ТРЕНАЖЕР ПИЛОТИРУЕМОГО КОСМИЧЕСКОГО КОРАБЛЯ Российский патент 2009 года по МПК G09B9/52 

Изобретение относится к разделу пилотируемой космонавтики - космическому тренажеростроению, в частности к наземным техническим средствам, предназначенным для обучения космонавтов управлению космическими летательными аппаратами.

Известна система для имитации полета космического аппарата (United States Patent №5,435,725 SYSTEM FOR SIMULATING A FLYING VEHICLE, Current International Class: G09B 9/30; G09B 9/52; G09B 9/02; G09B 9/00; G09B 9/20; G09B 009/08, Date: June 17, 1993, Assignee: Kabushiki Kaisha Toshiba (Kawasaki, JP), содержащая интегрированный модуль управления, модуль процессов ввода-вывода, модуль генерации среды, базу данных переменных моделирования, средства имитации, включающие дисплейный терминал, блок начальных условий, блок выходных параметров и информационные блоки.

Недостатком данной системы является то, что она относится к чисто виртуальным автоматизированным обучающим системам, предназначенным преимущественно для теоретической и первоначальной практической подготовки (так называемой предтренажерной подготовки: знакомство с устройством космического аппарата и принципами его управления, привитие первоначальных навыков по управлению космическим аппаратом), в составе которой отсутствуют штатные органы управления и средства отображения информации (или органы управления и средства отображения информации в тренажном исполнении, внешне полностью идентичные штатным) и, соответственно, не обеспечивается приобретение обучаемыми устойчивых сенсорно-моторных навыков для выполнения динамических операций по управлению космическим аппаратом.

Известны система и метод для автономной подготовки астронавтов (международный патент WO/2004/109623 SYSTEM AND METHOD FOR AUTONOMOUS TRAINING, Int. Class.: A63B 24/00, G09B 9/00, G09B 9/52, Priority Data: 16.12.2004, Applicants: CANADIAN SPACE AGENCY [CA]), содержащие моделирующий компьютер, ручку управления движением, ручку управления угловым положением, базу данных: с параметрами движения реального объекта и моделируемыми параметрами движения объекта, с базовыми (эталонными) и текущими уровнями профессиональной подготовки астронавта, графический компьютер с тремя графическими акселераторами и три видеодисплея.

Недостатком данной системы является то, что она относится к автоматизированным обучающим системам, в которых для создания рабочего места обучаемого используется только несколько штатных компонент (ручка управления движением и ручка управления угловым положением) без воспроизведения интерьера или даже без имитации рабочей зоны макета кабины реального космического корабля (реального модуля орбитальной космической станции), что значительно снижает эффективность подготовки.

Наиболее близким по исполнению аналогом, принятым в качестве прототипа предлагаемого изобретения, является обучающее устройство (патент на полезную модель РФ №61053 ОБУЧАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО, МПК 8 G09В 9/52), 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 космонавта, третий выход которого соединен с первым входом пульта контроля и управления тренировкой, а второй выход пульта космонавта 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, 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.

Обучающее устройство-прототип обеспечивает, преимущественно, возможность обучения в ручном режиме выполнению таких операций по пилотированию корабля, как отделение космического корабля от орбитальной космической станции и спуск. Обучающее устройство-прототип обладает рядом недостатков: во-первых, для создания рабочего места космонавта в обучающем устройстве-прототипе используется всего только два компонента рабочей зоны космонавта: пульт космонавта и ручка управления спуском, без создания замкнутого объема и воспроизведения интерьера кабины спускаемого аппарата реального космического корабля (то есть без полноценной имитации рабочих зон для членов экипажа транспортного космического корабля и приближенности к реальным условиям пилотирования), во-вторых, не обеспечивается возможность визуализации внешней обстановки (закабинного пространства) и имитации связи «Борт-Земля» между обучаемым космонавтом и инструктором, а также отсутствует имитация акустической обстановки на рабочем месте космонавта, что уменьшает необходимый объем и качество информации, получаемой космонавтом в процессе обучения через органы чувств и, соответственно, значительно снижает эффективность подготовки космонавтов в целом.

Целью изобретения является создание тренажера, обеспечивающего подготовку одновременно всех членов экипажа космического корабля к выполнению наиболее ответственных динамических операций по пилотированию (сближение, причаливание и стыковка с долговременной орбитальной космической станцией типа «Международная космическая станция») космического корабля типа «Союз-ТМА» на орбитальном участке полета.

Технический результат изобретения выражается в расширении функциональных возможностей тренажера для повышения уровня и качества подготовки космонавтов, заключающийся в том, что в предлагаемом тренажере увеличивается полнота комплекса сенсорных воздействий практически на все органы чувств обучаемых.

Поставленная цель достигается тем, что в тренажер пилотируемого космического корабля, состоящий из пульта контроля и управления тренировкой, модели командной радиолинии, модели датчиков, модели измерителя линейного ускорения, модели движения космического корабля, модели исполнительных органов комбинированной двигательной установки, модели бортового цифрового вычислительного комплекса, модели системы управления бортовым комплексом, первого блока формирования форматов и пульта космонавтов; к первому входу пульта космонавтов через первый блок формирования форматов подключен второй выход модели бортового цифрового вычислительного комплекса, вход которой подключен к первому выходу модели командной радиолинии; третий выход пульта контроля и управления тренировкой подключен ко второму входу модели командной радиолинии, четвертый выход - к первому входу модели движения космического корабля, а пятый выход - ко второму входу модели системы управления бортовым комплексом, второй выход которой подключен ко второму входу модели исполнительных органов комбинированной двигательной установки; первый выход модели исполнительных органов комбинированной двигательной установки подключен ко второму входу модели движения космического корабля, второй выход которой подключен к входу модели измерителя линейного ускорения, а третий выход - к входу модели датчиков, введены модель движения космической станции, модель системы взаимных измерений, первый, второй и третий формирователи визуальной обстановки, модель построителя местной вертикали, второй блок формирования форматов, устройства сопряжения с объектом, модель блока управления перемещением объекта, формирователь акустической обстановки, первое и второе выходные устройства визуализации, рабочее место экипажа, представляющее собой макет кабины спускаемого аппарата пилотируемого космического корабля и включающее телекамеру наблюдения, средства имитации связи «Борт-Земля», ручку управления движением, визир специальный космонавта, ручку управления ориентацией, акустическую систему, первый и второй визуальные иллюминаторы, кресло бортинженера, кресло командира корабля и кресло космонавта-исследователя (космического туриста); первый выход пульта контроля и управления тренировкой через первый формирователь визуальной обстановки подключен к первому выходному устройству визуализации, второй выход - через второй формирователь визуальной обстановки подключен к визиру специальному космонавта, шестой выход - через формирователь акустической обстановки подключен к акустической системе, седьмой выход - через третий формирователь визуальной обстановки подключен ко второму выходному устройству визуализации, причем первое и второе выходное устройство визуализации оптически связанны соответственно с первым и вторым визуальными иллюминаторами; к первому входу пульта контроля и управления тренировкой подключена телекамера наблюдения, ко второму входу - второй выход модели командной радиолинии, к третьему входу - пятый выход модели движения космического корабля, к четвертому входу -третий выход модели системы управления бортовым комплексом, а первый вход-выход пульта контроля и управления тренировкой подключен к пятому входу-выходу модели бортового цифрового вычислительного комплекса, второй вход-выход - к входу-выходу модели движения космической станции, третий вход-выход - к входу-выходу средств имитации связи «Борт-Земля»; выход модели движения космической станции подключен к первому входу модели системы взаимных измерений; первый выход модели бортового цифрового вычислительного комплекса подключен к первому входу модели командной радиолинии, третий выход - через второй блок формирования форматов ко второму входу пульта космонавтов, а первый вход-выход модели бортового цифрового вычислительного комплекса подключен к входу-выходу модели датчиков, второй вход-выход - к входу-выходу модели измерителя линейного ускорения, третий вход-выход - к входу-выходу модели системы взаимных измерений, четвертый вход-выход - к первому входу-выходу модели системы управления бортовым комплексом, шестой вход-выход - к входу-выходу модели построителя местной вертикали; первый выход модели движения транспортного космического корабля подключен ко второму входу модели системы взаимных измерений, четвертый выход - к входу модели построителя местной вертикали; первый выход модели системы управления бортовым комплексом подключен к третьему входу модели движения космического корабля, первый вход модели системы управления бортовым комплексом подключен ко второму выходу модели исполнительных органов комбинированной двигательной установки, а второй вход-выход модели системы управления бортовым комплексом подключен к первому входу-выходу устройств сопряжения с объектом, третий вход-выход - к входу-выходу модели блока управления перемещением объекта; вход-выход пульта космонавтов подключен ко второму входу-выходу устройств сопряжения с объектом, выход которых подключен к первому входу модели блока управления перемещением объекта; выход модели датчиков подключен ко второму входу блока управления перемещением объекта, выход которого подключен к первому входу модели исполнительных органов комбинированной двигательной установки, причем к третьему входу пульта космонавтов подключена ручка управления движением, а к четвертому входу - ручка управления ориентацией.

Сущность изобретения состоит в том, что в предлагаемом тренажере обеспечивается полнота воздействий на все основные сенсорные системы человека (обучаемых космонавтов) - визуальную, кинестетическую (тактильную), аудиальную (речевую, акустическую) - максимально приближенно к реальному космическому полету пилотируемого космического корабля на всех его этапах, причем акцент сделан на повышение качества подготовки при выполнении наиболее ответственных операций по пилотированию космического корабля на ближнем орбитальном участке в ручном режиме (сближение, причаливание и стыковка).

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена функционально-структурная схема тренажера пилотируемого космического корабля, на фиг.2 - общий вид рабочего места экипажа специализированного тренажера «Дон-Союз-ТМА» в РГНИИЦПК им. Ю. А. Гагарина, а на фиг.3 - общий вид космического тренажера-аттракциона транспортного пилотируемого космического корабля «Союз-ТМА» в Донском филиале Центра тренажеростроения в г.Новочеркасске в составе молодежного образовательно-познавательного развлекательного Космоцентра «АСТРОН» им. космонавта Г.С.Шонина.

Согласно фиг.1 тренажер включает пульт контроля и управления тренировкой 1, модель командной радиолинии 2, модель движения космической станции 3, модель датчиков 4, модель измерителя линейного ускорения 5, модель системы взаимных измерений 6, модель движения космического корабля 7, модель исполнительных органов комбинированной двигательной установки 8, модель бортового цифрового вычислительного комплекса 9, модель системы управления бортовым комплексом 10, первый 11, второй 12 и третий 19 формирователи визуальной обстановки, модель построителя местной вертикали 13, первый 14 и второй 15 блоки формирования форматов, устройства сопряжения с объектом 16, модель блока управления перемещением объекта 17, формирователь акустической обстановки 18, рабочее место экипажа 20, представляющее собой макет кабины спускаемого аппарата и которое содержит телекамеру наблюдения 21, пульт космонавтов 22, средства имитации связи «Борт-Земля» 23, блок ручного управления оборудованием освещения и вентиляции макета кабины спускаемого аппарата транспортного пилотируемого космического корабля 24, блок ручных поворотных вентилей для выравнивания давления между кабиной спускаемого аппарата и бытовым отсеком космического корабля 25, ручку управления движением 26, визир специальный космонавта 27, ручку управления ориентацией 28, акустическую систему 29, первое 30 и второе 36 выходные устройства визуализации, первый 31 и второй 35 визуальный иллюминаторы, кресло борт-инженера 32, кресло командира корабля 33 и кресло космонавта-исследователя (космического туриста) 34. К первому входу пульта космонавтов 22 через первый блок формирования форматов 14 подключен второй выход модели бортового цифрового вычислительного комплекса 9, вход которой подключен к первому выходу модели командной радиолинии 2; третий выход пульта контроля и управления тренировкой 1 подключен ко второму входу модели командной радиолинии 2, четвертый выход - к первому входу модели движения космического корабля 7, а пятый выход - ко второму входу модели системы управления бортовым комплексом 10, второй выход которой подключен ко второму входу модели исполнительных органов комбинированной двигательной установки 8; первый выход модели исполнительных органов комбинированной двигательной установки 8 подключен ко второму входу модели движения космического корабля 7, второй выход которой подключен к входу модели измерителя линейного ускорения 5, а третий выход - к входу модели датчиков 4; первый выход пульта контроля и управления тренировкой 1 через первый формирователь визуальной обстановки 11 подключен к первому выходному устройству визуализации 30, второй выход - через второй формирователь визуальной обстановки 12 подключен к визиру специальному космонавта 27, шестой выход - через формирователь акустической обстановки 18 подключен к акустической системе 29, седьмой выход - через третий формирователь визуальной обстановки 19 подключен ко второму выходному устройству визуализации 36, причем первое 30 и второе 36 выходное устройства визуализации оптически связанны соответственно с первым 31 и вторым 35 визуальными иллюминаторами; к первому входу пульта контроля и управления тренировкой 1 подключена телекамера наблюдения 20, ко второму входу - второй выход модели командной радиолинии 2, к третьему входу - пятый выход модели движения космического корабля 7, к четвертому входу - третий выход модели системы управления бортовым комплексом 10. Первый вход-выход пульта контроля и управления тренировкой 1 подключен к пятому входу-выходу модели бортового цифрового вычислительного комплекса 9, второй вход-выход - к входу-выходу модели движения космической станции 3, а третий вход-выход - к входу-выходу средств имитации связи «Борт-Земля» 23. Выход модели движения космической станции 3 подключен к первому входу модели системы взаимных измерений 6, а первый выход модели бортового цифрового вычислительного комплекса 9 подключен к первому входу модели командной радиолинии 2, третий выход - через второй блок формирования форматов 15 ко второму входу пульта космонавтов 22, а первый вход-выход модели бортового цифрового вычислительного комплекса 9 подключен к входу-выходу модели датчиков 4, второй вход-выход - к входу-выходу модели измерителя линейного ускорения 5, а третий вход-выход - к входу-выходу модели системы взаимных измерений 6, четвертый вход-выход - к первому входу-выходу модели системы управления бортовым комплексом 10, шестой вход-выход - к входу-выходу модели построителя местной вертикали 13. Первый выход модели движения космического корабля 7 подключен ко второму входу модели системы взаимных измерений 6, четвертый выход - к входу модели построителя местной вертикали 13. Первый выход модели системы управления бортовым комплексом 10 подключен к третьему входу модели движения космического корабля 7, первый вход модели системы управления бортовым комплексом 10 подключен ко второму выходу модели исполнительных органов комбинированной двигательной установки 8, а второй вход-выход модели системы управления бортовым комплексом 10 подключен к первому входу-выходу устройств сопряжения с объектом 16, третий вход-выход - к входу-выходу модели блока управления перемещением объекта 17. Вход-выход пульта космонавтов 22 подключен ко второму входу-выходу устройств сопряжения с объектом 16, выход которых подключен к первому входу модели блока управления перемещением объекта 17. Выход модели датчиков 4 подключен ко второму входу блока управления перемещением объекта 17, выход которого подключен к первому входу модели исполнительных органов комбинированной двигательной установки 8. К третьему входу пульта космонавтов 22 подключена ручка управления движением 26, к четвертому входу - ручка управления ориентацией 28.

Пульт контроля и управления тренировкой 1 предназначен для задания «сценария полета» и начальных условий тренировки, запуска и оперативного контроля хода тренировки, ввода отказов, останова и завершения тренировки.

Модель командной радиолинии 2 обеспечивает автоматизированный ввод с пульта контроля и управления тренировкой 1 (имитирующего «Центр управления полетами (ЦУП)») в модель бортового цифрового вычислительного комплекса 9 команд управления моделью исполнительных органов комбинированной двигательной установки 8 на отработку разгонных и тормозных импульсов.

Модель движения космической станции 3 обеспечивает вычисление текущего вектора состояния центра масс космической станции, а также параметры ориентации космической станции во внешнем пространстве.

Модель движения космической станции 3 описывается следующей системой уравнений:

1. Уравнения орбитального движения в векторной форме:

где - оператор локальной производной;

r - радиус-вектор центра масс;

e_r=r/r - орт радиус-вектора;

V - скорость поступательного движения;

Ω - абсолютная угловая скорость орбитальной системы координат;

C - удельный кинетический момент в орбитальном движении;

a=(a₀, a₁, a₂, a₃) - кватернион преобразования систем координат (инерциальной в орбитальную);

a·Ω - кватернионное умножение;

g - ускорение от второй гармоники геопотенциала;

f_a - ускорение от аэродинамической силы;

µ=398601,3 км³·с^-2 - гравитационный параметр Земли;

J₂=1,802628·10^-3 - коэффициент при второй зональной гармонике в разложении геопотенциала.

2. Уравнения вращения относительно центра масс (ориентация) в векторной форме:

2.1 Динамические уравнения Эйлера

2.2 Кинематические уравнения для кватерниона

где ω - абсолютная угловая скорость космической станции;

b=(b₀, b₁, b₂, b₃) - кватернион преобразования систем координат (инерциальной в связанную космической станции);

J^с·ω - матричное умножение;

M^с - главный момент внешних сил относительно центра масс космической станции;

- главный вектор внешних сил;

J^C - тензор инерции космической станции, определенный в его центре масс.

Модель датчиков 4 обеспечивает вычисление значений проекций абсолютной угловой скорости космического корабля на связанные оси координат.

Описание функции, моделирующей датчики, имеет следующее математическое выражение:

(I_dus, U_dus, F_dus)=BDUS (K_dus, ω).

1. Входные переменные:

Logical: (Признаки команд на включение комплекта датчиков угловых скоростей 1 (2, 3))

Real: ω=(ω₁, ω₂, ω₃); (Абсолютная угловая скорость космического корабля в проекциях на его связанные оси координат)

2. Выходные переменные:

Logical: (Квитанции в модель системы управления бортовым комплексом 10 об исполнении команд включения комплекта датчиков угловых скоростей 1 (2, 3))

Real: (Аналоговые выходные сигналы, характеризующие проекции абсолютной угловой скорости космического корабля в проекциях на его связанные оси координат, - для модели блока управления перемещением объекта 17)

(Дискретные выходные сигналы, характеризующие проекции абсолютной угловой скорости космического корабля на его связанные оси координат, - для модели бортового цифрового вычислительного комплекса 9).

Модель измерителя линейного ускорения 5 обеспечивает вычисление значений проекций ускорения центра масс космического корабля на связанные оси координат.

Описание функции, моделирующей измеритель линейного ускорения, имеет следующее математическое выражение:

1. Входные переменные:

Logical: (Признаки команд на включение выбранного комплекта измерителя линейного ускорения 1 (2, 3))

Real: (Производные правых частей уравнений орбитального движения космического корабля, в проекциях на его связанные оси)

2. Выходные переменные:

Logical: (Квитанции в модель системы управления бортовым комплексом 10 об исполнении команд на включение выбранного комплекта измерителя линейного ускорения 1 (2, 3))

Real: (Значения частот, характеризующих проекции на связанные оси космического корабля «видимого ускорения» его центра масс)

Модель системы взаимных измерений 6 обеспечивает вычисление параметров относительного движения космического корабля и космической станции на всех этапах сближения, а также выработку признаков состояния радиоканалов связи космического корабля и космической станции.

Описание функции, моделирующей систему взаимных измерений, имеет следующее математическое выражение:

1. Входные переменные:

Logical: (Признаки команд на включение выбранного комплекта системы взаимных измерений 1 (2))

Test, (Признак команды включения выбранного комплекта системы взаимных измерений в режим тест-контроля)

KrugP, (Признак команды включения выбранного комплекта системы взаимных измерений в режим кругового поиска)

SectP, (Признак команды включения выбранного комплекта системы взаимных измерений в режим секторного поиска)

RO; (Признак команды включения выбранного комплекта системы взаимных измерений в режим ориентации)

Real: ρ, (Относительная дальность центров масс космических корабля и станции)

(Относительная скорость центров масс космических корабля и станции)

(Абсолютная угловая скорость линии визирования, проходящей через центры масс космических корабля и станции в проекциях на визирные оси координат)

ω=(ω₁, ω₂, ω₃); (Абсолютная угловая скорость космического корабля в проекциях на его связанные оси координат)

2. Выходные переменные:

Logical: (Квитанции в модель системы управления бортовым комплексом 10 об исполнении команд на включение выбранного комплекта системы взаимных измерений 1 (2))

RTK, (Признак в модель бортового цифрового вычислительного комплекса 9 о переходе системы взаимных измерений в режим тест-контроль)

RF, (Признак в модель бортового цифрового вычислительного комплекса 9 о переходе системы взаимных измерений в режим функционирования)

SNC, (Признак сигнала «Наличие цели» в модель бортового цифрового вычислительного комплекса 9)

АО, (Признак в модель бортового цифрового вычислительного комплекса 9 об окончании переходных процессов в канале ориентации)

Zahvat, (Признак формирования канала дальности в модель бортового цифрового вычислительного комплекса 9)

AS, (Признак в модель бортового цифрового вычислительного комплекса 9 об окончании переходных процессов в канале автосопровождения)

BazaAO, BazaAR, (Признаки измерения взаимного крена космических корабля и станции по базам АО и АР)

Рr, (Признак в модель бортового цифрового вычислительного комплекса 9 о переходе системы взаимных измерений в режим причаливания)

Real: ρ_sνi, (Расстояние между антеннами канала дальности комплектов системы взаимных измерений космических корабля и станции)

(Относительная скорость антенн канала дальности комплектов системы взаимных измерений космических корабля и станции)

(Абсолютная угловая скорость линии визирования, проходящей через антенны канала дальности комплектов системы взаимных измерений космических корабля и станции)

ψ_sνi, θ_sνi, (Углы пеленга линии визирования, проходящей через антенны стыковочных узлов космических корабля и станции)

γ_r; (Угол взаимного крена космических корабля и станции)

Модель движения космического корабля 7 обеспечивает вычисление текущего вектора состояния центра масс космического корабля, а также параметры ориентации космического корабля во внешнем пространстве.

Модель движения космического корабля 7 описывается следующей системой уравнений:

1. Уравнения орбитального движения в векторной форме:

где - оператор локальной производной;

r - радиус-вектор центра масс;

е_r=r/r - орт радиус-вектора;

V - скорость поступательного движения;

Ω - абсолютная угловая скорость орбитальной системы координат;

С - удельный кинетический момент в орбитальном движении;

a=(a₀, a₁, a₂, a₃) - кватернион преобразования систем координат (инерциальной в орбитальную);

а·Ω - кватернионное умножение;

g - ускорение от второй гармоники геопотенциала;

f_a- ускорение от аэродинамической силы;

u - управляющее ускорение от комбинированной двигательной установки;

µ=398601,3 км³·с^-2 - гравитационный параметр Земли;

J₂=1,802628·10^-3 - коэффициент при второй зональной гармонике в разложении геопотенциала.

2. Уравнения вращения относительно центра масс (ориентация) в векторной форме:

2.1 Динамические уравнения Эйлера

2.2 Кинематические уравнения для кватерниона

где ω - абсолютная угловая скорость космического корабля;

b=(b₀, b₁, b₂, b₃) - кватернион преобразования систем координат (инерциальной в связанную космического корабля);

J^c·ω - матричное умножение;

M^c - главный момент внешних сил относительно центра масс космического корабля;

- главный вектор внешних сил;

J^c - тензор инерции космического корабля, определенный в его центре масс.

2.3 Вычисление параметров относительного движения

2.3.1 Вектор относительной дальности ρ:

ρ=r_s-r_k,

где r_s, r_k - радиус-векторы космической станции и космического корабля.

2.3.2 Вектор относительной скорости ν_r

вычисление:

ν_r=V_s-V_k,

дифференциальное уравнение (определение):

где V_s, V_k - скорости космической станции и космического корабля.

Ω_лв - абсолютная угловая скорость линии визирования.

2.3.3 Вычисление лучевой скорости (скорости сближения)

V_rl=(ρ,ν_r)/ρ

2.3.4 Вычисление абсолютной угловой скорости линии визирования Ω_лв=[ρ,ν_r]/ρ²

2.3.5 Определение ортов базисов визирной (лучевой) системы координат

l₁=ρ/ρ, l₂=Ω_лв/Ω_лв, l₃=[l₁,l₂]

Модель исполнительных органов комбинированной двигательной установки 8 обеспечивает на всех этапах сближения вычисление управляющих линейного ускорения и момента соответственно в поступательном и вращательном движениях космического корабля.

Описание функции, моделирующей исполнительные органы комбинированной двигательной установки, имеет следующее математическое выражение:

(I_kdu,u,М^c)=KDU(K_kdu,T,τ)

1. Входные переменные:

Logical: (Признаки включения каналов Х (Y, Z) комбинированной двигательной установки)

Real: T=(T₁, T₂, T₃), (Периоды работы двигателей комбинированной двигательной установки в каналах Х (Y, Z))

τ=(τ₁, τ₂, τ₃); (Времена работы двигателей комбинированной двигательной установки в каналах Х (Y, Z))

2. Выходные переменные:

Logical: (Признаки работы составных частей комбинированной двигательной установки: сближающее-корректирующий двигатель, двигатели причаливания-ориентации (большие и малые), выдаваемое в модель системы управления бортовым комплексом 10)

Real: u=(u₁, u₂, u₃), (Управляющее ускорение центра масс космического корабля в проекциях на его оси координат)

(Управляющий момент относительно центра масс космического корабля в проекциях на его оси координат)

Модель бортового цифрового вычислительного комплекса 9 обеспечивает имитацию в тренажере в автоматическом режиме функционирования оборудования и систем космического корабля на всех этапах полета: при старте и выведении космического корабля на орбиту ожидания, при выдаче команды для формирования разгонного импульса, обеспечивающего переход на орбиту космической станции, при выдаче команды для формирования тормозного импульса при сближении космического корабля с космической станцией, при зависании космического корабля для построения плоскости облета космической станции, при автоматическом облете космической станции, при зависании для согласования связанной системы координат космического корабля и системы координат стыковочного узла космической станции с последующим выполнением причаливания и стыковки космического корабля с космической станцией, при отделении космического корабля от космической станции, при облете и перестыковке космического корабля к космической станции, при спуске и приземлении космического корабля.

Модель системы управления бортовым комплексом 10 на всех режимах функционирования в тренажере обеспечивает имитацию управления бортовыми системами и оборудованием космического корабля.

Модель построителя местной вертикали 13 обеспечивает имитацию в автоматическом режиме совмещения оси ординат космического корабля с местной вертикалью.

Описание функции, моделирующей построитель местной вертикали, имеет следующее математическое выражение (см. Управление ориентацией космических аппаратов. Б.В.Раушенбах, Е.Н.Токарь. М.: «Наука», 1974. - 600 с.):

1. Входные переменные:

Logical: (Признаки команд на включение выбранного комплекта построителя местной вертикали 1 (2, 3))

Real: A_, ₂=(А₁₂, А₂₂, А₃₂), (Проекции орта местной вертикали на связанные оси координат космического корабля)

2. Выходные переменные:

Logical: , (Квитанции в модель системы управления бортовым комплексом 10 об исполнении команд на включение выбранного комплекта построителя местной вертикали 1 (2,3))

SNP, (Сигнал «наличия поля» - признак «Земля в поле зрения построителя местной вертикали»)

Real: u_t, u_k, (Значения сигналов канала тангажа и крена, зависящих от величины рассогласования местной вертикали и оси Y связанной системы координат космического корабля)

Модель блока управления перемещением объекта 17 обеспечивает имитацию в ручном режиме управления линейными и угловыми перемещениями космического корабля.

Описание функции, моделирующей блок управления перемещением объекта, имеет следующее математическое выражение (K_bupo, Т, τ)=BUPO (I_ruo, I_rud, U, U_dus)

1. Входные переменные:

Logical: I_ruо, I_rud, (Признаки выбора ручек управления)

Real: U=(U₁, U₂, U₃), (Проекции вектора уставок, зависящих от величины отклонения РУО от нейтрали)

(Аналоговые выходные сигналы, характеризующие проекции абсолютной угловой скорости космического корабля на его связанные оси координат)

2. Выходные переменные:

Logical: (Признаки включения каналов комбинированной двигательной установки в каналах Х (Y, Z))

Real: Т=(T₁, T₂, T₃), (Периоды работы двигателей комбинированной двигательной установки в каналах Х (Y, Z))

τ=(τ₁, τ₂, τ₃), (Времена работы двигателей комбинированной двигательной установки в каналах Х (Y, Z))

Для реализации моделей (модель командной радиолинии 2, модель движения космической станции 3, модель датчиков 4, модель измерителя линейного ускорения 5, модель системы взаимных измерений 6, модель движения космического корабля 7, модель исполнительных органов комбинированной двигательной установки 8, модель бортового цифрового вычислительного комплекса 9, модель системы управления бортовым комплексом 10, модель построителя местной вертикали 13 и модель блока управления перемещением объекта 17) могут быть использованы средства вычислительной техники необходимой производительности (конечный автомат, программируемая логическая матрица, микроконтроллер, промышленный компьютер или персональная ЭВМ), в которых реализованы соответствующие программно-математические модули (установлены и исполняются на этом средстве вычислительной техники). Для уменьшения количества средств вычислительной техники все вышеперечисленные модели (или часть из этих моделей) могут быть установлены и исполняться на одном компьютере, обладающем достаточно большой вычислительной мощностью (современная персональная ЭВМ, мощная рабочая станция или высокопроизводительный сервер и т.д.).

Первый 14 и второй 15 блоки формирования форматов обеспечивают компьютерный синтез изображения для экранных индикаторов, входящих в состав пульта космонавта 22 (экранные индикаторы на фиг.1 не показаны). Для реализации первого и второго блока формирования форматов могут быть использованы персональные ЭВМ с графическим акселератором.

Устройства сопряжения с объектом 16 обеспечивают электрическое сопряжение и двухсторонний информационный обмен между средствами отображения информации (СОИ) и органами управления (ОУ), входящими в состав пульта космонавта 22 (СОИ и ОУ пульта космонавта 22 на фиг.1 не показаны), а также ручкой управления движением 26 и ручкой управления ориентацией 28, подключенных к пульту космонавта 22, и моделью системы управления бортовым комплексом 10.

Рабочее место экипажа 20 предназначено для создания замкнутого объема и воспроизведение интерьера с возможно полной имитацией рабочих зон космонавтов в макете кабины спускаемого аппарата пилотируемого космического корабля тренажера. Рабочее место экипажа 20 в предлагаемом тренажере может быть реализовано в одном из следующих двух вариантов:

- на базе экземпляра реального образца объекта (спускаемого аппарата), доработанного в тренажных целях в учебно-тренировочный макет кабины спускаемого аппарата транспортного пилотируемого космического корабля «Союз-ТМА»;

- на базе полномасштабного макета кабины спускаемого аппарата транспортного пилотируемого космического корабля «Союз-ТМА» сборно-разборной конструкции, изготовленного по каркасно-модульной технологии опытного производства Центра тренажеростроения и подготовки персонала.

Телекамера наблюдения 21 предназначена для дистанционного наблюдения инструктора за действиями экипажа.

Пульт космонавтов 22 в тренажере предназначен для имитации управления членами экипажа бортовым комплексом и оборудованием космического корабля. Пульт космонавта 22 содержит средства отображения информации (СОИ): экранные индикаторы, сигнальные табло, транспаранты и т.д. и органы управления (ОУ): клавиши, тумблеры и т.д. (СОИ и ОУ пульта космонавта 22 на фиг.1 не показаны) и в предлагаемом тренажере может быть реализован в одном из следующих двух вариантов:

- выполнен на базе штатного образца пульта космонавтов спускаемого аппарата типа «Нептун-МЭ-Б», при необходимости, доработанного в тренажных целях;

- в качестве пульта космонавтов 22 использован действующий учебный макет пульта космонавта в тренажном исполнении (внешне полностью идентичный штатному, как правило, имеющий штатные органы управления), причем, штатная логика работы которого обеспечивается программно-математическими модулями, специально реализованными для этого в тренажере. В предлагаемом тренажере штатная логика работы действующего учебного макета пульта космонавтов в тренажном исполнении обеспечивается моделью системы управления бортовым комплексом 10.

Средства имитации связи «Борт-Земля» 23 предназначены для осуществления речевого обмена космонавтов с инструктором. Средства имитации связи «Борт-Земля» 23 в предлагаемом тренажере могут быть реализованы в одном из следующих двух вариантов:

- использованы штатные гарнитуры типа ГСШ-А-18;

- в качестве средств имитации связи «Борт-Земля» использованы мультимедийные микротелефонные гарнитуры.

Блок ручного управления оборудованием освещения и вентиляции макета кабины спускаемого аппарата космического корабля 24 предназначен для воссоздания в макете кабины тренажера элементов интерьера реального космического корабля и обеспечивает управление оборудованием освещения и вентиляции макета кабины (оборудование освещения и вентиляции макета кабины на фиг.1 не показано).

Блок ручных поворотных вентилей для выравнивания давления между кабиной спускаемого аппарата и бытовым отсеком транспортного пилотируемого космического корабля 25 предназначен для воссоздания в макете кабины тренажера элементов интерьера реального космического корабля.

Ручка управления движением 26 предназначена для задания линейных перемещений космического корабля в процессе пилотирования. Ручка управления движением 26 в предлагаемом тренажере может быть реализована в одном из следующих трех вариантов:

- использована штатная ручка управления движением пилотируемого космического корабля;

- использован действующий макет, имеющий внешний вид, подобный штатной ручке управления движением пилотируемого космического корабля, и идентичные кинематическую схему и реактивные усилия;

- в качестве ручки управления движением использован соответствующий игровой джойстик.

Визир специальный космонавта 27 обеспечивает в ручном режиме совмещение связанной системы координат космического корабля на дальнем участке с орбитальной системой координат, а на ближнем - с системой координат стыковочного узла космической станции. Визир специального космонавта 27 в предлагаемом тренажере может быть реализован в одном из следующих двух вариантов:

- в качестве визира специального космонавта 27 использован монитор на базе электронно-лучевой трубки с коллимационным оптическим устройством;

- в качестве визира специального космонавта 27 использован монитор на базе жидко-кристаллического индикатора.

Ручка управления ориентацией 28 предназначена для задания угловых перемещений космического корабля в процессе пилотирования. Ручка управления ориентацией 28 в предлагаемом тренажере может быть реализована в одном из следующих трех вариантов:

- использована штатная ручка управления ориентацией пилотируемого космического корабля;

- использован действующий макет, имеющий внешний вид, подобный штатной ручке управления ориентацией пилотируемого космического корабля, и идентичные кинематическую схему и реактивные усилия;

- в качестве ручки управления ориентацией использован соответствующий игровой джойстик.

Первый 11, второй 12 и третий 19 формирователи визуальной обстановки обеспечивают компьютерный синтез изображения соответственно для первого выходного устройства визуализации 30, визира специального космонавта 27 и второго выходного устройства визуализации 36. Для реализации первого 11, второго 12 и третьего 19 формирователя визуальной обстановки могут быть использованы персональные ЭВМ с графическим акселератором. Первое 30 и второе 36 выходные устройства визуализации обеспечивают вывод изображения, имитирующего внешнюю визуальную обстановку в закабинном пространстве макета кабины спускаемого аппарата. Первый 31 и второй 35 визуальный иллюминаторы предназначены для обеспечения возможности имитации внешней визуальной обстановки в закабинном пространстве обучаемым членам экипажа в макете кабины. Первое 30 и второе 36 выходные устройства визуализации в предлагаемом тренажере могут быть реализованы в одном из следующих шести вариантов:

- использован монитор на базе электронно-лучевой трубки с коллимационным оптическим устройством;

- использован монитор на базе жидко-кристаллического индикатора с коллимационным оптическим устройством;

- использован монитор на базе жидко-кристаллического индикатора;

- использован просветный экран с проектором;

- использован отражательный экран с проектором;

- использована плазменная панель.

Акустическая система 29 обеспечивает воспроизведение акустических шумов и звуковых эффектов, сопровождающих работу бортовых систем космического корабля, комбинированной двигательной установки и т.д. Формирователь акустической обстановки 18 обеспечивает компьютерный синтез (или компьютерное воспроизведение из базы аудиофайлов) для акустической системы 29, установленной в рабочем месте экипажа в макете кабины спускаемого аппарата транспортного пилотируемого космического корабля 20. Для реализации формирователя акустической обстановки 18 может быть использована персональная ЭВМ со звуковой картой.

Кресло борт-инженера 32, кресло командира корабля 33 и кресло космонавта-исследователя (космического туриста) 34 предназначены для размещения обучаемых членов экипажа в макете кабины в штатных положениях относительно органов управления и средств отображения информации идентично расположению в реальном космическом корабле. Кресло борт-инженера 32, кресло командира корабля 33 и кресло космонавта-исследователя (космического туриста) 34 в предлагаемом тренажере могут быть реализованы в одном из двух следующих вариантов:

- использованы штатные амортизационные кресла типа «Казбек-УМ»;

- в качестве кресла борт-инженера, кресла командира корабля и кресла космонавта-исследователя (космического туриста) использованы габаритные макеты штатного кресла.

Предлагаемый тренажер работает следующим образом.

Перед началом тренировки обучаемые члены экипажа занимают свои места на кресле борт-инженера 32, кресле командира корабля 33 и кресле космонавта-исследователя (космического туриста) 34 в рабочем месте экипажа 20, а инструктор - за пультом контроля и управления тренировкой 1.

Ввод начальных условий и запуск тренировки

Инструктор, выбирая предусмотренный планом подготовки «сценарий полета» и сооответсвующие начальные условия тренировки (исходные положения и ориентации космического корабля и космической станции, а также конфигурацию технических средств тренажера и состав имитируемых технических средств космического корабля), запускает тренировку. При этом, с помощью пульта контроля и управления тренировкой 1 начальные условия тренировки через модель командной радиолинии 2 поступают в модель бортового цифрового вычислительного комплекса 9, где выполняется расчет разгонного и тормозного импульсов и включение необходимых для выполнения полета бортовых систем. Модель бортового цифрового вычислительного комплекса 9 имитирует соответствующее функционирование штатного бортового цифрового вычислительного комплекса, оборудования и систем космического корабля.

Обучаемые космонавты, находясь в рабочем месте экипажа 20, включают с помощью ОУ пульта космонавтов 22 через устройства сопряжения с объектом 16 модель системы управления бортовым комплексом 10, которая имитирует соответствующее управление бортовыми системами и оборудованием космического корабля.

Получив из пульта контроля и управления тренировкой 1 значения начальных условий тренировки, модели движения космического корабля 7 и космической станции 3, определяют параметры движения космического корабля и космической станции в начальный момент (далее и в процессе тренировки).

Результаты работы модели движения космического корабля 7 поступают в модель датчиков 4, которая вычисляет значения проекций абсолютной угловой скорости космического корабля на связанные оси координат, и в модель измерителя линейного ускорения 5, которая вычисляет значения проекций ускорения центра масс космического корабля на связанные оси координат. Вычисленные моделью датчиков 4 и моделью измерителя линейного ускорения 5 значения параметров угловых скоростей и ускорений космического корабля поступают в модель бортового цифрового вычислительного комплекса 9 и далее через первый 14 и второй 15 блоки формирования форматов на экранные индикаторы пульта космонавтов 22. Результаты работы модели системы управления бортовым комплексом 10 через устройства сопряжения с объектом 16 также поступают на СОИ пульта космонавтов 22. Причем, в зависимости от поступивших из пульта контроля и управления тренировкой 1 значений начальных условий тренировки, модель бортового цифрового вычислительного комплекса 9 выполняет имитацию в автоматическом режиме функционирования оборудования и систем космического корабля при старте и при выведении космического корабля на орбиту ожидания.

Параметры движения космического корабля и космической станции поступают в модель системы взаимных измерений 6 для вычисления параметров их относительного движения на всех этапах сближения, а из модели системы взаимных измерений 6 через модель бортового цифрового вычислительного комплекса 9 и далее через первый 14 и второй 15 блоки формирования форматов на экранные индикаторы пульта космонавтов 22.

Получая из пульта контроля и управления тренировкой 1 в начале и процессе тренировки параметры положения космического корабля относительно закабинного пространства: первый 11 и третий 19 формирователи визуальной обстановки производят компьютерный синтез изображения соответственно для первого 30 и второго 36 выходного устройства визуализации, которые подаются соответственно через первое 30 и второе 36 выходные устройства визуализации в первый 31 и второй 35 визуальный иллюминаторы, а второй формирователь визуальной обстановки 12 производит компьютерный синтез изображения, которое поступает на визир специальный космонавта 27. Получая из пульта контроля и управления тренировкой 1 в начале и процессе тренировки параметры состояния оборудования и бортовых систем, формирователь акустической обстановки 18 производит компьютерный синтез (или компьютерное воспроизведение из базы аудиофайлов) акустических шумов и звуковых эффектов, сопровождающих работу бортовых систем и оборудования космического корабля, комбинированной двигательной установки и т.д. для акустической системы 29.

Инструктор, находясь за пультом контроля и управления тренировкой 1, имеет возможность осуществлять с помощью телекамеры наблюдения 21 (установленной в рабочем месте экипажа 20) дистанционное наблюдение за действиями экипажа, кроме этого, с помощью средств имитации связи «Борт-Земля» 23 (также установленных в рабочем месте экипажа 20) вести речевой обмен с обучаемыми космонавтами.

Обучаемые космонавты, находясь на рабочем месте экипажа 20, имеют возможность управлять бортовыми системами и оборудованием космического корабля, воздействуя на ОУ пульта космонавтов 22 и контролировать все изменения в состоянии систем и оборудования космического корабля, а также состояние космического корабля в целом:

- с помощью СОИ пульта космонавтов 22;

- наблюдая за внешней визуальной обстановкой в закабинном пространстве космического корабля в первом 31 и втором 35 визуальных иллюминаторах и в визире специальном космонавта 27;

- прослушивая акустические шумы и звуковые эффекты, сопровождающие работу бортовых систем и оборудования космического корабля, комбинированной двигательной установки и т.д. из акустической системы 29.

Управляющие воздействия от ОУ пульта космонавтов 22, формируемые обучаемыми космонавтами, через устройства сопряжения с объектом 16 поступают в модель системы управления бортовым комплексом 10. В модели системы управления бортовым комплексом 10 выполняется соответствующая обработка этих управляющих воздействий, которые затем поступают в модель бортового цифрового вычислительного комплекса 9, а также в пульт контроля и управления тренировкой 1 (замыкая управляющий контур между инструктором за пультом контроля и управления тренировкой 1 и обучаемыми космонавтами в рабочем месте экипажа 20).

Тренировка на дальнем орбитальном участке

После выведении космического корабля на орбиту искусственного спутника Земли (для космического корабля, так называемую, орбиту ожидания) для отработки в определенные моменты времени рассчитанных ранее разгонного и тормозного импульсов по командам модели бортового цифрового вычислительного комплекса 9 с помощью модели датчиков 4 и модели построителя местной вертикали 13 имитируется совмещение связанной и орбитальной систем координат космического корабля.

Модель бортового цифрового вычислительного комплекса 9 через модель системы управления бортовым комплексом 10 передает в модель исполнительных органов комбинированной двигательной установки 8 команды на отработку разгонного и тормозного импульсов. Модель исполнительных органов комбинированной двигательной установки 8 формирует для модели движения космического корабля 7 соответствующие параметры, которые после отработки в модели движения космического корабля 7 поступают в пульт контроля и управления тренировкой 1 (для замыкания обратной связи по управлению).

Отработка разгонного импульса, переводит космический корабль на орбиту перехода к космической станции. После отработки тормозного импульса космический корабль переходит на орбиту космической станции. После этого, модель бортового цифрового вычислительного комплекса 9 автоматически обеспечивает выход на ближний участок сближения.

Тренировка на ближнем орбитальном участке

На ближнем орбитальном участке модель бортового цифрового вычислительного комплекса 9 обеспечивает выполнение следующих операций: зависание космического корабля, облет, повторное зависание, причаливание, стыковка. Зависание космического корабля завершается построением плоскости облета космической станции. После этого космический корабль совершает облет космической станции, заканчивающийся выходом космического корабля на ось выбранного стыковочного узла космической станции, с последующим зависанием. Это зависание завершается согласованием связанной системы координат космического корабля и системы координат стыковочного узла космической станции с последующим выполнением причаливания и стыковки космического корабля с космической станцией. Далее, при проведении тренировки, в соответствии с выбранным инструктором «сценарием полета» модель бортового цифрового вычислительного комплекса 9 в автоматическом режиме может обеспечить также отделение космического корабля от космической станции, облет и перестыковку космического корабля к другому стыковочному узлу космической станции. Кроме этого, модель бортового цифрового вычислительного комплекса 9 в автоматическом режиме может обеспечить отделение космического корабля от космической станции, последующий спуск и приземление космического корабля.

Помимо автоматического режима в тренажере на ближнем участке орбитального полета предусмотрена возможность ручного управления космическим кораблем с помощью ручки управления движением 26 и ручки управления ориентацией 28 (установленных в рабочем месте экипажа 20). Воздействуя на эти ручки член экипажа, находящийся в кресле командира корабля 33, имеет возможность в процессе пилотирования задания линейных и угловых перемещений космического корабля осуществлять зависание, облет, причаливание и стыковку космического корабля с космической станцией. При этом, управляющие сигналы от ручки управления движением 26 и ручки управления ориентацией 28 через пульт космонавтов 22 поступают в устройства сопряжения с объектом 16 и далее в модель блока управления перемещением объекта 17. Модель блока управления перемещением объекта 17, обрабатывая управляющие сигналы от ручки управления движением 26 и ручки управления ориентацией 28 и параметры, поступающие от модели датчиков 4, через модель исполнительных органов комбинированной двигательной установки 8 формирует для модели движения космического корабля 7 соответствующие параметры, изменяющие положение в пространстве космического корабля. Таким образом, при выполнении операций по причаливанию и стыковки в ручном режиме член экипажа, находящийся в кресле командира корабля 33, манипулируя ручкой управления движением 26 и ручкой управления ориентацией 28, с помощью визира специального космонавта 27 осуществляет совмещение связанной системы координат космического корабля с системой координат стыковочного узла космической станции.

Для создания нормальных условий жизнедеятельности при проведении тренировки член экипажа, находящийся в кресле борт-инженера 32, с помощью блока ручного управления оборудованием освещения и вентиляции макета кабины спускаемого аппарата космического корабля 24 осуществляет включение (выключение) и выбор режимов работы оборудования освещения и вентиляции во внутреннем объеме рабочего места экипажа 20.

Ввод отказов

В процессе тренировки с пульта контроля и управления тренировкой 1 для инструктора предусмотрена возможность ввода следующих основных отказов:

- отказ любого из компонентов бортовых систем и бортового оборудования, представленных в тренажере соответствующей моделью (модель командной радиолинии 2, модель движения космической станции 3, модель датчиков 4, модель измерителя линейного ускорения 5, модель системы взаимных измерений 6, модель движения транспортного космического корабля 7, модель исполнительных органов комбинированной двигательной установки 8, модель бортового цифрового вычислительного комплекса 9, модель системы управления бортовым комплексом 10, модель построителя местной вертикали 13 и модель блока управления перемещением объекта 17) на выбор или в требуемой комбинации;

- отказ отдельных СОИ (экранные индикаторы, сигнальные табло, транспаранты и т.д.) пульта космонавтов 22 на выбор или в требуемой комбинации;

- отказ отдельных ОУ (клавиши, тумблеры и т.д.) пульта космонавтов 22 на выбор или в требуемой комбинации;

- отказ ручки управления движением 26 и ручки управления ориентацией 28.

В зависимости от выполняемого «сценария полета» инструктор производит «блокирование» работы требуемой модели или для имитации отказов ОУ и СОИ - «блокирование» необходимых каналов ввода-вывода информации в устройствах сопряжения с объектом 16.

Останов и завершение тренировки

Инструктор, выполнив требуемый «сценарий полета», производит останов и выдает команду на завершение тренировки.

К техническим результатам, полученным в результате расширения функциональных возможностей тренажера, относятся следующие:

- обеспечение возможности приобретения обучаемыми устойчивых сенсорно-моторных навыков по управлению пилотируемым космическим кораблем на орбитальном участке полета, на ближнем этапе которого, в случае отказа автоматики, управление полетом должно выполняться исключительно в ручном режиме, то есть космонавтам необходимо полностью взять управление космическим кораблем «на себя» при операциях по сближению, причаливанию и стыковке с космической станцией;

- создание замкнутого объема и воспроизведение интерьера с полной имитацией рабочих зон космонавтов в макете кабины спускаемого аппарата тренажера, необходимых для выполнения задач сближения, причаливания и стыковки, идентичных интерьеру и рабочим зонам в реальном космическом корабле;

- обеспечение возможности размещения всех обучаемых членов экипажа в макете кабины в штатных креслах космонавтов (в, так называемых, ложементах) или в макетах этих штатных кресел в штатных положениях относительно органов управления и средств отображения информации спускаемого аппарата космического корабля (то есть абсолютно идентично расположению в реальном космическом корабле);

- обеспечение возможности визуализации внешней обстановки в закабинном пространстве в иллюминаторах макета кабины спускаемого аппарата тренажера;

- обеспечение возможности имитации связи «Борт-Земля» в тренажере;

- обеспечение возможности имитации акустической обстановки в макете кабины спускаемого аппарата тренажера;

- обеспечение мобильности тренажера (оперативность сборки-разборки оборудования тренажера, в том числе и полномасштабного каркасно-модульного макета кабины спускаемого аппарата космического корабля тренажера);

- применение тренажера в разнообразных областях, таких как профессиональная подготовка отечественных и международных экипажей транспортных пилотируемых космических кораблей «Союз-ТМА» на базе РГНИИЦПК им. Ю.А.Гагарина, заключительное закрепление навыков экипажей по управлению космическим кораблем в ручном режиме непосредственно перед стартом на космодромах, а также комплексное решение образовательно-познавательных и воспитательно-развлекательных задач, связанных с космической тематикой для учащейся молодежи.

Промышленная применимость изобретения определяется тем, что предлагаемый тренажер может быть изготовлен на базе известных комплектующих изделий и технологического оборудования.

Предлагаемое техническое решение практически реализовано в специализированном тренажере «Дон-Союз-ТМА» в РГНИИЦПК им. Ю.А.Гагарина (см. Специализированные тренажеры сближения и стыковки транспортного корабля, http://gctc.ru/facility/default.htm и фиг.2), а также в космическом тренажере-аттракционе транспортного пилотируемого космического корабля (ТПКК) «Союз-ТМА» в Донском филиале Центра тренажеростроения в г.Новочеркасске в составе молодежного образовательно-познавательного развлекательного Космоцентра «АСТРОН» им. космонавта Г.С.Шонина (см. Космический тренажер, http://www.asrdc.tpark.ru/June/TMA html и фиг.3).

Кроме этого, предлагаемое техническое решение предполагается реализовать в мобильном тренажере сближения, причаливания и стыковки транспортного корабля «Союз-ТМА», оперативно развертываемом перед запуском на космодроме «Байконур» для заключительной подготовки экипажа: выполнению наиболее ответственных операций по пилотированию космического корабля и в космических тренажерах-аттракционах ТПКК «Союз-ТМА», созданных Центром тренажеростроения и подготовки персонала, для Мемориального музея космонавтики, г.Москва и для Нижегородского планетария.

Таким образом, предлагаемый тренажер пилотируемого космического корабля является конверсионной разработкой двойного назначения, обладает весьма широкими функциональными возможностями и разнообразными областями применения, обеспечивая как профессиональное обучение экипажей космических кораблей в РГНИИЦПК им. Ю.А.Гагарина, так и заключительную подготовку космонавтов к выполнению наиболее ответственных операций по пилотированию корабля (закрепление навыков управления космическим кораблем при сближении, причаливании и стыковке с МКС) непосредственно перед стартом на космодромах, а также комплексное решение образовательно-познавательных и воспитательно-развлекательных задач для учащейся молодежи (школьников, студентов, курсантов) в молодежных досуговых центрах.

На основании вышеизложенного и по результатам проведенного патентно-информационного поиска считаем, что предлагаемый тренажер пилотируемого космического корабля отвечает критериям «Новизна», «Изобретательский уровень» и может быть защищен патентом на изобретение.

Изобретение относится к космическому тренажеростроению и предназначено для эффективного обучения космонавтов управлению космическим летательным аппаратом космического корабля на орбитальном участке полета при сближении, причаливании и стыковке с орбитальной космической станцией. Тренажер состоит из пульта контроля и управления тренировкой, модели командной радиолинии, модели датчиков, модели измерителя линейного ускорения, модели движения космического корабля, модели исполнительных органов комбинированной двигательной установки, модели бортового цифрового вычислительного комплекса, модели системы управления бортовым комплексом, первого блока формирования форматов и пульта космонавтов. Дополнительно он содержит модель движения космической станции, модель системы взаимных измерений, первый, второй и третий формирователи визуальной обстановки, модель построителя местной вертикали, второй блок формирования форматов, устройства сопряжения с объектом, модель блока управления перемещением объекта, формирователь акустической обстановки, рабочее место экипажа, состоящее из макета кабины спускаемого аппарата пилотируемого космического корабля и включающее телекамеру наблюдения, средства имитации связи «Борт-Земля», ручку управления движением, визир специальный космонавта, ручку управления ориентацией, акустическую систему, первый и второй визуальный иллюминаторы, кресло бортинженера, кресло командира корабля и кресло космонавта-исследователя. Технический результат заключается в расширении функциональных возможностей, повышении уровня и качества подготовки космонавтов. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Тренажер пилотируемого космического корабля, состоящий из пульта контроля и управления тренировкой, модели командной радиолинии, модели датчиков, модели измерителя линейного ускорения, модели движения космического корабля, модели исполнительных органов комбинированной двигательной установки, модели бортового цифрового вычислительного комплекса, модели системы управления бортовым комплексом, первого блока формирования форматов и пульта космонавтов; к первому входу пульта космонавтов через первый блок формирования форматов подключен второй выход модели бортового цифрового вычислительного комплекса, вход которой подключен к первому выходу модели командной радиолинии; третий выход пульта контроля и управления тренировкой подключен ко второму входу модели командной радиолинии, четвертый выход - к первому входу модели движения космического корабля, а пятый выход - ко второму входу модели системы управления бортовым комплексом, второй выход которой подключен ко второму входу модели исполнительных органов комбинированной двигательной установки; первый выход модели исполнительных органов комбинированной двигательной установки подключен ко второму входу модели движения космического корабля, второй выход которой подключен к входу модели измерителя линейного ускорения, а третий выход - к входу модели датчиков, отличающийся тем, что в него введены модель движения космической станции, модель системы взаимных измерений, первый, второй и третий формирователи визуальной обстановки, модель построителя местной вертикали, второй блок формирования форматов, устройства сопряжения с объектом, модель блока управления перемещением объекта, формирователь акустической обстановки, первое и второе выходные устройства визуализации, рабочее место экипажа, представляющее собой макет кабины спускаемого аппарата пилотируемого космического корабля и включающее телекамеру наблюдения, средства имитации связи «Борт-Земля», ручку управления движением, визир специальный космонавта, ручку управления ориентацией, акустическую систему, первый и второй визуальный иллюминаторы, кресло бортинженера, кресло командира корабля и кресло космонавта-исследователя (космического туриста); первый выход пульта контроля и управления тренировкой через первый формирователь визуальной обстановки подключен к первому выходному устройству визуализации, второй выход через второй формирователь визуальной обстановки подключен к визиру специальному космонавта, шестой выход через формирователь акустической обстановки подключен к акустической системе, седьмой выход через третий формирователь визуальной обстановки подключен ко второму выходному устройству визуализации, причем первое и второе выходное устройство визуализации оптически связаны соответственно с первым и вторым визуальными иллюминаторами;
к первому входу пульта контроля и управления тренировкой подключена телекамера наблюдения, ко второму входу - второй выход модели командной радиолинии, к третьему входу - пятый выход модели движения космического корабля, к четвертому входу - третий выход модели системы управления бортовым комплексом, а первый вход-выход пульта контроля и управления тренировкой подключен к пятому входу-выходу модели бортового цифрового вычислительного комплекса, второй вход-выход - к входу-выходу модели движения космической станции, третий вход-выход - к входу-выходу средств имитации связи «Борт-Земля»; выход модели движения космической станции подключен к первому входу модели системы взаимных измерений; первый выход модели бортового цифрового вычислительного комплекса подключен к первому входу модели командной радиолинии, третий выход - через второй блок формирования форматов ко второму входу пульта космонавтов, а первый вход-выход модели бортового цифрового вычислительного комплекса подключен к входу-выходу модели датчиков, второй вход-выход - к входу-выходу модели измерителя линейного ускорения, третий вход-выход - к входу-выходу модели системы взаимных измерений, четвертый вход-выход - к первому входу-выходу модели системы управления бортовым комплексом, шестой вход-выход - к входу-выходу модели построителя местной вертикали; первый выход модели движения космического корабля подключен ко второму входу модели системы взаимных измерений, четвертый выход - к входу модели построителя местной вертикали; первый выход модели системы управления бортовым комплексом подключен к третьему входу модели движения космического корабля, первый вход модели системы управления бортовым комплексом подключен ко второму выходу модели исполнительных органов комбинированной двигательной установки, а второй вход-выход модели системы управления бортовым комплексом подключен к первому входу-выходу устройств сопряжения с объектом, третий вход-выход - к входу-выходу модели блока управления перемещением объекта; вход-выход пульта космонавтов подключен ко второму входу-выходу устройств сопряжения с объектом, выход которых подключен к первому входу модели блока управления перемещением объекта; выход модели датчиков подключен ко второму входу блока управления перемещением объекта, выход которого подключен к первому входу модели исполнительных органов комбинированной двигательной установки; причем к третьему входу пульта космонавтов подключена ручка управления движением, а к четвертому входу - ручка управления ориентацией.

2. Тренажер по п.1, отличающийся тем, что пульт космонавтов входит в состав рабочего места экипажа и помещен во внутренний объем макета кабины спускаемого аппарата.