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). 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,
μ -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,
μ -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