Обучающее устройство

Полезная модель направлена на совершенствование технических средств и повышение дидактических возможностей подготовки и обучения космонавтов на динамическом тренажере управляемого спуска. Указанный технический и дидактический результат достигается тем, что в обучающее устройство включены модель центрального цифрового бортового комплекса, модель блока ручного ввода информации и модель командной радиолинии, позволяющие в полном объеме моделировать на тренажере спуск с нештатной ситуацией «отказ основной двигательной установки» и моделировать режим передачи информации от центрального бортового комплекса через пульт космонавта в бортовой цифровой вычислитель спуска. Иллюстрации - 2 ил., на 2-х листах.

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

На транспортном космическом корабле «СОЮ3-ТМА» предусмотрен режим спуска с аварией основной двигательной установки - сближающий корректирующий двигатель (СКД) и переходом на резервную двигательную установку - двигатели причаливания и ориентации большой тяги (ДПО-БТ); предусмотрен также режим передачи информации по линии «Транзит» от центрального бортового цифрового комплекса (БЦВК) через пульт космонавта «Нептун-МЭ» в бортовой цифровой вычислитель спуска.

На тренажных средствах обучения должна воспроизводиться система автоматического управления спуском с цифровым вычислителем спуска (дискретный контур управления спуском) с вводом аварии « отказ СКД» и режим передачи информации по линии «Транзит» от центрального бортового цифрового комплекса (БЦВК) через пульт космонавта (ПК) «Нептун-МЭ» в бортовой цифровой вычислитель спуска.

Известно «Обучающее устройство», описанное как полезная модель- Патент №44853 на полезную модель от 27.03.2005 г. Авторы: А.П.Суворов и др. Данная полезная модель принимается за прототип. Приведенное «Обучающее устройство» Патент №44853 позволяет производить обучение космонавтов ручному и автоматическому управлению космическим кораблем с цифровым вычислителем спуска (дискретный контур управления) с выдачей информации на ПК «Нептун-МЭ» и в аналоговом (резервном) контуре управления на участке спуска, начиная с разделения отсеков (бытовой отсек, приборный отсек и спускаемый аппарат).

Однако это обучающее устройство не позволяет проводить подготовку космонавтов управлению космическим кораблем на участке спуска очень важным (ответственным) режимам: режиму спуска ТК «Союз-ТМА» с аварией СКД и режиму передачи информации по линии «Транзит» из БЦВК в цифровой вычислитель спуска. Целью предлагаемой полезной модели является обеспечение на динамическом тренажере спуска на базе центрифуги ЦФ-18 моделирования режима автоматического управляемого спуска с центральным бортовым вычислительным комплексом (БЦВК) и цифровым вычислителем спуска (дискретный контур управления) с отработкой аварии «отказ СКД» и режима передачи информации по линии «Транзит» из БЦВК в цифровой вычислитель спуска.

Поставленная цель достигается тем, что к обучающему устройству-прототипу дополнительно вводятся модель центрального бортового вычислительного комплекса (БЦВК) 13, модель блока ручного ввода информации (БРВИ) 14, модель командной радиолинии (КРЛ) 15.

На фиг.1 представлена структурная схема обучающего устройства.

На фиг.1 обозначены:

1 - пульт космонавта (ПК) «Нептун-МЭ»;

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 - модель измерителя линейного ускорения;

10 - модель прогноза движения космического корабля;

11 - модель цифрового вычислителя спуска;

12 - блок формирования форматов;

13 - модель центрального бортового вычислительного комплекса (БЦВК);

14 - модель блока ручного ввода информации (БРВИ);

15 - модель командной радиолинии (КРЛ).

Обучающее устройство содержит модель движения космического корабля 3, второй выход которой соединен с первым входом модели датчиков 4, третий выход которой соединен с первым входом модели системы управления движением 6, второй вход которой соединен с ручкой управления 5, а третий выход модели системы управления движением 6 соединен с первым входом модели исполнительных органов 7, второй выход которой соединен с третьим входом модели движения космического корабля 3, первый выход которой соединен с моделью измерителя линейного ускорения 9, выход которой соединен со вторым входом модели цифрового вычислителя спуском 11, первый вход которой соединен с выходом модели прогноза движения космического корабля 10, вход которой соединен с четвертым выходом пульта контроля и управления тренировкой 8, а четвертый выход модели цифрового вычислителя спуском 11 соединен с первым входом блока формирования форматов 12, третий выход которого соединен с первым входом пульта космонавтов «Нептун-МЭ» 1, третий выход которого соединен с первым входом пульта контроля и управления тренировкой 8, а второй выход пульта космонавтов «Нептун-МЭ» 1 соединен с первым входом модели системы управления бортовым комплексом 2, второй выход которой параллельно соединен со вторым входом модели датчиков 4, с четвертым входом модели системы управления движением 6 и с третьим входом модели системы исполнительных двигателей 7, а третий вход модели системы управления бортовым комплексом 2 соединен со вторым выходом пульта контроля и управления тренировкой 8, третий выход которого соединен с четвертым входом модели движения космического корабля 3, четвертый выход модели системы управления бортовым комплексом 2 соединен с третьим входом модели цифрового вычислителя спуском 11, а пятый выход пульта контроля и управления тренировкой 8 соединен с входом модели командной радиолинии 15, выход которой соединен с входом модели центрального бортового вычислительного комплекса (БЦВК) 13, выход которого параллельно соединен со вторым входом блока формирования форматов 12 и с входом модели блока ручного ввода информации (БРВИ) 14, выход которой соединен с пятым входом модели цифрового вычислителя спуском 11.

При реализации на динамическом тренажере режима управляемого спуска с нештатной ситуацией (НшС) «авария СКД» и режима «Транзит» необходимо моделировать БЦВК в части спуска, совместную работу БРВИ, БЦВК, цифровой вычислитель спуска и блок формирования форматов, на участке орбитального полета после расстыковки ТК «Союз-ТМА» от космической станции.

Модель БЦВК 13 в соответствии со штатными алгоритмами управления ТК, заложенными начальными условиями, на основании информации о параметрах движения ТК, поступающей от датчиков, рассчитывает управляющую информацию для управления космическим кораблем на участке спуска. При описании движения космического корабля используются следующие системы координат:

связанная система координат (базис Е);

инерциальная геоцентрическая экваториальная система координат (базис I);

орбитальная система координат на торможение (базис CQ) ОСК-т;

Связь между базисом I и орбитальной системой координат (базис CQ) описывается кватернионом ,

где - кватернион, задающий преобразование базиса I в базис CQ.

Уравнения движения космического корабля в ОСК-т имеют вид:

V₁=₃·V₂+W ₁;

V₂=₃·(V-V₁ )+W₂.

2d/dt=·.

где

V, V₁, V ₂ - параметры движения;

W(W₁ W₂, W₃) - вектор возмущений, действующих на корабль в проекциях на оси ОСК-т. В качестве возмущений W рассматриваются возмущения от работы двигательной установки а также возмущения гравитационного поля, вызванные несферичностью гравитационного поля Земли и неравномерным распределением плотности,

((), ₂, ₃) - вектор угловой скорости вращения ОСК корабля в проекциях на орбитальную систему координат.

V=/)^0.5 характеризует орбиту движения корабля,

- гравитационная постоянная Земли,

- фокальный параметр орбиты корабля.

Движение вокруг центра масс:

Где: - вектор угловой скорости объекта,

- вектор моментов внешних сил,

- тензор моментов инерции.

Программный компонент «модель баллистико-навигационное обеспечение» ПрК_ BNO моделирует работу БЦВК в части контроля работы СКД и формирования признака «подтвержденная авария СКД» (с переходом на ДПО-БТ), работы программы БНО спуска по выбору логики функционирования БЦВК после аварии СКД, определения и коррекции по фактическому ускорению величины тормозного импульса на ДПО-Бт из расчета приведения на заданный полигон спускового витка по штатной опорной траектории и выключения двигательной установки (ГК).

Входная информация:

- уставка на величину тормозного импульса в м/с (двух разрядный код ГК1, ГК2),

- уставки на программный разворот,

- команда «авария СКД из СУБК»,

- импульс доработки для ДПО-БТ при аварии СКД в м/с,

- приведенная высота включения двигателя в км,

- НАЧАЛЬНЫЙ ВЕС КОРАБЛЯ В КГ,

- ГРАНИЦА 1-ГО УЧАСТКА АВАРИИ

- ПРИЗНАК ПРОГРАММНОГО СРОЧНОГО СПУСКА,

- ПРИЗНАК СПУСКА НА ДПО-БТ

- ПРИЗНАК V1=89,6,

- ПРИЗНАК V1=115,5,

- ПРИЗНАК ЗАПРЕТА 1-ГО УЧАСТКА,

- ПОТЕРЕННАЯ СКОРОСТЬ В КМ/С,

- УСКОРЕНИЕ В КМ/С.

Выходная информация:

- уставка на величину тормозного импульса,

- кватернион программного разворота,

- признак спуска на ДПО-БТ,

- разрешение коррекции V1,

- авария СКД на 4-ом участке,

- готовность навигационного обеспечения,

- запрет коррекции AV1,

- признак выбора ДПО-БТ,

- признак работы двигателя (вкл\выкл),

- массив импульсов для ДПО-БТ в м/с.

Аналитическое описание модели БЦВК представляется в форме множеств, состоящих из трех элементов [2]:

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: XY, 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 (D)} - 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.

За два витка до спуска ТК Центр управления полетом (ЦУП), имитируемый на тренажере с пульта контроля и управления тренировкой, с помощью модели командной радиолинии (КРЛ) 15, вводит в память модель БЦВК информацию о параметрах орбиты ТК, спрогнозированную на некоторый момент времени Т₀, также по КРЛ для организации автоматического спуска ТК «Союз-ТМА» вводится уставочная и управляющая информация (уставки СУС).

Уставки спуска включают в себя:

- управляющие слова, задающие контур управления, алгоритмы работы БЦВК, объем автоматического контроля,

- времена спуска,

- вектора состояния ТК на момент времени Т₀ (V, V₁, V ₂, ).

Вычисленные текущие параметры орбиты ТК в модели БЦВК по заявке с пульта космонавта в режиме «Транзит» передаются в модель цифрового вычислителя спуска через модель блока ручного ввода информации (БРВИ) 14. Космонавт имеет возможность контролировать процесс перекачки уставочной и параметрической информации из модели БЦВК в модель цифрового вычислителя спуска на пульте космонавта в формате «КС-020/транзит». Формат «КС-020/транзит» вызывается космонавтом через меню. Процедура «Транзит» позволяет использовать возможности модели БЦВК и модели БРВИ для засылки в цифровой вычислитель спуска значительных массивов кодовой уставочной информации, а также производить автоматическую коррекцию Времени на ПК.

Модель блока ручного ввода информации (БРВИ) 14 работает в двух режимах: режим записи и режим чтения. В режиме записи космонавт с пульта космонавта вводит в БЦВК уставки на организацию и управление спуском. В режиме чтения космонавт с помощью модели БРВИ запрашивает содержимое ячеек оперативной информации, хранящееся в оперативной памяти БЦВК, и выводит контролируемую информацию на пульт космонавта.

Для обеспечения информацией космонавтов по управлению и контролю за режимом спуска блок формирования форматов 12 производит перекодирование динамических и статических параметров, вычисленных в модели вычислителя спуска, в модели бортовой цифровой вычислительной машине, в требуемом для космонавта виде и выдачу ее на пульт космонавта. В режиме подготовки и выполнения спуска на транспортном корабле «СОЮ3-ТМА» используются следующие форматы:

ИНК, БНО, РУС, АУС, «КС-020/транзит». Формат «КС-020/транзит» предназначен для инициализации операций по автоматической передаче информации и слов состояния БЦВК в цифровой вычислитель спуска с использованием БРВИ и ПК «Нептун-МЭ». Состав массивов и последовательность передачи слов

детерминирована названием виртуальных клавиш («СБЛИЖЕНИЕ»,

«МАНЕВР», »СПУСК», ВРЕМЯ»), которые расположены в левой части формата. В случае ошибок передачи данных правее кнопки вида транзита возникает сообщение об ошибке. Кнопка «СТОП» позволяет прервать транзит. Над кнопками, в процессе транзита, возникает окно, в котором отражается ход передачи массива данных. В левой нижней части формата размещена кнопка «возврат к БД», нажатие которой инициирует в вычислителе спуска процедуру запроса информации из базы данных, созданной в ПК «Нептун-МЭ» для хранения важной информации вычислителя спуска после его выключения. В правой нижней части формата размещается БРВИ, который можно использовать для процедуры ввода и контроля уставок и управляющих слов.

Блоки 13, 14, 15 выполнены на универсальных вычислителях типа Pentium-4. Обучающее устройство разработано в 2002 году в виде динамического тренажера управляемого 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.

Источники информации:

1. «Обучающее устройство», описанное как полезная модель-Патент №44853. 27.03.2005 г. Авторы: А.П.Суворов и др. БИПМ №9 2005.

2. Тренажерные комплексы и тренажеры. Технологии разработки и опыт эксплуатации. Под редакцией В.Е.Шукшунова. Москва «Машиностроение», 2005

Обучающее устройство, содержащее пульт космонавта, модель системы управления бортовым комплексом, модель датчиков, ручку управления, модель системы управления движением, модель исполнительных органов, пульт контроля и управления тренировкой, модель измерителя линейного ускорения, модель прогноза движения космического корабля, модель цифрового вычислителя спуском, блок формирования форматов, модель движения космического корабля, второй выход которой соединен с первым входом модели датчиков, третий выход которой соединен с первым входом модели системы управления движением, второй вход которой соединен с ручкой управления, а третий выход модели системы управления движением соединен с первым входом модели исполнительных органов, второй выход которой соединен с третьим входом модели движения космического корабля, первый выход которой соединен с моделью измерителя линейного ускорения, выход которой соединен со вторым входом модели цифрового вычислителя спуском, первый вход которой соединен с выходом модели прогноза движения космического корабля, вход которой соединен с четвертым выходом пульта контроля и управления тренировкой, а четвертый выход модели цифрового вычислителя спуском соединен с первым входом блока формирования форматов, третий выход которого соединен с первым входом пульта космонавтов, третий выход которого соединен с первым входом пульта контроля и управления тренировкой, а второй выход пульта космонавтов соединен с первым входом модели системы управления бортовым комплексом, второй выход которой параллельно соединен со вторым входом модели датчиков, с четвертым входом модели системы управления движением и с третьим входом модели системы исполнительных двигателей, а третий вход модели системы управления бортовым комплексом соединен со вторым выходом пульта контроля и управления тренировкой, третий выход которого соединен с четвертым входом модели движения космического корабля, четвертый выход модели системы управления бортовым комплексом соединен с третьим входом модели цифрового вычислителя спуском, отличающееся тем, что дополнительно введены: модель центрального бортового вычислительного комплекса, модель блока ручного ввода информации и модель командной радиолинии, вход которой соединен с пятым выходом пульта контроля и управления тренировкой, а выход модели командной радиолинии соединен с входом модели центрального бортового вычислительного комплекса, выход которого параллельно соединен со вторым входом блока формирования форматов и с входом модели блока ручного ввода информации, выход которой соединен с пятым входом модели цифрового вычислителя спуском.