Обучающее устройство

Полезная модель относится к области космической техники и может применяться на тренажерах пилотируемых космических аппаратов (ПКА), оборудованных электронными системами отображения и оптическими средствами наблюдения. Известно обучающее устройство, описанное как полезная модель - Патент №33451 на полезную модель по заявке 2003118888 от 0 2 .0 7.2003 года. Авторы : А.Ф.Еремин и др. Данная полезная модель принимается за прототип . Приведенное обучающее устройство позволяет производить обучение космонавтов управлению космическим кораблем на участке спуска в атмосфере Земли в штатных и нештатных ситуациях за 1 минуту до включения тормозного двигателя. Однако это обучающее устройство не обеспечивает подготовку космонавтов к спуску с орбиты, начиная с расстыковки транспортного корабля (ТК) «Союз-ТМА» от международной космической станции (МКС). Целью предлагаемой полезной модели является обеспечение космонавтов в процессе обучения и тренировок управлению транспортным кораблем «Союз-ТМА» на участке спуска, начиная от расстыковки с МКС в динамическом режиме работы тренажера. Поставленная цель достигается тем , что к обучающему устройству - прототипу дополнительно вводятся ручка управления движением (РУД), блок расстыковки, блок силовых устройств расстыковки, блок относительного движения МКС и ТК, блок управления визуализацией, блок расстыковки -С, блок относительных параметров. Обучающее устройство содержит модель движения, второй выход которой соединен с первым входом модели датчиков, третий выход которой соединен с первым входом модели системы управления движением, третий выход которой соединен с первым входом модели системы исполнительных органов, второй выход которой соединен с третьим входом модели движения космического корабля, первый выход которой соединен с первым входом космического навигационного индикатора, второй выход которого соединен с первым входом модели системы управления бортовым комплексом, которая вторым выходом соединена с параллельно соединенными со вторым входом модели датчиков, с четвертым входом модели системы управления движения, с третьим входом модели системы исполнительных органов,а ручка управления подключена ко второму входу модели системы управления движением. Второй выход пульта контроля и управления тренировкой подключен к третьему входу модели системы управления бортовым комплексом , а первый вход пульта контроля и управления тренировкой соединен с третьим выходом космического навигационного индикатора , третий выход пульта контроля и управления тренировкой соединен с четвертым входом модели движения, пятый выход которой соединен с интерфейсным блоком, выход которого соединен с первым входом генератора изображения Земли и станции М К С , третий выход которого соединен с третьим входом маршрутизатора , первый выход которого соединен с первым входом контактных колец , второй выход которых соединен со входом имитатора В С К , а второй выход маршрутизатора соединен с четвертым входом пульта контроля и управления тренировкой , пятый выход

которого соединен со вторым входом генератора изображения Земли и станции М К С, ручка управления ориентацией (РУО) соединена с пятым входом системы управления движением, а ручка управления движением (РУД) соединена с шестым входом системы управления движением , четвертый выход модели системы управления бортовым комплексом соединен с входом блока расстыковки, выход которого соединен с входом блока силовых устройств , выход которого соединен с блоком относительного движения МКС и ТК , выход которого соединен с входом блока управления визуализацией, выход которого соединен с четвертым входом генератора изображения Земли и МКС, а шестой выход пульта контроля и управления тренировкой соединен с входом блока расстыковки -С, выход которого соединен с входом блока относительных параметров, выход которого соединен с седьмым входом пульта контроля и управления тренировкой . Блок расстыковки имитирует процесс расстыковки в двух режимах: ручном и автоматическом. В ручном режиме согласно бортовой документации космонавт выдает команды на открытие крюков, на срабатывание пружин отталкивания, включение двигателей для придания начальной скорости ТК отхода от станции МКС и с помощью ручки РУД ведет дальнейшее управление кораблем. В автоматическом режиме процесс расстыковки осуществляется по командам бортового цифрового вычислителя. Блок силовых устройств состоит из модели толкателей и модели двигателей причаливания и ориентации (ДПО) транспортного корабля «Союз-ТМА» , которые обеспечивают необходимый силовой импульс для отхода транспортного корабля «Союз-ТМА».По командам поступающим из блока расстыковки имитируется процесс открытия крюков стыковочного отсека, работа пружинных толкателей, спутя 3 минуты приходит команда на включение реактивных двигателей ДПО, которые добавляют скорость отхода транспортного корабля «Союз-ТМА» от космической станции МКС. Блок относительного движения МКС и ТК включает модель движения МКС, модель транспортного корабля «Союз-ТМА» и модель относительного движения МКС и ТК. . В данном блоке производится интегрирование уравнений движения станции МКС, транспортного корабля «Союз-ТМА» и вычисление относительных параметров. результаты вычислений поступают в блок управления визуализации . Блок управления визуализации производит преобразование входных параметров и вычисление управляющих параметров для генератора изображения Земли и МКС , который синтезирует изображение станции МКС в процессе расстыковки ТК, которое космонавт контролирует по визиру космонавта ВСК . Векторное преобразование из системы координат, в которых были определены объекты Земли и МКС и в систему координат генерации изображения Земли и МКС в плоскости наблюдателя. Блок расстыковки- С имитирует работу экипажа транспортного корабля «Союз-ТМА» -С (назовем его спасатель), который проводит экстренное покидание станции МКС , работая синхронно с основным экипажем , находящимся в штатном рабочем месте. Обучающее устройство разработано и реализовано в 2002 году в виде динамического тренажера спуска транспортного корабля " Союз- ТМА " на базе центрифуги ЦФ-18 в РГНИИЦПК им. Ю.А.Гагарина и в настоящее время на нем проводятся обучение , подготовка космонавтов по международной программе МКС.

Полезная модель относится к области космической техники и может применяться на тренажерах пилотируемых космических аппаратов (ПКА), оборудованных электронными системами отображения и оптическими средствами наблюдения.

Известно обучающее устройство, описанное как полезная модель - Патент №33451 на полезную модель по заявке 2003118888 от 0 2.0 7.2003 года. Авторы: А.Ф.Еремин и др. Данная полезная модель принимается за прототип. Приведенное обучающее устройство позволяет производить обучение космонавтов управлению космическим кораблем на участке спуска в атмосфере Земли в штатных и нештатных ситуациях за 1 минуту до включения тормозного двигателя.

Однако это обучающее устройство не обеспечивает подготовку космонавтов к спуску с орбиты, начиная с расстыковки транспортного корабля (ТК) «Союз-ТМА» от международной космической станции (МКС). После длительного пребывания на борту долговременной станции для экипажа процесс расстыковки и посадки транспортною корабля является очень ответственным и сложным из-за большой психологической нагрузки. В последних полетах экипажи сталкивались с нештатными ситуациями при расстыковке и спуске транспортного корабля. Если еще учесть, что в ближайшее время на МКС могут одновременно находиться два корабля «Союз-ТМА» (рис 1) и на борту будет работать сводный экипаж из шести человек, и если аварийная ситуация на станции (пожар, фатальная разгерметизация) требует немедленного ее покидания всем экипажем, то совместное отделение и увод кораблей требует реализации сложной циклограммы действий экипажей даже в случае безотказной работы всех систем корабля. Это необходимо для исключения возможных столкновений кораблей еще до того, как будут выданы тормозные импульсы.

Целью предлагаемой полезной модели является обеспечение космонавтов в процессе обучения и тренировок управлению транспортным кораблем «Союз- ТМА» на участке спуска, начиная от расстыковки с МКС в динамическом режиме работы тренажера.

Поставленная цель достигается тем, что к обучающему устройству - прототипу дополнительно вводятся ручка управления движением (РУД), блок расстыковки, блок силовых устройств расстыковки, блок относительного движения МКС и ТК, блок управления визуализацией, блок расстыковки -С, блок относительных параметров.

На фиг.1 представлена структурная схема обучающего устройства. На фиг.1 обозначены:

1 - космический навигационный индикатор (пульт космонавта);

2 - модель системы управления бортовым комплексом;

3 - модель движения космического корабля;

4 - модель датчиков;

5 - ручка управления;

6 - модель системы управления движением;

7 - модель исполнительных органов;

8 - пульт контроля и управления тренировкой.

9 -ручка управления ориентацией (РУО);

10- интерфейсный блок;

11 -генератор изображения Земли и станции М КС;

12 -маршрутизатор;

13 -контактные кольца;

14 -имитатор ВСК;

15-ручка управления движением (РУД);

16-блок расстыковки;

17-блок силовых устройств расстыковки;

18-блок относительного движения МКС и ТК;

19-блок управления визуализацией;

20-блок расстыковки-С;

21-блок относительных параметров.

Обучающее устройство содержит модель движения 3, второй выход которой соединен с первым входом модели датчиков 4, третий выход которой соединен с первым входом модели системы управления движением 6, третий выход которой соединен с первым входом модели системы исполнительных органов 7, второй выход которой соединен с третьим входом модели движения космического корабля 3, первый выход которой соединен с первым входом космического навигационного индикатора 1, второй выход которого соединен с первым входом модели системы управления бортовым комплексом 2, которая вторым выходом соединена с параллельно соединенными со вторым входом модели датчиков 4, с четвертым входом модели системы управления движения 6, с третьим входом модели системы исполнительных органов 7,а ручка управления 5 подключена ко второму входу модели системы управления движением 6. Второй выход пульта контроля и управления тренировкой 8 подключен к третьему входу модели системы управления бортовым комплексом 2, а первый вход пульта контроля и управления тренировкой 8 соединен с третьим выходом космического навигационного индикатора 1, третий выход пульта контроля и управления тренировкой 8 соединен с четвертым входом модели движения 3, пятый выход которой соединен с интерфейсным блоком 10, выход которого соединен с первым входом генератора изображения Земли и станции МКС 11, третий выход которого соединено третьим входом маршрутизатора 12, первый выход которого соединен с первым входом контактных колец 13, второй выход которых соединен со входом имитатора ВСК 14, а второй выход маршрутизатора 12 соединен с четвертым входом пульта контроля и управления тренировкой 8, пятый выход которого соединен со вторым входом генератора изображения Земли и станции МКС 11, ручка управления ориентацией (РУО) 9 соединена с пятым входом системы управления движением 6, а ручка управления движением (РУД) 15 соединение шестым входом системы управления движением 6, четвертый выход модели системы управления бортовым комплексом 2 соединен с входом блока расстыковки 16. выход которого соединено входом блока силовых устройств 17, выход которого соединено блоком относительного движения МКС и ТК 18, выход которого соединен с входом блока управления визуализацией 19, выход которого соединен с четвертым входом генератора изображения Земли и МКС 11, а шестой выход пульта контроля и управления тренировкой 8 соединен с входом блока расстыковки -С 20, выход которого соединен с входом блока относительных параметров 21, выход которого соединен с седьмым входом пульта контроля и управления тренировкой 8.

Блок расстыковки 16 имитирует процесс расстыковки в двух режимах: ручном и автоматическом. В ручном режиме согласно бортовой документации космонавт выдает

команды на открытие крюков, на срабатывание пружин отталкивания, включение двигателей для придания дополнительной начальной скорости ТК отхода от станции МКС и с помощью ручки РУД 15 ведет дальнейшее управление кораблем. В автоматическом режиме процесс расстыковки осуществляется по командам бортового цифрового вычислителя.

Аналитическое описание модели цифрового вычислителя представляется в форме множеств, состоящих из трех элементов [ ]:

Т=<X, Y, S > Где: Х- множество входных параметров агрегатов вычислителя

здесь N-количество агрегатов в модели цифрового вычислителя. Y- множество выходных параметров агрегатов модели вычислителя

S - отображение вида S: Х-> Y, называемое оператором сопряжения, ставящим в соответствие каждому входному параметру Х агрегата А некоторый выходной параметр Y агрегата А, связанный с ним элементарным каналом

Математическое описание модели агрегата представляется в виде следующего выражения:

P={X,Y,D,U, R(D),F(R),N};

где X, Y- множество входных и выходных параметров агрегата,

D={ D, D, D } - множество промежуточных параметров,

U={ U, U, U }- множество характеристик данных (признаков),

R(D)={R (D), R (D),.....R (0)}-множество отношений на множестве элементарных данных (признаков),

N={N, N,....N }-множество экземпляров данных (признаков) в отношениях,

F(R)={ F (R), F (R),.....F (R)}-множество функциональных зависимостей между отношениями.

Характеристика элементарных данных (признаков) структуры могут быть заданы кортежем вида U=(<вид представления >, <диапазон изменения >, <значение >). Переход агрегата из одного состояния в другое определяется поступлением входных сигналов, окончанием выполненной операции преобразования структур данных и типом события, возникшего по окончании операции. Блок силовых устройств 17 состоит из модели толкателей и модели двигателей причаливания и ориентации (ДПО) транспортного корабля «Союз-ТМА». которые обеспечивают необходимый силовой импульс для отхода транспортного корабля «Союз-ТМА».По командам поступающим из блока расстыковки имитируется процесс открытия крюков стыковочного отсека, работа пружинных толкателей, спутя 3 минуты приходит команда на включение реактивных двигателей ДПО, которые добавляют скорость отхода транспортного корабля «Союз-ТМА» от космической станции МКС.

Блок относительного движения МКС и ТК 18 включает модель движения МКС, модель транспортного корабля «Союз-ТМА» и модель относительного движения

МКС и ТК. Международная космическая станция МКС состоит из ФГБ «Заря», СМ «Звезда», СО «Пирс», ТКГ «Прогресс Ml-9» и двух ТК «Союз-ТМА». (рис 1).

Основными блоками модели движения станции МКС и транспортного корабля «Союз-ТМА» являются:

-блок интегрирования уравнений движения космического объекта,

-блок вычисления гравитационного ускорения,

-блок вычисления аэродинамического ускорения,

-блок вычисления ускорения от двигателей,

-блок описания параметров атмосферы.

Входной информацией для модели движения являются начальный вектор состояния в гринвичской системе координат, распределения случайных отклонений плотности атмосферы и случайных отклонений аэродинамических характеристик объекта, тяга двигателей, кватернион программного разворота, текущее московское время. Выходной информацией модели движения космического корабля являются текущий вектор состояния космического корабля в гринвичской системе координат, углы крена, рысканья и тангажа, угловые скорости по крену, рысканью и тангажу. текущая долгота, текущая географическая широта, текущая перегрузка.

Основные уравнения движения космической станции МКС и космического транспортного корабля «Союз-ТМА» в векторной форме приведены ниже. Двжижение центра масс:

\tab

i=l,2 1-станция МКС, 2-транспортный корабль Союз-ТМА».

где: - радиус - вектор объекта,

- вектор линейной скорости объекта,

g - вектор гравитационного ускорения обусловленного несферичностью Земли,

- вектор угловой скорости.

- вектор тяги двигателей,

- вектор аэродинамической силы,

-гравитационная постоянная,

m -масса объекта.

Движение вокруг центра масс:

1=1,2 1-станция МКС, 2-транспортный корабль «Союз-ТМА»

Где: - вектор угловой скорости объекта,

- вектор моментов внешних сил,

- тензор моментов инерции.

Модель относительного движения МКС и ТК производит вычисление относительных параметров МКС и ТК, начиная от момента расстыковки:

где: Д -относительные параметры по дальности, скорости и угловой скорости между станцией МКС и транспортным кораблем «Союз-ТМА». Вычисленные относительные параметры поступают в блок управления визуализации 19.

Блок управления визуализации 19 производит преобразование входных параметров и вычисление управляющих параметров для генератора изображения Земли и станции МКС 11, который синтезирует изображение станции МКС в процессе расстыковки ТК, и которое космонавт контролирует по визиру космонавта ВСК 14 (Рис.2,3). Векторное преобразование из системы координат, в которых были определены объекты Земли и МКС, в систему координат генерации изображения Земли и МКС в плоскости наблюдателя. Для этого в блоке управления визуализации 19 производится векторное преобразование следующего вида:

Где: - вектор управления изображения Земли и станции,

- вектор положения изображения Земли и станции в системе координат, принятой в модели движения,

М - матрица преобразования положения изображения Земли и станции в системе координат, принятой в модели движения, в систему координат плоскости наблюдателя.

Блок расстыковки- С 20 имитирует работу экипажа транспортного корабля «Союз-ТМА» -С (назовем его спасатель), который проводит экстренное покидание станции МКС, работая синхронно с основным экипажем, находящимся в штатном рабочем месте. Рабочее место экипажа ТК «Союз-ТМА» -С расположено на пульте контроля и управления тренировкой 8, с помощью имитатора связи осуществляется управление синхронного выполнения режима расстыковки двух ТК «Союз-ТМА». В блоке расстыковки- С производится интегрирование двух моделей объектов: модели движения станции МКС и модели движения транспортного корабля ТК «Союз-ТМА»-С и в векторной форме имеет следующий вид:

Движение центра масс:

\tab

где: - радиус - вектор объекта,

- вектор линейной скорости объекта,

g - вектор гравитационного ускорения обусловленного несферичностью Земли,

- вектор угловой скорости.

- вектор тяги двигателей,

- вектор аэродинамической силы,

-гравитационная постоянная,

i=l,2 1-станция МКС, 2-транспортный корабль «Союэ-ТМА» - С

m -масса объекта.

Движение вокруг центра масс:

i=2,1-станция МКС, транспортный корабль «Союз-ТМА»-С.

Где: -вектор угловой скорости объекта, М -вектор моментов внешних сил,

-тензор моментов инерции.

Блок вычисления относительных параметров 21 производит вычисление относительных параметров двух кораблей «Союз-ТМА»:

где: К^-радис-вектор ТК «Союз-ТМА»;

R^-радиус -вектор ТК «Союз-ТМА»-С;

У(-вектор скорости ТК «Союз-ТМА»;

V^-вектор скорости ТК «Союз-ТМА»-С;

О^вектор угловой скорости ТК «Союз-ТМА»;

Q. вектор угловой скорости ТК «Союз-ТМА» -С;

Вычисленные относительные параметры пространственного положения транспортных кораблей «Союз-ТМА» и «Союз-ТМА»-С поступают на пульт контроля и управления тренировкой для оценки выполнения космонавтами режима покидания станции, расстыковки со станцией и увод кораблей на безопасное расстояние (Рис.4). Рабочее место экипажа, находящегося в транспортном корабле «Союз-ТМА»-С. расположено на пульте контроля и управления тренировкой.

Блоки 16, 17,18,19,20,21 выполнены на универсальных вычислителях типа Pentium-4.

Обучающее устройство разработано и реализовано в 2002 году в виде динамического тренажера спуска транспортного корабля '" Союз- ТМА"' на базе центрифуги ЦФ -18 в РГНИИЦПК им. Ю.А.Гагарина и в настоящее время на нем проводятся обучение и подготовка космонавтов по международной программе МКС.

Авторы:

Суворов А.П. Еремин А.Ф.. Терехов В. В

Обучающее устройство, содержащее космический навигационный индикатор, модель системы управления бортовым комплексом, модель датчиков, модель движения космического корабля, ручку управления, модель системы управления движением, модель системы исполнительных органов, пульт контроля и управления тренировкой, интерфейсный блок, генератор изображения Земли и международной космической станции (МКС), маршрутизатор, контактные кольца, имитатор визира специального космонавта (ВСК), ручку управления ориентацией (РУО), которая соединена с пятым входом системы управления движением, а второй выход модели движения космического корабля соединен с первым входом модели датчиков, третий выход которой соединен с первым входом модели системы управления движением, третий выход которой соединен с первым входом модели системы исполнительных органов, второй выход которой соединен с третьим входом модели движения космического корабля, первый выход которой соединен с первым входом космического навигационного индикатора, второй выход которого соединен с первым входом модели системы управления бортовым комплексом, которая вторым выходом соединена с параллельно соединенными со вторым входом модели датчиков, с четвертым входом модели системы управления движения, с третьим входом модели системы исполнительных органов, а ручка управления подключена ко второму входу модели системы управления движением второй выход пульта контроля и управления тренировкой подключен к третьему входу модели системы управления бортовым комплексом, а первый вход пульта контроля и управления тренировкой соединен с третьим выходом космического навигационного индикатора, третий выход пульта контроля и управления тренировкой соединен с четвертым входом модели движения, пятый выход которой соединен с интерфейсным блоком, выход которого соединен с первым входом генератора изображения Земли и станции МКС, третий выход которого соединен с третьим входом маршрутизатора, первый выход которого соединен с первым входом контактных колец, второй выход которых соединен со входом имитатора ВСК, а второй выход маршрутизатора соединен с четвертым входом пульта контроля и управления тренировкой, пятый выход которого соединен со вторым входом генератора изображения Земли и станции МКС, отличающееся тем, что дополнительно введены, ручка управления движением (РУД), блок расстыковки, блок силовых устройств расстыковки, блок относительного движения международной космической станции и транспортного корабля (МКС и ТК), блок управления визуализацией, блок расстыковки -С, блок относительных параметров, выход которого соединен с седьмым входом пульта контроля и управления тренировкой, шестой выход которого соединен с входом блока расстыковки -С, а четвертый выход модели системы управления бортовым комплексом соединен с входом блока расстыковки, выход которого соединен с входом блока силовых устройств, выход которого соединен с входом блока относительного движения МКС и ТК, выход которого соединен с входом блока управления визуализацией, выход которого соединен с четвертым входом генератора изображения Земли и станции МКС, а ручка управления движением (РУД) соединена с шестым входом модели системы управления движением.