Ученый из МФТИ и РКК «Энергия» им. С. П. Королева разработал алгоритм управления 40 двигателями Многоцелевом лабораторного модуля «Наука» для полета на Международную космическую станцию в 2021 году. Метод позволил модулю успешно добраться до МКС и состыковаться с ней. 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 заданные маневры. За это отвечают двигатели, которым задаётся набор команд – какие двигатели будут использоваться в полёте, как они должны быть повёрнуты. Раньше на российских космических кораблях, например на транспортных кораблях «Союз» и грузовых кораблях «Прогресс», стоял специальный прибор который выбирал конфигурацию двигателей, которые будут работать во время полёта. 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.
Положение осей связанной системы координат МКС. Источник: Journal of Computer and System Sciences International
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 полёт. В 2021 году модуль «Наука» отправился в полет к МКС и попал в нештатную ситуацию, в которой требовался выбор новых двигателей, чтобы поддерживать полёт. Разработанный алгоритм позволил справился 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 управляюх щивоздействий, 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.
На базе РКК «Энергия» им. С. П. Королева в ФАКТ МФТИ открыта кафедра аэрофизической механики и управления движением. Студенты кафедры участвуют в решении задач управления движением космических аппаратов, начиная с бакалавриата или после поступления в магистратуру ФАКТ МФТИ.
