20130130_VeneraD.pps

Баллистика и навигация
в проекте «Венера-Д»
А.Г. Тучин1, C.M. Лавренов2, В.А. Степаньянц1,
В.А. Шишов1
(1) Институт прикладной математики им. М.В. Келдыша РАН
(2) НИУ Высшая школа экономики
Москва 2013
Сравнение возможных окон старта по суммарным
затратам характеристической скорости
Скорость
отлёта,
км/с
Скорость
подлёта,
км/с
Сумма скоростей,
км/с
Дата старта
Дата подлёта
Продолжительность перелёта,
сутки
11.01.2020
25.07.2020
196
4.677
3.483
8.160
28.10.2021
06.04.2022
160
2.800
4.760
7.560
27.05.2023
27.10.2023
153
2.573
3.695
6.268
07.12.2024
15.05.2025
159
3.295
2.686
5.981
08.06.2026
08.12.2026
183
3.857
2.989
6.846
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
2020
2021
2023
Сумма скоростей, км/с
2024
2026
2
Изолинии суммарной характеристической скорости
для окна стартов 2020 года
240
12
15
20
230
12
15
220
9
12
9
210
9
8.3
8.25
200
8.2
8.3
12
190
8.2
8.3
9
8.25
40
15
180
30
9
8.25
8.3
9
20
12
20
15
15
40
30
170
12
20
30
9
1520
40
15
40
30
20
30
20
15
12
40
160
20
40
15
150
12
20
15
20
140
22.11.2019
20.12.2019
30
12
11.01.2020
25.02.2020
По оси абсцисс – даты старта, по оси ординат – продолжительность
перелёта (в сутках). На перекрестье красных линий – оптимальная дата
старта (11.01.2020) и продолжительность перелёта (196 суток).
3
Траектория перелёта
Земля
Венера
Меркурий
4
Основные баллистические задачи,
которые решаются во время полёта
КА «Венера-Д»
• Расчёт целеуказаний для наземных станций слежения
• Первичная обработка траекторных измерений
• Определение параметров движения КА и прогнозирование
его движения
• Вычисление параметров маневрирования при переходах
КА с орбиты на орбиту
• Вычисления данных для системы управления на борту КА
• Обеспечение выполнения научной программы
5
Основные манёвры
• Выведение на орбиту перелёта с опорной орбиты ИСЗ.
• Первая коррекция выполняется на седьмой день полёта.
• Вторая коррекция выполняется за четыре дня до
сближения с Венерой. После неё происходит отделение
спускаемого аппарата и его дальнейший автономный
полёт, а основной КА совершает манёвр увода и
переходит на пролётную гиперболу с наклонением 90º и
высотой перицентра 250 км.
• Третья коррекция КА выполняется за один день до
сближения с Венерой с целью исправления возможных
ошибок второй коррекции.
• Манёвр торможения выполняется в перицентре подлётной
гиперболы и КА переходит на высокоэксцентричную
эллиптическую орбиту вокруг Венеры.
6
Траекторные измерения
во время полёта
Измерения проводятся в X-диапазоне:
на передачу - 7.145-7.235 ГГц;
на прием - 8.400-8.500 ГГц.
Ошибки измерений:
по дальности σR = 20 м,
по радиальной скорости σRR = 0.2 мм/с.
Станции слежения:
(до 2 млн км)
Байконур, ТНА-57 (диаметр антенны 12.5 м)
Медвежьи Озёра, ТНА-57 (диаметр антенны 12.5 м)
(после 2 млн км)
Уссурийск, П-2500 (диаметр антенны 70 м)
Медвежьи Озёра, ТНА-1500 (диаметр антенны 64 м)
7
Программа траекторных измерений
• До первой коррекции – ежедневно.
• После первой коррекции – раз в четыре дня.
• В течение двух недель
до выполнения второй коррекции – ежедневно.
• После второй коррекции – два сеанса.
8
Cхема доставки спускаемого
аппарата (СА)
Венера
СА
КА
КА
Венера
СА
к Земле
9
Районы баллистической достижимости на
поверхности Венеры в 2020 – 2026 годах
2020 г
2024 г
2021 г
2023 г
2026 г
10
Район баллистической достижимости
для окна стартов 2020 года
360
180
160
300
140
углы, град
долгота, град
240
180
120
120
100
80
60
40
60
20
0
-90
-60
-30
0
широта, град
30
60
90
0
0
60
120
180
240
300
360
долгота, град
Зависимость углов
от долготы точки посадки:
угол Земля – СА – Венера (красная линия),
угол Солнце – СА – Венера (синяя линия)
(СА – спускаемый аппарат)
11
Варианты периодов орбит основного КА и
субспутника
№
Период орбиты субспутника,
час
Период орбиты основного
КА, час
1
48
24
2
24
48
3
24
24
4
12
12
12
Вариант 1.Элементы орбиты основного КА после
его выхода на орбиту ИСВ
Параметр
Полуось, км
Эксцентриситет
Наклонение, град
Значение
62 633.609
0.899
90.0
Долгота восходящего узла, град
240.2
Аргумент перицентра, град
334.4
Среднее движение (n) рад/тыс. сек
Период, час
Расстояние в перицентрe, км
Высота в перицентрe, км
Расстояние в апоцентре, км
Высота в апоцентре, км
0.03636
48.0
6 301.876
249.983
118 965.344
112 913.450640
Широта подспутниковой точки, град
–25.578
Долгота подспутниковой точки, град
240.258
13
Определение параметров движения КА на орбите
искусственного спутника Венеры
14
Источники ошибок при моделировании
движения КА
• Недостаточная точность той части модели
гравитационного поля Венеры, которая привлечена к
вычислению возмущений в движении КА для быстрой
оперативной работы; модель гравитационного поля NASA
MGNP120PSAAP имеет порядок 120×120;
• Наличие немоделируемых микроускорений, вызванных
работой двигателей, при изменении ориентации КА;
• Неточный учёт сил давления, вызванных солнечной
радиацией;
• Неточность модели относительного движения Венеры и
Земли
15
Выводы
1.
При оптимизации энергетических затрат в проекте
«Венера-Д» выяснилось, что области на Венере, которые
достигает спускаемый аппарат, оказываются вне прямой
радиовидимости с Земли и не освещены Солнцем.
Следовательно, телеметрия со спускаемого аппарата должна
осуществляться через орбитальный КА, а работоспособность
спускаемого аппарата должна поддерживаться за счёт
внутренних источников энергии.
2. Изменения в баллистической схеме для осуществления
более точной навигации приведут к дополнительным
энергетическим затратам.
3. Желательно построить задачу совместного определения
параметров движения КА, Венеры и Земли в рамках единой
динамической модели.
16