Авиационная и ракетно-космическая техника. Рубрика в журнале - Сибирский аэрокосмический журнал
Микроэлектронные системы управления исполнительной автоматикой перспективных космических аппаратов
Статья научная
Изложены результаты анализа основных проблемных направлений, возникающих при проектировании электронных систем управления исполнительной автоматикой перспективных космических аппаратов. Рассмотрены методы и решения известных проблем технологического и алгоритмического планов, а так же системной организации проектируемых комплексов управления. Предложен интегрированный подход к системной организации бортовых устройств управления, базирующийся на применении в качестве центральных управляющих систем однокристальных, микропроцессорных вычислительных комплексов высокой надежности с динамически реконфигурируемой архитектурой в цифровой части. Рассмотрен пример организации и реализации модуля управления шаговым двигателем для системы раскрытия антенны в рабочее положение, выделены основные достоинства предлагаемого подхода на примере конкретной реализации.
Бесплатно
Миниатюрные антенны для малых космических аппаратов Cubesat
Статья научная
В настоящее время наблюдается активный процесс миниатюризации всей космической техники, включая бортовые системы и комплексы. Бортовые антенно-фидерные устройства также затронул процесс миниа- тюризации. Учитывая специфику бортовых антенн, появляется актуальная, современная задача по разработ- ке малогабаритной, невыступающей, надёжной, простой и высокотехнологичной антенной системы малых космических аппаратов. Цель данной статьи заключается в возможности показать преимущества применения микрополосковых (печатных) антенн, изготовленных с помощью печатных технологий, для решения задачи по проектированию малогабаритной, невыступающей бортовой антенной системы малых космических аппаратов. Данный тип антенн обладает малой массой и объёмом, низкой стоимостью, простой и надёжной конструкцией и т. д. Рассмотрен вариант построения бортовой антенной системы для применения на сверхмалом космическом аппарате CubeSat. Представлены основные типы конструкции данных космических аппаратов. Предложены и подробно представлены конструкция разработанной антенны и применяемый материал в качестве диэлектрика подложки. Подобный подход позволил уменьшить габариты бортовой антенны в 2-2,5 раза по сравнению с существующими аналогами. С помощью системы автоматизированного проектирования было осуществлено электродинамическое мо- делирование. Показаны результаты разработки модели микрополосковой (печатной) антенны дециметрового диапазона с помощью метода конечных элементов. Получены и оценены основные параметры модели, такие как коэффициент стоячей волны, диаграмма направленности и усиление. Также показано влияние корпуса сверхмалого космического аппарата CubeSat на указанные параметры. Затем осуществлено макетирование бортовой микрополосковой (печатной) антенны. Измерения проводи- лись с помощью метода эталонной антенны в АО «НИИЭМ». Результаты измерения коэффициента стоячей волны, диаграммы направленности и усиления приведены в статье. Показано хорошее совпадение результа- тов, полученных в ходе моделирования и макетирования. Таким образом, предложена и разработана малогабаритная, невыступающая бортовая антенна децимет- рового диапазона для сверхмалого космического аппарата CubeSat.
Бесплатно
Многоголовый звездный датчик 348К. Результаты наземной экспериментальной отработки
Статья научная
Рассмотрен многоголовый звездный датчик 348К, разработка которого завершилась в ОАО «НПП «Геофизика-Космос» в 2013 году. Даны описание конструкции, состав и основные характеристики прибора. Из особенностей конструкции стоит выделить монолитный корпус объектива, реализующий одновременно и посадочную плоскость. Также в приборе 348К применена специальная система - канал геометрического эталона, которая является нерасстраиваемой оптической системой и формирует на фотоприемной матрице шесть изображений для автономной оценки и компенсации систематических погрешностей определения ориентации, вызванных термомеханическими воздействиями. Приведена укрупненная программа наземной экспериментальной отработки (НЭО) и подробности наиболее важных испытаний. При испытаниях прибора 348К впервые была внедрена проверка погрешностей в условиях подвижного основания. Испытания на воздействие протонов с энергиями 50, 100 и 200 МэВ под различными углами падения на фотоприемную матрицу (ФПМ) проводились с целью количественной и качественной оценки влияния падающих протонов на изображение. По результатам анализа возникающих устойчивых дефектных пикселей на ФМП было определено, что наибольший прирост дефектов возникает при энергии 200 МэВ. В ходе натурных испытаний были проведены измерения времени построения начальной ориентации. По результатам натурных испытаний были оценены случайные составляющие погрешностей определения ориентации одним блоком оптическим (БО) и двумя БО за 15 мин работы. Задачей натурных испытаний являлось подтверждение работоспособности прибора по реальным звездам, т. е. подтверждение правильности выбранных алгоритмических решений, а также методов обеспечения точности и чувствительности. Вся программа НЭО была выполнена успешно, результаты всех испытаний положительные. По результатам испытаний был выпущен итоговый отчет о НЭО. После проведения наземных испытаний первого штатного прибора 348К в составе космического аппарата было получено заключение о допуске к летным испытаниям, начало которых состоялось в 2014 году. По первой телеметрической информации видно, что прибор 348К работает и функционирует нормально, выдаёт кватернион ориентации и следит за звёздами в штатном режиме.
Бесплатно
Мобильная система имитации невесомости для крупногабаритных космических аппаратов
Статья научная
Исследуется проблема возможности создания системы имитации невесомости в наземных условиях для крупногабаритных космических аппаратов. Предлагается упрощение и унификация конструкции системы имитации невесомости для подвижных элементов трансформируемых механизмов КА за счет блока управления на основе компьютера и микроконтроллера, соответствующего ПО и необходимого количество модулей обезвешивания. Предлагаемая система имитации невесомости не ограничивает зону проведения монтажносборочных работ с космическим аппаратом, т. е. может быть расположена в цехах, оборудованных подвесными кранами или кран-балками, не создавая помех для их работы, т. е. может монтироваться по месту на стенах, потолке и в сложенном состоянии не занимать рабочее пространство над космическим аппаратом. Система имитации невесомости позволяет обезвешивать элементы конструкции, имеющие разную скорость движения, и преодолевать сложные траектории движения в процессе раскрытия, таким образом, имеется возможность постоянно удерживать весь объект в целом в обезвешенном состоянии. Кроме того, система имитации невесомости позволяет снимать весовые характеристики (посредством весоизмерительной ячейки) при наземных испытаниях - экспериментальном уточнении параметров при физической отработке механизмов раскрытия антенных систем космического аппарата. Данные впоследствии используются для более качественной имитации невесомости при раскрытии антенных систем космического аппарата. Дается обоснование перспективности применения данной системы имитации невесомости, указываются её преимущества по сравнению с другими системами имитации невесомости.
Бесплатно
Статья обзорная
Рассматривается компьютерное моделирование крупногабаритного трансформируемого рефлектора КА надувного типа, основанного на постановке задачи механики деформируемого твердого тела.
Бесплатно
Статья научная
Представлены результаты моделирования и апробирования на аппаратном отладочном устройстве модели бортового компьютера для малых и сверхмалых космических аппаратов, созданной на основе открытых IP-блоков.
Бесплатно
Моделирование взаимодействия звеньев волновых зубчатых передач
Статья научная
Рассмотрено моделирование контактного взаимодействия зубьев волновой зубчатой передачи с коротким гибким колесом. Показано влияние рабочей нагрузки на характер контактного взаимодействия зубьев.
Бесплатно
Моделирование движения спутника в топоцентрической системе координат
Статья научная
Рассмотрена задача определения координатно-временной зависимости местоположения искусственных спутников Земли относительно топоцентрической системы координат. Проведен обзор и анализ факторов, влияющих на погрешность определения координат.
Бесплатно
Статья научная
Проанализированы свойства общей системы разрешающих уравнений плоской задачи упругости для среды, армированной двумя семействами волокон, расположенных в направлениях произвольных изогональных траекторий. Предлагаемая методика позволяет исследовать краевые задачи для семейств равнонапряженных и нерастяжимых волокон с различными упругими свойствами и получать зависимости решений от выбора граничных интенсивностей армирования, формы контура, внешней нагрузки, условий равнонапряженности.
Бесплатно
Статья научная
Основными требованиями, предъявляемыми к газогенераторам жидкостных ракетных двигательных установок (ЖРДУ), являются высокая стабильность работы, простота управления рабочим процессом, а также высокая работоспособность генераторного газа. Особо сложная задача - обеспечение устойчивости рабочего процесса. Кроме вероятности возникновения поперечных колебаний во внутрикамерном объеме, из-за наличия присоединенных к реакционной камере дополнительных объемов различной конфигурации и протяженности могут возникать акустические колебания сложных продольных мод. Большая часть существующих методик испытаний газогенератора носит критериально-эмпирический характер и основана на обработке экспериментальных результатов, что не всегда обеспечивает требуемую точность расчета динамических и тепловых характеристик. Необходимость экспериментально-теоретического уточнения расчетных методик термодинамических процессов газогенераторов является актуальной задачей, которая позволит существенно снизить материальные и временные затраты на эскизное проектирование, испытания и доводку современных образцов двигателей и энергосиловых установок летательных аппаратов. Поэтому расчет и анализ газогенератора жидкостного ракетного двигателя (ЖРД) является важным этапом при проектировании и разработке современных образцов двигателей. При помощи метода конечных элементов программного пакета SOLID WORKS, построена модель двухзонного газогенератора наддува топливных баков ЖРДУ. Проведено исследование по моделированию рабочего процесса в газогенераторе, построена визуализация термодинамических процессов в изделии, получены числовые характеристики. Рассмотрена методика автономных стендовых (огневых) испытаний газогенераторов наддува топливных баков, методика верификации численных методов.
Бесплатно
Статья научная
Рассмотрены вопросы повышения требований к наземной тепловой отработке космических аппаратов (КА) в части имитации солнечного излучения в связи с выпуском негерметичных КА нового поколения. Поставленные задачи решены за счет создания эффективной системы излучения, построенной на базе современных серийно выпускаемых ламп солнечного спектра. Рассмотрено построение модели светооптической схемы имитатора Солнца в программном пакете Zemax c последующей ее параметрической оптимизацией.
Бесплатно
Моделирование отказоустойчивого элемента для аэрокосмических вычислительных комплексов
Статья научная
Моделируется отказоустойчивый КМОП-логический элемент - отказоустойчивый инвертор ОИ с резервированием на транзисторном уровне для высоконадёжных аэрокосмических применений. Такой элемент ранее использовался как функционально полный толерантный (ФПТЭ), однако при объединении четырёх входов возникает возможность парирования отказа одного любого транзистора в верхней (подключение шины «+» питания) или нижней частях схемы (подключение шины «ноль вольт»). Повышение вероятности безотказной работы становится возможным вследствие логического закона повторения. Для реализации элемента 2И-НЕ необходимо увеличение числа входов до восьми. Предлагаемое резервирование может быть использовано в радиационно стойкой аппаратуре аэрокосмических вычислительных комплексов. Выигрыш по сравнению с троированием (мажоритированием) на уровне элемента может в ряде случаев обеспечиваться за счёт исключения мажоритарного органа. С целью тестирования отказоустойчивых элементов на этапе производства и/или эксплуатации предлагается использовать раздельное управление питанием подложек транзисторов, причём после такого тестирования питание осуществляется от одного источника. Моделирование отказоустойчивого КМОП-логического элемента выполняется в системе схемотехнического моделирования NI Multisim 10 фирмы National Instruments Electronics Workbench Group и подтверждает работоспособность предложенных технических решений. Рассматривается статическое и динамическое моделирование, делается вывод о возможности тестирования таких элементов путём использования раздельного питания по подложкам резервированных транзисторов.
Бесплатно
Статья научная
Представлены результаты работ по определению взлетной массы и тяги двигателей воздушного судна в процессе разбега по данным бортового самописца, фиксирующего воздушную скорость. Описаны математические методы, применяемые в процессе идентификации. Дана оценка точности этих методов.
Бесплатно
Статья научная
Представлено исследование тепломассобмена в микроканалах на основе нитевидных монокристаллов кремния теплообменных элементов для телекоммуникационных систем космической техники, модулей управления наземного базирования. Целью настоящей работы является разработка математических моделей и проведение численного моделирования тепломассопереноса для микроканального теплообменника гибридной системы тепловой защиты на основе монокристаллов кремния. Система тепловой защиты должна обеспечивать стабильную работу электронного оборудования в широком диапазоне температур окружающего воздуха (от -40 до +60 °С), а термостатирование должно находиться в пределах ±0,1 °С. При этом массогабаритные характеристики теплообменника соотнесены с размерами электронных компонентов. Предложен вариант теплообменника на основе матрицы из нитевидных кристаллов кремния, который позволяет создать развитую поверхность, обеспечивая высокий теплосъем до 100 Вт/см2. По разработанной технологии произведены опытные образцы. Разработана математическая модель, наиболее полно описывающая процессы тепломассопереноса в микроканальных теплообменниках, определены корректные граничные условия. Проведено численное моделирование процессов тепло- и массопереноса. Построены зависимости перепада давления, температуры от расхода охладителя, определены подходы для нахождения геометрических характеристик эффективного ребра на основе монокристаллов. Определены зависимости температур монокристаллического ребра от его высоты и пространственного расположения. Исследованы критические режимы работы системы. С целью оптимизации теплогидравлических характеристик предложены новые конструкции теплообменных элементов из монокристалла кремния для проведения дальнейших исследований.
Бесплатно
Моделирование устройства защитного отключения сетей постоянного тока
Статья научная
Проводится моделирование предложенной авторами схемы устройства защитного отключения сетей постоянного тока, отличающегося использованием датчика тока утечки на основе эффекта Холла, обладающего высокой точностью и позволяющего осуществить гальваническую развязку информационных цепей от силовых. Рассмотренная схема отличается использованием микроконтроллера, имеющего аналого-цифровой преобразователь, а также встроенную аналоговую часть в виде нескольких компараторов, что позволяет применять различные способы обработки сигналов. Рассматриваются варианты схемы с цифровой и аналоговой обработкой сигналов датчиков тока утечки и тока нагрузки. Моделирование произведено в пакете Simulink путем определения передаточных функций датчиков тока, а также основных звеньев цепи обработки сигналов. Для определения быстродействия рассмотренных схем обработки сигналов на вход системы подается сигнал, имитирующий скачок тока утечки или нагрузки, превышающий уставку срабатывания устройства. Выходным сигналом системы является сигнал отключения, подаваемый на размыкающий ключ. Измеряя время, прошедшее от момента пересечения током уставки до появления сигнала размыкания цепи, можно определить быстродействие схемы. Рассматривая задержки элементов системы, можно определить вклад каждого из них в общее быстродействие. Произведен анализ быстродействия каждой из схем и вклад каждого из компонентов в общее быстродействие устройства. Также производится анализ функциональных возможностей обработки сигнала каждой из схем, таких как фильтрация помех и корректировка нелинейности характеристик датчиков тока. Анализируются достоинства и недостатки рассмотренных схем, их пригодность для защиты людей и оборудования от поражения электрическим током в бытовых условиях и на производстве, в соответствии с общими требованиями, установленными в государственных стандартах для устройств защитного отключения малых и больших токов нагрузки. Рассмотренное устройство может применяться в цепях постоянного тока электропитания энергосистем космических аппаратов для исключения возникновения аварийных ситуаций. Приведены рекомендации по дальнейшему улучшению предложенной схемы с целью достижения более высокого быстродействия, что обеспечит универсальность применения предложенного устройства. Определены требования по быстродействию к размыкающему устройству и даны рекомендации по его реализации.
Бесплатно
Статья научная
Одним из важных этапов эксплуатации самолетов является гонка двигателей - проверка работоспособности силовых установок летательных аппаратов на специально оборудованных газоотбойниками площадках. Продолжительность данного этапа зависит от двигателей, установленных на самолетах, и может достигать 30 минут, как, например, для рассматриваемого в статье самолета Ан-12. При этом загрязняющие вещества, образующиеся в результате сгорания топлива, оседают на территории места для опробования двигателей и наносят значительный урон окружающей среде. Целью настоящего исследования является разработка модели для анализа поведения струй выхлопных газов при столкновении с газоотбойником и анализа возможных химических реакций продуктов сгорания топлива с кислородом воздуха. Качественный и количественный результат получен путем математического моделирования процесса опробования двигателей. В качестве геометрической модели принята двумерная модель самолета в плане и места для гонки. Кинематическая модель описывает максимальный режим рассматриваемого процесса, характеризующегося полным сгоранием топлива. Построены возможные химические реакции выхлопных газов с кислородом воздуха. Численная реализация данной задачи осуществлена с применением программного продукта Ansys Fluent. Результаты расчета показывают, что выхлопные газы при достижении газоотбойника претерпевают изменение траектории (рассеивание) и потерю скорости. При этом массовые доли продуктов сгорания топлива достигают своего максимального значения на срезе сопла, а массовые доли веществ, образующихся в ходе реакций с кислородом воздуха, - на границе струй с окружающей средой. Протекание реакций способствует увеличению области распространения загрязняющих веществ, полученных в результате окисления, по сравнению с веществами на срезе сопла. Результаты анализа указанных процессов позволяют провести дальнейшее исследование, направленное на уменьшение загрязнения территорий для гонки двигателей. В последующем они могут быть применены на аэродромах, снабженных площадками для гонки двигателей, с целью снижения концентраций загрязнения на приаэродромных территориях.
Бесплатно
Моделирование энергетических характеристик электродинамических тросовых систем
Статья научная
Рассмотрены вопросы математического моделирования электродинамических тросовых систем. Разработана математическая модель электродинамической тросовой системы, позволяющая определить зависимость характеристик системы от положения на орбите и параметров троса, а также область наиболее эффективного использования системы в качестве источника электроэнергии космического аппарата.
Бесплатно
Модель влагопоглощения материалов, применяемых при производстве антенн космических аппаратов
Статья научная
Рассмотрены процессы, протекающие при нахождении полиимидных пленок и углепластика в воздушной среде с различной влажностью. В космических аппаратах (КА) часто применяются различные полимерные материалы, в том числе полиимидные пленки и углепластики. Рефлекторы антенн из композиционных материалов для обеспечения требуемых радиотехнических характеристик покрывают тонким отражающим слоем металла, обычно алюминия. Для исключения возможной коррозии напыленного слоя на данных материалах необходимо знать количество влаги, содержащейся в объеме материала. При влагопоглощении полиимидными пленками и углепластиками происходит диффузия молекул воды, содержащихся в атмосфере, в объем материала. Для определения количества и кинетики сорбции влаги, содержащейся в окружающем воздухе, использована математическая модель, описанная Фиком. На основе уравнения Фика и условий, возникающих при построении модели для тонких полимерных материалов, получено уравнение для расчета динамики влагопоглощения полимерными материалами. По полученной модели влагопоглощения можно определить коэффициенты диффузии материалов путем термогравиметрического анализа и сопоставления полученных результатов с данной моделью. Получение и отбор материалов с пониженным значением влагопоглощения - это перспективное направление в материаловедении применительно к ракетно-космической сфере. Материалы с малым количеством поглощенной влаги позволяют производить КА с более длительным сроком активного существования и необходимы для перспективных аппаратов, в особенности с криогенным оборудованием.
Бесплатно
Модель надежности космического аппарата
Статья научная
Предложена модель для проектной оценки надежности космического аппарата.
Бесплатно
Модель течения в рабочем колесе центробежного насоса
Статья научная
В соответствии с результатами анализа особенностей зарубежной технологии проектирования и создания изделий авиационноосмической техники прослеживается сертификационная направленность всех видов работ, начиная с этапа эскизного проектирования, что предъявляет особо высокие требования к качеству расчётных методик, алгоритмов и программного обеспечения, использующихся при расчётных проработках проекта. Без опережающего уровня отечественных разработок в области моделирования гидродинамических процессов в системах летательных аппаратов (ЛА) в ближайшее десятилетие станет невозможным конкурировать с зарубежными разработчиками авиационных и ракетно-космических систем. В соответствии с современными теоретическими и экспериментальными исследованиями картина течения в проточной части лопастной машины представляет собой сложную суперпозицию основного и вторичного течения. В статье рассмотрена методика расчета течения жидкости в межлопаточном канале центробежного рабочего колеса с конечным числом лопаток, построение энергетических характеристик рабочего колеса и его оптимизация по числу лопаток. Расчет состоит из двух частей: во-первых, определение теоретического напора с учетом влияния конечного числа лопаток на основе анализа силового взаимодействия, и, во-вторых, определение гидравлических потерь в рабочем колесе интегрированием напряжений трения по ограничивающим поверхностям. Результаты обеих частей используются для оптимизации числа лопаток в рабочем колесе насоса. Аналитическим путем получены уравнение для напора в точке и коэффициент влияния конечного числа лопаток. С учетом закона трения получили выражение для потери напора. Изложенная методика расчета пространственного пограничного слоя является достаточно простой и наглядной и дает приближенные результаты, позволяющие производить оценку искомых величин. Однако существует необходимость в дальнейшей проработке метода для приведения его к виду, позволяющему рассчитывать трехмерное течение рабочего тела в канале произвольной формы. На основе результатов теоретических исследований был разработан алгоритм и программа расчета, позволяющая рассчитывать локальные значения. Результаты проведённого расчета теоретического напора в рабочем колесе могут быть использованы для уточненного расчета центробежного насоса.
Бесплатно
