Летательный аппарат как объект обслуживания

Организация и обеспечение полета

 

 

2007

ВВЕДЕНИЕ

Процесс подготовки летательного аппарата (ЛА) к пуску включает в себя целый ряд операций, таких, как транспортировка с завода-изготовителя к месту старта, погрузка на транспортные средства и выгрузка из них, проведение технологических проверок и контрольных испытаний, установка на пусковую систему и заправка его компонентами топлива, ориентация по направлению и проведение пуска.

Все перечисленные работы проводятся по строго определенному технологическому плану с использованием большого количества разнообразной сложной техники и специальных инженерных сооружений, которые объединены общим названием - комплекс систем наземного обеспечения (КСНО).

Следует отметить, что объем и характер работ, выполняемых КСНО, а также состав и структура применяемого при этом оборудования могут быть различными в зависимости от класса ЛА и задач, поставленных перед ним. Однако в любом случае системы наземного обеспечения являются одним из наиболее сложных и дорогостоящих элементов современных комплексов ЛА, а степень совершенства КСНО во много предопределяет эффективность применения ЛА, а также возможность решения многих актуальных задач.

В настоящее время ЛА и системы наземного обеспечения рассматриваются как единое целое, поэтому при создании новой конструкции проектанты должны учитывать требования, предъявляемые к КСНО, и возможности наземной подготовки ЛА.

Во втором разделе монографии рассмотрены состав, структура и основы функционирования ракетно-космических комплексов при различных вариантах предстартовой подготовки. Особое внимание уделяется взаимодействию составляющих элементов комплекса, включая и ЛА, с конкретизацией параметров, характеризующих их совместную работу. Изложены принципы представления технологического процесса подготовки ракетно-космических систем как в виде абстрактных операций с возможностью последующего исследования их на ЭВМ, так и с помощью математического моделирования, позволяющего получить характеристики этого процесса в виде аналитических зависимостей.

Представленные методики определения проектных параметров систем наземного обслуживания базируются на анализе эффективности КСНО как составляющего элемента ракетно-космического комплекса. Проведен выбор рационального принципа структурного построения КСНО, его оптимальных сроков службы и надежности.

 

Глава 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О КОМПЛЕКСЕ СИСТЕМ НАЗЕМНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ

Комплексы ЛА

Под комплексом ЛА понимают совокупность разнородных по условиям эксплуатации основных частей ЛА и систем наземного обеспечения, предназначенных для выполнения взаимосвязанных эксплуатационных функций, которые заключаются в решении задач в сроки, предусмотренные документами на проведение подготовки и пуска ЛА.

Система ЛА объединяет все комплексы данного типа. В качестве наиболее характерного элемента системы ЛА обычно рассматривается комплекс, поскольку качество комплекса ЛА определяет качество системы ЛА в целом.

Все комплексы ЛА могут быть классифицированы по следующим признакам:

—  по степени подвижности (стационарные и подвижные);

—  по месту размещения ЛА в момент старта (наземные, воздушные, подводные, шахтные);

—  по кратности использования ЛА (одноразовые и многоразовые);

—  по назначению ЛА (ракетно-космические, баллистические и т. п.);

—  по виду транспортно-пускового агрегата (колесные, гусеничные, железнодорожные, плавучие).

Комплексы ЛА значительно отличаются друг от друга не только тактико-техническими характеристиками, но и эффективностью применения. Каждый из них имеет свои достоинства и не лишен недостатков.

Так, комплексы ЛА шахтного базирования выгодно отличаются от наземных стационарных комплексов тем, что они обеспечивают возможность длительного хранения ЛА, и системы наземного обеспечения находятся в состоянии высокой готовности при относительной устойчивости шахтных пусковых установок (ШПУ) к воздействию поражающих факторов ядерного оружия. Однако строительство ШПУ связано с выполнением большого объема земляных работ, что существенно увеличивает стоимость этих комплексов, а также не позволяет создавать ложные позиции при относительно малых затратах.

Наиболее полно требованиям обеспечения постоянной готовности и неуязвимости удовлетворяют подвижные комплексы ЛА различного базирования. Подводные комплексы ЛА, например, удачно сочетают положительные тактические свойства подводных лодок с техническими возможностями ЛА и, несомненно, являются одними из эффективных. Размещение ЛА на подводных лодках имеет и ряд недостатков по сравнению с комплексами, базирующимися на суше. Летательные аппараты, размещенные на подводных лодках, имеют большие круговые вероятные отклонения при сравнительно небольшой полезной нагрузке, вследствие чего на них нельзя установить эффективные средства прохода зоны противоракетной обороны (ПРО). В результате усовершенствования противолодочной обороны противник располагает все возрастающими возможностями обнаружения, сопровождения, контроля и уничтожения комплексов ЛА на подводных лодках.

Наиболее полно решить поставленные задачи, очевидно, можно при комбинированном использовании комплексов ЛА различных видов.

Следует отметить, что системы наземного обеспечения в зависимости от класса ЛА и степени его совершенства существенно отличаются друг от друга как по составу, так и по структуре построения.

Первые комплексы ЛА имели достаточно простую пусковую установку в виде направляющих с несложным пусковым оборудованием.

С появлением комплексов ЛА баллистического типа возникла необходимость в проведении транспортных, подъемно-перегрузочных, заправочных, проверочно-пусковых и других операций, что потребовало создания соответствующих агрегатов для выполнения этих работ.

Запуски современных ракетно-космических систем осуществляются с космодромов, которые представляют собой специально подготовленные земельные участки с сооружениями и оборудованием, обеспечивающими сборку, подготовку к пуску и пуск ЛА, траекторные измерения, выдачу команд, а также прием и обработку поступающей телеметрической информации. Космодромы являются одним из сложнейших элементов ракетно-космического комплекса. На космодромах производятся не только подготовка и пуски ЛА, но и экспериментальная отработка отдельных систем, испытания различных видов оборудования, подготовка обслуживающего персонала и получение некоторых компонентов ракетного топлива. Затраты на создание космодромов исчисляются миллиардами рублей, что составляет значительную часть государственного бюджета экономически развитых стран, а поэтому немногие государства имеют свои космодромы.

 

Летательный аппарат как объект обслуживания

Летательный аппарат функционально, также как и объект обслуживания систем наземного обеспечения делится на две самостоятельные части — аппарат-носитель (ракета-носитель) и полезная нагрузка (космический аппарат, боевая часть). Различаются как состав этих систем, так и методы их испытаний и подготовки. Это определяет необходимость рассмотрения их как двух самостоятельных объектов обслуживания, что, однако, не исключает возможности использования общих технических принципов при проектировании наземных комплексов, обеспечивающих их предстартовую подготовку.

Рассмотрим основные системы аппарата-носителя и полезной нагрузки на примере ракетно-космической системы, состоящей из ракеты-носителя и космического аппарата.

Ракета-носитель (РН). РН состоит из нескольких ступеней, как правило, жидкостных, которые включают в себя пять основных групп систем: двигательную установку; корпус и баки; электротехнические системы; системы управления полетом; телеметрические системы.

Основными системами двигательной установки, взаимодействующими с КСНО, являются: система дренажа и наддува баков; система термостатирования топлива; система контроля расхода топлива; система захолаживания; система запуска и отсечки.

К электротехническим системам относятся система получения и распределения энергии; бортовая кабельная сеть (БКС); электрическая система термостатирования; аппаратура коммуникации и уплотнения каналов связи; телевизионная система.

Система управления полетом включает в себя бортовую цифровую вычислительную машину (БЦВМ); гидростабилизированную платформу; автомат стабилизации; автомат управления дальностью.

Телеметрическая система состоит из датчиков и систем калибровки; усилительно-преобразующей аппаратуры; передатчиков и антенн; автономных регистраторов.

Полезная нагрузка (ПН). Состав системы полезной нагрузки целесообразно рассматривать на примере состава пилотируемого аппарата (ПА), как наиболее распространенной ПН и наиболее сложного по составу систем и методам их проверки.

Состав типового пилотируемого КА представлен на рис. 1.1. Рассмотрим функции основных систем.

Система управления (СУ) обеспечивает стабилизацию, ориентацию, маневрирование ПА и представляет собой замкнутую систему автоматического управления. Наибольшее применение нашли инерциальные системы. В любой инерциальной системе управления осуществляются три измерения, для получения каждого из которых имеются свои приборы:

1) гироскопические и оптические приборы для измерения

угловой скорости или угловых отклонений;

2) акселерометры для измерения линейного ускорения;

3) прецизионные источники стабилизированной частоты для измерения времени.

В результате интегрирования этих данных по времени (в БЦВМ) вырабатываются управляющие команды, поступающие в систему управления направлением и величиной тяги двигателей.

Чтобы инерциальная система давала правильные результаты, необходимо точно знать исходное положение ПА перед началом процесса управления. Исходные значения координат и скорости ПА поступают в БЦВМ от системы наведения.

Система наведения. Задача системы заключается в определении местоположения ПА, величины и направления скорости его полета относительно выбранных космических ориентиров (Земли, Солнца, планеты и т. д.).

При использовании астрономических методов навигации в состав аппаратуры входят оптические устройства - секстант, следящий телескоп и т. п.

Астроинерциальный метод навигации реализуется с помощью (как и СУ) акселерометров, для коррекции которых применяются оптические устройства. Аппаратура включает в себя три акселерометра, оси чувствительности которых взаимно перпендикулярны, три пары интеграторов, гидростабилизированную платформу (ГСП) с тремя установленными на ней телескопами и три канала вычислительного устройства (БЦВМ).

Система электроснабжения может включать в себя химические источники тока — аккумуляторы (серебряно-цинковые, серебряно-кадмиевые, никель-кадмиевые), топливные элементы (электрохимические генераторы); физические источники тока — фотоэлектрические генераторы (солнечные батареи), термоэлектрические генераторы (термоэлектродвижущая сила полупроводников или термопар), ядерные источники тока.

Система термостатирования состоит из вентиляторов, гидронасосов, управляемых дроссельными заслонками, чувствительных элементов температуры и расхода, теплообменников и системы управления.

Система жизнеобеспечения включает в себя аппаратуру автоматического поддержания заданных параметров воздуха, кондиционирования, водоснабжения, обеспечения питания. Она состоит из отдельных логических блоков и целой группы датчиков (влажности, температуры, газового анализа и т. д.).

Система аварийного спасения (САС) состоит из автоматической системы обнаружения аварийной ситуации и включения двигателей САС.

Состав радиоэлектронного оборудования и аппаратуры для научных исследований определяется конкретными задачами и назначением ПА.

При испытаниях ПА измеряются, как правило, те же параметры, что и при испытаниях РН. Основная особенность заключается в том, что на одной и той же РН могут запускаться различные ПА, а это вызывает необходимость наличия такой испытательной аппаратуры, с помощью которой на одном и том же рабочем месте можно было бы проверять ПА различного типа. Поэтому, говоря о принципах построения проверочной аппаратуры для ПА, необходимо отметить постоянную тенденцию к ее унификации и обеспечению гибкости изменения алгоритма ее работы. Все это привело к широкому использованию в испытательной аппаратуре для ПА управляющих и вычислительных цифровых машин.

Испытания и подготовка к пуску РН осуществляются с помощью подачи управляющих воздействий и контроля состояния ее систем.

Испытания включают в себя:

- автономные испытания;

- комплексные испытания;

- отбойные испытания.

Эти испытания могут проходить как в статическом, так и в динамическом режимах.

При статической проверке в аппаратуру последовательно подается ряд отдельных сигналов и производится оценка ответных сигналов. Статическая проверка, безусловно, является более простой, чем динамическая. Ее легче осуществлять и проще оценить ее результаты. Однако при статической проверке нет возможности получить все данные, которые бы в полной мере характеризовали работоспособность системы.

При динамической проверке в аппаратуру подаются изменяющиеся сигналы. Как правило, динамическая проверка заключается в имитации штатного режима работы системы. При такой имитации обеспечивается проверка каждой основной подсистемы и таких параметров, как постоянная времени интегрирования, амплитудные и фазовые характеристики, а также переходных характеристик при подаче типовых и граничных сигналов.

В зависимости от наличия в проверяемой системе цепей обратной связи проверки на функционирование делятся на проверки по замкнутой схеме (с обратной связью) и проверки по разомкнутой схеме (без обратной связи).

Особое место в ряду возможных аварийных отключений агрегатов и систем ЛА принадлежит аварийному выключению двигателей (АВД), т.е. выключению двигателя без разрушения его материальной части. В процессе подготовки ЛА к пуску АВД должно обеспечивать возможность повторного запуска двигательной установки без снятия аппарата с пусковой системы, а в процессе полета — не только целостность конструкции ЛА, но и безопасность его дальнейшего функционирования.

Сложность ЛА предъявляет эксплуатационные требования, включающие условия хранения и эксплуатации, а также совокупность параметров, определяющих характер подготовки и проведения пуска (метеорологические условия), время пребывания в складских и полевых условиях, на пусковой системе в незаправленном и заправленном состояниях, комплекс предпусковых проверок, степень автоматизации обработки результатов испытаний и работ по подготовке к пуску, удобство и простоту обслуживания.

На всех этапах наземной эксплуатации конструкция ЛА должна удовлетворять требованиям технологии проводимых предстартовых операций и обеспечивать их выполнение в заданные сроки. Эксплуатационные требования обеспечиваются как схемно-конструктивными решениями ЛА и системы наземного обеспечения, так и соответствующими порядком и временем проведения регламентных работ, проверок и подготовки к пуску.

Система аварийного спасения обеспечивает увод спускаемого аппарата с космонавтами на безопасные расстояние и высоту, необходимую для срабатывания парашютной системы при отклонении от штатного режима функционирования РН на стартовом режиме.