Новый алгоритм управления двигателями доставил модуль «Наука» к МКС

Статья, посвященная этому алгоритму и его тестированию, опубликована в сентябре 2023 года в Journal of Computer and System Sciences International. Международная космическая станция — огромный исследовательский комплекс, находящийся на орбите. С момента начала строительства к ней периодически добавляются новые модули. Они проходят процесс сборки и разработки на поверхности Земли. На Земле также разрабатывается программа полета — какие маневры нужно совершить для успешной миссии.

Чтобы благополучно состыковаться с Международной космической станцией и выполнить программу полета, необходимо обеспечить нужную ориентацию аппарата и уметь совершать пространственные маневры с помощью двигателей модуля. В российских транспортных пилотируемых космических кораблях «Союз» и грузовых кораблях «Прогресс» для непосредственного формирования команд на двигатели используется отдельный прибор, который самостоятельно комбинирует двигатели для формирования управляющих моментов и сил, причем набор конфигураций двигателей для разных комбинаций сил и моментов ограничен и заранее рассчитан на Земле. Такое решение неоптимально: иногда в полете происходят непредвиденные обстоятельства, в которых лучше бы справился другой набор двигателей, отличный от заранее заданного. Предыдущие алгоритмы такую замену осуществить не могли.

Ключевым отличием алгоритма выбора двигателей, примененного на Многоцелевом лабораторном модуле «Наука», от применяемого на кораблях «Союз» и «Прогресс» является то, что расчет оптимальной конфигурации включаемых двигателей в зависимости от необходимой комбинации управляющих сил и моментов проводится непосредственно в бортовом алгоритме управления. Причем оптимальная конфигурация выбирается из набора доступных для управления двигателей (до 40 двигателей, причем в общем случае при отказах отдельных из них этот набор может быть произвольным). В 2021 году модуль «Наука» отправился в полет к МКС. Такой подход позволил парировать одну из нештатных ситуаций, возникших во время полета модуля, и к тому же сэкономил топливо. 

«Во время полета к МКС на модуле произошел автоматический запрет почти трети всех двигателей. Но благодаря возможности алгоритма перераспределить нагрузку на другие двигатели модуль смог поддерживать нужную ориентацию в первые сутки полета», — объясняет Антон Сумароков, автор алгоритма, доцент кафедры аэрофизической механики и управления движением МФТИ, сотрудник РКК «Энергия» имени С. П. Королева. 

Алгоритм на основе текущих величин угловых скоростей и ошибок ориентации, рассчитанных по показаниям соответствующих датчиков, а также требуемого характера движения формирует управляющие воздействия на систему из 40 ракетных двигателей различных типов. Программа также автоматически определяет набор доступных двигателей и на каждом такте управления определяет оптимальную конфигурацию для формирования требуемых параметров движения. Расчет происходит на основе данных о положении модуля и состоянии системы. С учетом динамических уравнений формулируется задача оптимизации, для которой с помощью модифицированного симплекс-метода определяется решение. 

Перед внедрением программы в модуль исследователь проводил математическое моделирование движения модуля и сравнение с использовавшимся ранее алгоритмом. Моделирование показало, что оптимизация выбора двигателей дает выигрыш по расходу топлива и выполняет задачу в рамках поставленных целей. В итоге алгоритм внедрили в систему управления движением модуля, который отправился в полет. В течение девяти дней он участвовал в управлении полетом и обеспечил стыковку с МКС. После успешной миссии началась работа над научной статьей, посвященной алгоритму, и дальнейшие разработки по улучшению этого метода для новых задач. 

«Мы хотим модифицировать алгоритм, чтобы он не только решал задачу включения набора двигателей для формирования управляющих воздействий, но и чтобы была возможность, отключая часть из работающих двигателей (например для коррекции орбиты), одновременно управлять ориентацией, также решая задачу оптимизации. Планируется, что реинкарнация алгоритма будет использоваться на перспективном транспортном корабле и на модулях российской орбитальной станции», — рассказывает Антон Сумароков.