Измерения при эксплуатации объектов ракетно-космической техники

Измерения при эксплуатации объектов ракетно-космической техники

1. Измерения при эксплуатации объектов ракетно-космической техники

Измерения, проводимые в процессе летных испытаний и эксплуатации, предназначены для определения и анализа реального функционирования ракет и КА. По результатам измерений и последующей их обработки должно быть принято решение о степени соответствия реальных характеристик ракет и КА заданным на них требованиям, т.е. должно быть принято решение об эффективности эксплуатируемого аппарата.

В процессе полета ракета или КА находится под воздействием реальных сил и моментов сил, обусловленных работой маршевых и управляющих двигателей, влиянием атмосферы, гравитационного и магнитных полей и ряда других факторов. Для объективного суждения о результатах полета и получения от каждого из них возможно большей информации предусматривается выполнение обширной программы измерений.

Поскольку движение ракеты и КА как твердого тела складывается из поступательного движения центра масс и вращательного движения относительно центра масс, в число измеряемых параметров должны быть включены параметры, определяющие эти два движения. К ним относят, например, координаты и составляющие вектора скорости, определяющие положение ЛА в принятой системе координат, углы Эйлера, направляющие косинусы и угловые скорости вращения относительно центра масс.

Для оценки процессов, протекающих на борту аппарата, и воздействия на него внешней среды в состав программы измерений должны быть введены параметры, характеризующие функционирование его бортовых систем и агрегатов, и параметры, определяющие состояние окружающей внешней среды. Это – давление, температура, вибрации, напряжение электрического тока в различных системах объекта; плотность и температура атмосферы, характеристики магнитного и гравитационного полей планеты, характеристики системы жизнеобеспечения состояния космонавтов и т.п.

Все измерения, проводящиеся в процессе полета, в зависимости от типа измерительной аппаратуры и способа передачи сообщений, принято подразделять на внешнетраекторные и радиотелеметрические измерения (рисунок 1).

Внешнетраекторные измерения используются для определения параметров траекторного движения – координат и вектора скорости центра масс и в некоторых случаях для измерения углового положения аппарата относительно принятой системы координат.

Радиотелеметричёские измерения предусматривают получение информации о функционировании различных, систем аппарата и состоянии внешней среды при помощи измерительной аппаратуры, установленной на борту аппарата. Информация по радиоканалу передается в наземную телеметрическую аппаратуру, где регистрируется и подвергается обработке.

Синхронизация всех измерений, проводящихся в процессе полета с большой точностью, осуществляется службой единого времени.

2. Внешнетраекторные измерения

Внешнетраекторные измерения проводятся с целью определения параметров траекторного движения КА или определения относительных траекторий двух или нескольких КА. Аппаратура внешнетраекторных измерений основана, в основном, на радиотехническом и оптическом принципах действия и расположена в пределах Земли на стационарных (на суше), корабельных или самолетных измерительных пунктах.

Оптические измерения основаны на свойстве прямолинейности распространения света в однородной среде и позволяют определить параметры, характеризующие положение и ориентацию аппарата в пространстве. Применяют оптические установки двух основных видов:

с подвижной оптической частью и узким полем зрения объектива;

с неподвижной оптической частью и широким полем зрения объектива.

К первому виду оптических установок относятся кинотеодолиты, кинотелескопы и космические секстанты; ко второму – широкоугольные баллистические камеры или фототеодолиты.

Кинотеодолиты и кинотелескопы представляют собой углоизмерительные средства, предназначенные для визуального слежения за ракетами и КА. В процессе слежения осуществляется непрерывное фотографирование аппарата с регистрацией углов азимута (0 ≤ α ≤ 360о) и места (0 ≤ β ≤ 90°) оптической оси установки (рисунок 2).

Кинотелескопы в отличие от кинотеодолитов имеют большее фокусное расстояние объектива. Это позволяет получить на пленке крупномасштабное изображение ЛА и определить не только его угловое положение, но и в ряде случаев также ориентацию его осей относительно принятой системы координат.

Широкоугольные баллистические камеры имеют неподвижное поле зрения и применяются для точного определения направления на ЛА (углы α' и β') относительно известного и неподвижного в пространстве положения оптической оси объектива камеры (углы α'0 и β'0) (Рисунок 3). Высокая точность измерения углов достигается в этом случае за счет возможности определения положения оптической оси по звездам.

Для измерительной аппаратуры, основанной на оптическом принципе действия, характерна высокая точность и большая наглядность результатов измерений. Однако проведение оптических измерений возможно только при хорошем состоянии атмосферы, что является их значительным недостатком. Оптические измерения параметров движения космических летательных аппаратов и искусственных спутников Земли, как правило, возможны в утренние и вечерние часы, когда в лучах Солнца они становятся заметными на фоне черного неба. Как следует из рисунка 4, спутник на участках орбиты 1–2 и 3–4 невидим для наземных наблюдателей, так как в первом случае он движется на фоне светлого неба, а во втором – находится в тени Земли. Наблюдение за спутником возможно только на участке 2–3, причем качество наблюдений зависит от его размеров, высоты полета в момент наблюдения, широты места, состояния атмосферы и других факторов. По данным американской печати, в мае 1959 г. было проведено фотографирование искусственного спутника «Авангард» диаметром 16,3 см на дальности 4000 км, что свидетельствует о больших возможностях оптических измерений.

Аппаратура внешнетраекторных измерений, основанная на радиотехническом принципе действия, по сравнению с оптической обладает большей дальностью слежения и более универсальна. Используя различные методы радиотехнических измерений, можно определить не только угловое положение аппарата, но также его наклонную дальность, разность или сумму дальностей от двух измерительных пунктов, радиальную скорость и направляющие косинусы вектора скорости в принятой системе координат.

Определение углового положения аппарата сводится к определению направления прихода излучаемых аппаратом или отраженных радиоволн путем сравнения амплитуды, фазы и частоты колебаний, возбуждаемых в антенной системе. Наибольшее применение в радиолокации нашли фазовые и амплитудные методы пеленгования.

Определение дальности в радиотехнических системах сводится к определению временной задержки tD прихода излучаемых или отраженных сигналов, пропорциональной удвоенной дальности D:

где с – скорость распространения электромагнитных колебаний, равная 3*108 м/с.

В зависимости от вида используемого сигнала оценка временной задержки tD производится измерением фазового, частотного или непосредственно временного сдвига принимаемого сигнала относительно опорного. Широкое практическое применение в аппаратуре внешнетраекторных измерений при измерении дальности нашли фазовый и импульсный (временной) методы.

Измерение скорости движения ЛА основано главным образом на использовании эффекта Доплера.

Таким образом, применение рассмотренных принципов позволяет создавать радиотехническую аппаратуру внешнетраекторных измерений, обладающую большой дальностью действия и высокой потенциальной точностью измеряемых координат. Однако вследствие подверженности радиотехнической аппаратуры влиянию помех ее реальная точность измерения в значительной мере зависит от характера действующих помех. Поэтому при проведении летных испытаний с целью получения большей точности и надежности измерений производят комплексирование радиотехнической и оптической аппаратуры внешнетраекторных измерений.