Глава 1. Общие сведения о комплексе систем наземного обеспечения
Московский авиационный институт
(государственный технический университет «МАИ»)
Аэрокосмический факультет
Кафедра № 610
В.В. Родченко
Лекции по курсу:
Организация и обеспечение полета
2007
1. 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
1.1. 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.
1.2. 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.
1.3. Классификация систем наземного обеспечения и требования, предъявляемые к ним
Комплекс систем наземного обеспечения представляет собой совокупность сооружений, агрегатов и систем специального технологического оборудования, предназначенных для подготовки к полету и обслуживания ЛА.
Основными операциями, выполняемыми с помощью КСНО, являются: транспортировка; установка; заправка; наведение; проведение предстартовой подготовки; защита от воздействий внешней среды и несанкционированных действий; управление технологическим процессом предстартовой подготовки и работами, проводимыми в случае несостоявшегося пуска; электропитание ЛА, находящегося на пусковом устройстве; обеспечение безопасности обслуживающего персонала; осуществление контроля за полетом ЛА и выдача необходимых команд. К главным факторам, определяющим состав и структуру комплекса систем наземного обеспечения, можно отнести следующее:
— тактико-технические характеристики ЛА, для обслуживания которого предназначен данный КСНО;
— требуемая частота запусков ЛА;
— надежность подготовки ЛА к запуску;
— технологические принципы, положенные в основу предстартовой подготовки ЛА.
Структурная схема комплекса системы наземного обеспечения представлена на рис. 1.2.
Анализ приведенной схемы показывает, что КСНО, предназначенный для обслуживания ЛА любого класса, включает в себя сооружения и оборудование, имеющие разное функциональное назначение.
Сооружения предназначены, во-первых, для размещения оборудования, ЛА и обслуживающего персонала с целью защиты их от неблагоприятных воздействий окружающей среды, во-вторых, для установки ЛА в положение, позволяющее проводить его предстартовую подготовку и пуск. В зависимости от местности, на которой они размещаются, а также от необходимой степени защищенности от воздействия разрушающих факторов взрыва, возможного в аварийной ситуации, сооружения подразделяются на наземные, полузаглубленные и заглубленные (подземные).
Оборудование систем наземного обеспечения предназначено для выполнения работ, непосредственно связанных с эксплуатацией и обслуживанием ЛА. В зависимости от выполняемых функций оборудование подразделяется следующим образом:
— наземная часть бортовых систем, представляющая собой проверочную аппаратуру, которая обеспечивает проведение регламентных работ, автономные и комплексные испытания ЛА, а также запуск двигательной установки;
— специальное технологическое оборудование, работающее в контакте с ЛА и предназначенное для непосредственной подготовки к полету и поддержания режима дежурства ЛА;
— техническое оборудование, обеспечивающее нормальные условия содержания и обслуживания ЛА, которые определяются специфическими особенностями ЛА как объекта обслуживания и техникой безопасности обслуживающего персонала.
Наземная часть бортовых систем состоит из оборудования двух основных видов:
— контрольно-испытательного;
— проверочно-пускового.
Специальное технологическое оборудование в зависимости от назначения подразделяются на следующие группы:
— транспортное;
— подъемно-перегрузочное;
— установочное;
— заправочное;
— аппаратура контроля и управления технологическими процессами;
— вспомогательное.
К техническому оборудованию относится оборудование общепромышленного профиля, включающее системы температурно-влажностного режима сооружений, вентиляции, электросиловое оборудование, связь, системы газового анализа сооружений, водопровод и канализацию. Техническое оборудование, как правило, не находится в непосредственном контакте с обслуживаемым ЛА и разрабатывается организациями, ответственными за проектирование сооружений.
Все элементы комплекса систем наземного обеспечения располагаются на технической и стартовой позициях, которые представляют собой земельные участки, лежащие в непосредственной близости друг от друга и состоящие из комплексов зданий и сооружений с общетехническим и специальным технологическим оборудованием.
Поскольку системы наземного обеспечения предназначены для подготовки к полету и обслуживания ЛА, то все элементы КСНО должны удовлетворять требованиям, которые определяются поставленными перед этими системами задачами.
Требования, предъявляемые к КСНО, могут быть разбиты на следующие четыре группы: функциональные, эксплуатационные, эргономические и экономические.
К группе функциональных требований относятся:
— высокая надежность подготовки проведения пуска ЛА в любое время года и суток при значительных изменениях метеорологических условий;
— минимальное время подготовки ЛА к пуску;
— минимальное количество обслуживающего персонала.
Под надежностью в данном случае понимается способность элементов КСНО сохранять свои выходные параметры в определенных пределах при данных условиях эксплуатации в течение заданного промежутка времени.
Высокая надежность обеспечивается целым рядом мероприятий, основными из которых являются:
— выбор рациональной прочности конструктивных элементов КСНО:
— упрощение применяемой системы или агрегата;
— создание конструктивных схем с наименьшими последствиями отказов элементов;
— резервирование отдельных элементов;
— осуществление постоянного контроля за состоянием исполнительных элементов;
— механизация и автоматизация всех технологических процессов.
Прочность конструкции агрегатов КСНО обеспечивается с помощью расчета наиболее важных узлов и деталей, основанного на изучении условий их эксплуатации; выбора конструкционных материалов; совершенствования технологии производства; автоматизации производственных процессов; контроля качества изготовления; специальных испытаний с имитацией неблагоприятных условий эксплуатации.
Упрощение применяемой системы или агрегата вызвано тем, что более надежной является система, количество исполнительных элементов которой минимально, а конструкция наиболее проста.
При выборе определенного конструктивного решения того или иного элемента КСНО необходимо учитывать возможные последствия отказа этого элемента. При прочих равных условиях предпочтение отдается варианту, обеспечивающему минимальный ущерб при аварийных ситуациях.
Одним из способов повышения надежности агрегатов и систем наземного обеспечения является резервирование наиболее ответственных узлов, что позволяет функции отказавших элементов выполнять дублирующим элементам при сохранении работоспособности всей системы.
Из определения надежности следует, что ненадежной считается не только та система, отказ элемента которой привел к неработоспособности, но и та, значения рабочих характеристик которой выходят за допустимые пределы. В этой связи важным мероприятием, обеспечивающим надежность, является постоянный контроль за состоянием исполнительных механизмов элементов КСНО для своевременного устранения выявленного несоответствия. Для оперативной обработки измеряемых параметров на ЭВМ непосредственно в ходе предстартовой подготовки целесообразно в системах контроля применять устройства и методы преобразования аналоговых сигналов в цифровую форму. Такой прием обеспечивает высокую степень достоверности контроля необходимых параметров.
Одним из главных резервов повышения надежности подготовки и проведения пуска ЛА, сокращения времени, затрачиваемого на предстартовые операции, а также уменьшения количества обслуживаемого персонала и его безопасности является механизация и автоматизация всех технологических процессов. Наиболее актуальной в настоящее время является задача полной автоматизации технологических процессов управления как отдельными агрегатами и системами КСНО, так и процессами предстартовой подготовки ЛА. Автоматизация сложных технологических операций и процессов, как правило, выполняется на основе использования как универсальных, так и специализированных ЭВМ, которые снабжаются пультами, обеспечивающими наряду с автоматическим и ручное управление отдельными наиболее ответственными исполнительными элементами.
Следует отметить, что агрегаты и системы КСНО должны обладать высокой степенью стабильности технических и эксплуатационных характеристик в различных атмосферных и климатических условиях, при резких колебаниях температуры окружающей среды.
В группу эксплуатационных входят требования, при удовлетворении которых достигаются наилучшие условия эксплуатации, сохранности оборудования с учетом обеспечения его работоспособности и безопасности обслуживающего персонала.
Соблюдение правил эксплуатации оказывает особое влияние на надежность всех элементов КСНО, поскольку исключает возможность поломки оборудования. Важную роль при этом играет своевременное проведение периодических проверок, выполнение профилактических работ и содержание оборудования в технически исправном состоянии.
Конструкция элементов КСНО должна обеспечивать возможность восстановления отказавших в процессе эксплуатации узлов и деталей. Это требование ремонтопригодности связано с тем, что в процессе подготовки ЛА к пуску сам отказ зачастую менее опасен, чем невозможность быстрого отыскания места поломки и ее скорейшего устранения.
Сохранность оборудования характеризуется способностью всех составляющих элементов этого оборудования находиться в исправном состоянии в процессе хранения как важном этапе эксплуатации. К основным мероприятиям, обеспечивающим сохранность оборудования, относятся выбор соответствующих смазок; изготовление агрегатов из специальных материалов, стойких к неблагоприятному воздействию окружающей среды; применение антикоррозионных покрытий; просушка и проветривание агрегатов при длительном хранении и эксплуатации; соблюдением необходимых условий хранения и сбережения.
Особо важным требованием, предъявляемым к системам наземного обслуживания, является обеспечение техники безопасности обслуживающего персонала при выполнении всех видов работ. Поскольку техническая и стартовая позиции насыщены большим количеством токсичных и взрыво- и пожароопасных веществ, источников тока, трубопроводов и емкостей высокого давления, а следовательно, являются зонами повышенной опасности. Поэтому даже незначительные нарушения мер безопасности при эксплуатации могут привести не только к аварийной ситуации, но и к катастрофе. С точки зрения обеспечения безопасности и упрощения обслуживания очень важно на агрегатах КСНО иметь блокирующие устройства, предохранители, конечные выключатели и ограничители, предупреждающие возникновение неисправностей и аварий в работе основных механизмов и агрегатов. Все рабочие места должны быть оборудованы необходимыми средствами для пожаротушения и проведения обмывочно-нейтрализующих работ, а также для надежной защиты от действия взрывной волны и обеспечения эвакуации обслуживающего персонала при аварии.
Эргономические требования учитывают возможности человека, эксплуатирующего современную технику, насыщенную автоматизированными устройствами. Соблюдение основных требований инженерной психологии при разработке агрегатов и систем КСНО способствует правильному восприятию и оценке полученной информации, своевременному принятию решения о необходимых действиях и выполнению принятого решения с помощью воздействия на рабочие элементы агрегата или системы.
Указанные цели достигаются обеспечением наилучших условий для работы оператора, что зависит от многих факторов: удобства расположения приборов и индикаторов; выбора оптимальных углов обзора приборов при неподвижном положении глаз; применения специальной сигнализации для важнейших сообщений о ходе процесса; правильного подбора размеров, формы, освещенности, контрастности и четкости геометрических фигур, букв или цифр; соответствующей окраски сигналов; степени стандартизации указательных надписей на панелях и т. п.
Экономические требования обеспечивают сокращение затрат, связанных с расходами на разработку, создание и эксплуатацию систем наземного обеспечения. Эти требования достигаются широким использованием недефицитных материалов; унификацией отдельных узлов и механизмов; использованием агрегатов общетехнического назначения; простотой устройств; внедрением прогрессивных методов производства, а также его специализацией и кооперированием; сведением к минимуму ручного труда, т. е. максимальной механизацией и автоматизацией технологических процессов предстартовой подготовки.
Следует отметить, что кроме указанных выше общих для всех агрегатов и систем наземного обеспечения требований к отдельным элементам КСНО в зависимости от функционального назначения и особенностей эксплуатации могут предъявляться и специфические требования. Характерным является то обстоятельство, что соблюдение всех этих требований приводит к увеличению полноты выполнения поставленной перед КСНО задачи по подготовке и проведению пуска ЛА, т. е. увеличению эффективности систем наземного обеспечения.