Проблеми оптимізації пілотованих міжпланетних експедицій

Кіфоренко, БМ, Васильєв, ІЮ
Косм. наука технол. 2000, 6 ;(1):03–55
https://doi.org/10.15407/knit2000.01.003
Мова публікації: російська
Анотація: 
В межах єдиної варіаційної проблеми розглянуті задачі оптимізації параметрів, вибору траєкторій польоту і оптимального керування рухом і роботою системи забезпечення життєдіяльності (СЗЖ) космічних апаратів пілотованих міжпланетних експедицій. Досліджується ефективність активного скидання відходів СЗЖ за рахунок енергії реактивного струменя ракетних двигунів великої тяги у порівнянні з їхньою частковою регенерацією. Підтверджено принципову можливість здійснення перших пілотованих експедицій на Марс до розробки перспективних біорегенеративних СЗЖ.
Ключові слова: оптимальне керування, пілотовані міжпланетні експедиції, системи забезпечення життєдіяльності
References: 
1.  Термодинамические и теплофизические свойства продуктов сгорания: В 5 т. — М.: Наука, 1972.—Т. 2.—484 с.
2.  Алемасов В. Е., Даутов Э. А., Дрегалин А. Ф., Сергиевская М.  Л.  Пакет прикладных  программ  САНА для решения задачи  номографической  аппроксимации  при  проектных исследованиях рабочих процессов в ДЛА // Авиационная техника.—1988.—№ 1.—С. 8—12.
3.  Алемасов В.  Е.,  Дрегалин А.  Ф.,  Тишин А.  П.  Теория ракетных   двигателей.   —   М.:   Машиностроение,   1980.— 533 с.
4.  Балашов   В.   В.   Исследование  оптимальных   перелетов  к Марсу  с   возвращением  в   атмосферу  Земли   с  заданной скоростью   //   Уч.   записки   ЦАГИ.—1971.—2,   №    1.— С. 82—91.
5.  Балашов В. В. Некоторые вопросы использования атмосфер планет для снижения энергетических затрат при осуществ­лении межпланетных перелетов // Тр. 4 чт., посв. разраб. научн. наследия К. Э. Циолковского. — М., 1970.—С. 40— 49.
6.  Балашов   В.   В.,   Ильин   В.   А.,   Истомин   Н.   А.   Синтез оптимальных многоимпульсных межпланетных траекторий // Тр. 2 чт., посв. разраб. научн. наследия Ф. А. Цандера. — М., 1974.—С. 13—26.
7.  Баррер М., Жомотт А., Вебек Б. Ф., Ванденкеркхове Ж. Ракетные двигатели. — М.: Оборонгиз, 1962.—799 с.
8.  Белецкий В. В., Егоров В. А. Межпланетные перелеты с двигателями постоянной мощности // Космич. исследова­ния.—1964.—2, № 3.
9.  Белецкий В. В., Егоров В. А. Разгон космического аппарата в   сфере   действия  планеты   //   Космич.   исследования.— 1964.—2, № 3.
10.  Болгарский  А.   В.   Расчет   процессов  в   камере   сгорания жидкостных ракетных двигателей. — М.: Наука,  1964.— 234 с.
11.  Вериго В. В. Системные методы в космической биологии и медицине. — М.: Наука, 1987.—213 с.— (Проблемы космической биологии; Т. 55).
12.  Воронин Г. И., Поливода А. И. Жизнеобеспечение экипа­жей   космических   кораблей.   —   М.:   Машиностроение, 1967.—211 с.
13.  Габасов Р., Кириллова Ф. М. Особые оптимальные управ­ления. — М.: Наука, 1973.—156 с.
14.  Глушко  А.   А.   Космические   системы   жизнеобеспечения: Биофизические основы проектирования и испытания.  — М.: Машиностроение, 1986.—303 с.
15.  Гродзовский Г. Л., Иванов Ю. Н., Токарев В. В. Механика космического полета. Проблемы оптимизации. — М.: Нау­ка, 1975.—704 с.
16.  Гродзовский Г. Л., Иванов Ю. Н., Токарев В. В. Механика космического  полета  с малой  тягой  //  Инж.  журн.  АН СССР.—1963.—3, № 3, № 4; 1964.—4, № 1, № 2.
17.  Гродзовский   Г.   Л.,   Иванов   Ю.   Н.,   Токарев   В.   В.   О движении тела переменной массы с постоянной затратой мощности в гравитационном поле // Докл. АН СССР.— 1961.—137, № 1.
18.  Давлетшин Г. 3. Активно-гравитационные маневры косми­ческих аппаратов. — М.: Машиностроение, 1980.—256 с.
19.  Демидова   Н.   С.,   Малоземов   В.   В.   Электрохимические системы регенерации космического корабля. — М.: Маши­ностроение, 1992.—123 с.
20.  Злацкий   В.   Т.   К   вопросу   о   построении   оптимальных траекторий с участками особого управления // Вычисл. и прикл. математика.—1978.—Вып. 35.—С. 27—34.
21.  Иванов В. А., Фалдин Н. В. Теория оптимальных систем автоматического управления. — М.: Наука, 1981.—336 с.
22.  Иванов Ю. Н., Оптимальное сочетание двигательных сис­тем  //  Изв.  АН  СССР.  Механика и машиностроение.— 1964.—№ 2.
23.  Ильин В. А. Оптимальный переход космического аппарата, тормозящегося в атмосфере планеты, на орбиту искусствен­ного спутника // Инж. жур.—1963.—3, вып. 2.—С. 163— 172.
24.  Ильин В. А., Кузьмак Г. Е. Оптимальные перелеты косми­ческих   аппаратов   с   двигателями   большой   тяги.   —   М.: Наука, 1976.—744 с.
25.  Кирпичников С. Н., Бобкова А. Н. Оптимальные импульс­ные межорбитальные перелеты с аэродинамическими ма­неврами // Космич. исследования.—1992.—30, вып.  6.— С. 800—809.
26.  Кифоренко   Б.   М.,   Харитонов  А.   М.   Управление   тягой жидкостных ракетных двигателей: моделирование и опти­мизация   //   Пробл.   упр.   и   информ. —1997.—№   5.— С. 118—130.
27.  Кифоренко Б. Н. Об оптимизации параметров тела пере­менной массы при движении с активным сбросом отходов системы   жизнеобеспечения   //   Космич.   исследования.— 1975.—13, вып. 2.—С. 201—205.
28.  Кифоренко  Б.  Н.   Об  оптимальном  времени  выполнения динамического маневра материальной точкой переменной массы   //   Космич.   исследования.—1972.—10,   вып.   5.— С. 673—678.
29.  Кифоренко  Б.  Н.   Об  оптимизации времени  выполнения динамического маневра // Вычисл. и прикл. математика.— 1972.—С. 63—70.
30.  Кифоренко Б. Н., Даулетов Г. К. Аналитическое исследо­вание оптимального управления составом рабочего тела // Тр.   IX  научи,   чтений  памяти   С.   П.   Королева.   —   М., 1987.—С. 100—109.
31. Коваленко Н. Д. Управление сверхзвуковыми газовыми потоками в реактивных соплах. — Киев: Наук. думка, 1992.— 204 с.
32.  Коваленко Н. Д., Стрельников Г. А., Гира Ю. В., Гребенюк Л. 3. Газодинамика сверхзвуковых укороченных сопел. — Киев: Наук, думка, 1993.— 224 с.
33.  Королев   С.   П.   Ракетный   полет   в   стратосфере.   —   М.: Воениздат, 1934.
34.  Лабунский   А.   В.   Исследование   орбит   с   многократным пролетом   Земли   и   Марса   //   Космич.   исследования.— 1991.—29, вып. 3.—С. 390—396.
35.  Летов А. М. Динамика полета и управление. — М.: Наука, 1969.—359 с.
36.  Лойцянский  Л.   Г.   Механика   жидкости   и   газа.   —   М.: Наука, 1973.—307 с.
37.  Лоуден Д. Ф.  Оптимальные траектории для космической навигации. — М.: Мир, 1966.—152 с.
38.  Моисеенко В. П. Об оптимизации многоступенчатого аппа­рата // Тр. ЦАГИ.—1971.—Вып. 1295.
39.  Новоселов   В.   С.   Аналитическая   теория   оптимизации   в гравитационных полях. — Л.: ЛГУ, 1972.—317 с.
40.  Новоселов В. С. Компланарный перелет с учетом внутрен­него запаса массы // Вестник ЛГУ.—1967.
41.  Новоселов В.  С.  Оптимальное построение эллиптической орбиты при усложненных граничных условиях // Уч. зап. ЛГУ.—1967.—Вып. 34.—С. 1—5.
42.  Оберт Г. Пути осуществления космических полетов: Пер. с нем. — М.: Оборонгиз, 1948.
43.  Охоцимский Д. Е., Сихуралидзе Ю. Г. Основы механики космического полета. — М.: Наука, 1990.—445 с.
44.  Парин В. В., Космолинский Ф. П., Душков Б. А. Космиче­ская биология и медицина. — М.: Просвещение,  1975.— 223 с.
45.  Перелыгин Б. П., Пискарева П. Б. Оптимизация разгонно­го блока по весовому заправочному соотношению и закону регулирования компонентов топлива // Тр. XI чтений К. Э. Циолковского. — М., 1978.—С. 68—76.
46.  Понтрягин Л.  С.,  Болтянский В.  Г.,  Гамкрелидзе Р.  В., Мищенко Е. Ф. Математическая теория оптимальных про­цессов. — М.: Наука, 1969.—384 с.
47.  Пуликван М. Ф. Перспективы разработок ЖРД НМ60 на криогенных  компонентах  для  западноевропейских  ракет-носителей  //  Аэрокосмич.  механика.—1985.—3,   №  7.— С. 131 — 140.
48.  Фаткин Ю. М. Использование инертной массы в двигателе ограниченной  скорости  истечения  //  Механика  твердого тела.—1967.—№ 3.—С. 164—168.
49.  Хоус С. Д., Меугер Д. О. Принцип создания реактивной тяги на основе использования антипротонов и перспективы ее применения для пилотируемой экспедиции на Марс // Аэрокосмич. техн.—1990.—№ 3.—С. 57—64.
50.  Цандер Ф. А. Проблемы полета при помощи реактивных аппаратов. Межпланетные путешествия. — М.: Оборонгиз, 1961.
51.  Циолковский К. Э. Собрание сочинений. — М.: Изд-во АН СССР, 1954.—Т. 2.—455 с.
52.  Черный Г. Г. Течения газа с большой сверхзвуковой скоро­стью. — М.: Физматгиз, 1959.
53.  Шибанов Г. П., Васильев М. А. Оптимизация структуры и режимов функционирования  регенеративных систем  ОЖ экипажей // ВИНИТИ.—1992.—№ 4.—С. 69—121.
54.  Эсно -Пельтри Р. Космические полеты (астронавтика): Пер. с фран.— М.: Оборонгиз, 1950.
55.  Barta   D.   J.,   Henninger  D.   L.   Regeneration   Life   Support Systems — Why Do We Need Them? // Adv. Space Res.— 1994.—14, N 11.—P. 403—410.
56.  Bassam N. E., Max G., David K. Perspectives of Biological LSS Foundation // Proc. 4th Eur. Symp. Life Sci. Res. Space. — Paris; Noordwijk, 1990.—P. 445—448.
57.  Battin  R.   H.   The   Determination   of  Round-Trip   Planetary Reconnaissance  Trajectories   //  J.   Aerospace   Sci.—1959.— 26.—P. 545—567.
58.  Beers L.  S.,  Cohen A.  D.  Mars  Capabilites  for Electrical, Nuclear and Chemical Propulsion Systems // IAS Paper.— 1962.—N 120.
59.  Benton C., Clar K. Science, Engineering, and Enableng Technologies Requred to Support Mars Exploration // AIAA Pap.— 1992.—N 9482.—P. 5.
60.  Bilardo V. J. The Physical Chemical Closed-loop Life Support Research Project // AIAA Pap.—1990.—N 3729.—P. 1 — 14.
61.  Binot  R.   A.,   Tamponnet  C.,   Lausseur   Ch.   Biological  Life Support for Manned Missions by ESA // Adv. Space Res.— 1994.—14, N 11.—P. 71—74.
62.  Bowles J. V. Use of Atmospheric Braking During Mars Missions // J. Spacecraft and Rockets.—1990.—N 5.—P. 514—520.
63.  Braun R. The Influence of Interplanetary Trajectory Options on a Chemically propelled МММ // J. Astronaut Sci.—1990.—38, N 3.—P. 289—310.
64.  Braun R., Blersch D. I. Propulsive Options for a Manned Mars Transportation systems // J. Spacecraft and Rockets.—1991.— N 1—P. 85—92.
65.  Breakwell J. V., Rauch H. E. Asymptotic Matching in Power-Limited   Interplanetary   Tranfers.—Washington:   Amer.
Astronaut. Soc., 1967.—P. 281—300.
66.  Brechignac   Fraacois.   Toward   Bioregeneralive   Life   Support Systems  //  Proc.   4th  Eur.   Symp.  Life  Sci Res.   —  Paris: Noordwijk, 1990.—P. 421—429.
67.  Byrnes D. V., Hooper H. L. Multi-Conic: a Fast and Accurate Metod   of   Computing   Space   Flight   Trajectories   //   AIAA Paper.—1970.—N 1062.—P. 1—8.
68.  Couch U. Т., Auman J. W., Falkey Т. C. Advanced Regenera­tive Life Support for Space Exploration // SAE Techn. Pap. Ser.—1991.—N 911500.—P. 67—77.
69.  Dailey C. L., Hieaff J. L., Lobreg R. U. Nuclear Propulsion for Mars  Exploration-Electric  Versus  Thermal  //  AIAA Pap.— 1992.—N 3871.—P. 1 — 11.
70.  Doll J. R. Earth-Orbit Masses for Five-Impulse Mars Stopover Missions in  1980 // J.  Spacecraft and Rockets.—1968.—5, N 5.—P. 82—88.
71.  Doll J. R., Gobetz F. W. Three-Impulse Interplanetary Rendez­vous Trajectories // Proc of Southeastern Symp. on Missiles and Aerospace Vehicle Sci. of AAS.—1966.—7.—P. 55-1 — 55 -14.
72.  Eckenwiler M. Closed Form Lagrangian Multipliers for Coast Periods of Optimum Traectories // AIAA J.—1965.—3, N 6.— P. 1149—1151.
73.  Edelbaum T. N. The Use of High- and Low-Thrust Propulsion in  Combination for  Space  Missions  //  J.  Astronaut.   Sci.— 1962.—N 9.—P. 58—59.
74.  Emrich   W.   Nuclear   State   Configuration   Studies   for   Mars Missons // AIAA Pap.—1990.—N 3788.—P. 1—7.
75.  Emrich W., Young A. Nuclear Propulsion System Options for Mars Missions // AIAA Pap.—1992.—N 1496.—P. 1—6.
76.  Gobets F. W., Doll J. R. A Survey of Impulsive Trajectories // AIAA J.—1969.—7, N 5.—P. 49—56.
77.  Gobetz F. W., Doll J. R. How to Open the Heliocentric Launch Window for Earth—Mars Orbiter Missions // J. Spacecraft and Rockets.—1969.—6, N 4.—P. 353—360.
78.  Gravier J.  P.,   Marchal  C.,   Culp  R.  D.   Optimal  Impulsive Transfers Between Real Planetary Orbits // J. Optimiz. Theory and Appl.—1975.—15, N 5.—P. 557—604.
79.  Gravier J. P., Marchal C., Culp R. D. Optimal Trajectories Between Earth and Mars in Their True Planetary Orbits // J. Optimiz. Theory and Appl.—1972.—9, N 2.—P. 120—136.
80.  Hartwell J. G. A Solution of the Boundary Value Problem for Space Trajectories // Navigation.—1965.—12, N 3.—P. 256— 268.
81.  Hazelrigg G. A., Lion P. M. Analytical Determination of the Adjoint   Vector   for   Optimum   Space   Trajectories   //   AIAA Paper.—1969.—N 916.—P. 1 — 14.
82.  Hohmann W. Die Erreichbarkeit der Himmelskoper. —   Olden-bourg: R. Munchen, 1925.
83.  Hollister W. M. Mars Transfer Via Venus // AIAA Pap.— 1964.—N 64—647.
84.  Horsewood J. L. Interplanetary Traectory Analysis for Com­bined  High-   and  Low-Thrust  Propulsion  Systems   //  Proc. Space   Flight   Specialist   Symp.,   Denver,   Col.,   1966.   — Washington: Amer. Astron. Soc., 1967.—P. 457—576.
85.  Huttenbach R. C., Radford James D. H. Life Support — Future Trends and Developments // SAE Tech. Pap. Ser.—1989.— N 891549.—P. 1 — 16.
86.  Irving J. H. Low Thrust Flight: Variable Exhaust Velocity in Gravitational Fields // Space Techn.—1959.—N 10.
87.  Jezewski  D.  J.,  Rozendaal  H.   L.  An  Efficient  Method  for Calculating   Optimal   Free-Space   N-Impulse   Trajectories   // AIAA J.—1968.—6, N 11.—P. 2160—2165.
88.  Lawden   D.   F.   Optimal   Intermediate-Thrust   Rockets   in   a Gravitational   Field   //   Astronautica   Acta. —1962.—8.— P. 106—123.
89.  Lawden D. F. Necessary Conditions for Optimal Rocket Trajectlories   //  J.   Mech.   and  Appl.   Math.—1959.—12,   N   4.— P. 476—478.
90.  Lion P. M., Handelsman M. The Primer Vector on Fixed-Time Impulsive Trajectories // AIAA J.—1968.—16, N 1.—P. 127— 132.
91.  MacElroy R. D., Wydeven T. Bio-regenerative Life Support // Proc. 34th AAS Int. Conf. — San Diego., 1989.—P. 239—252.
92.  Mackay J. S. Manned Mars Landing Missions Using Electric Propulsion // Spacecraft—1970.—12, N 1.—P. 117—122.
93.  McAdaws J. V., Niehoff J. C. Round Trip Trajectory Options for  Human  Exploration  of  Mars  //  Proc.  AAS/NASA  Int. Symp.—1989.—P. 24—27.
94.  McKay C. The Case for Human Exploration of Mars // AIAA Guid.,   New and  Countr.   Conf,.  Portland,   Ougan,   Collect, Techn. Pap., Pt. 1. — Washington, 1990.—8 p.
95.  Melbourne   V.   G.,   Sauer   C.   G.   Optimum   Earth—Mars Roundtrip Trajectories Utilizing a Low-Thrust Power-Limited Propulsion System // Adv. in Astronaut. Sci.—1963.—13.
96.  Novara M., Cullingford H. S. Bio-isolation Analisys of Plants and Humans in a Piloted Mars Sprint // SAE Techn. Pap. Ser.—1988.—N 881051.—P. 1 — 11.
97.  Petraits J. J. Correction Factor for Initial Acceleration Effects on Impulsive Mission Requirements // ARS Journal.—1962.— 32, N 6.—P. 957—959.
98.  Powell F. Т., Sedej M., Lin Chin. Environmental Control and Life Support System Requirements and Technology Needs for Manned Space Missions // SAE Techn. Pap. Ser.—1987.— N 871433.—P. 1 — 13.
99.  Regsac R. V. Two-Vehicle Mars Stopover with Rendezvous // J. Spacecraft and Rockets.—1966.—3, N 6.—P. 572—586.
100.  Robbins  H.   M.   Optimal  rocket  trajectories  with  subars  of intermadiate thrust. // Proc. XVIII Internal. Astron. Congr., 1966. — Paris, 1967.—P. 103—110.
101.  Rummel J. D. Long Term Life Support for Space Exploration // SAE Tech. Pap. Ser.—1990.—N 901277.—P. 67—73.
102.  Seshan P. K., Ferrall J. F., Rohatgi N. K. Human Life Support During Interplanetary Travel and Domicile // SAE Techn. Pap. Ser.—1991.—N 911323.—P. 1 — 18.
103.  Slavin Т., Meyer P., Reysa R. Life Support System Definition Study for Long Duration Planetary Missions // SAS Techn. Pap. Ser.—1989.—N 891505.—P. 1 — 12.
104.  Sohn   R.   L.   Manned   Mars   Trips   Using   Flyby   Modes   //
J. Spacecraft and Rockets.—1966.—3, N 2.
105.  Sohn R. L. Venus Swingby Mode for Manned Mars Mission // J. Spacecraft and Rockets.—1964.—1, N 5.
106.  Spuriack P.,  Spuriak J.  M.,  Evanich P.  L.  Process Control Integration Requirements for Advanced Life Support Systems Appicable  to  Manned  Space  Missions  //   SAE   Tech.   Pap. Ser.—1991.—N 911357.—P. 1—9.
107.  Stiepe S. A.,Braun R. Effect of Venus Swingby Periapsis Burn During  an  Earth—Mars Trajectory  //  J.  Astrounaut  Sci.— 1991.—39, N 3.—P. 299—312.
108.  Titus R. R. Powered Flybys of Mars // Astron. Acta.—1965.— 11, N 5.—P. 294—308.
109.  Walberg G. D. How Shall We Go to Mars? A Review of Mission Scenarios // J. Spacecraft and Rockets.—1993.—30, N 2.— P. 129—139.
110.  Wang K. Estimate of Effect of Large Thrust on Hohmann-Type Transfers // ARS Journal.—1962.—32, N 4.—P. 642—645.
111.  Werciwski   P.   F.,   Nishioka   K.   A   Preliminary   Analysis   of Advanced LSS for МММ // AIAA Pap.—1990.—N 3.—P. 1 — 10.
112.  Williams S. N., Longuski J. M. Low Energy Trajectories to Mars Via Gravity Assist from Venus to Earth // J. Spacecraft and Rockets.—1991.—28, N 4.—P. 486—488.

113.  Zubrin R. Nuclear Thermal Rockets Using Indigenous Martian Propellants // AIAA Pap.—1989.—N 31.—Ref. N 2768.