Расчет траекторий полета космических аппаратов является составной частью и содержанием научной дисциплины – баллистического проектирования (баллистики) средств выведения.
Проектирование космических аппаратов (КА) и средств их доставки на орбиты – космических средств выведения (КСВ) является многоэтапным процессом.
Этапы проектирования.
Различают этап предпроектных исследований, этапы технических предложений, эскизного проектирования, рабочего, технологического проектирования и др.. Баллистическое проектирование космических аппаратов по совокупности своих допущений и проводимых решений является составной частью начальных этапов процесса проектирования (предпроектные исследования и этап технических предложений) космических аппаратов. При проектировании КСВ используют многие научные дисциплины от баллистики, динамики полета, теории управления и устойчивости до аэродинамики, теплофизики, материаловедения, механики, теории прочности конструкций и др.
Идеальной моделью проектирования КСВ представляется такая, которая объединит в себе все модели этих дисциплин в единую вычислительную систему. Объединение проводится с использованием единой базы данных, в которую стекаются результаты, полученные в процессе расчетов по отдельным дисциплинам. Из этой же базы данных черпают данные все модели, участвующие в процессе проектирования. Все модели замкнуты на единый критерий эффективности, по которому выбирается лучшее решение разрабатываемого проекта. При реализации такой модели необходимо решить ряд вычислительных проблем связанных со стыковкой отдельных программ, а также проблему адекватности моделей по каждой из дисциплин, участвующих в процессе, реальным процессам. Для каждого этапа проектирования необходимо иметь свой набор моделей по каждой из дисциплин, входящих в систему.
Роль и место баллистики в проектировании.
Баллистика является неотъемлемой составной частью всех систем проектирования КСВ, она применяется на тех стадиях процесса проектирования, где необходимо выбрать принципиальные решения, характеризующие проектный облик проектируемого объекта.
К числу таких решений относятся: ступенчатость КСВ, распределение масс по ступеням, тяговооруженности ступеней, тип топлива, применяемого на каждой ступени, а также законы управления вектором тяги.
Выбор всех этих параметров производится в результате расчета и оптимизации траекторий КСВ, реализующих выведение полезного груза на требуемую орбиту. Критерием выбора чаще всего является масса полезного груза, доставляемого на орбиту, определяющая массовое совершенство транспортного средства при наличии большого количества ограничений. При расчете траектории выведения КСВ на орбиту необходимо решить две главные задачи: выбрать закономерности (функции), определяющие управление вектором тяги (ориентация вектора тяги и закон расходования топлива), а также решить нелинейную двух -, много - точечную краевую задачу. Задачи, указанные в трех последних абзацах, составляют предмет баллистического проектирования космических аппаратов.
Баллистика уходит своими корнями в теоретическую механику, механику точки переменной массы, аналитическую механику, баллистику управляемых ракет дальнего действия, динамику полета реактивных летательных аппаратов, вариационное исчисление и теорию оптимальных процессов, а также в ряд других дисциплин, обогативших ее своими задачами, методами и решениями.
Тенденции в проектировании и создании КСВ.
Современные тенденции в разработке средств выведения на околоземные орбиты состоят в создании семейств КСВ на базе унифицированных блоков, позволяющих создавать многоступенчатые, многоцелевые системы средств выведения (например, Фалькон, Ангара и др.). Это накладывает требования на круг задач, решаемых в процессе баллистического проектирования современных систем выведения. Актуальными становятся задачи выбора траекторий многоступенчатых систем с ограничениями на районы падения отделившихся частей, с возвратом и спасением отработавших ступеней, а также многоступенчатые системы блочной компоновки с параллельной работой ступеней и др.
Другим, альтернативным направлением создания КСВ является стремление к снижению их ступенчатости (Старшип) с целью многоразовости использования.
Усложнение задач, которые стоят перед космическими системами выведения, требуют решения вопросов повышения грузоподъемности, компоновки, сборки на орбитах. Идет поиск облика таких систем: сверх тяжелые КСВ, позволяющие решить высоко энергетические задачи одним пуском или системы среднего и тяжелого класса, обеспечивающие выведение на низкие околоземные орбиты блоков транспортных средств для их сборки в целевую транспортную систему и доставки полезных грузов на Луну или планеты.