Космические полёты: история, актуальное состояние, перспективы

Целью изучения дисциплины «Космические полёты: история, актуальное состояние, перспективы» является формирование у слушателей комплекса современных теоретических и практических знаний и навыков в области системного проектирования космических миссий и управления ими.
Основными составными частями курса являются: баллистическое проектирование миссии, системы ориентации и стабилизации космических аппаратов, наземные средства наблюдения и связи, управление космическим аппаратом в ходе срока активного существования и энергетическое бюджетирование полетных операций.
Излагается материал, связанный с соответствующими математическими моделями, методами решения задач, ставящихся для этих моделей, а также с историческими аспектами использования этих моделей для обеспечения создания космической техники.
Лекции разбиваются на блоки, среди которых можно выделить условно «популярно-математические», «математические» и «научно-популярные». Мы стараемся, применяя, где это возможно, упрощение теории, дать слушателю качественное представление о том, какая математическая основа лежит в комплексах обеспечения современных космических полетов, как к ней пришли и что предполагается делать дальше.

Форма обучения заочная (дистанционная).
Еженедельные занятия будут включать просмотр тематических видео-лекций и выполнение тестовых заданий с автоматизированной проверкой результатов.
Важным элементом изучения дисциплины является выполнение творческого задания.
В открытом доступе вы можете ознакомиться с видеолекциями первых двух недель, остальные материалы станут доступны после оплаты курса. 

Курс является общеобразовательным, и рассчитан на широкую аудиторию слушателей.
 

Вводная лекция. Введение в тематику, описание возникающих задач.

1. «Состоит из». Космический аппарат как система. 
Составление функциональной схемы космической миссии, понимание взаимосвязи между требованиями к элементам. Понимание состава миссии, взаимосвязей между наземным, космическим сегментами, средствами выведения, космическим аппаратом. Понимание модульного принципа компоновки космического аппарата, знакомство с примерами семейств спутниковых платформ: неориентируемые, одноосные, трехосные Примеры успешных и частично успешных решений задач компоновки миссии баллистическими средствами.

2. А что у нас есть? Движение центра масс космического аппарата.
Знакомство с математическими основами небесной механики. Основы используемых систем координат. Уравнения движения в центральном гравитационном поле, первые интегралы уравнений движения. Энергетическая классификация орбит, параметры орбит, классификация спутниковых миссий по используемым орбитам. Знакомство с маневрами коррекции орбиты (изменение формы орбиты, изменение наклонения орбиты), примеры использования, закрепление тематики целей и требований полета на примере выбора альтернативных орбит и схем выведения.

3. Как попасть в Луну? Как правильно летать? Перелёты в ближнем космосе и возмущающие факторы полета.
Краткая история проектирования перелетов с Земли на Луну. Использование первых ЭВМ для понимания сложности задачи. Вопросы запуска жидкостного ракетного двигателя в космосе как часть проектирования перелётов без привязки к стартовым окнам. Знакомство с возмущающими факторами космического полета. Закрепление тематики используемых систем координат на примере рассказа о гравитационном поле Земли. Гравиметрические миссии и их значение для проектирования космических систем. Низкоорбитальные спутники как класс космических средств, их особенности.

4. Математические постановки. Роберт Годдард, его история, задача его имени и ее роль в теории оптимального управления.
Знакомство с элементами истории создания ракетной техники. История Роберта Годдарда, его ракет. Задача Годдарда о максимальной высоте вертикального подъема ракеты, ее постановка в форме задачи оптимального управления. Базовые понятия о задачах оптимального управления.

5. Манёвры. Активные и пассивные участки полета космического аппарата
Знакомство с математическими моделями манёвров коррекции траектории космического аппарата: «импульсными» и «равномерными». Различие подходов моделирования: «сшивка» сегментов траекторий с негладкой функцией скорости и наличие активных участков соответственно. Попытка моделирования перелёта между двумя орбитами с использованием цепочки манёвров.

6. Что надо построить на Земле?  Наземный сегмент, приемо-передающие устройства. 
Знакомство с основами планирования сеансов связи, зонами видимости. Элементы истории развития средств радиоконтроля орбиты, типы приемо-передающих антенн. Организация радиосвязи между бортом и Землёй.

7. Собираем конструктор. Системы стыковки космических аппаратов – история, текущее состояние, перспективы.
Понятие об инженерных и математических проблемах организации стыковки. Исторические примеры, постановки задач. Развертывание многомодульных орбитальных станций.

8. Как не потеряться в космосе. Системы ориентации и стабилизации космических аппаратов. История развития, математические особенности построения, типовые задачи 
Знакомство с историей создания систем ориентации и стабилизации космических аппаратов, понятие о математических проблемах ориентации и стабилизации. Приборы, используемые в блоках ориентации и стабилизации.

9. Куда летим дальше? Полёты к планетам – история, текущее состояние, перспективы.
Знакомство с вопросами, возникающими при планировании полетов за пределы системы «Земля-Луна». История, планируемые миссии, инженерные и математические вопросы.

10. Каких спутников больше всего? Системы навигации, связи, дистанционного зондирования
Знакомство с системами связи, зондирования, навигации. История развития, примеры, перспективы. Знакомство с системами энергоснабжения космических аппаратов.

УК-1. Способность к критическому анализу и оценке современных научных достижений, генерированию новых идей при решении исследовательских и практических задач, в том числе в междисциплинарных областях.
УК-5. Способность следовать этическим нормам в профессиональной деятельности.
ОПК-1. Способность самостоятельно осуществлять научно-исследовательскую деятельность в соответствующей профессиональной области с использованием современных методов исследования и информационно-коммуникационных технологий.
ПК-3. Владение современными алгоритмами компьютерной математики, способность совершенствовать, углублять и развивать математическую теорию, лежащую в их основе
ПК-6. Способность оформлять результаты исследовательской деятельности в виде научных статей и презентаций научных докладов, способность разрабатывать новые учебные курсы в области математики и информатики в соответствии со специальностью, включая подготовку методических материалов и учебных пособий
 

Знать: 

• Основные составные части схемы деления космической миссии;
• Основные системы координат и возмущающие факторы, используемые в баллистическом проектировании космических миссий;
• Классификацию космических миссий по назначению и по типам орбит;
• Основные этапы развития космических и спутниковых систем;
• Основные типы систем ориентации, стабилизации, энергоснабжения космических аппаратов;

Уметь:

• Строить функциональную схему космической миссии по набору требований;
• Строить математическую модель маневрирующего космического аппарата с учетом настраиваемой схемы возмущающих факторов;
• Строить и редактировать цепочку импульсных манёвров для перехода между орбитами;
• Планировать сеансы наблюдения космического объекта с наземного пункта на основе актуальной баллистической информации;

Владеть: 

• Навыками компьютерного моделирования космических систем;
• Навыками системного проектирования в части сопоставления целей космической миссии и требований к системам и подсистемам;
• Навыками составления упрощенных математических моделей маневрирующих космических аппаратов.