Алгоритм для космических двигателей

Ученый из Московского физико-технического института и РКК «Энергия» им. С. П. Королева разработал алгоритм управления 40 двигателями многоцелевого лабораторного модуля «Наука» для полета на Международную космическую станцию в 2021 году. Метод позволил модулю успешно добраться до МКС и состыковаться с ней. Статью, посвященную этому алгоритму и его тестированию, опубликовал в сентябре 2023 года Journal of Computer and System Sciences International, кратко о работе рассказывает пресс-служба МФТИ.

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 заданные маневры. За это отвечают двигатели, которым задается набор команд: какие двигатели будут использоваться в полете, как они должны быть повернуты. Раньше на российских космических кораблях, например на транспортных кораблях «Союз» и грузовых кораблях «Прогресс», стоял специальный прибор, выбирающий конфигурацию двигателей, которые будут работать во время полета. Выбор у этого прибора ограничен, все возможные параметры заранее рассчитывались 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 на модуле «Наука» является то, что расчет оптимального набора включаемых двигателей проводится непосредственно в бортовом алгоритме управления. Оптимальная конфигурация выбирается из 40 двигателей и в непредвиденных ситуациях может перевыбрать набор двигателей, чтобы продолжать полет. В 2021 году модуль «Наука» отправился к МКС и попал в нештатную ситуацию, в которой требовался выбор новых двигателей, чтобы поддерживать полет. Разработанный алгоритм позволил справиться с задачей 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» им. С. П. Королева.

Алгоритм собирает информацию с датчиков об угловой скорости и отклонении от желаемой ориентации модуля в пространстве. Учитывая эти параметры и желаемый тип движения, алгоритм формирует команды управления для двигателей. Программа также автоматически определяет набор двигателей, которые можно использовать для желаемого движения, и из них выбирает оптимальную конфигурацию для выполнения маневра. Расчет происходит на основе данных о положении модуля и состоянии системы модуля. Для вычисления всех этих задач алгоритмом составляются динамические уравнения, для которых нужно найти оптимальные решения. В данном алгоритме для этого используется модифицированный симплекс-метод.

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.