Анализ и использование данных измерениймикроускорений, полученных на бортумеждународной космической станции

На правах рукописи

Завалишин Денис Анатольевич

АНАЛИЗ И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ДАННЫХ ИЗМЕРЕНИЙ
МИКРОУСКОРЕНИЙ, ПОЛУЧЕННЫХ НА БОРТУ
МЕЖДУНАРОДНОЙ КОСМИЧЕСКОЙ СТАНЦИИ

Специальность 01.02.01 – Теоретическая механика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата физико-математических наук

Москва – 2011

Работа выполнена в ОАО «Ракетно-космическая корпорация «Энергия»

им. С.П. Королева»

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук, профессор

Сазонов Виктор Васильевич

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор

Овчинников Михаил Юрьевич

кандидат технических наук

Левтов Валентин Леонидович

Ведущая организация:

Институт проблем механики

им. А.Ю. Ишлинского РАН

Защита диссертации состоится 14 июня 2011 г. в 11 часов на заседании диссертационного совета Д.002.024.01 в Институте прикладной математики им. М.В. Келдыша РАН по адресу: 125047, Москва, Миусская пл., 4.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института прикладной математики им. М.В. Келдыша РАН.

Автореферат разослан "___" ___________ 2011 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

доктор физико-математических наук Т.А. Полилова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования. При проектировании Международной космической станции (МКС) предполагалось, что существенную часть научных экспериментов на ее борту будут составлять эксперименты в области микрогравитации. Однако свойства конструкции станции, функционирование экипажа и бортовых систем создают серьезные помехи для отечественных исследований такого рода. Основная проблема – наличие сравнительно больших остаточных микроускорений на Российском сегменте МКС. Выбор приемлемых условий для проведения продолжительных экспериментов с гравитационно-чувствительными системами и процессами потребовал детального изучения микроускорений, возникающих в различных режимах полета. В данной диссертации представлены результаты исследования микроускорений в частотном диапазоне от 0.01 до 2 Гц. Основное внимание уделено микроускорениям, вызываемым динамическими операциями (коррекции орбиты, стыковки и отстыковки космических кораблей), а также кратковременными и редкими срабатываниями двигателей системы ориентации. Исследованы также микроускорения на коротких отрезках неуправляемого полета и во время поддержания ориентации станции гиродинами.

Выбор частотного диапазона Гц обусловлен двумя обстоятельствами. Во-первых, микроускорения с частотами менее 0.01Гц (так называемые квазистатические) на отечественных космических аппаратах уже достаточно хорошо изучены. Во-вторых, микроускорения с частотами более нескольких герц и обычными для МКС амплитудами практически не оказывают влияния на эксперименты в области микрогравитации. Заметные микроускорения в диапазоне Гц специфичны для МКС, представляющей собой протяженную упругую конструкцию. Российские орбитальные станции «Салют», «Мир» и спутники «Фотон» обладали большей жесткостью и не имели значимых микроускорений в этом диапазоне.

Постановки задач и методы их решения. Микроускорения на борту МКС вызваны механическими причинами и с учетом выбранного частотного диапазона изучаются в рамках теории колебаний механических систем. Конкретным объектом исследования являются цифровые записи данных измерений бортовых акселерометров. Эти записи рассматриваются в диссертации как временные ряды, описывающие колебания механической системы. Как известно, такие колебания могут быть свободными или вынужденными, а последние вызываются как детерминированными, так и случайными причинами. Вынужденные и слабо затухающие колебания в диссертации изучаются с помощью спектрального анализа. Затухающие колебания аппроксимируются набором экспонент и тригонометрических функций, конкретный вид которого определяется в процессе решения регрессионной задачи. Случайные колебания аппроксимируются процессами авторегрессии второго порядка.

Кроме задач, в которых микроускорения являются объектом исследования, в диссертации рассмотрены две задачи, в которых микроускорения служат средством их решения. Первая задача – определение массы станции по результатам измерения микроускорения во время коррекции орбиты. Вторая задача – подготовка данных о микроускорениях для выполнения экпресс-анализа космических экспериментов с датчиком конвекции ДАКОН и для математического моделирования показаний датчика.

Анализируемые данные измерений. В диссертации использованы данные измерений низкочастотного акселерометра MAMS-OSS (Microgravity Acceleration Measurement System – OARE Sensor Subsystem) и высокочастотного акселерометра SAMS (Space Acceleration Measurement System), установленных в модуле Lab Американского сегмента МКС. Измерительная аппаратура MAMS-OSS состоит из двух датчиков – низкочастотного и вибрационного. В данной работе используются данные измерений низкочастотного датчика, имеющего скорость выборки 10 измерений в секунду и позволяющего измерять микроускорения в диапазоне частот – 5 Гц и диапазоне амплитуд от 4· до 2· . Акселерометр SAMS имеет настраиваемую скорость выборки от 100 до 600 измерений в секунду и охватывает диапазон измерений по амплитуде от до 1 . В работе использована также служебная телеметрическая информация, полученная от датчиков ориентации станции и российских космических кораблей.

Научная новизна результатов диссертации обусловлена уникальностью исследуемых в ней объектов, работа с которыми потребовала развития новых приемов решения ряда механических задач и адаптации известных методов к новым ситуациям. Конкретные новые результаты сформулированы ниже в разделе «Основные результаты работы». Достоверность результатов обоснована с помощью методов теоретической механики, математической статистики и вычислительной математики.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах:

• IX Всероссийский съезд по теоретической и прикладной механике (Нижний Новгород, 2006 г.);
• 17-ый Международный симпозиум по динамике космического полета (г. Москва, 2003 г.);
• XIII Санкт-Петербургская Международная конференция по интегрированным навигационным системам (г. Санкт-Петербург, ЦНИИ “Электроприбор”, 2006 г.);
• Международная научная конференция “Ракетная техника: фундаментальные и прикладные проблемы механики” (Москва, МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2006 г.);
• 5-ая Международная научно-практическая конференция “Пилотируемые полеты в космос” (РГНИИ ЦПК им. Ю.А. Гагарина, 2003 г.);
• XXX и XXXII Академические чтения по космонавтике (г. Москва, 2006, 2008 гг.);
• 39, 40 и 41-ые Научные чтения памяти К.Э. Циолковского (г. Калуга, 2003, 2005, 2006 гг.);
• научно-исследовательский семинар по механике невесомости и гравитационно-чувствительным системам (г. Москва, ИПМех РАН, 2003, 2011 гг.);
• семинар по механике космического полета под руководством
  чл.-корр. РАН В.В. Белецкого и проф. В.В. Сазонова (г. Москва, МГУ, 2006 г.).

Результаты работы были отмечены:

• премией Правительства РФ для молодых ученых и специалистов в области науки и техники в 2008 году;
• первой премией на XXVIII научно-технической конференции молодых ученых и специалистов РКК “Энергия” им. С.П. Королева в 2008 году.

Публикации. Результаты диссертации опубликованы в 8-ми печатных работах, в том числе, в 3 статьях в журналах, входящих в перечень ВАК.

Структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Диссертация содержит 215 страниц, включая таблицы и рисунки на 122 страницах. Библиография содержит 70 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении описан круг рассматриваемых задач и кратко изложено содержание диссертации.

В первой главе исследованы низкочастотные колебания корпуса станции, вызываемые работой двигателей причаливания и ориентации (ДПО) грузового корабля «Прогресс-М» при проведении коррекций орбиты в августе 2004 г. Во время коррекции двигатели включались на несколько минут и создают значительные микроускорения. Исследование проведено с помощью спектрального анализа данных измерений низкочастотного акселерометра MAMS. Исследованы 6 отрезков данных, 2 отрезка были получены при коррекциях орбиты, 4 отрезка – на прилегающих к коррекциям кратковременных участках неуправляемого полета. Сравнивались спектры колебаний на этих отрезках.

Корректирующий импульс выдавался вдоль продольной оси Служебного модуля (СМ), направленной по трансверсали к орбите станции. Ось чувствительности 1 акселерометра MAMS также была направлена вдоль продольной оси СМ. Измерения этой компоненты содержат интервалы, соответствующие работе 4, 6 и 8 ДПО (ориентация станции во время коррекции поддерживается периодическим отключением некоторых пар двигателей, что позволяет компенсировать уходы станции из заданной орбитальной ориентации). Поскольку цель исследования состояла в анализе упругих колебаний корпуса станции, из данных измерений MAMS были исключены составляющие, обусловленные изменением режима работы ДПО. Эта составляющая на каждом из рассматриваемых отрезков данных компоненты 1 аппроксимировалась выражением

, .

Здесь – длина отрезка, – коэффициенты, которые находились методом наименьших квадратов (коэффициенты при старших гармониках умножались затем на корректирующие множители). Пример сглаживающего выражения приведен на рис. 1.

Рис. 1. Сглаживание данных измерений MAMS. Момент на графике соответствует 04:24:48 ДМВ 20.08.2004. Черной линией показана компонента 1 данных измерений акселерометра MAMS, красной линией – сглаживающее выражение для этой компоненты.

После вычитания аппроксимирующих выражений из данных измерений были получены временные ряды, близкие к стационарным. Другие компоненты данных на возмущенных отрезках, а также данные отрезков, на которых включений ДПО не было, анализировались непосредственно. Амплитудные спектры двух отрезков данных представлены на рис. 2

(Гц) (Гц)

Рис. 2. Амплитудные спектры данных измерений компоненты 1 MAMS. Слева – при работе ДПО, справа – ДПО не работают.

Спектральный анализ заключался в поиске гармонических составляющих в выбранных отрезках данных измерений. Предварительный поиск осуществлялся с помощью периодограмм Ломба и Шустера (графики амплитудных спектров на рис. 2 построены по перидограммам Шустера), окончательное уточнение частот и амплитуд обнаруженных гармоник проводилось методом наименьших квадратов из условия наилучшей аппроксимации анализируемых данных суммой этих гармоник. В ходе исследования были обнаружены большое число гармоник, которые обусловлены упругими колебаниями конструкции станции, а также гармоники, которые объясняются изменением режима работы ДПО. Последние гармоники отсутствуют в отрезках данных, полученных при отсутствии управлений. Гармоники, связанные с изменением режима работы ДПО, имеют частоты в диапазоне 0.024 0.053 Гц и весьма значительные амплитуды – до 0.004 м/сна частоте 0.05 Гц.

Гармоники, связанные с упругими колебаниями корпуса станции, имеют частоты в диапазоне от 0.1 до 1.5 Гц. При отсутствии управлений амплитуды этих гармоник составляют, как правило, менее 0.00001 м/с; при работе ДПО эти амплитуды возрастают в несколько десятков раз. Наибольшие амплитуды имеют гармоники с частотами 0.100 0.113, 0.252, 0.274, 0.352 и 1.0171.043 Гц в случае компоненты 1, с частотами 0.1010.111, 0.254, 0.275, 0.360, 0.401, 0.7010.719 Гц в случае компоненты 2 и с частотами 0.250, 0.3810.425, 0.450, 0.652, 0.677, 0.805 Гц в случае компоненты 3.

Во второй главе исследованы свободные колебания корпуса станции, возникающие при стыковках и отстыковках космических кораблей, а также в результате срабатывания двигателей системы ориентации СМ. Исследование проведено с использованием данных измерений MAMS. Для исследования были выбраны 14 отрезков данных, относящихся к 2005 и 2006 гг; 10 отрезков получены при стыковках к четырем стыковочным портам (узлам) станции и отстыковках от них, 4 отрезка – при срабатывании двигателей СМ. На выбранных отрезках анализировались только участки, отвечающие затухающим колебаниям. Такие колебания рассматривались как свободные колебания системы с конечным числом степеней свободы, и на этих участках каждая векторная компонента микроускорения независимо от остальных компонент аппроксимировалась выражением

.

Здесь , и – постоянные величины, – учитывает смещение в данных измерений. Отыскание параметров аппроксимирующих выражений выполнялось в несколько этапов методом наименьших квадратов.

Пример построения аппроксимирующего выражения приведен на рис. 3. Он относится к отстыковке «Прогресса М-53» от порта СМ 07.09.2005 г. Выделенный участок свободных колебаний указан на верхнем графике горизонтальным отрезком прямой. График построенного выражения изображен красной линией на нижнем графике.

Рис. 3. Отстыковка от порта СМ 07.09.2005 г. Вверху – данные измерений компоненты 2, указан участок, выбранный для построения аппроксимации. Внизу – измерения компоненты 2 и график аппроксимирующего выражения .

Сравнительный анализ результатов, полученных для различных стыковочных портов, а также наборов двигателей СМ, показал достаточно хорошее совпадение частот затухающих колебаний. Это позволило заключить, что выявленные описанным способом колебания действительно являются собственными колебаниями корпуса станции. Многие найденные частоты достаточно хорошо согласуются с частотами, обнаруженными ранее в главе 1.

Почти на всех исследованных отрезках найдены колебания с частотами, лежащими в окрестности значений 0.4 и 0.7 Гц. Члены с этими частотами, как правило, доминируют в построенных аппроксимациях. В случае стыковочного узла «Пирс» в данных одной из компонент доминируют колебания с частотой 1.04 Гц, кроме того, в некоторых данных появляются значимые колебания в диапазоне частот 1.71.8 Гц. В случае работы двигателей ориентации по каналам рыскания и тангажа наблюдаются колебания с частотами 0.3120.382 и 0.7290.770 Гц. В случае работы двигателей по каналам крена и рыскания значимы колебания с частотами 0.9460.951 Гц. Полученные результаты показывают, в частности, что пассивная виброзащитная платформа ВЗП-1К, успешно испытанная на станции «Мир» и имеющая собственные частоты в диапазоне 040.6 Гц, на МКС была бы менее эффективна.

В третьей главе описаны результаты исследования вибрационных микроускорений, вызванных работой бортовых систем станции. Такие микроускорения представляют собой суперпозицию колебаний с дискретным и непрерывным спектрами. Происхождение микроускорений дискретного спектра вызвано, как правило, работой электродвигателей вентиляторов и других систем обеспечения жизнедеятельности экипажа. Обычно такие устройства создают в стабильных режимах работы возмущения с постоянными частотами.

К вибрационным микроускорениям относятся и микроускорения, создаваемые упругими колебаниями корпуса станции. Эти колебания вызываются различными причинами, в частности, работой экипажа. Если возмущения носят случайный характер, то колебания корпуса имеют, как правило, непрерывный спектр. В диссертации микроускорения непрерывного спектра считаются обусловленными нежесткостью корпуса станции. Микроускорения с дискретным спектром, вызываемые функционированием бортовых устройств, возникали бы и в том случае, если бы корпус станции был абсолютно жестким телом.

Для исследования были выбраны по 3 отрезка данных измерений низкочастотного акселерометра MAMS и высокочастотного акселерометра SAMS. На этих отрезках не совершались динамические операции, станция совершала полет в дежурной орбитальной ориентации на гиродинах, экипаж отдыхал, и возмущения, вызываемые его активной жизнедеятельностью, отсутствовали. Выбор отрезков был вызван желанием изучить вибрационные микроускорения на борту МКС в условиях, наиболее благоприятных для проведения космических экспериментов в области микрогравитации.

Исследование каждого отрезка данных осуществлялось в два этапа. На первом этапе изучался дискретный спектр, на втором – непрерывный. Колебания с дискретным спектром представимы в виде суммы нескольких гармоник – циклических трендов – с несоизмеримыми в общем случае частотами. Изучение дискретного спектра сводилось к поиску таких гармоник. На втором этапе из исходных данных измерений удалялись найденные в них циклические тренды, в полученном ряде остатков выделялись некоторые составляющие, которые затем аппроксимировались процессами авторегрессии. Эти процессы служили для описания колебаний с непрерывным спектром.