Оптимальная стабилизация асимметричного спускаемого космического аппарата относительно центра масс в атмосфере Марса

Одной из наиболее актуальных задач современной динамики космического полета является задача обеспечения безаварийного спуска космического аппарата на поверхность Марса, имеющего атмосферу. При спуске в атмосфере Марса критически важным для успешной реализации миссии представляется выполнение заданных ограничений на значения угловых скоростей и угловой ориентации космических аппаратов. В статье рассматривается техническая проблема управляемой оптимальной стабилизации космического аппарата с малой асимметрией относительно центра масс в атмосфере Марса. Решение этой научной проблемы необходимо для выполнения безаварийного разворачивания тормозного парашюта. Отличительной особенностью данной работы является синтез выражений для одновременного управления космическим аппаратом по трем составляющим угловой скорости и двум углам ориентации в атмосфере Марса. В качестве исходной системы уравнений атмосферного движения применяются известные квазистатические уравнения, описывающие вращение космического аппарата с малыми асимметриями. Перед решением задачи синтеза управления эти уравнения линеаризуются по угловым скоростям и углам ориентации. Цель работы — синтезировать закон оптимального управления вращательным движением космического аппарата, имеющего малую массово-аэродинамическую асимметрию. Искомое управление должно стабилизировать в атмосфере Марса спускаемый космический аппарат как по угловым скоростям, так и по углам ориентации. Метод динамического программирования позволяет решить задачу о синтезе искомых управлений. В качестве основных упрощающих предположений в работе используются: предположение о малости угловых скоростей, предположение о малости углов атаки и скольжения, предположение о малости смещения центра масс, предположение о малости аэродинамических моментов от нарушения осесимметричной формы, а также предположение о реализации компланарного сочетания асимметрий. Численное моделирование показывает, что полученные выражения обеспечивают требуемую минимизацию углов ориентации и угловых скоростей до момента ввода в действие тормозной парашютной системы. Следовательно, синтезированные управления стабилизируют космический аппарат относительно центра масс.

1. Li S., Jiang X. Review and prospect of guidance and control for Mars atmospheric entry // Progress in Aerospace Sciences. 2014. Vol. 69. P. 40—57.

2. Lyubimov V. V., Lashin V. S. External stability of a resonance during the descent of a spacecraft with a small variable asymmetry in the Martian atmosphere // Advances in Space Research. 2017. Vol. 59. P. 1607—1613.

3. Любимов В. В., Куркина Е. В. Вероятность захвата в резонанс асимметричной капсулы при управляемом спуске в атмосфере Марса // Мехатроника, автоматизация, управление. 2017. Т. 18, № 8. С. 564—571.

4. Любимов В. В., Бакри И. Управляемое изменение габаритных размеров спускаемого в атмосфере Марса космического аппарата осесимметричной формы // Мехатроника, автоматизация и управление. 2021. Т. 22, № 7. С. 383—390.

5. Любимов В. В., Куркина Е. В. Оптимальное управление угловой скоростью асимметричного зонда в атмосфере Марса посредством двигателей малой тяги // Полет. 2019. № 5. С. 31—36.

6. Lyubimov V. V., Bakry I. Application of the dynamic programming method to ensure of dual-channel attitude control of an asymmetric spacecraft in a rarefied atmosphere of Mars // Aerospace Systems. 2021. Vol. 5. P. 213—221.

7. Иванов Н. М., Мартынов А. И. Движение космических летательных аппаратов в атмосферах планет. М.: Наука, 1985. 384 с.

8. Данченко О. М. Марковская модель плотности атмосферы Марса // Труды МАИ [электронный журнал]. 2012. Вып. 50. С. 1—11.

9. Banfield D., Spiga A., Newman C. The atmosphere of Mars as observed by InSight // Nature Geoscience. 2020. Vol. 13. P. 190—198.

10. Aslanov V. S. Resonance at motion of a body in the Mars’s atmosphere under biharmonical moment // WSEAS Transactions on Systems and Control. 2008. Vol. 3, N. 1. P. 33—39.

11. Нариманов Г. С., Тихонравова М. К. Основы теории полета космических аппаратов. М.: Машиностроение, 1972. 608 с.

12. Куркина Е. В. Синтез приближенно оптимального управления углом ориентации межпланетного космического аппарата при уменьшении скорости в атмосфере Марса // Известия Самарского научного центра РАН. 2018. Т. 20, № 4. С. 88—92.

13. Koryanov V. V., Kazakovtsev V. P. Dynamics of angular motion of landing vehicle in Martian atmosphere with allowance for small asymmetries // International Journal of Mechanical Engineering and Robotics Research. 2018. Vol. 7, N. 4. P. 385—391.

14. Bellman R. Dynamic Programming. Princeton, New Jersey: Princeton LandMarks in Mathematics, 2010.

15. Ярошевский В. А. Движение неуправляемого тела в атмосфере. М.: Машиностроение, 1978. 168 с.

16. Ярошевский В. А. Вход в атмосферу космических летательных аппаратов. М.: Наука, 1988. 336 с.