RU2752305C1 - Method for situational terminal control of descent module in earth's atmosphere on ricocheting trajectory of return from moon - Google Patents

Method for situational terminal control of descent module in earth's atmosphere on ricocheting trajectory of return from moon Download PDF

Info

Publication number
RU2752305C1
RU2752305C1 RU2020132841A RU2020132841A RU2752305C1 RU 2752305 C1 RU2752305 C1 RU 2752305C1 RU 2020132841 A RU2020132841 A RU 2020132841A RU 2020132841 A RU2020132841 A RU 2020132841A RU 2752305 C1 RU2752305 C1 RU 2752305C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
atmosphere
control
trajectory
descent
earth
Prior art date
Application number
RU2020132841A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Юрий Георгиевич Сихарулидзе
Александр Сергеевич Самотохин
Андрей Георгиевич Тучин
Original Assignee
Федеральное государственное учреждение "Федеральный исследовательский центр Институт прикладной математики им. М.В. Келдыша Российской академии наук"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное учреждение "Федеральный исследовательский центр Институт прикладной математики им. М.В. Келдыша Российской академии наук" filed Critical Федеральное государственное учреждение "Федеральный исследовательский центр Институт прикладной математики им. М.В. Келдыша Российской академии наук"
Priority to RU2020132841A priority Critical patent/RU2752305C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2752305C1 publication Critical patent/RU2752305C1/en

Links

Images

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64GCOSMONAUTICS; VEHICLES OR EQUIPMENT THEREFOR
    • B64G1/00Cosmonautic vehicles
    • B64G1/10Artificial satellites; Systems of such satellites; Interplanetary vehicles
    • B64G1/12Artificial satellites; Systems of such satellites; Interplanetary vehicles manned

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Astronomy & Astrophysics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Aviation & Aerospace Engineering (AREA)
  • Control Of Position, Course, Altitude, Or Attitude Of Moving Bodies (AREA)

Abstract

FIELD: aircraft industry.
SUBSTANCE: invention relates to the control of the movement of the descent module (DM) in the Earth's atmosphere in the presence of disturbances of both the DM and the environment. The DM enters the atmosphere at a near-parabolic speed from the southern hemisphere along a trajectory with two (I, III) dives into the atmosphere, an extra-atmospheric (II) section, and lands (L) on the territory of the Russian Federation. The descent range (from V1 to P) is 5000...10000 km. This type of trajectory is very sensitive to control and disturbing influences. In the descent control algorithm, adaptation based on autonomous measurements of the apparent acceleration of the DM is carried out with separate identification of the actual aerodynamic quality of the DM and the density of the disturbed atmosphere, as well as the errors of the navigation altitude. This allows choosing the right control in the area of its maximum efficiency - near the rebound point.
EFFECT: guaranteed increase in the accuracy (up to 2.7 km) of bringing the DM to the landing point, limiting the duration of action and the maximum value (up to 6g) of the overload, as well as reducing the fuel consumption of the control engines.
1 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к области управления движением космического аппарата в атмосфере при наличии совокупных возмущений (самого аппарата и окружающей среды). Предлагаемый способ может быть использован для управления движением спускаемого аппарата (СА), который при возвращении от Луны входит в атмосферу Земли с околопараболической скоростью со стороны южного полушария, использует рикошетирующую траекторию с двумя погружениями в атмосферу, разделенными внеатмосферным (баллистическим) участком, и совершает посадку в ограниченном районе на территории Российской Федерации (РФ). Фиг. 1 схематично показывает траекторию возвращения. Два погружения (участки I и III) необходимы и достаточны для посадки на территории РФ при подлете с юга, что обеспечивает выполнение ограничения по перегрузке. Увеличение числа погружений усложняет реализацию заданной точности посадки и не требуется для достижения территории РФ при подлете с юга. Реализуемая дальность спуска (от первого входа в атмосферу до посадки) находится в диапазоне 5000-10000 км, а такие траектории очень чувствительны к управлению и действующим возмущениям (ошибки аэродинамических характеристик, массы и центровки, навигационных измерений, управляющих двигателей, вариации плотности атмосферы, ветер и др.). Требование посадки в южных районах РФ определяет необходимую точность приведения (порядка 3-4 км). Дополнительно накладываются ограничения по перегрузке (порядка 6g) и расходу топлива.The invention relates to the field of control of the movement of a spacecraft in the atmosphere in the presence of aggregate disturbances (the spacecraft itself and the environment). The proposed method can be used to control the movement of the descent vehicle (SC), which, upon returning from the Moon, enters the Earth's atmosphere at a near-parabolic speed from the southern hemisphere, uses a ricocheting trajectory with two dives into the atmosphere, separated by an extra-atmospheric (ballistic) section, and lands in a limited area on the territory of the Russian Federation (RF). FIG. 1 schematically shows the return trajectory. Two dives (sections I and III) are necessary and sufficient for landing on the territory of the Russian Federation when approaching from the south, which ensures that the overload limit is met. An increase in the number of dives complicates the implementation of the specified landing accuracy and is not required to reach the territory of the Russian Federation when approaching from the south. The realizable range of descent (from the first entry into the atmosphere to landing) is in the range of 5000-10000 km, and such trajectories are very sensitive to control and acting disturbances (errors in aerodynamic characteristics, mass and balance, navigation measurements, control engines, variations in atmospheric density, wind and etc.). The landing requirement in the southern regions of the Russian Federation determines the required targeting accuracy (about 3-4 km). Additionally, restrictions are imposed on overload (about 6g) and fuel consumption.

Известен способ управления возвращаемым от Луны аппаратом «Зонд-7», который после облета Луны совершил посадку на территории СССР в Казахстане с недолетом 50 км. Способ основан на отслеживании опорной зависимости кажущегося ускорения от кажущейся скорости [1]. Управление являлось однопараметрическим, т.е. устранялся только продольный промах. Полученная точность приведения соответствовала своему времени. Основным недостатком этого способа является невысокая точность приведения, что делает невозможной посадку в южных районах территории РФ.There is a known method of controlling the probe "Zond-7" returned from the Moon, which, after flying around the Moon, landed on the territory of the USSR in Kazakhstan with a gap of 50 km. The method is based on tracking the reference dependence of the apparent acceleration on the apparent speed [1]. The control was one-parameter, i.e. only the longitudinal slip was eliminated. The resulting alignment accuracy corresponded to its time. The main disadvantage of this method is the low accuracy of targeting, which makes it impossible to land in the southern regions of the Russian Federation.

В американской программе Apollo использовалось однопараметрическое терминальное управление продольной дальностью спуска. Боковой промах удерживался в пределах заданного коридора за счет переворотов по крену [2]. Прогнозируемый промах вычислялся по приближенным конечным формулам, а достигнутая точность составляла около 10 км при дальностях приводнения в диапазоне 2200-2800 км на траекториях спуска без рикошетах [3]. Основным недостатком этого способа является невысокая точность приведения даже на дальность порядка 3000 км.In the American Apollo program, one-parameter terminal control of the longitudinal descent range was used. The lateral miss was kept within the specified corridor due to roll overturns [2]. The predicted miss was calculated using approximate final formulas, and the achieved accuracy was about 10 km at splashdown distances in the range of 2200-2800 km on descent trajectories without ricochets [3]. The main disadvantage of this method is the low accuracy of targeting even at a range of about 3000 km.

Для перспективного американского пилотируемого корабля Orion разрабатывается алгоритм терминального управления PredGuid, который является улучшенной версией алгоритма Apollo и должен обеспечивать управление на рикошетирующей траектории спуска с дальностью порядка 10000 км при возвращении от Луны с приводнением или приземлением в любой континентальной части США. В нем используется численный прогноз остающейся траектории для устранения продольного промаха. Боковой промах регулируется как в алгоритме Apollo. На отдельных фазах управления вводятся поправочные множители с целью уточнения фактического аэродинамического качества аппарата и плотности атмосферы. Прогнозируемая точность приведения около 5 км [4]. В дальнейшем предполагается модифицировать алгоритм PredGuid для двухпараметрического управления с одновременным устранением промаха в продольном и боковом направлениях. Основным недостатком существующего алгоритма является отсутствие жесткого контроля бокового промаха и максимальной перегрузки.For the promising American manned spacecraft Orion, the PredGuid terminal control algorithm is being developed, which is an improved version of the Apollo algorithm and should provide control on a ricocheting descent trajectory with a range of about 10,000 km when returning from the Moon with a splashdown or landing in any continental United States. It uses a numerical prediction of the remaining trajectory to eliminate the longitudinal miss. The side slip is adjusted as in the Apollo algorithm. In individual control phases, correction factors are introduced in order to clarify the actual aerodynamic quality of the vehicle and the density of the atmosphere. The predicted alignment accuracy is about 5 km [4]. In the future, it is planned to modify the PredGuid algorithm for two-parameter control with simultaneous elimination of a slip in the longitudinal and lateral directions. The main drawback of the existing algorithm is the lack of tight control of lateral miss and maximum overload.

Прототипом предлагаемого алгоритма является Терминальный Алгоритм Управления Спуском - Модифицированный ТАУС-М [5]. В этом алгоритме адаптация к фактическим условиям спуска осуществляется без разделения аэродинамических и атмосферных ошибок, а ошибка навигационной высоты не идентифицируется. В результате удается обеспечить заданную точность приведения СА к месту посадки только с вероятностью 97%, а максимальная перегрузка достигает 7.3g.The prototype of the proposed algorithm is the Terminal Descent Control Algorithm - Modified TAUS-M [5]. In this algorithm, adaptation to the actual descent conditions is carried out without separating aerodynamic and atmospheric errors, and the navigation altitude error is not identified. As a result, it is possible to provide the specified accuracy of bringing the spacecraft to the landing site only with a probability of 97%, and the maximum overload reaches 7.3g.

Предлагаемый алгоритм управления ТАУС-МС (Терминальный Алгоритм Управления Спуском - Модифицированный Ситуационный) по аналогии с прототипом реализует двухпараметрическое управление с численным прогнозом остающейся траектории для коррекции командной зависимости угла крена от кажущейся скорости. На каждом шаге коррекции уточняются величина угла крена и кажущаяся скорость очередного переворота по крену. Делаются три численных прогноза остающейся части траектории для расчета методом конечных разностей частных производных компонент промаха (х, z) по параметрам управления (величине угла крена γ и кажущейся скорости изменения его знака Vк). Решается система двух линейных уравнений для поправок Δγ, ΔV [6]:The proposed control algorithm TAUS-MS (Terminal Descent Control Algorithm - Modified Situational), by analogy with the prototype, implements two-parameter control with a numerical forecast of the remaining trajectory to correct the command dependence of the roll angle on the apparent speed. At each step of the correction, the value of the roll angle and the apparent speed of the next roll over are specified. Three numerical predictions of the remaining part of the trajectory are made for the calculation by the method of finite differences of partial derivatives of the miss components (x, z) by the control parameters (the value of the roll angle γ and the apparent rate of change of its sign V k ). The system of two linear equations for the corrections Δγ, ΔV is solved [6]:

Figure 00000001
Figure 00000001

0, z0 - координаты прогнозного промаха с управлением, полученным на предыдущем шаге коррекции).(x 0 , z 0 - coordinates of the predicted miss with the control obtained at the previous correction step).

Расчет уточненных параметров управления Δγ, ΔV выполняется в течение одного шага коррекции (длительностью 1с) с прогнозом текущего вектора состояния (радиус-вектора и вектора скорости) на один шаг вперед для задания начальных условий прогноза, т.е. на текущем шаге коррекции определяется «упрежденное» управление для следующего шага, которое будет использовано через один шаг. Тем самым учитывается время для вычисления поправок Δγ, ΔV в бортовом компьютере.The calculation of the refined control parameters Δγ, ΔV is performed during one correction step (duration 1 s) with the forecast of the current state vector (radius vector and velocity vector) one step ahead to set the initial forecast conditions, i.e. at the current correction step, a “predictive” control is determined for the next step, which will be used in one step. This takes into account the time for calculating the corrections Δγ, ΔV in the on-board computer.

Для высокоточного терминального управления особое значение имеет идентификация фактических условий движения и их учет при коррекции командной зависимости угла крена от кажущейся скорости.For high-precision terminal control, it is of particular importance to identify the actual driving conditions and take them into account when correcting the command dependence of the roll angle on the apparent speed.

По навигационным измерениям вектора кажущегося ускорения и угловой скорости с помощью связанных акселерометров и датчиков угловой скорости ТАУС-МС позволяет идентифицировать относительное аэродинамическое качество аппарата kотн (отношение фактического аэродинамического качества к расчетному, т.е. бортовому), построить приближенную функцию относительной плотности атмосферы ρотн (отношение фактической плотности ρфак к плотности ρсм по бортовой среднемесячной модели на навигационной высоте) и определить ошибку навигационной высоты Δh (разницу между навигационной высотой и фактической), которая может достигать ±2 км на участке первого погружения и ±3 км на участке второго погружения. Это все реализуется с самого начала входа в атмосферу, до точки рикошета, когда по существу формируется вся рикошетирующая траектория. В ТАУС-МС впервые предложен и реализован способ разделения аэродинамических ошибок и атмосферных возмущений, а также определяется ошибка навигационной высоты, что существенно повышает толерантность управления к действующим возмущениям, делает его независимым от модели возмущений.Based on navigational measurements of the apparent acceleration vector and angular velocity with the help of coupled accelerometers and angular velocity sensors TAUS-MS, it is possible to identify the relative aerodynamic quality of the vehicle krel (the ratio of the actual aerodynamic quality to the calculated, i.e. onboard), to construct an approximate function of the relative atmospheric density ρ rel (the ratio of the actual density ρ fak to the density ρ cm according to the onboard monthly average model at the navigation altitude) and determine the navigation altitude error Δh (the difference between the navigation altitude and the actual), which can reach ± 2 km on the first dive and ± 3 km on the section second dive. All this is realized from the very beginning of the entry into the atmosphere, to the point of rebound, when, in essence, the entire ricochet trajectory is formed. In TAUS-MS, a method for separating aerodynamic errors and atmospheric disturbances has been proposed and implemented for the first time, and the navigation altitude error is also determined, which significantly increases the control tolerance to operating disturbances, making it independent of the disturbance model.

Для адаптации к действующим возмущениям ТАУС-МС последовательно выполняет следующие операции. По навигационным измерениям вычисляется коэффициент адаптацииTo adapt to operating disturbances, TAUS-MS sequentially performs the following operations. Adaptation coefficient is calculated from navigation measurements

Figure 00000002
Figure 00000002

где WVизм - измеренная проекция вектора кажущегося ускорения на навигационный вектор воздушной скорости СА, WVрасч - аналогичная расчетная величина, вычисляемая с использованием бортовых моделей аэродинамических характеристик и среднемесячной атмосферы, а также коэффициент адаптацииwhere W Vmeas is the measured projection of the apparent acceleration vector onto the navigation vector of the airspeed CA, W Vcalc is a similar calculated value calculated using onboard models of aerodynamic characteristics and the average monthly atmosphere, as well as the adaptation coefficient

Figure 00000003
Figure 00000003

где Wпс изм, Wпс расч - соответствующие величины вектора кажущегося ускорения, ортогонального к вектору воздушной скорости. Относительное аэродинамическое качество вычисляется по формулеwhere W ps meas , W ps calc are the corresponding values of the apparent acceleration vector orthogonal to the airspeed vector. The relative aerodynamic quality is calculated by the formula

Figure 00000004
Figure 00000004

а для учета относительной плотности атмосферы предложена формула на основе функций (2) и(3):and to take into account the relative density of the atmosphere, a formula is proposed based on functions (2) and (3):

Figure 00000005
Figure 00000005

Эта формула с точностью 3-6% совпадает с относительной плотностью и позволяет разделить аэродинамические ошибки (порождаемые ошибками самой аэродинамики и ошибками фактического положения центра масс) и атмосферные ошибки. Разделение ошибок аэродинамики (которые не меняются на данной траектории) и атмосферы позволило повысить точность идентификации возмущенной атмосферы и коррекции управления.This formula coincides with the relative density with an accuracy of 3-6% and makes it possible to separate aerodynamic errors (generated by errors in aerodynamics itself and errors in the actual position of the center of mass) and atmospheric errors. The separation of aerodynamic errors (which do not change on a given trajectory) and the atmosphere made it possible to increase the accuracy of the disturbed atmosphere identification and control correction.

Ошибка навигационной высоты на участке первого погружения в атмосферу начинает расти почти линейно после точки рикошета (т.е. после пролета минимальной высоты). Поэтому адаптация к фактическим условиям движения начинается до точки рикошета, когда, в основном, формируется вся рикошетирующая траектория. По формуле (4) определяется относительное аэродинамическое качество СА, которое сохраняется на всей траектории. При этом в расчете прогнозных аэродинамических коэффициентов СА на гиперзвуковом участке учитывается фактический балансировочный угол атаки по навигационным измерениям углового движения СА, так как на нисходящей ветви амплитуда колебаний может достигать 3°-6° относительно фактического балансировочного положения. Только в окрестности точки рикошета колебания почти затухают, но к этому моменту рикошетирующая траектория оказывается практически сформированной. Относительная плотность атмосферы (5) табулируется на нисходящей ветви первого погружения СА в атмосферу и используется для прогноза движения на восходящей ветви. На высотах ниже достигнутой принимается ρотн=1 что соответствует среднемесячной атмосфере. На участке второго погружения относительная плотность атмосферы уточняется до высоты 70 км, т.е. до появления ошибки навигационной высоты, которая на этом участке может достигать ±3 км. Ниже точки полученных измерений относительная плотность атмосферы прогнозируется как линейная функция высоты от текущего значения до единицы на нулевой высоте.The navigation altitude error during the first atmospheric dip begins to increase almost linearly after the bounce point (i.e. after passing the minimum altitude). Therefore, adaptation to the actual driving conditions begins before the bounce point, when basically the entire bouncing trajectory is formed. By formula (4), the relative aerodynamic quality of the aircraft is determined, which is maintained throughout the entire trajectory. In this case, in the calculation of the predicted aerodynamic coefficients of the SA in the hypersonic section, the actual balancing angle of attack is taken into account according to the navigational measurements of the angular motion of the SA, since on the descending branch the amplitude of oscillations can reach 3 ° -6 ° relative to the actual balancing position. Only in the vicinity of the ricochet point do the oscillations almost damp, but by this time the ricochet trajectory is practically formed. The relative density of the atmosphere (5) is tabulated on the descending branch of the first descent of the SA into the atmosphere and is used to predict the movement on the ascending branch. At altitudes below the achieved one, ρ rel = 1 is taken, which corresponds to the average monthly atmosphere. During the second dive, the relative density of the atmosphere is refined to an altitude of 70 km, i.e. until the navigation altitude error appears, which in this section can reach ± 3 km. Below the point of the obtained measurements, the relative density of the atmosphere is predicted as a linear function of the altitude from the current value to one at zero altitude.

Относительное аэродинамическое качество (4) пересчитывается в поправку к коэффициенту момента тангажа по формулеThe relative aerodynamic quality (4) is recalculated into the correction to the coefficient of the pitching moment according to the formula

Figure 00000006
Figure 00000006

Здесь dmz/dα - производная коэффициента момента тангажа по углу атаки, kрасч - расчетное значение аэродинамического качества, dk/dα - производная аэродинамического качества по углу атаки. Для близких к реальным величинам номинальных аэродинамических коэффициентов имеем согласно (6)Here dm z / dα is the derivative of the pitching moment coefficient with respect to the angle of attack, kcalculated is the calculated value of the aerodynamic quality, dk / dα is the derivative of the aerodynamic quality with respect to the angle of attack. For close to real values of nominal aerodynamic coefficients, we have, according to (6)

Figure 00000007
Figure 00000007

В зависимости от величины к0Т11 поправочный коэффициент Δmz<0 при kотн>1, Δmz=0 при kотн=1 и Δmz>0 при kотн<1.Depending on the value to 0Т11, the correction factor Δm z <0 for k rel > 1, Δm z = 0 for k rel = 1 and Δm z > 0 for k rel <1.

С использованием (7), по полной таблице номинальных («расчетных») аэродинамических характеристик (включающей коэффициенты лобового сопротивления Сxa, подъемной силы С, и момента тангажа mz в зависимости от угла атаки а, числа М и высоты h) формируются прогнозные балансировочные коэффициенты Сxa прог и Суa прог, которые соответствуют условиюUsing (7), according to the complete table of nominal ("calculated") aerodynamic characteristics (including the drag coefficients C xa , lift C ya , and pitching moment m z , depending on the angle of attack a, the number M and the height h), forecast balancing coefficients C xa prog and C ya prog , which correspond to the condition

Figure 00000008
Figure 00000008

где mz - коэффициент момента тангажа номинальных характеристик, Δmz - поправочный коэффициент (7), -0.002 - эмпирический коэффициент для создания дополнительного «запаса» по дальности спуска. Прогнозные аэродинамические характеристики, соответствующие данным возмущающим факторам согласно (8), не меняются в процессе спуска.where m z is the coefficient of the pitching moment of the nominal characteristics, Δm z is the correction coefficient (7), -0.002 is the empirical coefficient for creating an additional "margin" for the descent range. The predicted aerodynamic characteristics corresponding to these disturbing factors according to (8) do not change during the descent.

С использованием измеренной величины полного аэродинамического ускорения WΣизм вычисляется поправочный коэффициент β по формулеUsing the measured value of the total aerodynamic acceleration W Σmeas , the correction factor β is calculated by the formula

Figure 00000009
Figure 00000009

где WΣрасч - расчетная величина полного аэродинамического ускорения. По таблице стандартной атмосферы СА-81 (ГОСТ 4401-81) находится поправка Δh, для которой выполняется условиеwhere W Σcalc is the calculated value of the total aerodynamic acceleration. According to the table of standard atmosphere CA-81 (GOST 4401-81), there is a correction Δh, for which the condition

Figure 00000010
Figure 00000010

Формулы (9) и (10) определяют поправку навигационной высоты Δh, которая позволяет уточнить начальный вектор состояния при расчете прогноза.Formulas (9) and (10) determine the navigation altitude correction Δh, which makes it possible to refine the initial state vector when calculating the forecast.

СА совершает 2 переворота по крену при первом погружении в атмосферу и 3 переворота при втором, что экономит расход топлива. Такое число переворотов необходимо и достаточно для получения требуемой точности приведения.The SA makes 2 roll rolls during the first immersion into the atmosphere and 3 rolls during the second, which saves fuel consumption. This number of flips is necessary and sufficient to obtain the required alignment accuracy.

Техническим результатом изобретения является гарантированное (100%) повышение точности приведения СА к месту посадки до ~2.7 км при дальности спуска порядка 10000 км в условиях действия всех возмущающих факторов, ограничение максимальной перегрузки величиной порядка 6g с выдерживанием допустимого времени действия перегрузки больше 5g по нормативам Man-System Integration Standards NASA-STD-3000 [7], а также экономия расхода запаса топлива на работу управляющих двигателей.The technical result of the invention is a guaranteed (100%) increase in the accuracy of bringing the SA to the landing site up to ~ 2.7 km with a descent range of about 10,000 km under the action of all disturbing factors, limiting the maximum overload to about 6g while maintaining the permissible overload time of more than 5g according to Man standards -System Integration Standards NASA-STD-3000 [7], as well as saving fuel consumption for the operation of control engines.

Технический результат достигается тем, что по автономным измерениям вектора кажущегося ускорения в проекциях на оси связанной системы координат СА осуществляется ситуационная (т.е. персональная) адаптация к действующим возмущениям на конкретной возмущенной траектории спуска. Этим ТАУС-МС качественно отличается от прототипа ТАУС-М, в котором реализована общая адаптация с одним коэффициентом адаптации Δmz=-0.004 для всей совокупности действующих возмущений. Достоверность эффективности алгоритма ТАУС-МС подтверждена статистическими испытаниями нескольких тысяч возмущенных траекторий спуска с использованием математической модели полного движения СА (т.е. движения центра масс и относительно центра масс) и модели возмущений, которая включает следующие составляющие (с нормальным и равномерным распределением):The technical result is achieved by the fact that according to the autonomous measurements of the apparent acceleration vector in the projections on the axis of the associated coordinate system of the SA, situational (i.e. personal) adaptation to the acting disturbances on a specific disturbed descent trajectory is carried out. In this, TAUS-MS qualitatively differs from the prototype TAUS-M, which implements general adaptation with one adaptation coefficient Δm z = -0.004 for the entire set of acting disturbances. The reliability of the efficiency of the TAUS-MS algorithm is confirmed by statistical tests of several thousand perturbed descent trajectories using a mathematical model of the complete motion of the SA (i.e., movement of the center of mass and relative to the center of mass) and a perturbation model, which includes the following components (with normal and uniform distribution):

- ошибки аэродинамических характеристик,- errors of aerodynamic characteristics,

- ошибки массы, моментов инерции и центровки,- errors of mass, moments of inertia and centering,

- возмущенная атмосфера (вариации плотности и ветер),- disturbed atmosphere (density variations and wind),

- навигационные ошибки (акселерометров, датчиков угловой скорости, начальной выставки измерительных осей и точности ее знания, аппаратуры спутниковой навигации),- navigation errors (accelerometers, angular velocity sensors, the initial alignment of the measuring axes and the accuracy of its knowledge, satellite navigation equipment),

- ошибки работы управляющих двигателей (тяги, удельной тяги, запаздывания включения-выключения).- errors in the operation of control motors (thrust, specific thrust, on-off delay).

Результаты статистических испытаний ТАУС-МС на 1000 возмущенных траекторий показывают, что точность приведения СА к месту посадки на дальность порядка 10000 км лучше 2.7 км, максимальная перегрузка порядка 6g, а расход топлива меньше располагаемого запаса. На фиг. 2 в посадочной системе координат Oxyz представлены конечные точки приведения ВА на высоте ~4.5 км, где вводится в действие парашютная система. Начало О находится в точке посадки, ось Ох направлена в начальной плоскости по движению, ось Оу - по местной вертикали, ось Oz замыкает правую систему координат. Цифрами показаны номера возмущенных траекторий. Только для двух возмущенных траекторий из 1000 промах больше 2.5 км, а на остальных - меньше 2.5 км. На фиг. 3 приведены максимальные перегрузки nmax в зависимости от кажущихся скоростей Vn, при которых они достигаются. На одной траектории из 1000 перегрузка кратковременно достигает 6.3g, а на остальных траекториях перегрузка не превышает 6g. Время действия повышенной перегрузки не превышает допустимого согласно NASA-STD-3000. Расход топлива mт в зависимости от промаха r=(x2+z2)0.5 показан на фиг. 4. Только на одной траектории расход достигает 232 кг, а на остальных траекториях расход меньше 225 кг при одновременном включении двух двигателей в каждом канале управления. Такие результаты при статистических математических испытаниях двухпараметрического терминального алгоритма управления на рикошетирующих траекториях с дальностью спуска порядка 10000 км получен впервые.The results of statistical tests of TAUS-MS on 1000 perturbed trajectories show that the accuracy of bringing the vehicle to the landing site at a distance of about 10,000 km is better than 2.7 km, the maximum overload is about 6g, and the fuel consumption is less than the available stock. FIG. 2 in the Oxyz landing coordinate system, the endpoints of the VA targeting at an altitude of ~ 4.5 km, where the parachute system is put into operation, are presented. The origin O is at the landing point, the Ox axis is directed in the initial plane along the motion, the Oy axis is along the local vertical, the Oz axis closes the right coordinate system. The numbers show the numbers of the disturbed trajectories. Only for two perturbed trajectories out of 1000, the miss is more than 2.5 km, and for the rest, it is less than 2.5 km. FIG. 3 shows the maximum overloads n max depending on the apparent speeds V n at which they are achieved. On one trajectory out of 1000, the overload for a short time reaches 6.3g, and on the other trajectories, the overload does not exceed 6g. The duration of the increased overload does not exceed the allowable one according to NASA-STD-3000. The fuel consumption m t as a function of the slip r = (x 2 + z 2 ) 0.5 is shown in Fig. 4. Only on one trajectory the flow rate reaches 232 kg, and on the other trajectories the flow rate is less than 225 kg with simultaneous switching on of two motors in each control channel. Such results were obtained for the first time in statistical mathematical tests of a two-parameter terminal control algorithm on bouncing trajectories with a descent range of about 10,000 km.

Список цитируемых источниковList of cited sources

[1] Глазков А.Г., Ибрагимов К.З., Климин А.В., Трунов Ю.В., Хазан М.А., Хитрик М.С., Ярошевский В.А. Управление космическим аппаратом при входе в атмосферу // Космические исследования 1969, т. 7, №, 2, с. 163-170.[1] Glazkov A.G., Ibragimov K.Z., Klimin A.V., Trunov Yu.V., Khazan M.A., Khitrik M.S., Yaroshevsky V.A. Control of a spacecraft when entering the atmosphere. Space Research 1969, vol. 7, no. 2, p. 163-170.

[2] Morth R. Reentry Guidance for Apollo. // 2-nd IF AC Symposium on Automatic Control in Space, 1967, preprint.[2] Morth R. Reentry Guidance for Apollo. // 2-nd IF AC Symposium on Automatic Control in Space, 1967, preprint.

[3] Pavlovsky J.E., Leger L.G.St. Apollo Experience Report-Thermal Protection Subsystem // NASA Technical Note NASA TN D-7564, 1974.[3] Pavlovsky J.E., Leger L.G.St. Apollo Experience Report-Thermal Protection Subsystem // NASA Technical Note NASA TN D-7564, 1974.

[4] Rea J.R., Putnam Z.R. A Comparison of Two Skip Entry Guidance Algorithms // AIAA-2007-6424, 2007.[4] Rea J.R., Putnam Z.R. A Comparison of Two Skip Entry Guidance Algorithms // AIAA-2007-6424, 2007.

[5] Евдокимов C.H., Климанов С.И., Корчагин А.Н., Микрин Е.А., Самотохин А.С., Сихарулидзе Ю.Г., Тучин А.Г. Модификация терминального алгоритма управления спуском при возвращении от Луны применительно к «усиленным» возмущениям // Космические исследования, 2020, т. 58, с. 149-164.[5] Evdokimov C.H., Klimanov S.I., Korchagin A.N., Mikrin E.A., Samotokhin A.S., Sikharulidze Yu.G., Tuchin A.G. Modification of the terminal descent control algorithm when returning from the Moon as applied to "enhanced" disturbances // Cosmic research, 2020, v. 58, p. 149-164.

[6] Охоцимский Д.Е., Голубев Ю.Ф., Сихарулидзе Ю.Г. Алгоритмы управления космическим аппаратом при входе в атмосферу. - М., Наука, 1975.[6] Okhotsimsky DE, Golubev Yu.F., Sikharulidze Yu.G. Algorithms for controlling a spacecraft when entering the atmosphere. - M., Science, 1975.

[7] Vernis P., Spreng F., Gellys G. Accurate Skip-Entry Guidance for low to medium L/D spacecrafts return missions requiring high range capabilities // AIAA 2011-6649, 2011.[7] Vernis P., Spreng F., Gellys G. Accurate Skip-Entry Guidance for low to medium L / D spacecrafts return missions requiring high range capabilities // AIAA 2011-6649, 2011.

Claims (1)

Способ терминального управления спускаемым аппаратом в атмосфере Земли на рикошетирующей траектории возвращения от Луны с применением двухпараметрического управления полетом и численного прогноза остающейся траектории для коррекции зависимости угла крена от кажущейся скорости, отличающийся тем, что на конкретной возмущенной траектории спуска адаптация по автономным измерениям вектора кажущегося ускорения в связанной системе координат спускаемого аппарата осуществляется с учетом сложившейся ситуации и с раздельной идентификацией фактического аэродинамического качества аппарата, фактической плотности возмущенной атмосферы и ошибки навигационной высоты.The method of terminal control of the descent vehicle in the Earth's atmosphere on the ricocheting trajectory of return from the Moon using two-parameter flight control and numerical prediction of the remaining trajectory to correct the dependence of the roll angle on the apparent velocity, the associated coordinate system of the descent vehicle is carried out taking into account the current situation and with separate identification of the actual aerodynamic quality of the vehicle, the actual density of the disturbed atmosphere and the navigation altitude error.
RU2020132841A 2020-10-06 2020-10-06 Method for situational terminal control of descent module in earth's atmosphere on ricocheting trajectory of return from moon RU2752305C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020132841A RU2752305C1 (en) 2020-10-06 2020-10-06 Method for situational terminal control of descent module in earth's atmosphere on ricocheting trajectory of return from moon

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020132841A RU2752305C1 (en) 2020-10-06 2020-10-06 Method for situational terminal control of descent module in earth's atmosphere on ricocheting trajectory of return from moon

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2752305C1 true RU2752305C1 (en) 2021-07-26

Family

ID=76989588

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2020132841A RU2752305C1 (en) 2020-10-06 2020-10-06 Method for situational terminal control of descent module in earth's atmosphere on ricocheting trajectory of return from moon

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2752305C1 (en)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4829434A (en) * 1987-04-29 1989-05-09 General Motors Corporation Adaptive vehicle
US8489258B2 (en) * 2009-03-27 2013-07-16 The Charles Stark Draper Laboratory, Inc. Propulsive guidance for atmospheric skip entry trajectories
RU2537193C1 (en) * 2013-09-27 2014-12-27 Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный научно-исследовательский институт машиностроения" (ФГУП ЦНИИмаш) Method of control over spacecraft descent in atmosphere of planets
RU2691902C1 (en) * 2018-10-19 2019-06-18 Федеральное государственное унитарное предприятие "Государственный научно-исследовательский институт авиационных систем" (ФГУП "ГосНИИАС") Method to direct an unmanned aerial vehicle

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4829434A (en) * 1987-04-29 1989-05-09 General Motors Corporation Adaptive vehicle
US8489258B2 (en) * 2009-03-27 2013-07-16 The Charles Stark Draper Laboratory, Inc. Propulsive guidance for atmospheric skip entry trajectories
RU2537193C1 (en) * 2013-09-27 2014-12-27 Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный научно-исследовательский институт машиностроения" (ФГУП ЦНИИмаш) Method of control over spacecraft descent in atmosphere of planets
RU2691902C1 (en) * 2018-10-19 2019-06-18 Федеральное государственное унитарное предприятие "Государственный научно-исследовательский институт авиационных систем" (ФГУП "ГосНИИАС") Method to direct an unmanned aerial vehicle

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Евдокимов C.H., Климанов С.И. и др. Модификация терминального алгоритма управления спуском при возвращении от Луны применительно к "усиленным" возмущениям. Космические исследования, 2020, т. 58, N2, с. 149-164. *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN109597427B (en) Bomb random attack planning method and system based on unmanned aerial vehicle
US8729442B2 (en) Predicting and correcting trajectories
CN102393630B (en) Carrier aircraft landing guide and control system for inhibiting airflow disturbance of stern and control method for system
JP2010195392A (en) Maximization of predictability in aircraft by continuous descent approach
US20190161214A1 (en) Spacecraft and landing method
CN109240323A (en) A kind of re-entry space vehicle reentry guidance method of real time parsing construction
De Ridder et al. Optimal longitudinal trajectories for reusable space vehicles in the terminal area
CN107957686B (en) Unmanned helicopter auto landing on deck control system based on prediction control
RU2752305C1 (en) Method for situational terminal control of descent module in earth&#39;s atmosphere on ricocheting trajectory of return from moon
Yoon et al. Pursuit guidance law and adaptive backstepping controller design for vision-based net-recovery UAV
US9889926B2 (en) Air vehicles and systems for preemptive turbulence mitigation
CN111651860B (en) Predictive correction robust guidance method for re-entry section of reusable carrier
CN107942673B (en) Mars atmosphere entry section analysis guidance method for high tracking of parachute opening point
Evdokimov et al. Terminal control algorithm for the downrange motion of a descent module with load factor constraints
Kawaguchi et al. Post-flight evaluation of the guidance and control for D-SEND# 2 2nd drop test
Kayton One hundred years of aircraft electronics
Baek et al. Trajectory optimization and the control of a re-entry vehicle in TAEM phase
Evdokimov et al. A concept of the terminal descent control algorithm at reentry into the Earth atmosphere with near-parabolic velocity
Kibzun et al. Trajectory control of a high altitude hypervelocity flying vehicle in the midcourse active phase of the flight
Erokhin Aircraft trajectory control at the motion on the predetermined route based on the global navigation satellite system
Evdokimov et al. Modification of the Terminal Control Algorithm for Descent under “Magnified” Disturbances after Returning from the Moon
CN114594783B (en) Four-rotor real-time trajectory planning and landing control method based on overall process constraint
Sadraey Attitude Control Systems
Ulybyshev Guidance of a spacecraft with low lift-to-drag ratio to a landing point
Chen et al. Robust guidance law design for UAVs