Аннотация: Гипотеза,которую подтвердит или опровергнет только жизнь, причем не скоро.
ПРИЧИНЫ НЕУДАЧ ДАЛЬНИХ ПОЛЕТОВ
(Гипотеза)
При дальних полетах космических управляемых объектов важную роль играет ориентация этих объектов на солнце (с целью подзарядки батарей) и на Землю (с целью максимальной эффективности передачи энергии связи при радиопередачах). Также необходимо осуществлять точное нацеливание передающих систем на объект и выполнять программу управления по командам с Земли. Системы ориентации действуют по принципу отрицательной обратной связи, то есть управления по ошибке слежения. Главная проблема кроется в том, что эти, казалось бы, похожие задачи необходимо решать по принципиально различным алгоритмам, что не учитывается при проектировании этих систем.
Дело в том, что в первом случае нет необходимости учитывать задержки при трансляции, а во втором - не только есть, но и сама величина этой задержки влияет по экспоненциальной зависимости, поэтому потеря устойчивой связи происходит скачком при достижении критической величины фазового запаздывания.
Согласно специальной теории относительности (СТО) А. Эйнштейна в физике принят принцип синхронизации часов, который в силу того, что ряд прогнозов СТО оправдался в области ядерной физики, считается незыблемым и не обсуждается. Однако, этот принцип устарел с точки зрения современной теории управления, и следовало бы отказаться от него [см. 63. Жмудь В.А. Динамическое полевое взаимодействие, теория относительности и квантовая теория. Часть I. - Сб. научн. трудов НГТУ 2000, Новосибирск, Љ1(18), с.131 - 138, часть II. - Љ3(20), с.131-138]. Тем не менее, принцип этот в неявном виде заложен в уравнения, которые лежат в основе расчета траекторий, и эти расчетные траектории с достаточной степенью точности совпадают с наблюдаемыми, так что, казалось бы, нет оснований для их пересмотра. Но суть ошибки состоит в том, что уравнения увязывают параметры движения, наблюдаемые в системе, связанной с наблюдателем, и в теории нет места понятию "истинные скорость, расстояние, ускорение". То есть наблюдаемые в произвольной инерциальной системе явления отождествляются с объективными в силу невозможности указать иной способ определения истинных параметров.
В решении задачи ориентации солнечных батарей на солнце или приемной антенны на источник сигнала это несоответствие не только не имеет значения, но даже упрощает выражения для расчетных величин. Пусть, например, в силу того, что объект удален от Солнца и движется относительно него по касательной, направление на Солнце воспринимается по направлению, откуда пришел луч с задержкой, определяемой расстоянием до Солнца. Это искажение не меняет условий задачи, поскольку необходимо ориентировать антенны не на истинное направление к источнику энергии, а на направление, из которого приходит максимум этой энергии, то есть на воспринимаемый образ Солнца. То же самое - в отношении настройки на сигнал от Земли.
При настройке передающих антенн на спутник задача коренным образом меняется. Рассмотрим утрированный пример, рис.1. Пусть объект движется по касательной к орбитальной траектории вокруг Земли. Сигнал от объекта, высылаемый в момент времени t0, поступит на Землю в момент t0+dt, в этот момент положение объекта изменится, а на земле будет восприниматься предшествующее положение. К моменту достижения откликом зоны около объекта, его положение еще дополнительно изменится на величину перемещения, на которое он пройдет за время распространения сигнала от Земли к спутнику.
Таким образом, если мы намерены направить антенну строго на центр объекта, мы должны из наблюдаемой траектории с учетом временного запаздывания рассчитать истинную траекторию, и с учетом запаздывания прихода отклика рассчитать прогноз нахождения объекта в момент t0+2dt, именно туда следует ориентировать антенну.
Этот пример кажется абсурдным, поскольку скорость объекта всегда много меньше скорости света, поэтому направление от Земли к спутнику ни коим образом не может существенно измениться за время, которое требуется для прохождения туда и обратно радиосигнала. Учет данной погрешности практического смысла не имеет - если объект близок к земле, время прохождения сигнала пренебрежимо мало, если он достаточно удален, то направление на объект не изменится существенно за время, пока радиосигнал распространяется туда и обратно. Тем не менее, из этого примера следует сделать вывод о том, что при связи с удаленным объектом в контуре регулирования имеется элемент, описывающий запаздывание по времени, равное двойному времени прохождения светом расстояния до объекта 2dt.
В этом простейшем примере мы видим, что понятие "истинное" положение объекта и "воспринимаемое" положение имеют строго определенный физический смысл.
Рассмотрим теперь пример управления системами ориентации спутника через наземный центр управления. Если мы управляем теми параметрами, которые не меняются существенно за время, равное 2dt, то величину запаздывания можно не учитывать. Но если речь идет об угле поворота антенн станции относительно выбранных координат пространства - здесь картина качественно меняется. Расстояния до Марса, например, таковы, что за время прохождения радиосигнала ориентация спутника может измениться весьма существенно. Следовательно с Земли управление ориентацией спутника должно быть устойчивым с учетом вносимой величины задержки по времени (в теории регулирования - фазовой задержки). Задержка по времени линейно растет с расстоянием, величина фазовой ошибки, таким образом, также линейно растет с расстоянием, если быстродействие системы управления не уменьшается искусственно, то устойчивость системы будет нарушено при достижении определенного расчетного расстояния.
Пусть между Марсом и Землей расстояние наибольшего сближения 75 млн. км. Тогда 2dt=500 с, т.е. более 8 минут. Следовательно, всякая система регулирования положения, ориентации и иных параметров движения объекта, с Земли должна обладать быстродействием не более 1000с. Длительность переходного процесса при этом равна 3000с! Любая система с бóльшим быстродействием станет неустойчивой. Корректировка ориентации спутника должна производиться только автономными системами, никакое управление с Земли таким образом, не будет осуществлено по заданной программе, а напротив приведет к увеличению ошибки ориентации. Неустойчивое управление в данном случае будет обозначать всякое отклонение от равновесного состояние вызовет еще большее отклонение, возрастающее лавинообразно, объект потеряет ориентацию, выйдет из зоны устойчивой связи, а в случае потери ориентации на Солнце, батареи разрядятся, наступит энергетическая гибель объекта.
Именно это и происходит при дальних полетах: начало реализации программ управления по командам с Земли приводит к потере связи с объектом.