Характеристикааспектов эксплуатации космических систем
Использование космических систем по их прямому назначениюневозможно вне систем их окружающих, т. е. в отрыве от их взаимодействия сдругими системами космического аппарата (КА). Более того, по ряду причин,использование как космической двигательной установки (КДУ), какой бы виддвижителя она не использовала, так и энергетической системы КА, основанной налюбом принципе, не всегда возможен без использования систем обработкиинформации и выработки команд располагающихся на Земле и входящих в составракетно-космических комплексов (РКК) или ракетно-космических летных комплексовлибо еще по-другому просто летных комплексов (ЛК). К анализу взаимодействиявсех этих систем мы возвратимся ниже, а сейчас рассмотрим некоторыеопределения, которые понадобятся для дальнейшего рассмотрения.
Космический аппарат (КА) это общее название различныхтехнических устройств, предназначенных для выполнения целевых задач в космосе.Средством достижения необходимой скорости для осуществления космического полётаКА является ракета-носитель. КА делятся на две основные группы: околоземныеорбитальные КА, движущиеся по геоцентрическим орбитам, не выходя за пределысферы действия гравитационного поля Земли, это т. н. искусственные спутникиЗемли (ИСЗ), и межпланетные КА.
При этом различают автоматические КА (ИСЗ, искусственныеспутники Луны — ИСЛ, Марса — ИСМ, Венеры — ИСВ, Солнца — ИСС и т. п.,автоматические межпланетные КА) и пилотируемые космические корабли-спутники,обитаемые орбитальные станции, межпланетные космические корабли. Для доставкигрузов на пилотируемые КА служат автоматические транспортные КА. Вместо термина«космический аппарат» иногда используют термин «космический летательныйаппарат».
В самом общем виде, траектория полета КА может бытьразделена на следующие участки:
участок выведения — где КА сообщается необходимаякосмическая скорость в заданном направлении;
орбитальный участок, на котором движение КА происходит восновном по инерции, по законам небесной механики;
участок посадки.
В ряде случаев, для выполнения необходимых эволюций, КАснабжаются ракетными двигателями, позволяющими на орбитальном участке изменять(корректировать) траекторию движения или тормозить КА при посадке. Длясовременных КА, использующих химические РД, протяжённость участков полёта сработающими двигателями (выведение, коррекция, торможение) значительно меньше,чем полная длина орбит.
Отличительная особенность большинства КА — это способностьк длительному самостоятельному функционированию в условиях космическогопространства. Во многих отношениях (законы движения, тепловой режим и др.)такие КА подобны самостоятельным небесным телам, на которых созданы необходимыеусловия для работы аппаратуры и существования людей. Среди систем КА основнымиможно считать:
регулирования теплового режима,
движительная,
энергопитания бортовой аппаратуры,
управления движением в полёте,
радиосвязи с Землёй и др.
В КА с экипажем в герметической кабине обеспечиваютсянеобходимые условия для жизни и работы человека — осуществляется регенерацияатмосферы с регулированием её температуры и влажности, снабжение водой и пищей.Решение проблем жизнеобеспечения экипажа особенно сложно для обитаемыхорбитальных станций и межпланетных кораблей.
Многие КА имеют системы для ориентации в пространстве.Ориентация КА обычно выполняется с определенной целью (научные наблюденияобъекта, радиосвязь, оптимальное освещение солнечных батарей и др.). Взависимости от задачи погрешность ориентации может составлять от 10…15° донескольких угловых секунд. Изменение траектории (её коррекция, маневрированиеКА, торможение перед спуском на Землю или другую планету и т. п.) необходимодля реализации любой достаточно сложной схемы космического полёта.
Поэтому все пилотируемые КА и большинство автоматическихКА снабжены системой управления движением и бортовыми РД. Специфической задачейявляется поддержание на борту КА требуемой температуры. В отличие от наземныхусловий, в космическом пространстве теплообмен между отд. телами осуществляетсятолько излучением.
На КА воздействуют внешние тепловые потоки — излучениеСолнца, Земли или др. близкой планеты, обычно переменные (заход КА в теньЗемли, полёт на различных удалениях от Солнца). В свою очередь, КА излучает вокружающее пространство в единицу времени определенное кол-во теплоты(зависящее от поглощения внешних тепловых потоков и внутреннеготепловыделения). КА обычно имеют т. н. радиационные поверхность (это часть егооболочки или отдельный радиатор-излучатель), которая за счёт специальнойобработки обладает большим собств. излучением теплоты при малом поглощении егоизвне. Изменяя теплоподвод к радиационной поверхности и её собств. излучение (напр.,с помощью специальных жалюзи), регулируют тепловой баланс КА, т. е. еготемпературу. Для тепловых процессов на борту КА характерно отсутствиеконвективного теплообмена в связи с состоянием невесомости в полёте; поэтомуодна из функций системы терморегулирования — организация внутреннего тепловогорежима.
Проблема энергопитания бортовой аппаратуры КА решается внескольких направлениях:
использование солнечного излучения, преобразуемого вэлектроэнергию с помощью солнечных батарей (СБ) этот способ энергопитания,наиболее широко применяемый на современных КА, обеспечивает длительность работыаппаратуры до нескольких лет;
установка источников тока с высокой энергоотдачей наединицу массы — топливных элементов, вырабатывающих электроэнергию в результатеэлектрохимических процессов между двумя рабочими веществами, напримеркислородом и водородом (полученная при этом вода может использоваться всистемах жизнеобеспечения пилотируемых КА);
применение бортовых ядерных энергетических установок среакторами и изотопными генераторами.
химические источники тока (аккумуляторы) применяютсятолько на КА с малым временем работы аппаратуры (до 1…3 недель) или в качествебуферных батарей в системах энергопитания (например, в сочетании с СБ).
Полёт автоматических и пилотируемых КА требует радиосвязис Землёй, передачи на Землю телеметрической и телевизионной (ТВ) информации,приёма радиокоманд, периодических измерений траектории движения КА, телефоннойсвязи с космонавтами. Эти функции выполняют бортовые радиосистемы и наземныекомандно-измерительные пункты.
Одна из наиболее сложных проблем космических полётов —спуск КА на поверхность Земли и других небесных тел, когда космическая скоростьКА должна быть уменьшена до нуля в момент посадки. Возможны два способаторможения КА: с использованием тормозящей реактивной силы; с помощьюаэродинамических сил, возникающих при движении аппарата в атмосфере. Дляреализации первого способа КА (или его часть – т. н. спускаемый аппарат) долженбыть снабжён тормозной двигательной установкой (ТДУ) с большим запасом топлива;поэтому спуск с ракетным торможением применяется для посадки на небесные тела,лишённые атмосферы, например на Луну. Спуск с аэродинамическим торможениемболее выгоден (не требует ТДУ с большим запасом топлива) и является основнымпри осуществлении посадки КА на Землю.
При спуске по баллистической траектории перегрузкидостигают 8…10; спуск по планирующей траектории, когда на спускаемый аппарат,кроме силы сопротивления, действует и подъёмная сила, позволяет уменьшить этиперегрузки в 1,5…2 раза. На участке спуска при движении в атмосфере имеет местоинтенсивный аэродинамический нагрев спускаемого аппарата. Поэтому он снабжаетсятеплозащитным покрытием, создаваемым на основе керамических или органическихматериалов, обладающих высокой термостойкостью, малой теплопроводностью. Вконце траектории спуска на высотах в несколько км скорость движения снижаетсядо 150…250 м/с. Дальнейшее снижение скорости перед приземлением осуществляетсяобычно с помощью парашютной системы.
На современных КК применялись системы мягкой посадки(включение ТДУ непосредственно перед контактом с землёй), позволяющие уменьшитьскорость приземления до нескольких м/с.
Конструкция КА отличается рядом особенностей, связанных соспецифическими факторами космического пространства: глубоким вакуумом, наличиемметеорных частиц, интенсивной радиации, невесомости. В вакууме изменяетсяхарактер процессов трения, возникает явление т. н. холодной сварки, что требуетподбора соответствующих материалов для механизмов, герметизации отд. узлов идр.
Воздействие наиболее мелких метеорных частиц наповерхности КА при длительном полёте вызывает изменение оптическиххарактеристик иллюминаторов, некоторых приборов, радиационных поверхностей иСБ, что требует применения специальных покрытий, особой обработки поверхности идр. Вероятность метеорного пробоя оболочек гермоотсеков современных КАневелика, а для больших КК и орбитальных станций, совершающих длительный полет,должна предусматриваться противометеорная защита. Космическая радиация (потокизаряженных частиц в радиационных поясах Земли и при солнечных вспышках) можетвлиять на СБ, детали из органических соединений и др. элементы КА, поэтому вряде случаев на них наносят защитные покрытия.
Особые меры принимаются для защиты космонавтов отвсплесков космической радиации. Высокая надёжность существенна для всех видовКА, особенно при наличии экипажа. Она обеспечивается комплексом мероприятий навсех этапах создания и подготовки к полёту КА, включая повышение надёжности егоэлементов, аппаратуры и оборудования, строгий технологический контроль на всехстадиях изготовления, тщательную отработку систем и агрегатов с имитациейусловий космического полёта, проведение комплексных предполётных испытаний идр. Для повышения надёжности на КА применяют дублирование, троирование,резервирование отельных агрегатов и приборов, а также автоматические схемыраспознавания отказов приборов или их элементов и их замены.
Понятно, что различные задачи выполняются различнымиаппаратами, т. е. космические аппараты в основном специализированы. Достаточноузкая специализация космических аппаратов, как и технических систем любогоназначения, является следствием нашего желания добиться как можно более высокойих эффективности в выполнении поставленной цели.
Это, в свою очередь, накладывает отпечаток на структуруКА, характеристики составляющих его систем и даже на траектории движенияаппаратов в космическом пространстве. Различия наблюдаются и в тактикеиспользования, как аппаратов в целом, так и их отдельных блоков или систем. Этопредполагает наличие на каждом КА систем управляющих его работой и полетом.
Системы управления КА, разумеется, тоже достаточноспециализированы, хотя общее в них также имеется. Эти системы обладают большейили меньшей степенью автономности, т. е. возможности решать проблемысамостоятельно, без вмешательства с Земли.
Автономность этих систем практически никогда не бываетполной, поэтому любой КА должен иметь развитую многоканальную систему обменаинформацией с составными частями ракетно-космического комплекса находящимися наЗемле. Причем передача информации предусматривается двухсторонняя. С Землипередаются необходимые команды управления, а обратно – информация об ихисполнении.
Космический комплекс — совокупность функционально взаимосвязанныхКА и наземных технических средств, предназначенных для самостоятельного решениязадач в космосе и из космоса или для обеспечения таких задач в составекосмической системы; включает ракету-носитель, КА, технический комплекс,стартовый комплекс, средства измерительного комплекса космодрома и наземныйкомплекс управления КА.
Космический корабль (КК) — пилотируемый космическийаппарат. Отличительная особенность пилотируемых КК — наличие герметическойкабины с системой жизнеобеспечения для космонавтов. КК для полёта погеоцентрическим орбитам называют кораблями-спутниками, а для полёта к др.небесным телам — межпланетными (экспедиционными) КК. Созданы и эксплуатируютсятранспортные КК многократного использования для доставки людей и грузов с Землина низкую геоцентрическую орбиту и обратно, например, для связи сдолговременной орбитальной станцией, обслуживания ИСЗ, проведения в космосемонтажных работ. Транспортировка людей и грузов с низкой геоцентрической орбитына более высокую орбиту, вплоть до стационарной, и обратно предусматривается спомощью межорбитальных буксиров
Космический летательный аппарат — термин, используемыйиногда вместо термина космический аппарат.
Для конкретизации предмета обсуждения выясним смыслтермина «эксплуатация». Этот термин происходит от французского «exploitation»,что значит использование, извлечение выгоды. Не затрагивая социальные стороныэтого термина, возможно (как обычно это делается в технических энциклопедиях)трактовать данный термин как использование для каких либо целей природныхбогатств, зданий, средств транспорта, машин, приборов и т. п. применительно ктехнике, термин эксплуатация следует трактовать, как использование некотороготехнического комплекса для достижения поставленной цели, т. е. некоторогоположительного результата. Такая трактовка применима к любой техническойсистеме. Особенностью ракетно-космических систем в этом плане будет толькоотличие в среде, где реализуется поставленная задача.
Задачи, выполняемые космическими аппаратами, реализуются восновном в космическом пространстве, а так же в атмосферах либо на поверхностиразличных космических объектов, а вернее небесных тел таких как: планеты, ихспутники, кометы и т. п.
Космический тело – это объект, находящийся в космическомпространстве. К естественным космическим объектам (КО) относятся звёзды,планеты, астероиды, кометы и т. д.; к искусственным космическим объектам —космические аппараты, последние ступени ракет-носителей и их части. Вмеждународном космическом праве термин — «космический объект» используетсятолько для обозначения объектов искусств, происхождения. Естественные КО вкосмическом праве называются небесными телами.
Для успешного использования летательных аппаратовнеобходимо большое количество агрегатов, машин, сооружений, систем, коммуникаций,обеспечивающих применение летательных аппаратов по назначению, контроль ихтехнического состояния, управление полетом, техническое обслуживание,диагностику и устранение неисправностей.
Определенное количество летательных аппаратов, а также агрегаты,машины, сооружения, системы, коммуникации, создаваемые для их эксплуатации,образуют довольно сложный и дорогостоящий летательный комплекс (ЛК).
Совокупность ЛК, эксплуатируемых коллективами людей,составляет сложную, большую организационную систему. Поэтому совершенствованиеуправления такой системой связано с работой крупного хорошо подготовленногоколлектива специалистов и требует огромных материальных средств.
Развитие вычислительной техники, ее элементной базы иматематического обеспечения, средств и систем сбора, передачи и обработкиинформации является одной из важных проблем в области естественных итехнических наук. Решение этой проблемы обеспечивает внедрение эффективныхсистем управления.
Разработка и создание АСУ эксплуатацией ЛК — важнаянароднохозяйственная проблема. Для ее решения необходимо, в первую очередь,дальнейшее развитие теории эксплуатации ЛК, на базе которой с использованиемобщей теории систем и системного анализа могут быть формализованыэксплуатационные процессы, проведены моделирование и анализ основных свойств, азатем и синтез оптимальной системы эксплуатации ЛК.
Полученные таким путем результаты могут быть положены воснову специального математического обеспечения АСУ машинными алгоритмамиподготовки программ эксплуатации ЛК, разработки вариантов управляющихвоздействий или решений, обеспечивающих эффективное функционирование ЛК. Всвязи с созданием в последние десятилетия большого количества сложных системнаблюдается быстрое развитие теории их эксплуатации, в том числе и теорииэксплуатации ЛК, о чем свидетельствует появление ряда работ, в которыхраскрываются различные аспекты этой многогранной области знаний.
Далее рассматриваются вопросы теории управленияэксплуатацией ЛК в основном применительно к беспилотным управляемым летательнымаппаратам, однако значительная часть предлагаемых постановок задач и методов ихрешений носит общий характер и может быть использована при анализе и синтезеширокого класса сложных технических и организационных систем. При этом предполагается,что читатель знаком с основами теории вероятностей, математической статистики,с методами анализа сложных систем и их оптимизации в объеме курсов, читаемых втехнических вузах.
Из широкого круга вопросов, разрабатываемых теориейэксплуатации Л К, излагаются только те, которые позволяют вести научнообоснованную разработку системы эксплуатации создаваемого летательногокомплекса или совокупности таких ЛК. При этом задачи разработки технологии иобеспечения безопасности эксплуатационных процессов не изучаются: эти данныепредполагаются известными при решении задач управления системой в целом. Всвязи с этим не нашли отражения некоторые традиционные методы, широкопредставленные в литературе, в частности построения сетевых моделейэксплуатационных процессов, календарного планирования работ и т. п.
Понятие «летательный аппарат» объединяет весьма широкийкласс технических объектов, способных перемещаться над поверхностью Земли.Летательные аппараты могут:
быть легче воздуха (дирижабли, воздушные шары, аэростаты)или тяжелее его (вертолеты, самолеты, ракеты, космические аппараты);
иметь на борту двигатели различного типа или не иметьтаковых (например, планеры);
быть управляемыми или неуправляемыми;
пилотируемыми или беспилотными;
двигаться в атмосфере Земли или в космическомпространстве;
иметь определенный тип траектории движения или свободноизменять в любой момент полета направление движения.
Признаки, по которым классифицируют ЛА, можно продолжить.
Ряд положений далее излагается применительно к практике эксплуатациибеспилотных управляемых летательных аппаратов с реактивными двигателями,которые далее для краткости будем называть просто летательными аппаратами (ЛА).
Для подготовки и проведения пусков такого типа ЛАсоздается стартовая позиция с пусковым устройством (установкой) и комплектомнеобходимого оборудования. Далее стартовую позицию с комплектом оборудования ипусковым устройством (установкой), в котором помещен ЛА, будем называтьпусковой установкой (ПУ). Несколько пусковых установок с ЛА в них, соединенныхканалами связи и энергоснабжения с пунктом контроля (ПК) за техническимсостоянием ЛА и управления пуском, образуют единичный летательный комплекс(ЕЛК).
Для обслуживания группы ЕЛК создают центр или базу сдиагностической аппаратурой, ремонтными органами, складами. Совокупностьнескольких ЕЛК с коммуникациями, каналами связи, системой энергоснабжения,помещениями для обучения персонала, обеспечивающего функционирование, образуютлетательный комплекс (ЛК). Вся совокупность однотипных ЕЛК или ЛК, а такжесвязывающие их коммуникации, ремонтные органы, базы, хранилища, центрыподготовки персонала и другие элементы составляют систему летательныхкомплексов. Обычно в понятие ЛК не включают персонал, работающий на технике иосуществляющий руководство.
Приведенная выше структура, включающая ПУ, ЕЛК, ЛК,позволяет выделить некоторые эксплуатационные функции в системе ЛК. Так, ПУявляется элементом, обеспечивающим применение ЛК по назначению. ЕЛК выполняютсяфункции контроля за техническим состоянием ПУ. ЛК включает в себя элементы,позволяющие на базе контроля вести восстановительные работы и ремонтнеисправных ПУ. Система ЛК содержит элементы, позволяющие выполнять всеэксплуатационные функции в полном объеме.
Летательный комплекс как основное звено системы делят насоставные части, основные, составляющие и комплектующие элементы.
К составным частям относят один или несколько ЛА,технологическое оборудование, технические системы, системы энергоснабжения,управления и связи, системы охраны и др. Каждая составная часть включает в себянесколько основных элементов. Например, ЛА делят на двигательную установку,корпус, систему управления ЛА и т. д. Основные элементы представляют собойагрегаты и системы составных частей. Составляющие элементы — это узлы, приборы,стойки и т. п., формирующие основные элементы. Например, двигательная установкавключает в себя камеры сгорания, системы подачи топлива, запуска, регулированияи т. д. К комплектующим элементам относят детали и сборки, входящие всоставляющие элементы.
Применительно к сложным системам, к которым относят какЛК, так и систему ЛК, часто используют понятие жизненного цикла системы.Введение этого понятия, по-видимому, связано с тем, что сложная системапретерпевает большие изменения от момента возникновения ее замысла допрекращения функционирования и демонтажа. Она зарождается, растет, развивается,стареет и отмирает, что напоминает жизненный путь человека. Изменения исовершенствования сложной системы связаны с длительностью и трудностью еепроектирования, опытной отработки и эксплуатации, а также существеннымизменением целей и задач, решаемых системой, и постоянным расширениемтехнических возможностей ее совершенствования за счет научно-техническогопрогресса.
Жизненный цикл ЛК и системы ЛК обычно делят на стадии:исследования и обоснования разработки, разработку, производство, эксплуатацию икапитальные ремонты, если они предусмотрены.
Эксплуатация ЛК включает в себя процессы: ввода вэксплуатацию, приведения в готовность к применению, поддержания в готовности,использования по назначению, хранения, транспортирования, снятия с эксплуатациии списания.
Основу эксплуатации ЛК или системы ЛК составляют триглавных технологических эксплуатационных процесса: приведение в готовность кприменению, поддержание готовности к применению, применение по назначению.
Таким образом, эксплуатация ЛК определяется четырьмякомпонентами:
эксплуатационными свойствами техники;
технологическими эксплуатационными процессами, которыенеобходимо вести на этой технике;
коллективами людей, осуществляющих эти процессы натехнике;
внешними условиями (средой), в которых эксплуатируюттехнику.
В проблеме эксплуатации ЛК можно условно выделить двеважные задачи: разработка и производство таких ЛК, которые были бы не толькопригодны для выполнения заданных функций, но и были бы приспособлены кпроведению необходимых для успешного функционирования технологическихэксплуатационных процессов; разработка и проведение этих процессов коллективамилюдей, эксплуатирующими Л К.
Естественно, что эти задачи могут быть успешно решены лишьпри использовании методов, разрабатываемых теорией эксплуатации ЛК, которая впоследние десятилетия достаточно быстро развивается на базе современных научныхдостижений.
Деление любой теории на составные части или направления —трудная задача. В особенности это сложно сделать в теории эксплуатации ЛК,которая находится в стадии становления и активного развития. Однако сложившаясяпрактика исследований проблем эксплуатации ЛК позволяет с некоторой долейусловности выделить в ней следующие основные направления: разработкутехнологических процессов эксплуатации ЛК; управление эксплуатацией ЛК;обеспечение безопасности эксплуатации ЛК.
Существует много непротиворечивых определений управления.Например, Н. Винер понимал управление как посылку сообщений, эффективновлияющих на поведение их получателя. В дальнейшем под управлением будемпонимать осуществление совокупности воздействий, выбранных из множествавозможных на основании определенной информации и направленных на поддержание илиулучшение функционирования управляемого объекта в соответствии с имеющейсяпрограммой или целью управления. Из определения видно, что в понятие управленияне входят такие аспекты, как организация и воспитание коллективов, социальные,моральные, правовые и другие вопросы, которые возникают при работе с людьми.Эти факторы обычно включают в более широкое понятие «руководство», содержащее всебе и управление системами. Теория управления эксплуатацией ЛК как частьтеории эксплуатации ЛК базируется на методах и положениях теории сложных(больших) систем или просто теории систем. Это вызвано тем, что предмет теорииуправления эксплуатацией ЛК, т. е. анализ и синтез целенаправленнойдеятельности коллективов людей по проведению технологических эксплуатационных процессов,обеспечивающих успешное применение ЛК в условиях воздействия на них внешнейсреды,— является частью или, точнее, частным случаем предмета теории сложныхсистем — анализа и синтеза целенаправленной деятельности коллективов людей ифункционирования техники, управляемой людьми, а также взаимодействия людей итехники с внешней средой.