Том 22, № 2 (2021)

В статье приведена постановка задачи оптимизации структуры аппаратно-программных комплексов, предназначенных для систем управления реального времени, применяемых, в том числе, в ракетно-космической отрасли. Кроме того, изучены особенности данной задачи, влияющие на выбор методов оптимизации. Делается вывод, что данная задача может быть эффективно решена с использованием эволюционных методов оптимизации.

Существующие модели производительности позволяют определять минимальную аппаратную конфигурацию многопроцессорного вычислительного комплекса. Предложенный в данной статье подход позволяет находить конфигурации, обладающие аппаратной избыточностью (по сравнению с минимальной конфигурацией), но, за счёт этого, имеющие большую вероятность нахождения в состояниях, обеспечивающих производительность, достаточную для достижения целей функционирования проектируемой системы управления реального времени. Описанный подход является более гибким, чем простое дублирование всех аппаратных компонентов минимальной конфигурации, что может быть использовано для уменьшения затрат на создание и эксплуатацию проектируемой системы управления.

Предложенная модель может быть использована для оптимизации производительности многопроцессорных аппаратно-программных комплексов систем управления реального времени. При этом нужно учитывать, что ресурсы, выделенные на создание и эксплуатацию аппаратнопрограммного комплекса, всегда ограничены. Поэтому целесообразно рассматривать задачу оптимизации производительности как многокритериальную: одним критерием будет производительность, а другим – затраты на создание аппаратно-программного комплекса.

В расчетах на прочность упругих композитных конструкций (пластины, балки, оболочки), которые широко применяются в авиационной и ракетно-космической технике, с помощью метода конечных элементов (МКЭ) важно знать погрешность решения. Для анализа погрешности решения необходимо использовать последовательность приближенных решений, построенных по МКЭ с применением процедуры измельчения для базовых дискретных моделей (БМ), которые учитывают в рамках микроподхода неоднородную, микронеоднородную структуру конструкций (тел). Дискретные модели, полученные путем измельчения БМ, имеют высокую размерность, что затрудняет для них применение МКЭ. Кроме того, существуют БМ композитных тел (КТ), например, БМ тел с микронеоднородной структурой, которые имеют такую высокую размерность, что реализация МКЭ для таких БМ, в силу ограниченности ресурсов ЭВМ, практически невозможна. Для решения данных проблем здесь предлагается в расчетах КТ по МКЭ использовать фиктивные дискретные модели.

В данной работе предлагается метод фиктивных дискретных моделей (МФДМ) для расчета на прочность упругих тел с неоднородной, микронеоднородной регулярной структурой. МФДМ реализуется с помощью МКЭ с применением скорректированных условий прочности, которые учитывают погрешность приближенных решений. В основе метода лежит следующее положение. Считаем, что БМ КТ порождают решения, которые мало отличаются от точных. В силу сходимости МКЭ такие БМ для КТ всегда существуют. Расчет КТ по МФДМ сводится к построению и расчету на прочность фиктивных дискретных моделей (ФМ), размерности которых меньше размерности БМ. ФМ отражают: форму, характерные размеры, крепление, нагружение и вид неоднородной структуры КТ и распределение модулей упругости, отвечающее БМ КТ. Последовательность, состоящая из ФМ, сходится к БМ, т. е. предельная ФМ совпадает с БМ. Сходимость такой последовательности обеспечивает равномерную сходимость напряжений ФМ к соответствующим напряжениям БМ. Реализация МКЭ для ФМ с применением многосеточных конечных элементов приводит к большой экономии ресурсов ЭВМ, что позволяет использовать МФДМ для расчетов на прочность тел с микронеоднородной регулярной структурой. Расчет на прочность КТ по МФДМ требует в 10³ ÷ 10⁶ раз меньше объема памяти ЭВМ, чем аналогичный расчет с использованием БМ КТ, и не содержит процедуру измельчения БМ. Приведенный пример расчета на прочность балки с неоднородной регулярной волокнистой структурой по МФДМ показывает его высокую эффективность. Применение скорректированных условий прочности позволяет использовать в расчетах КТ на прочность приближенные решения с большой погрешностью, что приводит к повышению эффективности МФДМ.

Современные и перспективные динамические системы комплексов авиационного вооружения Воздушно-космических сил (далее – системы) характеризуются усложнением структуры и повышением требований к надежности и эффективности функционирования. Более того, системы поколения 4++ и 5 достаточно уникальны и (или) малосерийны, а составляющие их элементы в своей основе миниатюрны и дороги, поэтому необходимым условием при выполнении требований контролепригодности к системам и составляющим элементам является максимально возможное сохранение качества исходного базиса при неизбежной новой трактовке дополнительной информации. Дальнейшее внедрение в практику решения задач технической диагностики (ТД) технологий искусственного интеллекта позволяет получать адекватные результаты практически с любой точностью. Достоверность результатов будет определяться исключительно пунктуальностью задания данных и полнотой математического описания систем, процессов и событий рассматриваемой предметной области. Поэтому следует ожидать, что дальнейшее развитие теории и практики ТД будет идти по пути более глубокого изучения физических процессов, происходящих в системах, и более точного математического задания процедур поиска места отказа систем. Целью работы установлена разработка взаимосвязанной совокупности математических и логических блок-схем получения и применения диагностических знаний в программно-математическом обеспечении современных и перспективных бортовых средств контроля технического состояния (ТС) систем. Приоритетным направлением в подобных исследованиях является дифференцированная селекция апробированных методов ТД с выбором соответствующего математического и алгоритмического аппарата прямого вероятностного моделирования систем. Представлена блок-схема и рассмотрен вариант практического приложения разработанного алгоритма последовательного распознавания отказов систем (далее – алгоритм, если из контекста изложения материала ясно, что речь идет именно о разработанном алгоритме). С применением алгоритма отсутствует необходимость в декомпозиции систем, а потенциал многократных повторений результатов случайного процесса смены ТС систем предопределяет возможность получения больших выборок с высокой точностью программной компиляции.

С проблемой акустической неустойчивости горения сталкиваются многие разработчики новых ракетных двигателей твердого топлива больших тяг. Явление резонансного горения твердого топлива сопряжено с рядом специфических особенностей. Полости камер сгорания таких двигателей имеют сложные геометрические формы. Газовый канал выполняется достаточно протяженным. Его длина обычно превышает пять и более калибров. Толщина фронта пламени измеряется микрометрами и зона горения локализуется по открытой поверхности топлива. Фронт пламени зачастую оказывается способным усиливать возмущения давления на частоте одной из собственных акустических мод, если пучность волны приходится на тонкую зону горения. Колебательный процесс может быть регулярным или спорадическимени Чаще всего наблюдаются резонансы продольной акустической моды. Однако встречались случаи колебания одновременно двух мод. В некоторых случаях в процессе работы двигателя амплитуда возникших колебаний начинала уменьшаться и процесс горения становился почти квазистационарным. Автоколебательные процессы в камерах сгорания РДТТ имеют пороговую чувствительность к забросам давления. Амплитуды колебаний могут составлять несколько десятков процентов, порой достигая номинального рабочего давления в камере. Амплитудно-частотные характеристики колебаний чувствительны к составу топлива, откликаясь на изменения химического состава, а также и на механические свойства топлива. Области неустойчивых режимов определенно связаны с геометрией газовой полости. Вместе с колебаниями давления на процесс горения влияют газодинамические факторы, существенная неравномерность параметров газового потока по длине канала, его турбулентность и другие факторы. При проектировании РДТТ необходима оценка частот собственных акустических резонансов камер сгорания.

В статье рассматривается методика определения частот собственных резонансов первого и второго тона продольной моды акустических колебаний в камерах сгорания ракетных двигателей твердого топлива. Газовый тракт камеры сгорания разбивается на однородные участки, для которых представлены решения волнового уравнения. Для определения собственных частот и распределения колебательных давлений и скоростей использован метод «сшивания» акустических полей на границах полостей.

В работе представлена оптимизация расположения интерфейсных точек приборной панели космического аппарата (КА) с помощью модального анализа, а также проведен квазистатический расчет исследуемой панели, подтверждающий эффективность предложенных изменений конструкции панели. Приборная панель представляет собой трехслойную сотовую конструкцию, состоящую из двух алюминиевых пластин и сотового заполнителя. Сотовые панели обладают рядом достоинств: небольшая масса конструкции, высокая жесткость, удельная прочность. С помощью конечно-элементного моделирования определен диапазон собственных частот и форм колебаний приборной панели, что позволило определить оптимальное расположение точек крепления панели к корпусу КА для увеличения нижней границы диапазона собственных частот и повышения её несущей способности.

В настоящей работе рассмотрена концепция использования методов расчета и проектирования энергетических установок ракетных двигателей для конверсионного моделирования локальной энергетики арктических и северных районов Красноярского края с очевидным обобщением на соседние административные формирования со сходными климатическими и структурно логистическими условиями. Предложенная структура содержит блоки электрогенерации, привязанные как к промышленным отходам деревообработки, так и к природным и промышленным тепловым хвостам, идентифицируемым как источники низкопотенциального тепла, а также в качестве источника предложены современные реакторные установки малой мощности блочного необслуживаемого исполнения. Объединяющим элементом энергоустановок является турбогенератор, спроектированный с учетом использования нетрадиционного, часто бросового и природного низкопотенциального тепла.

MAX-фазы представляют собой семейство тройных слоистых соединений с формальной стехиометрией M_n+1AX_n (n = 1, 2, 3…), где М – переходный d-металл; А – p-элемент (например, Si, Ge, Al, S, Sn и др.); Х – углерод или азот [1]. Слоистые тройные карбиды и нитриды dи p-элементов (MAX-фазы) проявляют уникальное сочетание свойств, характерных как для металлов, так и для керамики, что делает их применение перспективным в космической отрасли в качестве различных покрытий. Получение требуемых свойств MAX-фаз зависит от технологических условий синтеза материала. Для этого необходимо тщательное теоретическое моделирование взаимодействия элементов на границе раздела. Одновременный рост конкурирующих фаз наряду с MAX-фазой может происходить из-за выгодности образования конкурирующих фаз, а также из-за более низкоэнергетического интерфейса с подложкой по сравнению с MAX-фазой. В данной работе мы изучаем термодинамическую выгодность конкурирующих фаз и MAX-фазы Cr₂GaC в зависимости от химического состава потока атомов. Для изучения этих соединений было необходимо рассмотреть систему Cr-Ga-C. Согласно модели эффективной теплоты образования каждую реакцию образования некоторой фазы можно охарактеризовать энтальпией [2]. Для выяснения наиболее выгодных к формированию фаз было необходимо произвести расчёт энтальпии для всех возможных реакций. Таким образом, задача состояла в переборе всех возможных реакций между чистыми элементами, доступными в различных соотношениях, в частности, в соотношении, соответствующем заданной стехиометрии MAX-фазы, т. е. Cr:Ga:C=2:1:1. Кроме того, считается, что плотность совпадающих узлов [3; 4] для границ раздела между MAX-фазой, термодинамически выгодными конкурирующими фазами и поверхностью MgO(111) показывает роль интерфейса при определении структурного качества тонкой плёнки MAX-фазы, выращенной на MgO(111).

Постоянное совершенствование высокотехнологичных приборов требует от науки постоянного развития технологий и поиска новых материалов. На сегодняшний день развитие области магнетизма достигло очень широких знаний, что позволило создать и изучить множество искусственных ферромагнитных материалов, которые уже сейчас активно применяются в науке и технике. Последние научные знания показывают, что один и тот же материал в различном состоянии может проявлять разные электрические, магнитные свойства. Так в современных приборах активно применяются тонкие магнитные пленки. Физические процессы в тонких пленках протекает иначе, чем в массивных материалах. В результате пленочные элементы имеют характеристики, отличные от характеристик массивных образцов и позволяют наблюдать эффекты, не свойственные массивным образцам. Пленка – это тонкий слой связанного конденсированного вещества, толщина которого сравнивается с расстоянием действия поверхностных сил; представляет собой термодинамически стабильную или метастабильную часть гетерогенной системы «пленка – подложка». Дальнейшее изучение пленочных структур привело к созданию и исследованию многослойных магнитных систем. В таких структурах возможно присутствие как слоёв различных ферромагнитных материалов, так и неферромагнитных прослоек, а свойства многослойных систем могут значительно отличаться от свойств любого из компонентов системы. Для практики эти материалы также имеют множество применений, в том числе, радиосвязь и геологоразведка. В нашем эксперименте методом молекулярно-лучевой эпитаксии при совместном осаждении Fe и Si синтезированы ферромагнитные тонкие пленки силицида Fe₃Si. На подложке SiO₂/Si(111) была получена поликристаллическая пленка силицида, а на Si(111)7×7 – монокристаллическая. Структура была исследована с помощью дифракции отраженных быстрых электронов непосредственно в процессе роста. Методом ферромагнитного резонанса была изучена магнитная анизотропия полученных образцов. Установлено, что поликристаллическая пленка характеризуется одноосной магнитной анизотропией, которая составляет 13.42 Э и формируется в следствие «косого» напыления. А магнитная анизотропия для монокристаллической пленки Fe₃Si формируется в большей степени внутренними магнитокристаллическими силами.