Системный анализ, управление и обработка информации. Рубрика в журнале - Космическая техника и технологии
Статья научная
В статье на примере проекта ExoMars показано, что проблема сопряжения математических тепловых моделей приборов при их объединении в общий приборный комплекс решается за счет использования узлового метода моделирования, основанного на методе графов. Несмотря на свою простоту, узловые математические тепловые модели имеют ряд преимуществ, делающих их незаменимыми для моделирования тепловых режимов космических устройств. Данный метод был применен для встраивания тепловой модели российского прибора ACS в модель европейского приборного комплекса ExoMars. Сравнение результатов математического моделирования и телеметрических данных температур ACS показывает, что ошибки моделирования узловым методом могут быть снижены до уровня, позволяющего использовать узловые модели в качестве основных расчетных инструментов для космических устройств.
Бесплатно
Жизнеобеспечение экипажа пилотируемого космического объекта, проблемы управления
Статья научная
В первых полетах человека в космос использовались системы жизнеобеспечения на запасах веществ. Системы жизнеобеспечения экипажей (СЖО), основанные на запасах воды и кислорода, несмотря на простоту, крайне неэкономичны при орбитальных космических полетах и не реализуемы при дальних космических миссиях из-за массовых и объемных ограничений. Поэтому в настоящее время разработаны и в ближайшей перспективе будут использоваться на космических станциях комплексы регенерационных физико-химических СЖО на основе извлечения воды и кислорода из продуктов жизнедеятельности человека. В связи с дальнейшим совершенствованием долговременных орбитальных станций, перспективой создания планетных баз и освоения дальнего космоса становится актуальной проблема построения автоматизированной системы управления комплексом регенерационных СЖО. Сложность решения проблемы построения эффективной системы управления в данном случае связана с наличием большего количества критериев эффективности. Предложена система обобщенных глобальных критериев эффективности, позволившая разделить эту задачу на ряд подзадач оптимизации для решения этой проблемы. Предлагаемые критерии - живучесть, себестоимость, комфортность. Приведен ряд конкретных примеров использования предлагаемых принципов с необходимыми обобщениями.
Бесплатно
Информационно-управляющая система российского сегмента Международной космической станции
Статья научная
Рассматривается разработка информационно-управляющей системы (ИУС) Российского сегмента Международной космической станции (РС МКС). Информационно-управляющая система служит для обеспечения проведения космических экспериментов в автоматическом или ручном режиме управления от экипажа. В целях создания высокотехнологичных условий проведения научных исследований на РС МКС в РКК «Энергия» ведутся работы по модернизации ИУС на служебном модуле, созданию ИУС на планируемом многоцелевом лабораторном модуле «Наука» и научно-энергетическом модуле. В работе рассмотрены этапы и принципы модернизации ИУС. Практическим результатом модернизации ИУС служебного модуля стало проведение ряда высокотехнологичных научных экспериментов. В 2014 г. на МКС были установлены две съёмочные камеры. В настоящее время идёт подготовка к лётным испытаниям эксперимента с научной аппаратурой «Икарус». Опыт, полученный в ходе проведения экспериментов, позволяет утверждать, что ИУС РС МКС станет современной системой, позволяющей в автоматическом режиме реализовывать самые амбициозные космические эксперименты на базе МКС.
Бесплатно
Статья научная
Рассматривается задача поиска оптимальных по расходу топлива траекторий управления ориентацией Международной космической станции (МКС) при выполнении пространственных разворотов на большие углы с использованием реактивных двигателей ориентации. Создание подобных алгоритмов управления угловым движением МКС в настоящее время является актуальной задачей для российских разработчиков бортового программного обеспечения. Для формирования оптимальной траектории разворота в работе предлагается применить псевдоспектральный метод Лобатто. Этот метод позволяет привести постановку задачи оптимального управления к задаче нелинейного математического программирования, которая может быть решена при помощи метода последовательного квадратичного программирования. Результаты моделирования показали значительную экономию топлива и ресурса двигателей ориентации при разворотах орбитальной станции по сравнению с используемыми в настоящее время алгоритмами системы управления движением Российского сегмента МКС.
Бесплатно
Статья научная
Статья содержит результаты исследования составляющих гидравлических сил, действующих на золотниковые плунжеры автономных однокаскадных электрогидравлических рулевых машин с двух- и четырёхдроссельным электрогидравлическими усилителями с отрицательным перекрытием дроссельных окон золотниковыми плунжерами, применяемыми в космических разгонных блоках. Принятыми к исследованию в статье составляющими гидравлических сил, действующих на золотниковые плунжеры электрогидравлических усилителей рулевых машин, являются гидростатические силы и стационарные составляющие гидродинамических сил (гидродинамических сил при стационарных расходах, обтекающих золотниковые плунжеры). Исследования проводятся методами статического анализа с использованием математических моделей оптимизированных рулевых машин. В результате проведённых вычислительных экспериментов устанавливается, что причиной статической неустойчивости рулевой машины с четырёхдроссельным электрогидравлическим усилителем с отрицательным перекрытием дроссельных окон золотниковыми плунжерами является стационарная составляющая гидродинамической силы, действующая на золотниковые плунжеры электрогидравлического усилителя, а рулевая машина с двухдроссельным электрогидравлическим усилителем демонстрирует статическую устойчивость. В результате проведённых исследований выявляется, что рулевая машина с четырёхдроссельным электрогидравлическим усилителем с отрицательным перекрытием дроссельных окон золотниковыми плунжерами обладает свойством синергизма рабочего процесса, при этом рулевая машина с двухдроссельным электрогидравлическим усилителем с отрицательным перекрытием дроссельных окон золотниковыми плунжерами таким свойством не обладает.
Бесплатно
Статья научная
Статья содержит результаты разработки и исследования итерационных методов статического анализа четырехдроссельной электрогидравлической рулевой машины, а именно, методов расчета ее статических характеристик (силовой и скоростной) с учетом параметров местных гидравлических сопротивлений, позволяющих проводить расчеты при различных значениях напряжения питания и температуры. Предлагаемые методы основаны на решении систем нелинейных алгебраических и трансцендентных уравнений математических моделей рулевой машины, описывающих ее статические режимы работы. В основу разработки методов статического анализа рулевой машины положены методы комплексного моделирования физических свойств рабочих жидкостей рулевых машин и гидроприводов, итерационные методы расчета параметров течений рабочей жидкости в соединительных трубопроводах, каналах, проточных элементах и клапанах, результаты исследования рабочих процессов составляющих элементов рулевой машины, а также модификация метода Зейделя для решения систем нелинейных алгебраических и трансцендентных уравнений. Приводятся результаты апробации разработанных итерационных методов статического анализа такой рулевой машины.
Бесплатно
Командно-программное управление полетом Российского сегмента МКС
Статья научная
В процессе реализации программы полета космического аппарата (КА) требуется передавать управляющие воздействия его бортовым системам с Земли. Традиционно выдача управляющих воздействий осуществляется из трех источников: Центр управления полетами, бортовой комплекс управления, экипаж (для пилотируемых КА). Данная статья посвящена решению задач командно-программного управления полетом Российского сегмента Международной космической станции со стороны наземного комплекса управления. Командно-программное управление КА - это реализация запланированных операций КА с использованием командной радиолинии и бортового комплекса управления КА. Под операциями в данном случае можно понимать совокупность управляющих воздействий на КА, «объединенных единым замыслом и направленных на достижение заданной цели». Для того чтобы реализовать полетную операцию, необходимо решить ряд задач командно-программного управления. В данной статье мы уделим основное внимание следующим задачам: формирование массивов командно-программной информации для реализации полетных операций, верификация командно-программной информации на математической модели бортового комплекса управления.
Бесплатно
Статья научная
В статье рассмотрена задача взаимоувязанного развития наземной космической инфраструктуры и орбитальной группировки космических аппаратов дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ). Ввиду значительного количества элементов космического и наземного сегментов космической системы ДЗЗ неоднородной структуры необходим механизм разработки её концепций с получением уточнённых исходных данных для определения мер по оптимизации конфигурации наземного сегмента ДЗЗ в географической составляющей с оснащением приёмных комплексов, предусматривающих приём целевой информации с высокопроизводительных космических аппаратов ДЗЗ. Приведены тенденции развития средств и технологий передачи целевой информации ДЗЗ, в частности - состояние магистральной сети высокоскоростной оптической линии связи в целях определения возможных мест размещения элементов наземного сегмента ДЗЗ. Введены показатели, системно характеризующие возможности распределённой сети пунктов приёма информации. На основе полученных данных выявлены системные закономерности в развитии наземного сегмента по приёму целевой информации ДЗЗ в зависимости от состояния орбитальной группировки ДЗЗ, определяющие дальнейшую выработку стратегии развития наземной космической инфраструктуры ДЗЗ.
Бесплатно
Краткий обзор международных конференций SPACE 2014
Статья обзорная
Представлен краткий обзор докладов конференций по космонавтике, проведенных Американским институтом аэронавтики и астронавтики (American Institute of Aeronautics and Astronautics - AIAA) в августе 2014 г. (г. Сан-Диего, США). В обзоре упомянуто 86 докладов (около четверти) конференций AIAA Space Conference и AIAA/AAS Astrodynamics Specialist Conference. Тематика докладов весьма обширна. Рассматривались перспективные проекты пилотируемых полетов за пределами околоземного пространства - окололунные полеты, миссии к окололунным точкам либрации, к астероидам и Марсу. Ряд сообщений включал комплексный взаимосвязанный анализ подобных миссий. Значительное число докладов было связано с различными аспектами околоземных космических полетов, такими как сближение на орбите и орбитальные инспекции, наблюдение Земли и космических объектов, многоспутниковые системы. Традиционно были представлены результаты разработки новых методов динамики полета.
Бесплатно
Статья научная
Успешное выполнение полетного задания автоматическим космическим аппаратом (АКА) как в номинальных условиях работы, так и при возникновении расчетных и нерасчетных нештатных ситуаций возможно путем обеспечения живучести бортовой системы (БС) АКА. Анализ современных методов оценивания показателей живучести БС АКА при управлении их конфигурацией и реконфигурацией в условиях возникновения расчетных аварийных полетных ситуаций, широко используемых в ходе проектирования и создания указанных АКА, показал, что данные методы неприемлемы для оценивания показателей живучести БС АКА при возникновении нерасчетных нештатных полетных ситуаций. Это требует разработки концептуально новых методологических и методических основ оценивания структурной живучести конфигураций БС АКА, учитывающих степень участия функциональных элементов (ФЭ) и подсистем БС в технологических операциях управления АКА при различных сценариях реализации программы полета. В статье предлагается оригинальный подход к оцениванию структурно-технологической живучести БС АКА, основанный на нечетком гиперграфовом формальном представлении технологических операций управления ориентацией АКА, в котором ребра соответствующего гиперграфа соединяют ФЭ и подсистемы БС, обеспечивающие реализацию того или иного конкретного процесса управления. В статье также показано, как для количественного оценивания показателей структурно-технологической живучести заданной конфигурации БС АКА можно использовать результаты дифференцирования нечеткого гиперграфа, которые в наглядной форме можно представить в виде нечеткого графа технологической независимости ФЭ БС. Приведенный подход позволяет провести анализ влияния ФЭ на БС, выявить наиболее критичные элементы, обладающие наименьшей технологической независимостью в условиях реализации программы полета, что можно использовать для обоснования требуемого уровня структурно-функциональной избыточности элементов и подсистем АКА, вводимых на различных этапах его жизненного цикла.
Бесплатно
Статья научная
Представлены методы ресурсного энергообеспечения полёта космического аппарата «Ямал-100» от вторичных бортовых источников электроэнергии - никель-водородных аккумуляторных батарей. Впервые в мировой практике применения металл-водородных электрохимических батарей с расположением их в едином газовом коллекторе удалось достичь ~10-летнего срока эксплуатации на орбите в составе геостационарного спутника Земли. Потеря энергоёмкости в аккумуляторах могла привести к досрочному прекращению полёта космического аппарата. Поэтому энергетический ресурс аккумуляторов поддерживался проактивным управлением, состоящим из прогноза и активного управления. Разработанные методы текущего наблюдения в виде контроля и диагностики состояния аккумуляторных батарей с оцениванием текущей разрядной энергоёмкости позволяли прогнозировать дальнейшие деградационные потери в условиях недостатка мощности средств охлаждения аккумуляторов. Активное управление заключалось в применении методов, направленных на обеспечение оптимальных условий эксплуатации, парирование возможного развития температурной аномальной ситуации в зоне электрохимической реакции и регенерацию энергоёмкости. При этом в управлении использовался синергетический эффект, формируемый вторичными энергетическими взаимосвязями между бортовыми системами. Это позволило обеспечить заданные сроки эксплуатации батарей в условиях неблагоприятного внешнего фактора в виде увеличивающегося теплового воздействия на средства термостатирования аккумуляторов. Рост тепловой нагрузки был вызван переотражением части светового потока от элементов конструкции аппарата и увеличением коэффициента поглощения солнечного излучения («старения») терморегулирующих покрытий.
Бесплатно
Статья научная
Определены методы вариабельного анализа и синтеза сложных процессов, происходящих на борту космических аппаратов, с проведением их общесистемного аналитического представления. В качестве примера для описания применения методов рассматривается управление системой электроракетных двигателей космических аппаратов «Ямал». Анализ и синтез сложного процесса в указанной системе производились для последующей оптимизации расхода рабочего тела при проведении маневров путем выбора варианта управления системой с минимальным секундным массовым расходом рабочего тела в электроракетных двигателях. Кроме того, указанные методы позволили устранить аномальные проявления в системе, приводящие к преждевременной выработке ресурса ее элементов и отказам в системе. Представлена апробация применения вновь определенных методов вариабельного анализа и синтеза сложных процессов при управлении одной из бортовых систем в реальном полете космического аппарата «Ямал». Применение методов позволило значительно сократить затраты рабочего тела на выполнение программы полета геостационарных космических аппаратов - спутников связи и предотвратить развитие скрытой, реально возникшей аномальной ситуации, приводящей к отказу одного из элементов системы. Определены аксиома и гипотеза, являющиеся вновь введенной методологической основой для вариабельного управления полетом космического аппарата. Проведено подтверждение выдвинутой гипотезы на основе результатов ее проверки при проведении маневра космического аппарата с использованием системы электроракетных двигателей.
Бесплатно
Статья научная
Основным условием выполнения программы полёта автоматического космического аппарата является его ресурсное обеспечение. Ресурсное обеспечение может быть пополнено за счёт синергетических наблюдений за процессами в случаях частичного, полного отсутствия или недостатка измерительной информации в одних объектах управления за счёт измерения параметров процессов, характеризующих работу других объектов управления. В качестве примера рассматривается ресурсное обеспечение процесса управления движением относительно центра масс за счёт синергетических наблюдений в случаях отсутствия инерционного измерителя вектора угловой скорости в системе управления движением геостационарного спутника связи «Ямал-200». При этом в основу наблюдения положена операция транзитивного замыкания бинарного отношения, заданного на базисном множестве процессов в бортовых системах и наземных средствах радиотехнического взаимодействия с бортовыми системами автоматического космического аппарата
Бесплатно
Статья научная
В статье рассматриваются принципы создания методов многомерной аппроксимации гидравлических характеристик дроссельных окон золотниковых гидрораспределителей электрогидравлических усилителей рулевых машин, в основу которых была положена кубическая сплайн-интерполяция-экстраполяция (СИЭ) зависимостей. Отличительная особенность разработанных методов заключается в том, что при математическом моделировании сложные аналитические зависимости характеристик не требуются, а для их аппроксимации в процессе расчетов используются только табличные представления экспериментальных данных. Представленные в настоящей работе многомерные методы аппроксимации, основанные на кубической СИЭ, прошли апробацию в математических моделях статического анализа автономных однокаскадных электрогидравлических рулевых машин с двух - и четырехдроссельным электрогидравлическими усилителями и показали свою высокую эффективность. Благодаря им погрешность расчета статических характеристик рулевых машин в широких диапазонах температуры рабочей жидкости и напряжения питания в настоящее время не превышает ±2%.
Бесплатно
Методы расчета частотных характеристик разомкнутых сервоприводов и систем управления
Статья научная
Статья содержит результаты разработки методов расчета частотных характеристик разомкнутых сервоприводов и систем управления, в которых используются частотные характеристики замкнутых сервоприводов и систем управления, получаемых с использованием преобразований Фурье и Лапласа переходных характеристик, вычисляемых по их линейным или линеаризованным математическим моделям. Разработанные методы можно использовать для приближенного расчета частотных характеристик сервоприводов и систем управления по их математическим моделям с незначительными нелинейностями. Выводятся уравнения для расчета частотных характеристик разомкнутых сервоприводов и систем управления для нескольких частных случаев передаточной функции цепи обратной связи. Исследуется работоспособность разработанных методов расчета частотных характеристик разомкнутых сервоприводов и систем управления. Получаемые частотные характеристики разомкнутых сервоприводов и систем управления можно использовать для оценки запасов устойчивости этих объектов по амплитуде и фазе.
Бесплатно
Статья научная
Статья содержит результаты разработки итерационных методов статического анализа двухприводной электромеханической рулевой машины, а именно методов расчёта её статических характеристик (моментной и регулировочной), позволяющих проводить расчёты с заданной погрешностью вычислений и за минимальное время. Предлагаемые методы основаны на решении систем нелинейных алгебраических и трансцендентных уравнений математических моделей рулевой машины, описывающих её статические режимы работы. В основу разработки методов статического анализа рулевой машины положены математическая модель магнитоэлектрического двигателя, математическая модель динамического режима работы двухприводной электромеханической рулевой машины жидкостного ракетного двигателя, математические модели электроприводов и электромеханических систем, а также модификация метода Зейделя для решения систем нелинейных алгебраических и трансцендентных уравнений. Приводятся результаты апробации разработанных итерационных методов статического анализа такой рулевой машины. Разрабатывается динамический метод «автоинтегрирования» расчёта регулировочной характеристики рулевой машины для верификации разработанного итерационного метода статического анализа. Исследуется влияние разброса скоростной характеристики магнитоэлектрического двигателя на статические характеристики рулевой машины.
Бесплатно
Статья научная
Статья содержит результаты разработки алгоритма моногармонического метода расчета частотных характеристик динамической жесткости нелинейных динамических объектов с заданной погрешностью вычислений и за минимальное время. Предлагаемый вариант метода относится к методам автоинтегрирования и основан на численном интегрировании системы нелинейных дифференциальных уравнений математической модели динамического объекта при моногармонических входных воздействиях на фиксированных частотах и анализе откликов на эти воздействия методом Фурье. Процесс интегрирования на каждой из фиксированных частот продолжается до тех пор, пока средние значения коэффициентов Фурье исследуемой гармоники динамической жесткости нелинейного динамического объекта на входное моногармоническое силовое или моментное воздействие за пройденное количество периодов входного сигнала не станут достаточно постоянными. Исследуется работоспособность разработанного метода и алгоритма на примере расчета частотных характеристик динамической жесткости силового гидроцилиндра с перекрытыми гидромагистралями. Получаемые частотные характеристики динамической жесткости можно использовать для оценки демпфирующих свойств нелинейных динамических объектов.
Бесплатно
Нейросетевой анализ данных телеметрической информации бортовой аппаратуры космических аппаратов
Статья научная
Цель. Исследование и разработка методики и программных средств машинного автоматизированного анализа данных телеметрической информации бортовой аппаратуры космических аппаратов. Методы. Разработанные программные средства и методика базируются на методах и алгоритмах машинного обучения, нейронных сетей и обработки изображений. Полученные результаты. В статье представлены решения актуальных задач машинного анализа данных телеметрической информации бортовой аппаратуры (БА) космических аппаратов (КА) с целью выделения состояний её функционирования, анализа надёжности и работоспособности. Разработаны программные средства и методика нейросетевого кластерно-классификационного анализа данных телеметрической информации БА КА на основе применения нейронных сетей типа карты Кохонена и методов обработки изображений. Программные средства реализованы в десктоп- и веб-версиях и имеют гибкую модульную сервис-ориентированную архитектуру. Выводы. Представленные программные средства и методика нейросетевого анализа данных телеметрической информации БА КА были апробированы на реальных данных телеметрической информации БА Белорусского космического аппарата и группировки малых КА АИСТ и показали результаты с доверительной вероятностью не ниже 0,9. Предложенные средства нейросетевого анализа данных телеметрической информации БА КА дают возможность для разработки рекомендаций по повышению показателей её надёжности при проектировании и эксплуатации, определении состояний БА КА, принятия корректных управленческих и эксплуатационных решений наземного комплекса управления КА.
Бесплатно
Статья научная
Статья посвящена рассмотрению вопросов подтверждения адекватности имитационной модели функционирования вновь разрабатываемой системы переработки диоксида углерода (СПДУ). Приведено обоснование критерия адекватности имитационной модели. Для проверки адекватности имитационной модели выполнено сравнение результатов вычислительных экспериментов с данными, полученными при испытаниях конструкторско-технологического макета СПДУ. Критерии проверки гипотез об однородности выборок разных серий измерений представляют собой задачи статистического анализа. Для оценки результатов вычислительных экспериментов проведено сравнение средних значений выборок и рассеяний (дисперсий) с результатами, полученными при испытаниях конструкторско-технологического макета СПДУ. Представлен сравнительный анализ экспериментально полученных значений основного показателя назначения системы - «выход по воде» с результатами вычислительных экспериментов.
Бесплатно
Статья научная
Основной целью настоящей статьи является краткий обзор мультифизичных задач и методов их решения в области космических ядерных энергетических установок, решаемых и разрабатываемых специалистами АО «ГНЦ РФ-ФЭИ». Физико-техническое обоснование разработки и эксплуатации космических ядерных энергетических установок с прямым преобразованием тепловой энергии в электричество включает в себя электротеплофизический расчет характеристик термоэмиссионного электрогенерирующего элемента и электрогенерирующего канала в целом, нейтронно-физические расчеты и оптимизацию структуры активной зоны и радиационной защиты. Для определения электротепло физических характеристик электрогенерирующего канала применяется его трехмерный детальный расчет (программный комплекс COMSOL-ЭГК). Для нейтронно-физического расчета характеристик активной зоны и радиационной защиты применяются единые трехмерные расчетные программные комплексы, реализующие метод Монте-Карло (в частности, MMKFK-2, MCNP), позволяющие учитывать гетерогенность и все особенности геометрии. Перечисленные в обзоре расчетные методики и комплексы системно и комплексно применяются в ГНЦ РФ-ФЭИ при обосновании характеристик проектируемых в настоящее время космических ядерных энергетических установок.
Бесплатно
