Иван Шунейко - Пилотируемые полеты на Луну

• Название: Пилотируемые полеты на Луну
• Автор: Иван Шунейко
• Издательство: Государственный Комитет Совета министров СССР по науке и технике
• Жанр: Техническая литература
• Год: 1973

Выпуск Итоги науки и техники из серии Ракетостроение, том 3, «Пилотируемые полеты на Луну, конструкция и характеристики Saturn V Apollo» является обзором и систематизацией работ, информация о которых опубликована в изданиях ВИНИТИ АН СССР в 1969—1972 гг.

В томе 3 описываются конструкция, весовые, летные характеристики и космические летные испытания ракеты-носителя Saturn V и корабля Apollo. Рассматриваются системы управления корабля Apollo, принципы прицеливания траектории полета Земля-Луна-Земля, навигация, коррекция траектории полета, методы аварийного возвращения.

Описываются полеты на Луну кораблей Apollo-11, 12, 13, 14, 15, 16 и 17, анализируется механика полета, посадка на Луну, взлет с Луны и возвращение на Землю.

Библиографический обзор литературы и рефератов, опубликованных в изданиях ВИНИТИ АН СССР, приводится в конце каждой главы.

Выпуск рассчитан на научных работников, инженеров-конструкторов, специалистов по испытанию и эксплуатации, преподавателей, аспирантов, работающих в области астронавтики, космической ракетной техники и авиации. Книга предназначается и для специалистов смежных с астронавтикой наук, интересующихся космической ракетной техникой, обеспечивающей полет человека на Луну.

---

Главным в режиме стабилизации корабля является определение ЦАП угловой скорости ориентации; от точности расчета угловой скорости зависит экономия топлива и способность системы сохранить ошибки ориентации в пределах зоны нечувствительности.

Автоматическое изменение ориентации корабля

ЦАП, управляя маневром ориентации корабля Apollo, использует ту же самую логику, которая применяется на режиме стабилизации, но с дополнением команд по угловой скорости (рис. 32.4). Выработка маневра ориентации выполняется в 2 этапа. Вначале на базе текущей ориентации и требуемой, определяемой экипажем или бортовой ЭЦВМ, находится ось, относительно которой одним вращением будет достигнута требуемая ориентация. Одновременно определяется, не приведет ли рассматриваемый маневр к замыканию рамок кардана блока инерциальных измерений. Если замыкание может произойти, то оси вращения выбираются так, чтобы обойти зону замыкания. Обычно в конце необходимо сделать крен для окончания маневра. В обоих случаях результатом расчета является направление, относительно которого вращается корабль, и угол поворота.

Рис. 32.4. Блок-схема цифрового автопилота, пассивный полет, управление стабилизацией корабля.

Во втором этапе расчета вырабатывается переходная матрица, равная произведению матрицы, соответствующей начальному стабилизированному положению, и трансформирующей матрицы. Это преобразование производится один раз в расчетном цикле.

Управление кораблем Apollo на активном участке траектории полета

ЦАП на активных участках траектории полета вырабатывает команды на управление вектором тяги ат и осуществляет управление ориентацией корабля и вектора тяги в соответствии с вырабатываемыми командами.

Так как вектор тяги ат ориентирован в среднем вблизи продольной оси корабля, управление на активных участках сводится к управлению ориентацией корабля. Непосредственно перед включением ЖРД ЦАП с помощью ЖРД РСУ удерживает ориентацию в пределах узкой зоны нечувствительности. Предварительно ЦАП компенсирует смещение вектора тяги ЖРД, направляя ось тяги через центр тяжести корабля, определяется время зажигания ЖРД, перед зажиганием включаются ЖРД РСУ для осадки топлива в баках. С момента зажигания ЦАП управляет направлением вектора тяги, отклоняя ЖРД на кардане. ЖРД РСУ осадки топлива выключаются, когда ЖРД главной двигательной установки разовьет полную тягу.

В период действия тяги команда по угловой скорости ориентации корабля пропорциональна углу между Vg и ат (или —Vg). ЦАП вырабатывает 3 независимых сигнала ошибок ориентации и управляет тангажом, рысканием и креном корабля, сводя к нулю эти ошибки.

Управление креном осуществляется с помощью ЖРД РСУ. При управлении вектором тяги по тангажу и рысканию должны обеспечиваться стабилизация корабля, малые ошибки по скорости при выключении ЖРД, ограниченные отклонения ориентации корабля, чтобы минимизировать расход топлива и износ муфт сервомотора кардана.

На рис. 32.5 представлена блок-схема одного канала ЦАП. Для простоты считалось, что команда по угловой скорости ?с уже преобразована к координатам, связанным с аппаратом. Роль ЦАП в этом случае заключается в выполнении динамических фильтрующих операций по выбору ошибок ориентации е требуемых для выработки команд сервомотору кардана и осуществления управления по этим командам.

Рис. 32.5. Блок-схема цифрового автопилота, управление кораблем Apollo на активных участках траектории полета

Программа бортовой ЭЦВМ управления траекторией полета корабля Apollo

Программа бортовой ЭЦВМ управления траекторией полета ракеты-носителя Saturn V и корабля Apollo разделена на функциональные спецпрограммы в соответствии с последовательностью этапов полета на Луну: предстарт, старт, навигация, целеуказание, маневры на активных участках траектории, выставка инерциально стабилизированной платформы, вход в атмосферу, соответственно обозначаемые шифрами Р01—Р07, Р10—Р17, Р20—Р27, Р3О—Р37, Р40—Р47, Р50—Р57, Р60—Р67.

Для каждого этапа полета штурман выбирает необходимую спецпрограмму и вводит ее в бортовую ЭЦВМ, набирая соответствующий ей шифр на пульте управления.

Кроме спецпрограмм можно использовать различные алгоритмы и получить от бортовой ЭЦВМ полезную информацию о положении корабля в космическом пространстве, определить апогей и перигей орбиты, долготу, широту и высоту полета.

Программа Р40 вводится в бортовую ЭЦВМ за 5 мин до зажигания ЖРД двигательной установки служебного отсека во всех случаях, когда осуществляется маневр управления траекторией полета корабля Apollo. Точное направление вектора тяги ЖРД в начале маневра и метод осуществления маневра зависят от параметров цели, которые должны быть заранее известны.

Проблема целеуказания возникает в заданной точке космического пространства и в определенное время решается бортовой ЭЦВМ с помощью спецпрограммы Р34. Эта спецпрограмма вводится в бортовую ЭЦВМ раньше Р40. Спецпрограммой Р34 определяются потребное импульсное изменение скорости, перигейное расстояние, ожидаемый угол средней рамки кардана и выдаются экипажу заранее; кроме этого, подсчитываются расход топлива на маневр, конечная орбита и запас высоты в перигее конечной орбиты.

Перед выключением спецпрограммы Р34 и отсылкой ее в память бортовой ЭЦВМ до дальнейшего использования экипаж оценивает и одобряет полученные данные – время зажигания, продолжительность маневра и расчетный вектор промаха цели,—которые используются для расчета управления маневром.

Спецпрограмма Р40 вводится заранее, чтобы экипаж успел выполнить операции по «листу проверки», предшествующие каждому активному участку траектории.

Основное назначение спецпрограммы Р40 заключается в навигации, управлении кораблем и контроле за системами в процессе отсчета времени, зажигании и работе ЖРД, а также выключении ЖРД в конце маневра. Перед вводом спецпрограммы Р40 для работы ЦАП должны быть подготовлены следующие данные: угловая скорость, ширина зоны нечувствительности, используемые ЖРД РСУ, расчет поворота кардана ЖРД служебного отсека. Вес командного и служебного отсеков, момент инерции, момент, создаваемый ЖРД, подсчитываются и прослеживаются во время работы ЖРД.

После завершения подготовительных расчетов ЦАП подсчитывается начальное направление вектора тяги и величина необходимого изменения вектора скорости Vg; 3 компоненты вектора Vg в координатах относительно местной вертикали выдаются на приборную доску штурмана (ему предоставлено право сбросить программу, если он заметит большие ошибки в расчетах). Далее ЦАП, определяет предпочтительную ориентацию блока инерциальных измерений, при этом ось Х стабилизированной платформы направляется вдоль расчетного направления вектора тяги. Если угол средней рамки кардана превышает 45°, штурман включает программу перенастройки блока инерциальных измерений. После новой выставки блока инерциальных измерений штурман снова может включить спецпрограмму Р40.

Если закончена выставка блока инерциальных измерений ЦАП выбирает порядок маневрирования, обеспечивающий необходимое направление вектора тяги. После расчета маневра ЦАП запрашивает штурмана произвести проверку привода кардана ЖРД (для безопасности); после проверки производится триммерная подгонка углов кардана. ЦАП начинает выдавать время в минутах и секундах до начала работы ЖРД; в оставшиеся 45 сек вспыхивает сигнальная лампа и штурман, если найдет нужным, может сбросить программу. За 30 сек до зажигания спецпрограмма Р40 обращается к листу ожидающих программ, чтобы начать интегрирование по «методу среднего g». Штурман готовит двигательную установку служебного отсека, включает рубильник на главной панели и рукоятки управления на дискретный режим. ЦАП выдает команду на включение ЖРД РСУ для осадки топлива в баках. Штурман следит за изменением скорости, выдаваемой на экран-индикатор, и убеждается, что осадка происходит. За 5 сек. до зажигания штурману выдается сигнал о готовности к работе главного ЖРД и это последняя возможность сбросить выполнение маневра с работающими ЖРД.

Если принято решение продолжать полет, ЦАП включает ЖРД и одновременно изменяется режим работы ЦАП с пассивного полета на активный. ЖРД РСУ осадки топлива выключаются, как только главный ЖРД разовьет полную тягу. Экран-индикатор начинает показывать время до выключения ЖРД и Vg. Штурман следит за выполнением маневра по экрану-индикатору, убеждается в том, что оставшееся время работы ЖРД уменьшается и Vg уменьшается; по шаровому индикатору полета он следит, чтобы ошибки ориентации и скорости ориентации лежали в допустимых пределах.

Когда ЦАП определит, что целевые условия маневра достигнуты, посылается сигнал на выключение ЖРД служебного отсека, и ЦАП переключается на пассивный полет. В конце работы ЖРД на экране-индикаторе выдается остаточная скорость Vg и ее компоненты в координатах корабля. Штурман может вручную подрегулировать эти компоненты скорости с помощью рукояток управления поступательным перемещением и вращением корабля. Когда маневр закончен, ЦАП определяет параметры новой орбиты корабля, выдает эту информацию на экран-индикатор и запрашивает штурмана, перейти ли на программу холостого хода или на какую-либо другую из главных программ. [4—15, 18—20.]