Glava 01 - Space Shuttle - Avioničke sistemske funkcije

I deo

 

Avionički sistem Space Shuttle-a uključuje centralni kompjuterski kompleks, koji obezbeđuje software-ske servise svim podsistemima letelice koje ona zahteva; serijsku mrežu digitalnih podataka, koja obezbeđuje kompjuterske ulazno/izlazne (I/O - Input/Output) funkcije kroz letelicu; i posvećeni hardver jedinstven za svaki podsistem. U zavisnosti od misije, sistem uključuje više od 274 linijski-zamenjivih jedinica (line-replaceable units  - LRU's), izraz koji se koristi da opiše delove oplate, koji sadrže elektronske delove sa konektorima, i teško montirajuće rashladne sisteme koji su pojedinačno zamenjivi u slučaju otkaza. One su primarno postavljene duž šest opremljenih spremišta lociranih na Orbiteru kako je pokazano na slici 1. Neki senzori i ostale LRU jedinice su locirane van spremišta zbog njihove jedinstvene skučene lokacije, a neki u raketama za čvrsto gorivo (solid rocket boosters - SRB's) i externom tanku (external tank - ET). Dvostruke kontrole glavnih motora su montirane na svakom od glavnih motora. Tri inercijalne merne jedinice (inertial measurement units - IMU's) i dva zvezdana pratioca su montirani na ujednačenim držačima na navigacionoj bazi, krutoj strukturi lociranoj upravo ispred Orbiterovog spremišta 1 i 2. Za proširenje mogućnosti, suvišne LRU jedinice su fizički odvojene jedna od druge, da bi sprečile lančanu štetu više od jedne, ako se problem pojavi. Oprema je tako postavljena da olakša proveru i da omogući lak pristup i zamenu. Hlađenje je ujedno i sa vazduhom i sa hladnim pločama koje se nalaze u prednjim spremištima. Sva oprema koja je u nekompresovanim spremištima na zadnjem delu (krmi) letelice je montirana na hladne ploče.

Lokacije avioničke opreme

Dodatni detalji o distribuciji LRU jedinica su sadržani na sistemskom blok dijagramu. Zbog njegove veličine i kompleksnosti, avionički sistem Space Shuttle-a je veoma teško opisati, a da se ne utopimo u detaljima. Stoga, reference i pojašnjenja ka blok dijagramu će biti česta kroz ovu sekciju u pokušaju da zadržimo kompletnu perspektivu sistema. Primetićete da je blok dijagram tako organizovan da reflektuje fizičku lokaciju avioničke opreme na letelici. Da olakšamo reference ka različitim detaljima sistema, slova (sa strane) i brojevi (odozgo na dole) definišu zone na crtežu. Levo izvan crteža je lista skraćenica koje su upotrebljene. Ispod ove liste je legenda koja ukazuje na boje koje identifikuju protok podataka. Uređaji sa interfejsom za posadu su grupisani u flight deck/kokpitu koja je na dijagramu od zona [A,1] kroz [D,7]. Ispod kokpita je oblast nosa letelice i duž donjeg dela crteža spremište za koristan teret, svaki nacrtan sa LRU jedinicom lociranom u toj oblasti. Tri prednja avionička spremišta zauzimaju centar crteža, tri zadnja spremišta su u gornjem desnom delu crteža. Ispod zadnjih spremišta su levi i desni SRB, i izolacioni i centralni pojačivači koji se koriste kao interfejs sa sistemom za lansiranje (launch processing system - LPS) dok je na zemlji i sa SRB-om pre odvajanja. Pet centralnih kompjutera za opšte namene (general-purpose computers - GPC's) su postavljeni duž prednjih avioničkih spremišta, zone [E,4] kroz [L,4]. Magistrala digitalnih podataka, koja povezuje kompjutere  sa ostatkom sistema je locirana ispod i iznad. Generalno, kompjuteri su levo i desno duž crteža. Oni su grupisani i kodirani bojom u kategorije izlistane u legendi. Ove magistrale su povezane sa raznim terminalnim jedinicama (bus terminal units - BTU's) koje služe kao interfejs između kompjutera i podsistema LRU jedinica. Sistem procesiranja podataka (data processing system - DPS) opslužuje sve avioničke podsisteme i funkcije kako je prikazano na slici 2. Svaki od sistema ima jedinstveni, posvećeni hardware, ali moduli svog aplikatvinog software-a su nastanjeni u centralnom kompjuteru i za sve funkcije koriste DPS. U sledećim podsekcijama, prva, glavna funkcija avioničkog sistema je opisana u relaciji sa Space Shuttle misijom, onda svaki sistem i funkcija su prodiskutovani sa njihovim jedinstvenim hardverom, integracijom sa cetralnim kompleksom za procesiranje podataka, nekim neophodnim detaljima i opremom za interfejs sa posadom.

Slika 2, Avioničke funkcijske kategorije

pace Shuttle avionički sistem je integralni deo svih operacija misije od pre uzletanja do posle sletanja. U ovoj podsekciji, ove operacije će biti prodiskutovane kroz opšte gledište na avioniku u pripremi za podsisteme i opise funkcija koje slede.

Provera na Zemlji i operacije pre lansiranja

Zemaljski baziran sistem za obradu i proračun lansiranja je primarno odgovoran za sve provere na Zemlji i operacije pre lansiranja do 30 sekundi pre poletanja (T -30). LPS (launch processing system - sistem za obradu i proračun lansiranja), međutim, omogućuje prošireno korišćenje sistema na brodu u prikupljanju testova i podataka pogodnih za operaciju. Komandni procesor zvani test kontrolni supervizor (test control supervizor - TCS) daje uvid u sisteme zemaljskoj kontroli misije. Na primer neki od testova koji su rasprostranjeni na brodu su test gotovosti i spremnosti, kalibracija i podešavanja, ekrani za proveru i razni testovi provere servo-motora. U T -30 sekundi, kontrola sekvence lansiranja je prebačena na brod i avionički sistem ima primarnu odgovornost. Funkcije koje se izvršavaju uključuju finalni sistem inicijalizacije i odlazak/ne-odlazak ocene, paljenje glavnih motora Space Shuttle-a (Space Shuttle main engines - SSME's) i SRB-a (solid rocket boosters) i redosled kojim se letelica oslobađa od veza na zemlji.

Faza penjanja

Slika 3. Kontrolni efektori uzgona

Konfiguracija Space Shuttle-a u fazi uzletanja i efektori kontrole koji se koriste su prikazani na slici 3. Profil trajektorije penjanja je opisan na slici 4. Svako uzletanje Space Shuttle-a i dinamičko vođenje i kontrola su omogućeni zahvaljujući Orbiterovom avioničkom software-u. Između uzletanja i SRB faze, letelica je vođena sa predefinisanim profilima naginjanja, skretanja i okretanja, koje se adaptiraju na promene performansi uzrokovane promenom temperature SRB-a. Kontrola vektora potiska se izvodi koristeći tri glavna motora na Orbiteru i dva SRB motora. Tokom faze maksimalnog dinamičkog pritiska, SRB potisak je programiran da se menja do privremenog slabljenja, a SSME su tako regulisani da spreče prekoračenje od 3G strukturalnog limita. Elevoni (krilca) su takođe podešeni kako bi

Slika 4. Trajektorija penjanja

se umanjilo aerodinamičko strukturalno opterećenje Orbitera. Posle separacije SRB-a, poziva se moćni eksplicitni algoritam za navođenje koji navodi letelicu na položaj određene trajektorije kod prestanka rada glavnog motora (main engine cutoff - MECO). Reakcioni kontrolni sistem (reaction control system  - RCS)  potiska se koristi da kontroliše letelicu posle MECO-a. Odvajanje od ET-a (external tank) je praćeno izvršavanjem jednog ili dva orbitalna manevarska sistema (orbital maneuvering system  - OMS) kako bi se dostigla finalna orbita. Mogućnosti za prekid postoje kroz fazu uzletanja pokrivajući neočekivane posledice kao što je gubitak glavnih motora. U zavisnosti od trenutka takve pojave, prekid može da zahteva povratak na mesto lansiranja, skretanje na mesta sletanja u Evropi ili Africi, jedno-orbitalno skretanje i sletanje u bazu Edvards Air Force ili White Sands, ili prekid ka orbiti. Kao dodatak funkciji navođenja, navigacije i kontrole (guidance, navigation, and control  - GN&C) opisanih ranije, sistem obavlja veliki broj nadziranja nad servisima pri kritičnim usponima letelice uključujući:

-          SRB separaciju i opseg sigurnosti sistema

-          Vrednosti RCS-a (Reaction Control System - reakcioni sistem)

-          Separaciju externog tanka

-          Kontrolu izlaznih vrata orbitera

-          Kontrolu pokretanja i stopiranja sistema za glavnu propulziju

-          Pokretača i rekonfiguraciju OMS-a (Orbital Manuvering System - orbitalni manevarski sistem)

Faza orbite

Posle ulaska u orbitu, GN&C sistem preovlađuje.              Orbiterov položaj i kontrola kretanja se obavlja zahvaljujući RCS (Reaction Control System) i OMS (Orbital Manuvering System) mogućnostima letelice. Periodično se podešavaju IMU-i (inertial measurement units) koristeći zvezdane pratioce koji mere azimut i uzdizanje vidljivih zvezda odabranih iz kataloga koji se nalazi u software-u. GN&C podsistem vrši navigaciju tokom orbitalne faze prenoseći položaj prednjeg vektora koristeći poznate orbitalne parametre i bilo koju promenu brzine koju registruju IMU senzori, uključujući i planirane manevre. Periodično, vektor položaja letelice se osvežava informacijama sa kontrolom leta na Zemlji preko komunikacijskog up-linka. Jedinstvo navođenja i navigacionih mogućnosti je obezbeđeno zahvaljujući Ku-band radaru, kao primarnom externom senzoru. Zalihe hrane su uključene u dodatku informacija za podršku korisnog tereta uključujući uz to i vektore položaja, položaj letelice, brzinu podataka i položaj pokazivača na instrumentima. U orbitalnoj fazi, veći deo kompjuterske konfiguracije se obično ne koristi i GN&C funkcije se izvode iz duplih kompjuterskih podešavanja. Ostali avionički sistemi uključuju kontrolu poklopca spremišta za korisni teret (izvršavanje otvori/zatvori redosleda), velikog broja menadžmenta sistema, kontrolnih funkcija i informacija o korisnom teretu.

Faza ulaska

Faza ulaska počinje pre izvođenja deorbitalnog propulzivnog manevra i nastavlja se sve do TAEM (terminal area energy menagment) faze na visini od 25,3 km (slika 5). Visinska kontrola se održava pomoću RCS pogona samo dok kontrola aerodinamičkih površina ne postane efektivna, onda se koriste skupa aeropovršine i RCS. Sonde za merenje atmosfere se aktiviraju prateći toplotne udare pri ulazu, a zatim se kontrola leta orijentiše prema tim prikupljenim podacima. Navođenje pri ulazu zavisi od prilagođavanja napadnog ugla i nagnutosti letelice u stranu, do kontrole Orbiterovog tereta, stepena zagrevanja i dužine sletne staze (piste). Ulazna navigacija se izvodi korišćenjem ulaznih podataka sa IMU senzora dok taktička vazdušna navigacija (tactical air navigation - TACAN) ne postane dostupna. Pre nego što se podaci TACAN-a inkorporiraju u sistem, preciznost obavljanja faze se postiže u zemljanoj kotroli poređenjem sa podacima o praćenju sa radara. Ne-GN&C kritične funksije koje se obavljaju tokom faze ulaska uključuju:

-          Rekonfiguraciju OMS pokretača i sistemske konfiguracije

-          Vrednosti RCS pokretača

-          Kontrolu izlaznih vrata orbitera

-          OMS/RCS prigušivača

Slika  5. Trajektorija ulaska

TAEM faza

AEM faza počinje pri ulaznoj brzini od 760 m/s i nastavlja se do prilaska pisti na visini od 610 m (slika 6). Ravnajući se po cilindričnoj projekciji koja preseca finalnu trajektoriju prilaza TAEM algoritam za navođenje upravlja letelicu po tangenti. Kontrola efektivnosti se ostvaruje izvođenjem S-okreta i prilagođavanjem brzinskih kočnica. Zajedno TACAN i sletni sistem za skeniranje emitovanja miktrotalasa (microwave scanning beam landing system - MSBLS) obrađuju podatke koji su potrebni za navigaciju. Ne-GN&C servisi letelice uključuju:

-          Vrednosti RCS pokretača

-          Kontrolu izlaznih vrata orbitera

Faza prilaska i sletanja

Slika 6. TEAM faza

Finalna prilazna putanja je prikazana na slici 7. MSBLS i IMU služe kao navigacioni senzori. Ispod visine od 1524 m, a radarski podaci o visini su prikazani u svrsi nadgledanja. Mada iako je omogućeno puno automatsko sletanje, normalna procedura za posadu je da preuzme manulanu kontrolu pre manevra koji vodi ka niskom nagnutom klizanju niz atmosferu (jedrenju). Kada je u manuelnom modu, sistem nastavlja da izračunava i prikazuje komande upravljanja ka traženom letnom planu. Displej na kacigi (heads-up display - HUD) se koristi kao dodatak sistemima za nadgledanje putanje i podatacima o dinamici leta. Ne-GN&C servisi letelice uključuju:

-          Vrednosti RCS pokretača

-          Kontrolu izlaznih vrata orbitera

-          Kontrolu kapka za stajni trap

Glavne funkcije misije

Slika  7. Finalni prilaz

U dodatku fazno-orijentisanim funkcijama opisanim ranije, jedan broj servisa koji se primenjuje kroz misije se izvodi avioničkim sistemom. Podsistemi instrumentizacije skupljaju podatke iz svih sistema letelice          da bi bili iskorišćeni za rukovanje i upravljanje sistemima za uzbunu i opasnost i/ili telemetrijom koja je povezana sa mrežom zemaljske kontrole za nadziranje i procenu ispunjavanja misije. Komunikacija podsistema omogućuje veliki broj servisa uključujući dvosmerni orbitalno-zemaljski link za prenos glasa i podataka, televiziju, interkom, linkove za aktivnosti van letelice i linkove ka spremištu sa korisnim teretom. Ovi linkovi su detaljnije objašnjeni u sekciji o "Komunikaciji i praćenju". Avionički sistem takođe omogućava distribuciju i kontrolu električne struje svim sistemima letelice.

AVIONIKA SPACE SHUTTLE-A VI

Više o šatlovima

Spejs šatl