

Figure 00000006
Figure 00000006

Figure 00000007
Figure 00000007

Figure 00000008
Figure 00000009
Figure 00000008
Figure 00000009

Figure 00000010
Figure 00000011
Figure 00000010
Figure 00000011

Figure 00000012
Figure 00000013
Figure 00000012
Figure 00000013

Figure 00000014
Figure 00000015
Figure 00000014
Figure 00000015

где - m - масса космического аппарата;where - m is the mass of the spacecraft;

Vi - текущее значение скорости космического аппарата в моменты времени ti V i - the current value of the speed of the spacecraft at time t i

θi - текущее значение угла наклона вектора скорости к местному горизонту в моменты ti;θ i is the current value of the angle of inclination of the velocity vector to the local horizon at moments t i ;

ri - текущее значение радиуса-вектора в момент времени ti;r i is the current value of the radius vector at time t i ;

ρi - текущее значение плотности атмосферы в моменты времени ti ρ i - the current value of the density of the atmosphere at time t i

i=0, 1, 2…N;i = 0, 1, 2 ... N;

g - ускорение свободного падения;g is the acceleration of gravity;

R - радиус планеты;R is the radius of the planet;

µ - гравитационный параметр планеты;µ is the gravitational parameter of the planet;

β - логарифмический коэффициент изменения плотности атмосферы от высоты;β is the logarithmic coefficient of change in the density of the atmosphere from height;

Cx - аэродинамический коэффициент лобового сопротивления космического аппарата;C x - aerodynamic drag coefficient of the spacecraft;

Сγ - аэродинамический коэффициент подъемной силы космического аппарата;With γ - aerodynamic coefficient of lift of the spacecraft;

S - площадь миделева сечения космического аппарата;S is the area of the mid-section of the spacecraft;

α - угол атаки космического аппарата;α is the angle of attack of the spacecraft;

ρp - значение плотности атмосферы в момент рикошета космического аппарата;ρ p is the value of the density of the atmosphere at the time of the rebound of the spacecraft;

zp - значение переменной z в момент рикошета космического аппарата;z p is the value of the variable z at the time of the rebound of the spacecraft;

S1i - положение космического аппарата в момент времени ti,S 1i is the position of the spacecraft at time t i ,

характеризующееся скоростью полета Vi, углом наклона вектора скорости к местному горизонту θi, радиусом-вектором ri, плотностью атмосферы ρi;characterized by the flight speed V i , the angle of inclination of the velocity vector to the local horizon θ i , the radius vector r i , the density of the atmosphere ρ i ;

S2i - положение космического аппарата в момент времени ti,S 2i is the position of the spacecraft at time t i ,

характеризующееся скоростью полета Vi, углом наклона вектора скорости к местному горизонту θi+δθ, радиусом-вектором ri, плотностью атмосферы ρi;characterized by the flight speed V i , the angle of inclination of the velocity vector to the local horizon θ i + δθ, the radius vector r i , the density of the atmosphere ρ i ;

δθ - приращение угла наклона вектора скорости к местному горизонту, образующееся при подаче корректирующего импульса характеристической скорости;δθ is the increment of the angle of inclination of the velocity vector to the local horizon, which is formed when a corrective impulse of the characteristic velocity is applied;

Px - приведенная нагрузка на лобовую поверхность космического аппарата;P x - reduced load on the frontal surface of the spacecraft;

K - аэродинамическое качество космического аппарата;K is the aerodynamic quality of the spacecraft;

Vk - скорость полета космического аппарата в момент вылета из атмосферы;V k - the speed of the spacecraft at the time of departure from the atmosphere;

rk - радиус-вектор космического аппарата в момент вылета из атмосферы;r k is the radius vector of the spacecraft at the time of departure from the atmosphere;

θk - угол наклона вектора скорости к местному горизонту в момент вылета космического аппарата из атмосферы;θ k is the angle of inclination of the velocity vector to the local horizon at the time of the departure of the spacecraft from the atmosphere;

Vα - скорость космического аппарата в апоцентре переходной орбиты,V α - the speed of the spacecraft in the apocenter of the transitional orbit,

вычисляют разницу между изменением скорости космического аппарата в апоцентре переходной орбиты и величиной импульса характеристической скорости, обеспечивающего увеличение угла наклона вектора скорости к местному горизонту на величину δθ в соответствии с формулойcalculate the difference between the change in the speed of the spacecraft in the apocenter of the transitional orbit and the magnitude of the impulse of the characteristic velocity, providing an increase in the angle of inclination of the velocity vector to the local horizon by δθ in accordance with the formula

δVi=Vα(S2i)-Vα(S1i)-ΔVi,δV i = V α (S 2i ) -V α (S 1i ) -ΔV i ,

и при выполнении условия δVi>0 подают импульс характеристической скорости величиной ΔVi; начиная с момента времени, когда величина δVi будет меньше нуля, осуществляют управление космическим аппаратом без проведения ракетодинамических коррекций траекторий движения до вылета космического аппарата из атмосферы только путем изменения углов крена и атаки.and when the condition δV i > 0 is fulfilled, an impulse of the characteristic speed of ΔV i is applied; starting from the point in time when δV i is less than zero, the spacecraft is controlled without rocket dynamic corrections of the motion paths until the spacecraft takes off from the atmosphere only by changing the angle of heel and attack.

Учитывая характер зависимостей потребных энергетических затрат ΔV от высоты условного перицентра траектории входа hπ (см. рис. 10.2 на стр. 289 и рис. 10.12 на стр. 314 в работе [4]) и давая малые приращения углу наклона вектора скорости к местному горизонту δθ≤0,1° (что согласно решению кеплеровских уравнений однозначно соответствует приращению высоты условного перицентра δhπ,), можно определить положение высоты hπ внутри коридора входа космического аппарата в атмосферу. Принципиальным фактором является сравнение скоростей движения аппарата в апоцентре переходной орбиты Vα при двух положениях КА на начальном участке полета в атмосфере: при положении, обозначенном S1i и характеризующимся известными параметрами движения (скоростью аппарата Vi, углом наклона вектора скорости к местному горизонту θi, радиусом-вектором ri и плотностью атмосферы ρi) и при положении, обозначенном S2i, отличающимся от положения S1i значением угла наклона вектора скорости к местному горизонту, увеличенным на малую величину δθ≤0,1°:θ=θi+δθ. Малое изменение скорости Vα(S2i)относительно Vα(S1i) при приращении δθ (или δhπ) свидетельствует о входе аппарата в атмосферу с высотами hπ, значительно удаленными от нижней границы коридора входа

Figure 00000016
: в этих случаях проводить коррекцию движения космического аппарата не требуется. В случаях значительного увеличения скорости Vα(S2i) по сравнению с Vα(S1i) (или снижения потребных энергетических затрат ΔV) при положительной вариации угла δθ (или δhπ) следует вывод о входе космического аппарата в атмосферу вблизи нижней границы коридора и энергетической целесообразности проведения ракетодинамической коррекции траектории движения для обеспечения полета космического аппарата в более разреженных слоях атмосферы.Given the nature of the dependences of the required energy costs ΔV on the height of the conditional pericenter of the input path h π (see Fig. 10.2 on page 289 and Fig. 10.12 on page 314 in [4]) and giving small increments to the angle of inclination of the velocity vector to the local horizon δθ≤0.1 ° (which according to the solution of the Kepler equations uniquely corresponds to the increment of the height of the conditional pericenter δh π ,), we can determine the position of the height h π inside the corridor of the spacecraft entering the atmosphere. The principal factor is the comparison of the speeds of the vehicle in the apocenter of the transitional orbit V α at two positions of the spacecraft in the initial portion of the flight in the atmosphere: at the position indicated by S 1i and characterized by well-known motion parameters (speed of the vehicle V i , angle of inclination of the velocity vector to the local horizon θ i , by the radius vector r i and the atmospheric density ρ i ) and at the position indicated by S 2i different from the position S 1i by the value of the angle of inclination of the velocity vector to the local horizon, increased by a small amount δθ≤0, 1 °: θ = θ i + δθ. A small change in the velocity V α (S 2i ) relative to V α (S 1i ) with an increment of δθ (or δh π ) indicates the apparatus enters the atmosphere with heights h π far from the lower boundary of the entrance corridor
Figure 00000016
: in these cases, the correction of the motion of the spacecraft is not required. In cases of a significant increase in the velocity V α (S 2i ) compared to V α (S 1i ) (or a decrease in the required energy consumption ΔV) with a positive variation of the angle δθ (or δh π ), a conclusion should be made about the spacecraft entering the atmosphere near the lower boundary of the corridor and the energy feasibility of conducting rocket dynamic correction of the trajectory of motion to ensure the flight of the spacecraft in more rarefied layers of the atmosphere.

Для расчета значений скорости Vk и угла наклона вектора скорости к местному горизонту θk на момент вылета КА из атмосферы, соответствующих положениям S1i и S2i, a также скоростей КА в апоцентре переходной орбиты Vα(S1i) и Vα(S2i) использовались математические зависимости, разработанные, обоснованные и приведенные в приложении к данной заявке:To calculate the values of the velocity V k and the angle of inclination of the velocity vector to the local horizon θ k at the time of the spacecraft departure from the atmosphere, corresponding to the positions S 1i and S 2i , as well as the spacecraft velocities in the apocenter of the transitional orbit V α (S 1i ) and V α (S 2i ) used mathematical dependencies developed, justified and given in the appendix to this application:

Vk(S1i)=exp[-zk(S1i)], Vk(S2i)=exp[-zk(S2i)],V k (S 1i ) = exp [-z k (S 1i )], V k (S 2i ) = exp [-z k (S 2i )],

Figure 00000017
Figure 00000017

Figure 00000018
Figure 00000018

Figure 00000019
Figure 00000020
Figure 00000019
Figure 00000020

Figure 00000021
Figure 00000021

Figure 00000022
Figure 00000022

Figure 00000023
Figure 00000024
Figure 00000023
Figure 00000024

Figure 00000025
Figure 00000026
Figure 00000025
Figure 00000026

Figure 00000027
Figure 00000028
Figure 00000027
Figure 00000028

Figure 00000029
Figure 00000030
Figure 00000029
Figure 00000030

где m - масса космического аппарата;where m is the mass of the spacecraft;

Vi - текущее значение скорости космического аппарата в моменты ti;V i - the current value of the speed of the spacecraft at moments t i ;

θi - текущее значение угла наклона вектора скорости КА к местному горизонту в моменты ti;θ i is the current value of the angle of inclination of the spacecraft velocity vector to the local horizon at moments t i ;

ri - текущее значение радиуса-вектора в момент ti;r i is the current value of the radius vector at time t i ;

ρi - текущее значение плотности атмосферы моменты ti, i=0, 1, 2…N;ρ i - the current value of the density of the atmosphere, moments t i , i = 0, 1, 2 ... N;

g - ускорение свободного падения;g is the acceleration of gravity;

R - радиус планеты;R is the radius of the planet;

µ - гравитационный параметр планеты;µ is the gravitational parameter of the planet;

β - логарифмический коэффициент изменения плотности атмосферы от высоты;β is the logarithmic coefficient of change in the density of the atmosphere from height;

Cx - аэродинамический коэффициент лобового сопротивления КА;C x - aerodynamic drag coefficient of the spacecraft;

Сγ - аэродинамический коэффициент подъемной силы КА;With γ - aerodynamic coefficient of lift of the spacecraft;

S - площадь миделева сечения КА;S is the area of the mid-section of the spacecraft;

α - угол атаки космического аппарата;α is the angle of attack of the spacecraft;

ρp - значение плотности атмосферы в момент рикошета космического аппарата;ρ p is the value of the density of the atmosphere at the time of the rebound of the spacecraft;

zp - значение переменной z в момент рикошета космического аппарата;z p is the value of the variable z at the time of the rebound of the spacecraft;

S1i - положение космического аппарата в момент времени ti, характеризующееся скоростью полета Vi, углом наклона вектора скорости к местному горизонту θi, радиусом-вектором ri, плотностью атмосферы ρi;S 1i is the position of the spacecraft at time t i , characterized by the flight speed V i , the angle of inclination of the velocity vector to the local horizon θ i , the radius vector r i , the atmospheric density ρ i ;

S2i - положение космического аппарата в момент времени ti, характеризующееся скоростью полета Vt, углом наклона вектора скорости к местному горизонту θi+δθ, радиусом-вектором ri, плотностью атмосферы ρi;S 2i is the position of the spacecraft at time t i , characterized by the flight speed V t , the angle of inclination of the velocity vector to the local horizon θ i + δθ, the radius vector r i , the atmospheric density ρ i ;

δθ - приращение угла наклона вектора скорости КА к местному горизонту, образующееся при подаче корректирующего импульса характеристической скорости;δθ is the increment of the angle of inclination of the spacecraft velocity vector to the local horizon, which is formed when a corrective impulse of the characteristic speed is applied;

Px - приведенная нагрузка на лобовую поверхность космического аппарата;P x - reduced load on the frontal surface of the spacecraft;

K - аэродинамическое качество КА;K - aerodynamic quality of the spacecraft;

Vk - скорость полета космического аппарата в момент вылета из атмосферы;V k - spacecraft flight speed at the moment of departure from the atmosphere;

rk - радиус-вектор космического аппарата в момент вылета из атмосферы;r k is the radius vector of the spacecraft at the time of departure from the atmosphere;

θk - угол наклона вектора скорости КА к местному горизонту в момент вылета космического аппарата из атмосферы;θ k is the angle of inclination of the spacecraft velocity vector to the local horizon at the time of the departure of the spacecraft from the atmosphere;

Vα - скорость космического аппарата в апоцентре переходной орбиты.V α is the speed of the spacecraft in the apocenter of the transitional orbit.

Прогнозирование указанных значений может осуществляться на бортовой вычислительной машине с помощью аналитических зависимостей, что не требует больших временных затрат и может быть проведено значительно раньше указанного в способе-прототипе временного диапазона определения высоты условного перицентра траектории входа (20-40 сек после входа космического аппарата в атмосферу). При условии выявления целесообразности проведения ракетодинамической коррекции траектории движения космического аппарата в атмосфере определяется величина подаваемого импульса характеристической скорости. Для этого в i-е (i=1, 2, 3…) моменты времени сравнивают возможное увеличение скорости КА в апоцентре переходной орбиты при проведении ракетодинамической коррекции траектории движения ΔVα=Vα(S2i)-Vα(S1i) с величинойPrediction of these values can be carried out on the on-board computer using analytical dependencies, which does not require much time and can be performed much earlier than the time range specified in the prototype method for determining the height of the conditional pericenter of the entry path (20-40 seconds after the spacecraft entered the atmosphere ) Provided that the feasibility of performing rocket dynamic correction of the trajectory of the spacecraft in the atmosphere is determined, the value of the impulse of the characteristic velocity is determined. For this, in the ith (i = 1, 2, 3 ...) time moments, a possible increase in the spacecraft velocity in the apocenter of the transitional orbit when performing rocket-dynamic correction of the motion path ΔV α = V α (S 2i ) -V α (S 1i ) s is compared size

подаваемого корректирующего импульса, зависящего от текущей скорости космического аппарата Vi и приращения угла наклона вектора скорости к местному горизонту δθ:

Figure 00000031
. В случаях превышения разницы между скоростями движения КА в апоцентре переходной орбиты при условиях проведения и непроведения коррекции над величиной импульса характеристической скорости ΔVi, т.е. при δVi=Vα(S2i)-Vα(S1i)-ΔVi>0 осуществляется подача корректирующего импульса ΔVi в плоскости полета космического аппарата под углом около 90°, отсчитываемым от вектора скорости космического аппарата против часовой стрелки в направлении от планеты. Такие операции осуществляются с самого начала входа космического аппарата в атмосферу до тех пор, пока величина импульса характеристической скорости ΔVi не будет превышать прогнозируемый выигрыш в потребных энергозатратах на подачу разгонного импульса характеристической скорости в апоцентре переходной орбиты, т.е. до тех пор, пока значение δVi не будет меньше нуля. С этого момента осуществляется управление только аэродинамическими силами, по аналогии с известными способами управления [3, 4]. Полученные численные результаты показали, что при осуществлении заявляемого способа в зависимости от высоты условного перицентра траектории входа может быть проведено до трех ракетодинамических коррекций траекторий движения КА. При этом общее время проведения коррекций может достигать 8-12 секунд. Такие результаты соответствуют входу космического аппарата в атмосферу по нижней границе коридора. В целом при реализации заявляемого способа при формировании орбит искусственного спутника Марса потребная масса топлива может быть снижена в 2-3 раза по сравнению со способом - прототипом. Аналогичный уровень снижения расхода топлива может быть достигнут при выведении КА на орбиты искусственного спутника Венеры и Юпитера.the applied correction pulse, depending on the current speed of the spacecraft V i and the increment of the angle of inclination of the velocity vector to the local horizon δθ:
Figure 00000031
. In cases where the difference between the speeds of the spacecraft in the apocenter of the transitional orbit is exceeded under the conditions of correction and non-correction over the impulse of the characteristic velocity ΔV i , i.e. at δV i = V α (S 2i ) -V α (S 1i ) -ΔV i > 0, a correcting pulse ΔV i is supplied in the plane of the spacecraft at an angle of about 90 °, counted counterclockwise from the spacecraft’s velocity vector from the planet. Such operations are carried out from the very beginning of the spacecraft’s entry into the atmosphere until the characteristic velocity impulse ΔV i exceeds the predicted gain in the required energy consumption for delivering the accelerating impulse of the characteristic velocity in the apocenter of the transitional orbit, i.e. until the value of δV i is less than zero. From this moment, only aerodynamic forces are controlled, by analogy with known control methods [3, 4]. The numerical results showed that when implementing the proposed method, depending on the height of the conditional pericenter of the entry path, up to three rocket dynamic corrections of the spacecraft motion paths can be made. In this case, the total time for corrections can reach 8-12 seconds. Such results correspond to the spacecraft entering the atmosphere along the lower boundary of the corridor. In general, when implementing the proposed method when forming the orbits of the artificial satellite of Mars, the required mass of fuel can be reduced by 2–3 times in comparison with the prototype method. A similar level of reduction in fuel consumption can be achieved when the spacecraft is launched into the orbits of the artificial satellite of Venus and Jupiter.

Технический результат изобретения заключается в повышении эффективности управления КА на участке предварительного аэродинамического торможения не только за счет изменения углов крена γ и атаки α, но и в связи с проведением ракетодинамических коррекций траекторий движения КА. Это позволит при входе КА в атмосферу вблизи нижней границы коридора входа осуществить полет в более разреженных слоях атмосферы и достигнуть заданных высот апоцентра переходной орбиты с большей скоростью, что обеспечивает снижение суммарного расхода топлива на формирование орбит ИСП с требуемыми параметрами.The technical result of the invention is to increase the control efficiency of the spacecraft in the preliminary aerodynamic drag section not only by changing the angle of heel γ and attack α, but also in connection with conducting rocket dynamic corrections of the spacecraft motion paths. This will make it possible, when the spacecraft enters the atmosphere near the lower boundary of the entry corridor, to fly in more rarefied atmospheric layers and reach the specified altitudes of the transitional orbit apocenter at a higher speed, which reduces the total fuel consumption for the formation of ICP orbits with the required parameters.

Указанный технический результат достигается за счет автономного оперативного определения бортовыми средствами КА высоты условного перицентра сразу после входа КА в атмосферу и проведения ракетодинамической коррекции траектории при входе космического аппарата в атмосферу вблизи нижней границы коридора входа. При этом отрабатываются рациональные программы управления аэродинамическими силами до вылета КА из атмосферы и проводится разгон аппарата в апоцентре переходной орбиты с целью формирования орбиты ИСП с заданными параметрами.The indicated technical result is achieved due to the autonomous operational determination of the relative pericenter altitude immediately by the spacecraft’s onboard means immediately after the spacecraft’s entry into the atmosphere and the rocket-dynamic correction of the trajectory when the spacecraft enters the atmosphere near the lower boundary of the entrance corridor. In this case, rational programs for controlling aerodynamic forces before the spacecraft take off from the atmosphere are worked out and the vehicle is accelerated in the transition center orbit apocenter in order to form the ICP orbit with the given parameters.

Также технический результат достигается за счет того, что в известном способе- прототипе управления космическим аппаратом, при его выведении на орбиту искусственного спутника планеты, заключающимся в подлете космического аппарата к планете в заданном коридоре входа в атмосферу, в определении в i-е, где i=1, 2,…, N, моменты времени параметров движения космического аппарата, а именно его скорости - Vi, угла наклона вектора скорости космического аппарата к местному горизонту θi, радиуса-вектора ri и плотности атмосферы ρi, в обеспечении входа космического аппарата в атмосферу с величиной угла крена γ около 0 рад и значением угла атаки космического аппарата около α*, соответствующим максимальной величине аэродинамического качества, в подаче импульса характеристической скорости в плоскости полета космического аппарата под углом около 90°, отсчитываемым от вектора скорости космического аппарата против часовой стрелки в направлении от планеты, при его входе в атмосферу вблизи нижней границы коридора входа, в управлении космическим аппаратом по углам крена γ и атаки α до вылета из атмосферы, дополнительно в i-е, где i=1, 2,…, N, моменты времени для заданного положительного приращения угла наклона вектора скорости к местному горизонту δθ≤0,1° определяют значения импульса характеристической скорости в плоскости полета космического аппарата под углом около 90°, отсчитываемым от вектора скорости космического аппарата против часовой стрелки в направлении от планеты, приложение которого обеспечивает увеличение угла θi на величину δθ; для каждого из двух положений космического аппарата, характеризующихся известными значениями параметров его движения S1i=[Vi, θi, ri, ρi} и S2i={Vi, θi+δθ, ri, ρi} прогнозируют значения скоростей Vк(S1i) и Vк(S2i), углов наклона вектора скорости к местному горизонту θк(S1i) и θк(S2i) на момент вылета космического аппарата из атмосферы и скоростей космического аппарата в апоцентре переходной орбиты Vα(S1i) и Vα(S2i) при движении на оставшихся участках полета в атмосфере с нулевым углом крена и углом атаки, равным α* в соответствии с математическими зависимостями:Also, the technical result is achieved due to the fact that in the known prototype control method of the spacecraft, when it is put into orbit of an artificial satellite of the planet, consisting in the approach of the spacecraft to the planet in a given corridor of entry into the atmosphere, in the definition in i, where i = 1, 2, ..., N, time instants of the motion parameters of the spacecraft, namely its speed - V i , the angle of inclination of the spacecraft's velocity vector to the local horizon θ i , the radius vector r i and the atmospheric density ρ i , in providing input to spacecraft into the atmosphere with a roll angle γ of about 0 rad and a spacecraft angle of attack of about α * , corresponding to the maximum value of aerodynamic quality, in delivering a characteristic velocity impulse in the plane’s flight plane at an angle of about 90 °, counted from the spacecraft’s velocity vector counterclockwise in the direction from the planet, when it enters the atmosphere near the lower boundary of the entrance corridor, in controlling the spacecraft at the angles of heel γ and attack α before departure from atmospheres, in addition to the ith, where i = 1, 2, ..., N, time instants for a given positive increment of the angle of inclination of the velocity vector to the local horizon δθ≤0.1 ° determine the impulse of the characteristic velocity in the plane of flight of the spacecraft at an angle about 90 °, measured from the velocity vector of the spacecraft counterclockwise in the direction from the planet, the application of which provides an increase in the angle θ i by δθ; for each of the two positions of the spacecraft characterized by known values of its motion parameters S 1i = [V i , θ i , r i , ρ i } and S 2i = {V i , θ i + δθ, r i , ρ i } predict the values of the velocities V k (S 1i ) and V k (S 2i ), the angles of inclination of the velocity vector to the local horizon θ k (S 1i ) and θ k (S 2i ) at the time of the spacecraft’s departure from the atmosphere and the speeds of the spacecraft in the transition apocenter the orbits V α (S 1i ) and V α (S 2i ) when moving on the remaining flight sections in the atmosphere with a zero roll angle and an angle of attack equal to α * in accordance with mathematical their dependencies:

Vk(S1i)=exp[-zk(S1i)], Vk(S2i)=exp[-zk(S2i)],V k (S 1i ) = exp [-z k (S 1i )], V k (S 2i ) = exp [-z k (S 2i )],

Figure 00000032
Figure 00000033
Figure 00000034
Figure 00000035
Figure 00000032
Figure 00000033
Figure 00000034
Figure 00000035

Figure 00000036
Figure 00000036

Figure 00000037
Figure 00000037

Figure 00000038
Figure 00000039
Figure 00000038
Figure 00000039

Figure 00000040
Figure 00000041
Figure 00000040
Figure 00000041

Figure 00000042
Figure 00000043
Figure 00000042
Figure 00000043

Figure 00000044
Figure 00000045
Figure 00000044
Figure 00000045

где - m - масса космического аппарата;where - m is the mass of the spacecraft;

Vi - текущее значение скорости космического аппарата в моменты времени ti V i - the current value of the speed of the spacecraft at time t i

θi - текущее значение угла наклона вектора скорости к местному горизонту в моменты ti;θ i is the current value of the angle of inclination of the velocity vector to the local horizon at moments t i ;

ri - текущее значение радиуса-вектора в момент времени ti; r i is the current value of the radius vector at time t i;

ρi - текущее значение плотности атмосферы в моменты времени ti; ρ i - the current value of the density of the atmosphere at time t i;

i=0, 1, 2…N;i = 0, 1, 2 ... N;

g - ускорение свободного падения;g is the acceleration of gravity;

R - радиус планеты;R is the radius of the planet;

µ - гравитационный параметр планеты;µ is the gravitational parameter of the planet;

β - логарифмический коэффициент изменения плотности атмосферы от высоты;β is the logarithmic coefficient of change in the density of the atmosphere from height;

Cx - аэродинамический коэффициент лобового сопротивления космического аппарата;C x - aerodynamic drag coefficient of the spacecraft;

Cγ - аэродинамический коэффициент подъемной силы космического аппарата;C γ — aerodynamic lift coefficient of the spacecraft;

S - площадь миделева сечения космического аппарата;S is the area of the mid-section of the spacecraft;

α - угол атаки космического аппарата;α is the angle of attack of the spacecraft;

ρp - значение плотности атмосферы в момент рикошета космического аппарата;ρ p is the value of the density of the atmosphere at the time of the rebound of the spacecraft;

zp - значение переменной z в момент рикошета космического аппарата;z p is the value of the variable z at the time of the rebound of the spacecraft;

S1i - положение космического аппарата в момент времени ti, характеризующееся скоростью полета Vi, углом наклона вектора скорости к местному горизонту θi, радиусом-вектором ri, плотностью атмосферы ρi;S 1i is the position of the spacecraft at time t i , characterized by the flight speed V i , the angle of inclination of the velocity vector to the local horizon θ i , the radius vector r i , the atmospheric density ρ i ;

S2i - положение космического аппарата в момент времени ti, характеризующееся скоростью полета Vi, углом наклона вектора скорости к местному горизонту θi+δθ, радиусом-вектором ri, плотностью атмосферы ρi;S 2i is the position of the spacecraft at time t i , characterized by the flight speed V i , the angle of inclination of the velocity vector to the local horizon θ i + δθ, the radius vector r i , the atmospheric density ρ i ;

δθ - приращение угла наклона вектора скорости к местному горизонту, образующееся при подаче корректирующего импульса характеристической скорости;δθ is the increment of the angle of inclination of the velocity vector to the local horizon, which is formed when a corrective impulse of the characteristic velocity is applied;

Px - приведенная нагрузка на лобовую поверхность космического аппарата;P x - reduced load on the frontal surface of the spacecraft;

K - аэродинамическое качество космического аппарата;K is the aerodynamic quality of the spacecraft;

Vk - скорость полета космического аппарата в момент вылета из атмосферы;V k - the speed of the spacecraft at the time of departure from the atmosphere;

rk - радиус-вектор космического аппарата в момент вылета из атмосферы;r k is the radius vector of the spacecraft at the time of departure from the atmosphere;

θk - угол наклона вектора скорости к местному горизонту в момент вылета космического аппарата из атмосферы;θ k is the angle of inclination of the velocity vector to the local horizon at the time of the departure of the spacecraft from the atmosphere;

Vα - скорость космического аппарата в апоцентре переходной орбиты, вычисляют разницу между изменением скорости космического аппарата в апоцентре переходной орбиты и величиной импульса характеристической скорости, обеспечивающего увеличение угла наклона вектора скорости к местному горизонту на величину δθ в соответствии с формулой:V α - the speed of the spacecraft in the apocenter of the transitional orbit, calculate the difference between the change in the speed of the spacecraft in the apocenter of the transitional orbit and the magnitude of the impulse of the characteristic velocity, which provides an increase in the angle of inclination of the velocity vector to the local horizon by δθ in accordance with the formula:

δVi=Vα(S2i)-Vα(S1i)-ΔVi,δV i = V α (S 2i ) -V α (S 1i ) -ΔV i ,

и при выполнении условия δVi>0 подают импульс характеристической скорости величиной ΔVi, начиная с момента времени, когда величина δVi будет меньше нуля, осуществляют управление космическим аппаратом без проведения ракетодинамических коррекций траекторий движения до вылета космического аппарата из атмосферы только путем изменения углов крена и атаки.and when the condition δV i > 0 is fulfilled, a characteristic velocity impulse of ΔV i is supplied, starting from the moment when δV i is less than zero, the spacecraft is controlled without rocket dynamic corrections of the motion paths until the spacecraft departs from the atmosphere only by changing the angle of heel and attacks.

Заявленный способ управления космическим аппаратом при его выведении на орбиту искусственного спутника планеты поясняется следующими фигурами.The claimed method of controlling a spacecraft when it is put into orbit of an artificial satellite of the planet is illustrated by the following figures.

На фиг. 1 приведены основные этапы выведения КА на орбиту искусственного спутника планеты с использованием предварительного аэродинамического торможения, как с применением, так и при отсутствии ракетодинамической коррекции траектории движения аппарата в атмосфере.In FIG. Figure 1 shows the main stages of launching a spacecraft into orbit of an artificial satellite of the planet using preliminary aerodynamic braking, both with and without missile-dynamic correction of the trajectory of the spacecraft in the atmosphere.

На фиг. 2 для заявленного способа приведены графики зависимостей суммарных энергозатрат ΔVΣ, от высоты условного перицентра траектории входа hπ при выведении КА на круговую орбиту искусственного спутника Марса, высотой 500 км. Значения hπ варьировались в пределах от верхней границы коридора входа

Figure 00000046
до нижней границе
Figure 00000047
.In FIG. 2, for the claimed method, graphs are presented of the dependences of the total energy consumption ΔV Σ on the height of the conditional pericenter of the input path h π when the spacecraft is put into a circular orbit of the artificial satellite Mars, 500 km high. H π values ranged from the upper boundary of the entry corridor
Figure 00000046
to the lower border
Figure 00000047
.

На фиг. 1 и фиг. 2 приняты следующие обозначения:In FIG. 1 and FIG. 2 adopted the following notation:

1 - подлетная гиперболическая траектория КА к атмосфере планеты,1 - approach hyperbolic trajectory of the spacecraft to the planet’s atmosphere,

2 - вход КА в атмосферу,2 - spacecraft entry into the atmosphere,

3 - подача импульса характеристической скорости ΔV для проведения коррекции траектории движения КА,3 - the impulse of the characteristic velocity ΔV for correcting the trajectory of the spacecraft,

4 - вектор скорости КА после проведения коррекции траектории движения,4 - spacecraft velocity vector after correction of the trajectory of movement,

5 - траектория полета КА без проведения ракетодинамической коррекции;5 - spacecraft flight path without rocket dynamic correction;

6 - траектория полета КА после проведения ракетодинамической коррекции,6 - the trajectory of the spacecraft after conducting rocket dynamic correction,

7 - вылет КА из атмосферы по траектории без проведения ракетодинамической коррекции со скоростью Vα(S2),7 - the SC departure from the atmosphere along the trajectory without conducting rocket dynamic correction with a speed V α (S 2 ),

8 - вылет КА из атмосферы по траектории после проведения ракетодинамической коррекции со скоростью Vα(S1),8 - the SC departure from the atmosphere along the trajectory after conducting the rocket dynamic correction with a speed V α (S 1 ),

9 - переходная орбита КА при отсутствии коррекции движения в атмосфере;9 - transitional orbit of the spacecraft in the absence of correction of motion in the atmosphere;

10 - переходная орбита КА после проведения коррекции движения в атмосфере,10 - transitional orbit of the spacecraft after the correction of motion in the atmosphere,

11 - апоцентр переходной орбиты КА,11 - apocenter of the transitional orbit of the spacecraft,

12 - подача импульса характеристической скорости для формирования заданной орбиты КА,12 - the impulse of the characteristic velocity to form a given orbit of the spacecraft,

13 - поверхность планеты,13 - the surface of the planet,

14 - условная граница атмосферы,14 - conditional boundary of the atmosphere,

15 - зависимость суммарных энергозатрат ΔVΣ от высоты условного перицентра траектории входа hπ при отсутствии проведения ракетодинамической коррекции движения КА в атмосфере,15 - dependence of the total energy consumption ΔV Σ on the height of the conditional pericenter of the entry path h π in the absence of rocket dynamic correction of the spacecraft in the atmosphere,

16 - зависимость суммарных энергозатрат ΔVΣ от высоты условного перицентра траектории входа hπ при подаче в атмосфере импульса характеристической скорости величиной 25 м/с,16 - dependence of the total energy consumption ΔV Σ on the height of the conditional pericenter of the input path h π when a characteristic velocity of 25 m / s is applied to the pulse in the atmosphere,

17 - зависимость суммарных энергозатрат ΔVΣ от высоты условного перицентра траектории входа hπ при подаче в атмосфере импульса характеристической скорости величиной 50 м/с.17 - dependence of the total energy consumption ΔV Σ on the height of the conditional pericenter of the input trajectory h π when a characteristic velocity of 50 m / s is applied to the pulse in the atmosphere.

Из зависимостей, представленных на фиг. 2, следует, что для варианта с проведением коррекции движения КА в атмосфере траектория полета проходит на больших высотах, что приводит к менее интенсивному аэродинамическому торможению аппарата и большему значению скорости вылета КА из атмосферы: Vα(S2) - скорость КА при вылете из атмосферы при использовании схемы с проведением коррекции траектории полета, Vα(S1) - скорость КА при вылете из атмосферы без проведения ракетодинамической коррекции. Установлено, что Vα(S2)-Vα(S1)-ΔV>0, т.е. имеет место выигрыш в потребных энергетических затратах при осуществлении коррекции движения КА в атмосфере. From the dependencies shown in FIG. 2, it follows that for the version with the correction of the spacecraft’s motion in the atmosphere, the flight path passes at high altitudes, which leads to less intensive aerodynamic drag of the spacecraft and a higher value of the spacecraft’s departure velocity from the atmosphere: V α (S 2 ) is the spacecraft’s velocity upon departure from atmosphere when using the scheme with the correction of the flight path, V α (S 1 ) - the speed of the spacecraft upon departure from the atmosphere without rocket dynamic correction. It was found that V α (S 2 ) -V α (S 1 ) -ΔV> 0, i.e. there is a gain in the required energy costs when correcting the motion of the spacecraft in the atmosphere.

Claims (1)

Способ управления космическим аппаратом при его выведении на орбиту искусственного спутника планеты, заключающийся в подлете космического аппарата к планете в заданном коридоре входа в атмосферу, в определении в i-е, где i=1, 2, …, N, моменты времени параметров движения космического аппарата, а именно его скорости Vi, угла наклона вектора скорости космического аппарата к местному горизонту θi, радиуса-вектора ri и плотности атмосферы ρi, в обеспечении входа космического аппарата в атмосферу с величиной угла крена γ около 0 и значением угла атаки космического аппарата около α*, соответствующим максимальной величине аэродинамического качества, в подаче импульса характеристической скорости в плоскости полета космического аппарата под углом около 90°, отсчитываемым от вектора скорости космического аппарата против хода часовой стрелки в направлении от планеты, при его входе в атмосферу вблизи нижней границы коридора входа, в управлении космическим аппаратом по углам крена γ и атаки α до вылета из атмосферы, отличающийся тем, что в i-е, где i=1, 2,…, N, моменты времени для заданного положительного приращения угла наклона вектора скорости к местному горизонту δθ ≤ 0,1° определяют значения импульса характеристической скорости в плоскости полета космического аппарата под углом около 90°, отсчитываемым от вектора скорости космического аппарата против хода часовой стрелки в направлении от планеты, приложение которого обеспечивает увеличение угла θi на величину δθ, для каждого из двух положений космического аппарата, характеризующихся известными значениями параметров его движения S1i={Vi, θi, ri, ρi} и S2i={Vi, θi+δθ, ri, ρi}, прогнозируют значения скоростей Vк(S1i) и Vк(S2i), углов наклона вектора скорости к местному горизонту θк(S1i) и θк(S2i) на момент вылета космического аппарата из атмосферы и скоростей космического аппарата в апоцентре переходной орбиты Vα(S1i) и Vα(S2i) при движении на оставшихся участках полета в атмосфере с нулевым углом крена и углом атаки, равным α*, вычисляют разницу между изменением скорости космического аппарата в апоцентре переходной орбиты и величиной импульса характеристической скорости, обеспечивающего увеличение угла наклона вектора скорости к местному горизонту на величину δθ в соответствии с формулой:
δVi=Vα(S2i)-Vα(S1i)-ΔVi,
и при выполнении условия δVi > 0 подают импульс характеристической скорости величиной ΔVi, начиная с момента времени, когда величина δVi будет меньше нуля, осуществляют управление космическим аппаратом без проведения ракетодинамических коррекций траекторий движения до вылета космического аппарата из атмосферы только путем изменения углов крена и атаки.
The method of controlling a spacecraft when it is put into orbit of an artificial satellite of the planet, which consists in approaching the spacecraft to the planet in a given corridor of entry into the atmosphere, in the definition in i, where i = 1, 2, ..., N, are the moments of time of the parameters of space motion the spacecraft, namely its speed V i , the angle of inclination of the spacecraft's velocity vector to the local horizon θ i , the radius vector r i and the density of the atmosphere ρ i , in ensuring the spacecraft enters the atmosphere with a roll angle γ of about 0 and an angle at spacecraft about α * , corresponding to the maximum value of aerodynamic quality, in delivering a characteristic speed pulse in the plane’s flight plane at an angle of about 90 °, counted from the spacecraft’s velocity vector counterclockwise in the direction from the planet, when it enters the atmosphere near the lower boundary of the entry corridor, in controlling the spacecraft at the angles of heel γ and attack α before departure from the atmosphere, characterized in that in the ith, where i = 1, 2, ..., N, the times for a given n a negative increment of the angle of inclination of the velocity vector to the local horizon δθ ≤ 0.1 ° determines the values of the impulse of the characteristic velocity in the flight plane of the spacecraft at an angle of about 90 °, measured from the velocity vector of the spacecraft counterclockwise in the direction from the planet, the application of which provides an increase angle θ i by δθ, for each of the two positions of the spacecraft, characterized by the known values of its motion parameters S 1i = {V i , θ i , r i , ρ i } and S 2i = {V i , θ i + δθ, r i , ρ i }, predict the values of the velocities V k (S 1i ) and V k (S 2i ), the angles of inclination of the velocity vector to the local horizon θ k (S 1i ) and θ k (S 2i ) at the time of the spacecraft’s departure from the atmosphere and the speeds of the spacecraft in the apocenter of the transitional orbit V α (S 1i ) and V α (S 2i ) when moving in the remaining parts of the flight in the atmosphere with a zero roll angle and the angle of attack equal to α * , the difference between the change in the speed of the spacecraft in the apocenter of the transitional orbit and the value impulse of characteristic speed, providing an increase in the angle of incidence is the velocity vector to the local horizon by an amount δθ according to the formula:
δV i = V α (S 2i ) -V α (S 1i ) -ΔV i ,
and when the condition δV i > 0 is fulfilled, a characteristic velocity impulse of ΔV i is supplied, starting from the moment when δV i is less than zero, the spacecraft is controlled without rocket dynamic corrections of the motion paths until the spacecraft departs from the atmosphere only by changing the angle of heel and attacks.
RU2014105471/11A 2014-02-14 Control over spacecraft at orbiting of artificial satellite orbit RU2575556C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2014105471/11A RU2575556C2 (en) 2014-02-14 Control over spacecraft at orbiting of artificial satellite orbit

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2014105471/11A RU2575556C2 (en) 2014-02-14 Control over spacecraft at orbiting of artificial satellite orbit

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2014105471A RU2014105471A (en) 2015-08-20
RU2575556C2 true RU2575556C2 (en) 2016-02-20

Family

ID=

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4903918A (en) * 1987-05-28 1990-02-27 The United States Of America As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration Raked circular-cone aerobraking orbital transfer vehicle
SU1811129A1 (en) * 1976-09-03 1996-10-10 И.И. Шунейко Method of flying of hypersonic, suborbital and space vehicles
US6550720B2 (en) * 1999-07-09 2003-04-22 Aeroastro Aerobraking orbit transfer vehicle
RU2219109C2 (en) * 1996-12-31 2003-12-20 Сосьете Насьональ Д'Этюд э де Констрюксьон де Мотер Д'Авиасьон "СНЕКМА" Method of injection of several satellites into noncomplanar orbits by means of lunar gravity force
US20050211828A1 (en) * 2004-03-09 2005-09-29 Aeroastro, Inc. Aerodynamic orbit inclination control
RU2005120143A (en) * 2005-06-29 2007-01-10 Олег Александрович Александров (RU) METHOD FOR TRANSPORTING TO SPACE AND RETURNING BACK TO OBJECTS OF COMPLEX CONFIGURATION AND HYPERSONIC Rocket Launcher for ITS IMPLEMENTATION
RU2376214C1 (en) * 2008-06-27 2009-12-20 Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" имени С.П. Королева" Method to deliver crew from earth surface to near-lunar orbit and back to earth surface therefrom

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1811129A1 (en) * 1976-09-03 1996-10-10 И.И. Шунейко Method of flying of hypersonic, suborbital and space vehicles
US4903918A (en) * 1987-05-28 1990-02-27 The United States Of America As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration Raked circular-cone aerobraking orbital transfer vehicle
RU2219109C2 (en) * 1996-12-31 2003-12-20 Сосьете Насьональ Д'Этюд э де Констрюксьон де Мотер Д'Авиасьон "СНЕКМА" Method of injection of several satellites into noncomplanar orbits by means of lunar gravity force
US6550720B2 (en) * 1999-07-09 2003-04-22 Aeroastro Aerobraking orbit transfer vehicle
US20050211828A1 (en) * 2004-03-09 2005-09-29 Aeroastro, Inc. Aerodynamic orbit inclination control
RU2005120143A (en) * 2005-06-29 2007-01-10 Олег Александрович Александров (RU) METHOD FOR TRANSPORTING TO SPACE AND RETURNING BACK TO OBJECTS OF COMPLEX CONFIGURATION AND HYPERSONIC Rocket Launcher for ITS IMPLEMENTATION
RU2376214C1 (en) * 2008-06-27 2009-12-20 Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" имени С.П. Королева" Method to deliver crew from earth surface to near-lunar orbit and back to earth surface therefrom

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
ИВАНОВ Н.М., МАРТЫНОВ А.И. Движение космических летательных аппаратов в атмосферах планет". М.: "Наука", 1985, стр.347-376. *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Medagoda et al. Synthetic-waypoint guidance algorithm for following a desired flight trajectory
Slegers et al. Optimal control for terminal guidance of autonomous parafoils
Dwyer Cianciolo et al. Entry, descent, and landing guidance and control approaches to satisfy Mars human mission landing criteria
JP5822676B2 (en) Multistage rocket guidance device, multistage rocket guidance program, multistage rocket guidance method, and multistage rocket guidance system
CN106371312A (en) Lifting reentry prediction-correction guidance method based on fuzzy controller
Shen et al. Penetration trajectory optimization for the hypersonic gliding vehicle encountering two interceptors
RU2493059C1 (en) Method of control over spacecraft descent in atmosphere of planets
Horneman et al. Terminal area energy management trajectory planning for an unpowered reusable launch vehicle
VanderMey et al. Release point determination and dispersion reduction for ballistic airdrops
Davis et al. Guidance and control algorithms for the Mars entry, descent and landing systems analysis
Kluever et al. Terminal trajectory planning and optimization for an unpowered reusable launch vehicle
Burchett Fuzzy logic trajectory design and guidance for terminal area energy management
RU2561490C1 (en) Control over spacecraft deorbit from earth artificial satellite orbit
RU2575556C2 (en) Control over spacecraft at orbiting of artificial satellite orbit
Phillips Guidance algorithm for range maximization and time-of-flight control of a guided projectile
Kojima et al. Model predictive tether-deployment control for precise landing of tethered reentry body
RU2520629C1 (en) Method to control spacecraft placing into orbit of planet artificial satellite
RU2537193C1 (en) Method of control over spacecraft descent in atmosphere of planets
Johnson et al. Entry, descent, and landing performance for a mid-lift-to-drag ratio vehicle at mars
CN113741551A (en) Overall process trajectory optimization method and device based on proxy model
Casoliva et al. Robust guidance via a predictor-corrector algorithm with drag tracking for aero-gravity assist maneuvers
RU2573695C1 (en) Control over spacecraft at its ascent to earth artificial satellite orbit
RU2725091C1 (en) Method of controlling space vehicle during flight of spacecraft from orbit of the moon to the earth's orbit
Sostaric et al. Trajectory guidance for Mars robotic precursors: aerocapture, entry, descent, and landing
Green et al. Morphing hypersonic inflatable aerodynamic decelerator