авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ  БИБЛИОТЕКА

АВТОРЕФЕРАТЫ КАНДИДАТСКИХ, ДОКТОРСКИХ ДИССЕРТАЦИЙ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Всеволод владимирович разработка комплексной методики определения динамических параметров жесткой посадки спускаемого аппарата на поверхность планеты

На правах рукописи

УДК 629.78 КОРЯНОВ ВСЕВОЛОД ВЛАДИМИРОВИЧ РАЗРАБОТКА КОМПЛЕКСНОЙ МЕТОДИКИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДИНАМИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ЖЕСТКОЙ ПОСАДКИ СПУСКАЕМОГО АППАРАТА НА ПОВЕРХНОСТЬ ПЛАНЕТЫ Специальность: 05.07.09 – Динамика, баллистика, управление движением летательных аппаратов

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва – 2011 г.

Работа выполнена в Московском государственном техническом университете имени Н.Э. Баумана

Научный консультант: Доктор технических наук, профессор Казаковцев Виктор Поликарпович

Официальные оппоненты: Доктор технических наук, профессор Горбатенко Станислав Алексеевич Кандидат технических наук, доцент Зеленцов Владимир Викторович

Ведущая организация: Федеральное государственное унитарное предприятие научно-производственное объединение им. С.А. Лавочкина

Защита состоится «26» мая 2011 года в 14 часов 30 мин. на заседании диссертационного совета ДС 212.008.01 при Московском государственном техническом университете имени Н.Э. Баумана по адресу: 107005, Москва, Госпитальный пер., д.10, факультет Специального машиностроения МГТУ им. Н.Э. Баумана, ауд. 407м.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГТУ им. Н.Э.

Баумана.

Автореферат разослан «14» апреля 2011 г.

Ваш отзыв в одном экземпляре, заверенный гербовой печатью, просьба направлять по адресу: 105005, г. Москва, 2-я Бауманская ул., д.5., МГТУ им.

Н.Э. Баумана, диссертационный совет ДС 212.008. Учёный секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор Калугин В.Т.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы В настоящее время, одним из перспективных направлений решения задач практической космонавтики является использование автоматических меж планетных станций (АМС) с применением малых спускаемых аппаратов (СА) для посадки на поверхность планеты назначения. Во многих случаях, жесткие требования к массовым и геометрическим характеристикам для та ких аппаратов делают невозможным использование различных парашютных и других тормозных систем. Это приводит к случаю «жесткой» посадки на поверхность планеты. При встрече СА с поверхностью планеты с атмосферой малой плотности (например, Марса) даже при применении парашютной сис темы, скорость подхода СА к поверхности достигает десятков метров в се кунду. Это также приводит практически к «жёсткой» посадке.

Неоднородность грунтовых пород, неровность рельефа поверхности, на личие возмущающих факторов внешней среды, таких как ветер, являются ис точниками дополнительных возмущающих сил и моментов, действующих на СА в момент посадки. Перечисленные факторы усложняют процесс посадки, сопровождаемый возникновением больших перегрузок, которые могут пре вышать допустимые для СА значения.

Проектирование СА, совершающих посадку в таких условиях, невозмож но без решения задачи моделирования параметров динамики посадки СА на поверхность планеты с априори малоизвестными параметрами грунта и на личием возмущающих факторов внешней среды.

Изложенное дает основание считать, что исследования, направленные на изучение динамики жесткой посадки на поверхность планеты, являются весьма актуальными и имеют важное теоретическое и прикладное значение, а тема диссертации, в которой разрабатывается методика и исследуется дина мика движения СА в момент контакта с поверхностью при жесткой посадке, является актуальной.

Цель и задачи диссертационной работы. Цель работы заключается в повышении надежности посадки СА на поверхность планеты с малоизвест ными характеристиками грунта и действии возмущающих факторов внешней среды.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следую щую совокупность задач:

– разработать математическую модель пространственного движения СА при посадке на поверхность планеты;

– разработать математическую модель силового воздействия грунта и других возмущающих факторов при жесткой посадке СА на поверх ность планеты;

– создать и отладить программное обеспечение для математических мо делей, позволяющее проводить исследования динамики жесткой посад ки СА;

– провести численное моделирование динамики жесткой посадки СА на поверхность планеты и выполнить анализ результатов;

– провести экспериментальное моделирование процесса посадки для оценки работоспособности предлагаемой методики расчета параметров динамики жесткой посадки.

Методы исследования Решение поставленных задач осуществлялось с использованием методов теоретической механики, баллистики, высшей математики, методов матема тического моделирования и программирования.

Научная новизна Новизна полученных результатов диссертационной работы заключается:

– в разработке комплексной методики исследования динамики посадки СА на поверхность планеты, включающей декомпозицию задачи на подзадачи анализа динамики пространственного движения в процессе посадки и моделирования силового нагружения конструкции при воз действии на неё грунта;

– в разработке математической модели пространственного движения СА в процессе посадки на поверхность планеты с учетом влияющих сило вых факторов внешней среды и совместного движения контейнера и корпуса аппарата при наличии амортизатора;



– в разработке математической модели силового воздействия грунта при жесткой посадке СА на поверхность планеты и силового воздействия со стороны амортизации на подвижный контейнер, реализующей раз работанную принципиальную схему решения поставленной задачи и позволяющей определять параметры движения СА в процессе контакта с грунтом;

– в получении с помощью разработанной методики результатов исследова ния динамики жесткой посадки СА на поверхность планеты с учетом ха рактеристик видов грунта и действии различных возмущающих факторов.

Достоверность полученных научных положений, результатов и вы водов, приведенных в диссертации, обосновывается и подтверждается:

– применением строгих математических методов, базирующихся на фун даментальных, классических законах механики, использованием точ ных моделей движения;

– совпадением отдельных результатов расчетов с данными расчетов дру гих авторов;

– соответствием результатов расчетов, приведенных в диссертации, с ре зультатами экспериментальных исследований.

Практическая значимость диссертационной работы Практическое значение работы состоит в возможности применения раз работанной методики при проведении исследовательских работ по обоснова нию возможности создания перспективных СА, предназначенных для жест кой посадки на поверхность планет Солнечной системы и их спутников.

Разработанное программное обеспечение универсально. С его помощью возможно проводить расчеты по динамике посадки СА различного конструк тивного исполнения: корпус СА и подвижный контейнер могут быть пред ставлены набором различных поверхностей (сфера, конус, тор, цилиндр и т.д.).

Внедрение результатов работы Частично материалы диссертации использованы при формировании ма тематической модели посадки на поверхность Земли возвращаемого аппарата по программе «Фобос-Грунт» в НПО им. С.А. Лавочкина.

Полученные в диссертационной работе методика, результаты исследова ний и программы, использованы в учебном процессе МГТУ им. Н.Э. Баума на.

Защищаемые положения На защиту выносятся следующие положения и результаты, полученные в диссертационной работе:

– методика исследования динамики посадки СА;

– математическая модель пространственного движения СА при посадке на поверхность планеты;

– математическая модель силового воздействия грунта при жесткой по садке СА;

– компьютерная реализация математических моделей;

– результаты исследований динамики посадки СА на поверхность планеты.





Апробация основных результатов работы Основные положения и результаты диссертационной работы докладыва лись и обсуждались на – XL, XLI, XLII, XLIII, XLIV, XLV Научных чтениях памяти К.Э. Циолков ского – научное творчество К.Э. Циолковского и современное развитие его идей (г. Калуга, 2005 – 2010 г.);

Публикации Основные положения и результаты диссертации изложены в 9 научных работах, из них в 3 статьях, опубликованных в изданиях, включенных в пере чень, рекомендованный ВАК РФ, и 6 тезисах докладов:

Структура и объём диссертации Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и выводов, списка литературы и приложений, содержащих листинги разработанных про грамм. Объем диссертации 167 страниц. Работа включает в себя 113 рисун ков и 23 таблицы. Список литературы содержит 103 наименования.

Содержание работы Во введении обосновывается актуальность темы диссертационной рабо ты. Определена цель работы, сформулирован комплекс задач, решение кото рых, обеспечивает достижение поставленной цели. Рассмотрены методы ис следований, раскрывается научная новизна и практическая значимость рабо ты. Приведены основные положения, выносимые на защиту и сведения об апробации и публикациях. Представлена структура работы и дается краткая аннотация её содержания.

Приведены краткие сведения о планетах, их характеристики (топографиче ская карта, структура атмосферы и т.д.). Подробно рассмотрены характеристи ки планеты Марс, спутника Марса – Фобоса, спутника Сатурна – Титана.

Приведен анализ существующих проектов по данной тематике. Проведен анализ проектов с жесткой посадкой (проект Марс-96, Фобос 1-2, проект Фо бос-Грунт). Описаны проекты, направленные на изучение Титана.

Первая глава В первой главе рассматривается математическая модель динамики про странственного движения СА при посадке на поверхность планеты.

Формулируются общий алгоритм решения задачи и алгоритм определе ния силовых факторов.

Общий алгоритм решения задачи Основой решения является параллельное выполнение двух численных процессов (см. рис. 1):

Рис. 1. Принципиальная схема решения задачи • определение на каждом шаге интегрирования силового воздействия грунта на корпус СА, а также на подвижный контейнер с учетом его амортизации;

• интегрирование системы дифференциальных уравнений движения СА.

Вводятся следующие прямоугольные правые системы координат (см. рис. 2):

– инерциальная система координат OИXИYИZИ. Начало координат OИ на ходится на поверхности планеты. Оси ориентированы следующим образом:

ОИХИ – направлена в плоскости местного горизонта и является местной гори зонтальной осью;

ОИYИ – местная вертикальная ось направленная по нормали к плоскости местного горизонта вверх;

ОИZИ – дополняет систему до правой;

Рис 2. Используемые системы координат – связанная система координат OXYZ, жестко связана с твердым неде формируемым корпусом СА. Начало координат О совпадает с центром масс корпуса СА. Ось ОY – направлена по продольной оси в направлении хвосто вой части;

ОX – расположена в поперечном направлении относительно кор пуса СА;

OZ – дополняют систему до правой. В этой системе координат рас сматривается относительное движение контейнера;

– связанная «контейнерная» система координат ОPXPYPZP жестко связан ная с твердым недеформируемом корпусом подвижного контейнера. Начало координат ОP совпадает с центром масс контейнера P. Ось ОPYP – направле на по продольной оси контейнера в направлении хвостовой части СА;

ОPXP – расположена в поперечном направлении относительно корпуса СА;

ОPZP до полняет систему координат до правой..

Уравнения движения спускаемого аппарата.

Спускаемый аппарат конструктивно (см. рис. 2) можно представить как систему двух абсолютно жестких тел: 1) корпуса с центром масс в точке О и 2) подвижного контейнера с центром масс в точке ОP. Поскольку положение центра масс контейнера изменяется во времени, положение центра масс сис темы (точка С) так же будет изменяться. Учитывается шесть степеней свобо ды контейнера в относительном движении.

Пространственное движение твердого тела при подходе к грунту описы вается уравнениями, в общем случае представляющими:

Уравнение движения центра масс системы mWC = P, (1) где: m – масса системы;

WC – ускорение центра масс системы;

P – главный вектор сил сопротивления со стороны преграды и силы тяжести.

Уравнение вращательного движения аппарата dK O = m(VC VO ) + M, (2) dt где: KO – кинетический момент системы относительно центра O;

M – глав ный момент всех внешних сил относительно центра О;

VC – вектор скорости центра масс системы;

VO – вектор скорости полюса.

Уравнение относительного движения контейнера (в связанной системе координат):

mPWPr = F mPWPе m PWPC, (3) где: mP – масса подвижного контейнера;

WPr – относительное ускорение центра масс контейнера (точка Р);

F – равнодействующая всех сил, дейст вующих на контейнер;

WPе – переносное ускорение точки Р;

WPс – корио лисово ускорение точки Р.

Уравнение вращательного движения контейнера:

dK P = MP, (4) dt где: K P – кинетический момент контейнера относительно центра P;

M P – главный момент сил сопротивления со стороны амортизации на подвижный контейнер.

Для определения параметров движения СА при взаимодействии с грун том решается система уравнений, представляющая проекции уравнений (1) (3) на оси связанной с корпусом СА системы координат OXYZ (см. рис. 2), проекции уравнения вращательного движения контейнера (4) на оси связан ной с ним системы координат ОPXPYPZP, кинематические уравнения Эйлера и уравнения, определяющие переход от связанной с корпусом системы коор динат к неподвижной OИXИYИZИ.

Уравнения движения центра масс системы:

m(VOX + YVOX ZVOY) mP [(Y + 2 ) XP + (z xy ) Yp & & Z & (Y + X Z ) ZP 2 (Y VPrZ z VPrY ) VPr X ] = GX + PX ;

& m(VOY + ZVOX XVOZ) + mP [(Z + X Y ) XP (2 + 2 ) YP & & Z X (5) & (X + Y Z ) ZP + 2 (Z VPr X X VPrZ ) VPrY ] = GY + P ;

& Y & m(VOZ + XVOY YVOX) mP [(Y X Z ) XP (X + Y Z ) YP + & & + (2 + Y ) ZP 2 (X VPrY Y VPr X ) VPrZ ] = GZ + P, 2 & Z X Уравнения вращательного движения корпуса:

P 2 [ I X + I X + m P (YP + Z P )] X = M X + m P [( Z X P X Z P + & + VPr Y ) VOZ ( X YP Y X P + VPr Z ) VOY 2 X (VPr Y YP + P P 2 + VPr Z Z P ) [ I Z + I Z + IY IY + mP (YP Z P )] Y Z P 2 [ IY + IY + m P ( X P + Z P )] Y = M Y + m P [( X YP Y X P + & + VPr Z ) VOX (Y Z P Z YP + VPr X ) VOZ 2Y (VPr X X P + (6) P P 2 + VPr Z Z P ) [ I X + I X I Z I Z + m P ( Z P X P )] X Z P 2 [ I Z + I Z + m P (YP + X P )] Z = M Z + mP [(Y Z P Z YP + & + VPr X ) VOY ( Z X P X Z P + VPr Y ) VOX 2 Z (VPr X X P + P P 2 + VPr Y YP )] [ IY + IY I X I X + m P ( X P YP )] X Y Уравнения движения контейнера:

m P VPr X = FX m P [VOX + Y VOZ Z VOY (Y + 2 ) X P & & Z ( Z Y X )YP + (Y + X Z ) Z P + 2(Y VPr Z Z VPr Y )];

& & & X P = VPr X ;

m P VPr Y = FY m P [VOY + Z VOX X VOZ + ( Z + X Y ) X P & & & (7) (2 + 2 )YP ( X Y Z ) Z P + 2( Z VPr X X VPr Z )];

& Z X & YP = VPr Y ;

m p VPr Z = FZ m P [VOZ + X VOY Y VOX (Y X Z ) X P + & & & + ( X + Y X )YP (2 + Y ) Z P + 2( X VPr Y Y VPr X )];

& X & Z P = VPr Z ;

Уравнения вращательного движения контейнера:

P& P P I X XP + ( I Z IY ) YP ZP = M XP ;

P& P P IY YP + ( I X I Z ) XP ZP = M YP ;

(8) P& P P I Z ZP + ( IY I Z ) XP YP = M XP ;

Дополняя системы (5) – (8) уравнениями перехода от связанной системы координат к неподвижной, кинематическими уравнениями Эйлера для кор пуса и контейнера, получаем систему дифференциальных уравнений в окон чательном виде.

В приведенной системе уравнений ХO, YO, ZO – координаты центра О в неподвижной системе координат;

ХP, YP, ZP – координаты центра P в связан ной с корпусом системе координат.

Введены следующие условные обозначения:

G X, GY, G Z – проекции силы тяжести на оси OXYZ;

PX, PY, PZ – проекции главного вектора сил сопротивления со стороны преграды P ;

(VOX, VOY, VOZ ) – проекции вектора VO на оси OXYZ;

( X, Y, Z ) – угловая скорость корпуса;

( XP, YP, ZP ) – угловая скорость контейнера;

( X P, Y P, Z P ) – радиус-вектор точки Р;

(VPr X, VPr Y, VPr Z ) – вектор относительной скорости точки Р относи тельно корпуса;

I X, I Y, I Z – моменты инерции корпуса относительно осей OXYZ;

PPP I X, I Y, I Z – моменты инерции подвижного контейнера относительно осей системы, связанной с центром масс контейнера Р.

Вторая глава Во второй главе рассматривается физическая модель динамики простран ственного движения СА при посадке на поверхность планеты.

Математическая модель влияющих силовых факторов. Для определе ния значений P и M главного вектора и момента сил сопротивления в каж дый момент времени необходимо знать распределение «нормального» n и «касательного» удельных сопротивлений на внешней поверхности СА.

n = AV n + BVn + C ;

(9) = µ n ;

(10) Vn = ( V Ve )n, (11) где A, B, С – коэффициенты, характеризующие свойства преграды (грунта) оказывать сопротивление, µ – коэффициент трения материала преграды (грунта) о корпус тела;

V — скорость рассматриваемой точки тела на эле ментарной площадке контактной поверхности;

Ve — скорость инерционно расширяющейся среды в окрестности рассматриваемой точки;

n — вектор внешней нормали к боковой поверхности тела в рассматриваемой точке.

Эти же формулы с другими значениями коэффициентов A, B, С, µ при меняются для определения силовых факторов при контакте контейнера с амортизатором.

Интегрирование вектора удельного сопротивления по всей поверхности взаимодействующего с грунтом СА позволяет получить P и M из следую щих зависимостей, спроецированных на оси связанной системы координат:

N P = ( n ni + i )dSi, (12) i =1S ki N M = i ( n ni + i )dS i, (13) i =1S ki где i — индекс, показывающий, на какой характерной поверхности СА (сфе рической, цилиндрической и т.п.) определяются силовые факторы;

N — ко личество характерных поверхностей;

Ski — часть i-ой поверхности, находя щейся в контакте с грунтом;

ni — единичный вектор нормали;

i — единич ный вектор касательной к поверхности;

dSi — площадь элементарной пло щадки на i-ой поверхности;

i — радиус-вектор рассматриваемой точки тела в связанной системе координат.

Третья глава Посвящена компьютерному численному моделированию динамики дви жения СА при жесткой посадке на поверхность планеты с учетом характери стик видов грунта, действии различных возмущающих факторов со стороны окружающей среды и различных начальных условий подхода к поверхности.

Для этого был создан специализированный программный комплекс.

Исследование проводилось для 2-х малых спускаемых аппаратов типа Фобос-Грунт.

а) б) в) Рис. 3. Типы исследуемых СА:

а) Тип 1;

б) Тип 2;

в) Контейнер с полезным грузом для СА 2-го типа.

Первый тип СА. Корпус аппарата можно представить сочетанием трех по верхностей (см. рис. 3а): 1) сферическая лобовая часть экрана СА;

2) цилиндри ческая боковая часть, которая гладко переходит в 3) сферическую в хвостовой части (за начало отсчета принимаем передний контур лобового экрана СА).

Подвижный контейнер можно представить: 4) тороидальной поверхностью.

Второй тип СА. Конструктивно аппарат состоит из двух жестких неде формируемых тел (см. рис. 3):

1. Корпус аппарата;

2. Подвижный контейнер.

Корпус аппарата (см. рис. 3б) можно представить сочетанием трех по верхностей:

1) сферическая лобовая часть экрана СА;

2) коническая боковая часть;

3) тороидальная поверхность в хвостовой части (за начало отсчета при нимаем передний контур лобового экрана СА).

Подвижный контейнер можно представить (см. рис. 3в) в виде:

1) сферической лобовой части;

2) цилиндрической боковой части, которая переходит в хвостовую часть.

Проведение численного моделирования динамики движения спус каемого аппарата При исследовании динамики движения СА с жестким подходом к по верхности планеты выделим следующие группы постановок решаемых задач:

1. «Моделирование динамики посадки при различных видах амортизатора и грунта». Цель исследования – определение оптимальных параметров жест кости амортизатора при различных типах грунта.

2. «Моделирование динамики посадки с учетом ветровой нагрузки».

Цель данного исследования – оценить влияние ветровой нагрузки на ди намику посадки СА для одинаковых начальных условий. Для выбранного оп тимального сочетания «амортизатор-грунт» варьируем величину горизон тальной составляющей скорости VГ.

3. «Моделирование динамики посадки при отклонении продольной оси аппарата». Цель моделирования – определить зону устойчивого движения СА при различных углах подхода к поверхности.

4. «Моделирование динамики посадки при отклонении угла наклона площадки посадки СА». Цель моделирования – определить зону устойчивого движения СА при различных углах наклона площадки посадки (характери стики рельефа поверхности).

Критическими условиями для всех групп моделей являются значения пе регрузок и величины перемещения контейнера внутри аппарата (рис. 3а, б).

Для всех групп моделируемых задач используем четыре схемы подхода СА к поверхности планеты.

а) б) в) Рис. 4. Схемы подхода СА к поверхности Земли:

а) Схема №1 и №2 – движение «на склон по ветру» и движение «по склону по ветру»;

б) Схема №3. Движение «на склон против ветра»;

в) Схема №4. Движение «на горизонтальную поверхность» Схема подхода СА к поверхности планеты №1 – СА движется «на склон по ветру». Площадка и аппарат ориентированы таким образом, что направление углов отклонения аппарата и площадки совпадает. Горизонтальная составляю щая скорости (ветровая нагрузка) направлена также «на склон» (см. рис. 4а).

Схема подхода СА к поверхности планеты №2 – СА движется «по склону по ветру». Угол наклона площадки направлен в противоположную сторону относительно угла отклонения продольной оси аппарата. Горизон тальная составляющая скорости направлена «по склону» (см. рис. 4а).

Схема подхода СА к поверхности планеты №3 – СА движется «на склон против ветра». Угол отклонения продольной оси аппарата направлен в противоположную сторону относительно угла наклона площадки. Горизон тальная составляющая скорости направлена «на склон», т.е. движение аппа рата происходит против ветра (см. рис. 4б).

Схема подхода СА к поверхности планеты №4 – СА движется «на го ризонтальную поверхность». Угол отклонения продольной оси аппарата от сутствует, угол отклонения поверхности также отсутствует. (см. рис. 4в).

Результаты численных исследований для посадки в условиях Марса.

а) б) Рис. 5. Возникающие перегрузки на корпусе аппарата. Модель посадки № а) схема подхода к поверхности №1;

б) схема подхода к поверхности № Результаты численных исследований для посадки в условиях Титана:

а) б) Рис. 6. Возникающие перегрузки на корпусе аппарата. Модель посадки № а) схема подхода к поверхности №1;

б) схема подхода к поверхности № Результаты численных исследований для посадки в условиях Земли:

а) б) Рис. 7. Возникающие перегрузки на корпусе аппарата. Модель посадки № а) схема подхода к поверхности №1;

б) схема подхода к поверхности № Примечание: на графиках в обозначениях кривых приняты следующие сокращения:

М.г. – мягкий грунт;

М.а. – мягкий амортизатор;

Ж.г. – жесткий грунт;

Ж.а. – жесткий амортизатор.

Анализ графических зависимостей.

Для схемы посадки СА №1 график перегрузки имеет один максимум (см.

рис. 5а, 6а, 7а). Для схемы посадки СА №2 график перегрузки имеет несколь ко максимумов (см. рис. 5б, 7б) – это объясняется наличием более значитель ного разворота СА при данных начальных условиях подхода СА к поверхно сти. Для схемы посадки СА №2 в условиях Титана график перегрузки имеет более вытянутую форму с неярко выраженными двумя максимумами (см.

рис. 6б). Это объясняется характеристиками окружающей среды на Титане.

Визуализация процесса посадки Для всех ключевых моментов посадки, параметры жесткости:

а) грунт мягкий, амортизатор жесткий;

б) грунт жесткий, амортизатор жесткий а) б) в) Рис. 8. Ключевые моменты посадки. Параметры подхода:

наклон грунта – 12 гр., отклонение продольной оси аппарата – +-15 гр.

а) начальный момент посадки;

б) конечный момент посадки для схемы №1;

в) конечный момент посадки для схемы №2.

Анализ ключевых моментов посадки.

Визуальный анализ ключевых моментов посадки СА позволяет сделать следующий вывод: для экспериментов данной модели посадки при схеме подхода к поверхности №1 свойственен незначительный разворот СА (см.

рис. 9б), при схеме подхода №2 наблюдается значительный разворот, как не посредственно СА, так и контейнера внутри СА. Характерно значительное перемещение полезного груза внутри СА (см. рис. 8в). Для обеих схем по садки выхода груза за стенки корпуса не наблюдается.

Глава четвертая Данная глава посвящена экспериментальному исследованию влияния грунта на параметры движения СА при посадке. Для исследования процесса посадки разработан ряд экспериментов. Рассмотрим один из них.

Начальные условия эксперимента СА двигается по траектории, для которой (см. рис. 9а) угол вектора ско о рости к вертикали составляет порядка 0.5. Значения угла ориентации изме няется в пределах -12.0о 5о, причем при подходе к грунту имеем = -12.0о.

а) б) Рис. 9. Проведение натурных экспериментов:

а) схема подхода макета к поверхности;

б) визуализация конечного момента посадки при численном моделировании.

Результаты эксперимента Анализ визуализации. Результаты визуализации отображены на рис. 9б.

Как видно из картинки, заглубление СА произошло только в носовой части.

Видимых разрушений нет.

Результаты комплексных исследований Численный расчет для эксперимента Таблица 1.

t, c n, корпус n, конт корпус груз 0.0000 0.00 0.00 эксперимент 0.0001 18.69 0. Перегрузка 0.0005 361.07 38. 0.0010 544.39 127. 0.0012 162. 550.32 0.0015 548.73 193. 0.0025 438.98 240. 0.0031 355.05 247. 0.000 0.002 0.004 0.006 0.008 0.010 0. 0.0033 328.30 247. t, с 0.0051 155.82 208. Рис.10. Совмещенный график численного рас 0.0119 23.75 53. чета и эксперимента Примечание: в таблице n корп. – перегрузка для корпуса;

n конт. – перегрузка для контейнера.

Выводы для эксперимента Максимальное значение перегрузок на корпусе СА, определенных экспе риментально, составляет 500 единиц.

Максимальное значение перегрузок, рассчитанное численно: 550 единиц.

Отклонение расчетного случая и экспериментальных данных находится в до пустимых значениях.

Основные результаты и выводы На основании выполненного диссертационного исследования, носящего квалификационный характер, представляется возможным заключить, что на его основе решена актуальная научно-техническая задача разработки ком плексной методики определения динамических параметров жесткой посадки СА на поверхность планеты.

По результатам выполненной работы могут быть сделаны следующие вы воды:

1. Сформулирована задача исследования динамики движения СА и разра ботана методика исследования динамики посадки, позволяющая получить совместное решение задачи динамики пространственного движения СА и оценки силового нагружения конструкции при воздействии на неё грунта.

2. Разработана обладающая элементами новизны математическая модель пространственного движения СА в процессе посадки на поверхность планеты при обеспечении многократного решения дифференциальных уравнений в частных производных за приемлемое время.

3. Разработана математическая модель силового воздействия грунта при жесткой посадке СА на поверхность планеты, реализующая разработанную вычислительную схему решения поставленной задачи, позволяющей опреде лять параметры движения СА в грунте.

4. С помощью разработанной математической модели пространственного движения и силового воздействия грунта, разработанного программного обеспечения для создания необходимой виртуальной среды моделирования, получены результаты численного решения задачи исследования движения спускаемого аппарата при жесткой посадке на поверхность планеты.

5. Полученные результаты моделирования показали наиболее опасные схемы, условия и режимы посадки СА на поверхность планеты.

6. Проведенные экспериментальные исследования динамики подхода СА к поверхности Земли показали хорошее совпадение величин максимальных перегрузок, испытываемых контейнером, с их значениями, полученными мо делированием по разработанной методике.

7. Применение методики и программно-алгоритмического обеспечения на этапе проведения научно-исследовательских работ и на начальных этапах проектирования СА позволяет повысить надежность посадки СА на поверх ность планеты с малоизвестными характеристиками грунта и наличии воз мущающих факторов внешней среды.

Публикации по теме диссертации:

1. Корянов В.В. Методика расчета параметров динамики движения спус каемого аппарата при жесткой посадке на поверхность планеты // Вест ник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Машиностроение. 2009. №1 (74). C. 30 – 42.

2. Корянов В.В. Учёт влияния ветрового воздействия при жёсткой посадке спускаемого аппарата на поверхность планеты // Естественные и техни ческие науки. 2009. №4. С. 295 – 301.

3. Корянов В.В. Исследование динамики движения спускаемого аппарата при жесткой посадке на поверхность планеты // Общероссийский научно технический журнал Полет. 2010. №1. С. 42 – 49.

4. Корянов В.В., Казаковцев В.П., Кудрявцев А.Н. Разработка методики и программно-алгоритмического обеспечения для исследования вопроса ди намики посадки спускаемого аппарата на поверхность планеты // Научное творчество К.Э. Циолковского и современное развитие его идей: Материа лы XL научных чтений памяти К.Э. Циолковского. Секция К.Э. Циолков ский и механика космического полета. Калуга, 2005. С. 77 – 79.

5. Корянов В.В., Казаковцев В.П. Исследование динамики жесткой посадки спускаемого аппарата на поверхность малых небесных тел // Идеи К.Э. Ци олковского и проблемы космонавтики: Материалы XLI научных чтений памяти К.Э. Циолковского. Секция К.Э. Циолковский и механика космиче ского полета. Калуга, 2006. С. 94 – 96.

6. Корянов В.В. Методика расчета параметров динамики посадки спускаемого аппарата при жестком подходе к поверхности планеты // К.Э. Циолковский и современность: Материалы XLII научных чтений памяти К.Э. Циолков ского. Секция К.Э. Циолковский и механика космического полета. Калуга, 2007. С. 83 – 84.

7. Корянов В.В., Казаковцев В.П. Методика расчета параметров динамики движения спускаемого аппарата при жесткой посадке на поверхность пла неты // К.Э. Циолковский: исследование научного наследия: Материалы XLIII научных чтений памяти К.Э. Циолковского. Секция К.Э. Циолков ский и механика космического полета. Калуга, 2008. С. 121 – 122.

8. Корянов В.В. Исследование динамики движения спускаемого аппарата при жесткой посадке на поверхность планеты // Развитие идей К.Э. Циолков ского: Материалы XLIV научных чтений памяти К.Э. Циолковского. Сек ция К.Э. Циолковский и механика космического полета. Калуга, 2009. С.

122 – 123.

9. Корянов В.В. Учет влияния ветрового воздействия при жесткой посадке спускаемого аппарата на поверхность планеты // К.Э. Циолковский и со временность: Материалы XLV научных чтений памяти К.Э. Циолковского.

Секция К.Э. Циолковский и механика космического полета. Калуга, 2010.

С. 170 – 171.



 

Похожие работы:





 
2013 www.netess.ru - «Бесплатная библиотека авторефератов кандидатских и докторских диссертаций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.