Том 19, № 1 (2018)

Вопрос обеспечения прочности, ресурса и живучести конструкции космического аппарата с помощью комплексов математического моделирования - современная тенденция проектирования спутников. Данный подход основан на сокращении сроков подготовки изделия к запуску. В частности, это происходит за счет уменьшения объема проведения вибрационных испытаний космического аппарата (КА). На примере вибраци- онных испытаний платформы модуля служебных систем «Экспресс-1000К» рассматривается методика про- ведения верификации математической модели спутников связи, выводимых парной полезной нагрузкой. Выбор данного объекта исследования обусловлен принципиальной схемой построения современных космических аппа- ратов, основанных на модульном принципе. Модуль служебных систем является основной несущей конструк- цией космического аппарата, способной интегрироваться с любой полезной нагрузкой (информационное обес- печение, научные исследования, геодезия и дистанционное зондирование, навигация), и является универсальным инструментом при построении спутника. При испытаниях гармонической вибрацией хорошо идентифициру- ются первые продольные и поперечные тона колебаний космического аппарата, которые достаточно легко прогнозируются с использованием конечно-элементной модели. Исходя из этого, точность результатов про- гнозов зависит в большей степени от сложности моделируемой конструкции и используемой процедуры моде- лирования. Приводится методика конечно-элементного моделирования космических аппаратов, выводимых парной полезной нагрузкой, получены динамические характеристики объекта исследования расчетным и экспериментальным методами. Проведена процедура идентификации по методу «модального согласия». Рассмотренная методика верификации позволяет производить оперативную корректировку конечно- элементной модели космических аппаратов. Конечно-элементная модель, полученная по результатам верифи- кации, позволяет эффективно проводить оценку поведения КА уже на этапе проектирования, что дает воз- можность сократить время проведения вибрационных испытаний космических аппаратов. Основные резуль- таты данного исследования применены при верификации математических моделей современных космических аппаратов, разрабатываемых в АО «ИСС». Отмечена важность применения методов верификации матема- тической модели изделия на предварительном (проектном) этапе создания космического аппарата.

Описывается проектное решение передачи сигнала с камеры на сенсорный дисплей. Данное решение разра- ботано на основе ППВМ-технологии с использованием программного обеспечения Xilinx Vivado 2015.2 и SDK 2015.2. Демонстратор, представленный в работе, включает плату-носитель MicroZed 7020, 7-дюймовый сен- сорный дисплей от компании Avnet и промышленную камеру Toshiba 1080Р60 от компании Avnet. Камера пере- дает full HD видеосигнал со скоростью 60 кадров в секунду на плату MicroZed 7020, которая обрабатывает видеосигнал и посылает его на ЖК-дисплей с активной площадью 800×480 пикселей. Поскольку разрешение дисплея меньше, чем разрешение камеры, на дисплее отображается только фрагмент целего видеокадра, тогда как полное изображение сохраняется в памяти на плате. Просмотреть целое изображение возможно, перемещаясь по сенсорному экрану при помощи касания, просматривая отдельные фрагменты изображения. Данное проектное решение может быть использовано, например, в качестве монитора заднего вида в авто- мобиле, тем самым извлекается польза из сенсорных технологий.

Рассмотрено построение нового класса моделей в условиях неполной информации. Речь идет о многомерных безынерционных объектах для случая, когда компоненты вектора выходов стохастически зависимы, причем характер этой зависимости априори неизвестен. Исследование многомерного объекта неизбежно приводит к системе неявных зависимостей выходных переменных объекта от входных, но в данном случае подобная зависимость распространяется и на некоторые компоненты вектора выходов. Ключевым вопросом в данной ситуации является определение характера этой зависимости, для чего и необходимо наличие в той или иной степени априорной информации. Учитывая, что основным назначением модели подобного рода объектов является прогноз выходных переменных при известных входных, необходимо решать систему нелинейных неявных уравнений, вид которых на начальной стадии постановки задачи идентификации неизвестен, а известно лишь, что та или иная компонента выхода зависит от других переменных, определяющих состоя- ние объекта. Таким образом, возникает довольно нетривиальная ситуация решения системы неявных нелинейных урав- нений в условиях, когда собственно самих уравнений в обычном смысле нет. Следовательно, модель объекта (а эта основная задача идентификации) не может быть построена так, как это принято в существующей теории идентификации в результате недостатка априорной информации. Если бы можно было параметризо- вать систему нелинейных уравнений, то при известном входе следовало бы решить эту систему, поскольку она в данном случае известна, раз этап параметризации преодолен. Основным содержанием настоящей ста- тьи является решение задачи идентификации при наличии Т-процессов и при том, что этап параметризации не может быть преодолен без дополнительной априорной информации об исследуемом процессе. В этой связи схема решения системы нелинейных уравнений (которые неизвестны) может быть пред- ставлена в виде некоторой последовательной алгоритмической цепочки. Сначала на основании имеющейся обучающей выборки, включающей наблюдения всех компонент входных и выходных переменных, формируется вектор невязок. А уже после этого оценка выхода объекта при известных значениях входных переменных строится на основании оценок Надарая-Ватсона. Таким образом, при заданных значениях входных перемен- ных Т-процесса мы можем осуществить процедуру оценивания прогноза выходных переменных. Многочисленные вычислительные эксперименты по исследованию предлагаемых Т-моделей показали дос- таточно высокую их эффективность. Приводятся результаты вычислительных экспериментов, иллюстри- рующих эффективность предлагаемой технологии прогноза значений выходных переменных по известным входным

В настоящее время для перевода космических аппаратов с низкой околоземной орбиты на геостационар- ную наиболее широко используются двигательные установки двух типов - химические и электроракетные. Каждый тип имеет свои преимущества и недостатки. Применение какого-то одного из них не всегда удовле- творяет противоречивым требованиям к эффективности маневра вывода. Возможным решением может быть использование комбинированной двигательной установки, состоящей из жидкостного ракетного и электроракетного двигателей. Такая комбинация позволяет выводить космический аппарат быстрее и эффективнее с точки зрения большей массы полезной нагрузки и затрат по сравнению с наличием только одного типа: электроракетного либо жидкостного ракетного двигателя. Электроракетные двигатели (плаз- менные или ионные) нуждаются в источниках энергии. Обычно для этих целей применяются солнечные бата- реи. Идея применения подобной комбинированной двигательной установки, состоящей из солнечной электро- ракетной установки и разгонного блока «Фрегат», рассматривалась в рамках НИР «Двина ТМ». Применение комбинированной двигательной установки такого вида совмещения требует еще на этапе проектирования определения рациональных энергетических характеристик различных типов двигателей. Для обоснованного выбора необходима информация о влиянии отдельных параметров двигательной установки на итоговые характеристики маневра. При выводе космическому аппарату приходится преодолевать радиационные пояса Земли, при этом элемен- ты его конструкции подвергаются интенсивному воздействию заряженных частиц, что может значительно ограничить срок активного существования. Используя комбинированную двигательную установку, можно значительно сократить время нахождения космического аппарата в области с высоким уровнем радиации. Рассмотрены различные сценарии вывода КА с низкой околоземной на расчетную геостационарную орбиту и оценки полученных при этом аппаратурой суммарных доз радиации. Различные варианты применения комби- нированной двигательной установки (варьирования тягой) позволяют оптимизировать маневр КА и снизить интегральную дозу радиации. В результате был предложен метод оценки влияния энергетических характеристик комбинированной двигательной установки с учетом прохождения радиационных поясов Земли, создана программа, проведены расчеты и выполнен анализ полученных результатов.

В создании связных космических аппаратов с крупногабаритными трансформируемыми антеннами имеются тенденции к увеличению частот рабочего диапазона, снижению удельной массы и возрастанию общих габа- ритов конструкций. Улучшение технических характеристик связных космических аппаратов с крупногаба- ритными антеннами невозможно без обеспечения требуемой точности наведения диаграммы направленно- сти, коэффициента усиления в её максимуме. Факторы, влияющие на конечное качество крупногабаритных конструкций космического назначения, и ан- тенн в частности, присутствуют на всем жизненном цикле данной продукции: от проектирования и изготов- ления до испытаний и эксплуатации в натурных условиях. При этом прямое устранение причин, негативно влияющих на конечный результат, зачастую является экономически невыгодным при нынешнем развитии технологического обеспечения данных наукоемких производств. В связи с этим контроль конечных эксплуата- ционных характеристик крупногабаритных антенн космических аппаратов в натурных условиях и, в случае необходимости, парирование их отступлений от требуемых значений являются наиболее оптимальными с точки зрения отношения результат/затраты. Данный подход реализуется при определении диаграммы направленности бортовой антенны и компенсации её искажения в процессе эксплуатации космического аппа- рата по целевому назначению. Существуют два способа измерения диаграммы направленности на орбите. Первый способ основан на из- мерениях радиотехнических характеристик, производимых по наземным станциям обслуживания космических аппаратов. Данный способ, несмотря на приемлемую точность, имеет ряд недостатков. Например, использо- вание данной методики увеличивает количество требований к наземным станциям - их количеству, размеще- нию и характеристикам применяемой аппаратуры. Второй способ основан на определении радиотехнических характеристик, исходя из формы и положения рефлектора антенны. Рефлектор представляют в виде облака измеренных точек, которые отражают отклонения формы и положения конструкции от проектных значе- ний. Для реализации измерений диаграммы направленности по второму способу необходимо разработать сис- тему контроля геометрии антенны, предназначенную для измерения координат точек поверхности рефлектора. Для выполнения целевых задач системы имеет место следующая схема: измерительная аппаратура, размещен- ная на корпусе космического аппарата, и контрольные элементы, размещенные на элементах конструкции. Такая конфигурация системы позволяет представлять элементы конструкции антенны в виде облака кон- трольных точек. В рамках работ по разработке этой системы проведен проектный анализ возможности применения изме- рений геометрии антенны для расчета диаграммы направленности и дальнейшей оценки её отклонения от проектных значений. Проведена оценка необходимого количества измеряемых контрольных точек поверх- ности рефлектора. Для этих целей был выбран Ku-диапазон частот как один из наиболее популярных диапазо- нов частот, используемых в телекоммуникационных космических аппаратах. Были рассмотрены несколько вариантов наборов точек. Среди них были наборы точек, принадлежащих как недеформированному, так и деформированному профилю рефлектора. По каждому набору был произведен расчет диаграммы направлен- ности антенны. Проведено сравнение визуальных представлений фокального луча и коэффициента направлен- ного действия. В ходе анализа полученных данных было определено минимально необходимое количество контрольных точек для расчета диаграммы направленности с требуемой точностью. Полученные данные были учтены при формировании требований к системе орбитального контроля геометрии антенны.

Области применения космических аппаратов в современном мире достаточно обширны: спутниковая связь, широкополосное и узкополосное вещание, метеорология, научные исследования и пр. Именно поэтому современные космические аппараты используют все последние достижения науки и тех- ники. Это позволяет создавать легкие, компактные космические аппараты с широким функционалом. К приборам, разрабатываемым в АО «НПЦ «Полюс», предъявляются требования повышенной надежности как в штатных, так и нештатных режимах работы. Одной из сфер применения подобных приборов является проектирование космических аппаратов. Главной задачей при проектировании и изготовлении приборов и узлов является обеспечение надежности. Это первостепенное требование к штучным несерийным изделиям, для которых ремонт при серьезных неис- правностях чрезвычайно трудоемок. В то же время к ним предъявляются серьезные требования к массовым, габаритным характеристикам, энергопотреблению, полезным нагрузкам, шумовым характеристикам отдельных блоков и приборов, а также прочим техническим параметрам. Однако следует учитывать, что при высоких требованиях к характеристикам процесс создания изделий должен быть технологичен. Существуют различные методики определения надежности приборов и узлов технических устройств. Одним из таких способов является проведение целого комплекса испытаний, имитирующих полный цикл функ- ционирования прибора или устройства. Однако экспериментальные методики имеют существенные недос- татки, а именно, высокую стоимость и большую временную длительность. Математическое моделирование позволяет уменьшить расходы на макетное проектирование, сократить время разработки, уменьшить риски, выявить слабые места, разработать рекомендации по усилению конструкции и дать предварительное заклю- чение о стойкости прибора к нагрузкам. Наряду с термическими, электростатическими и частотными характеристиками важную роль играют механические воздействия. Динамические и статические нагрузки. Представлены результаты моделирования внешних механических воздействий на прибор. Проведено численное моделирование квазистатического нагру- жения и воздействия на прибор случайной вибрации, проведен модальный анализ. Получены моды колебаний первых трех резонансных частот прибора, эпюры напряжений, перемещений и ускорений. Определены коэф- фициенты запаса прочности, максимальные значения перемещений и ускорений при ударных воздействиях.

Результаты экспериментальных исследований в сочетании с методами моделирования и прогнозирования свойств твердосплавных композитов показывают, что модифицирование с помощью добавок керамических наночастиц и композиционных порошков (WC-Co) позволяет управлять параметрами микроструктуры и обеспечивает повышение прочности связующего и уровня физико-механических свойств твердого сплава в целом. Одновременное комплексное применение субмикрокристаллических карбидов WC, покрытых слоем связки Co, и легирующих добавок наночастиц Аl2O3 - ингибиторов роста зерна основной фазы, можно рас- сматривать как наиболее перспективное направление производства наноструктурированных твердых сплавов с повышенной твердостью, прочностью и трещиностойкостью. Покрытие карбидных частиц слоем связки является эффективным стартовым методом, позволяющим получать объемные заготовки с сохранением уни- кальных свойств исходных нанопорошков, и обеспечивает равномерное распределение фаз (WC, Co, Аl2O3). Такой многофазный фрагментарно наноструктурированный композит характеризуется дополнительной гетероген- ностью, определяемой различиями размеров и упругих свойств фаз. Комбинируя размеры и свойства фазовых составляющих в таком гетерогенном композите, можно обеспечить увеличение энергии разрушения, т. е. трещиностойкости, по Палмквисту до 16-18 МПа м1/2 (за счет торможения на включениях наночастиц, релаксации напряжений и изменения траектории интеркристаллитной трещины, уменьшения ее длины). На основе предложенных стереологических моделей и экспериментальнo установленных взаимосвязей между составом и параметрами микроструктуры были определены требуемые объемные концентрации добавок наночастиц и композитных порошков (WC-Co).

На сегодняшний день для энергообеспечения подавляющего большинства космических аппаратов исполь- зуются солнечные батареи, состоящие из солнечных элементов, структура которых образована тремя десятками нано- и микроразмерных эпитаксиальных слоев на основе материалов AIIIBV, формирующих каскады InGaP / InGaAs / Ge. Приведены результаты исследования экспериментальных образцов тонких монокристалли- ческих эпитаксиальных слоев типа InxGa1-хP с различным содержанием индия и галлия (x = от 38 до 53 %), выращенных методом газофазной эпитаксии из металлоорганических и гидридных соединений в установке промышленного типа на германиевой подложке. Предметом исследования является влияние параметров эпи- таксиального роста на характеристики кристаллической структуры. Расчетным методом получено соотношение компонентов третьей группы в газовой фазе из заданных тех- нологических параметров. Исследованы кривые качания, полученные с помощью высокоразрешающей двухкри- стальной рентгеновской дифрактометрии, рассчитан параметр решетки и соотношение индия и галлия в твердой фазе. В диапазоне от 45 до 53 % наблюдается высокое совершенство монокристаллической струк- туры с незначительным уширением дифракционных рентгеновских пиков. Показано, что критерием оценки качества выращенной структуры наряду с рассогласованием дифракционных максимумов может служить уширение дифракционного пика структуры. Также соотношение In / (In + Ga) в твердой фазе получено посредством метода измерения эффекта фотолюминесценции. При сравнении данных, полученных с помощью рентгеновской дифрактометрии и метода измерения эффекта фотолюминесценции, показано, что определе- ние состава с помощью метода измерения фотолюминесценции следует рассматривать только оценочно.

Описаны материалы на основе твердых растворов GdxMn1-xS и GdxMn1-xSe, которые в перспективе могут использоваться в аэрокосмической отрасли в качестве сенсоров, датчиков, устройств записи-считывания информации. В твердых растворах GdхMn1-xA (A = S, Se) (x ≤ 0,2) проведены измерения емкости и тангенса угла диэлек- трических потерь на частоте 10 кГц без магнитного поля и в магнитном поле 8 кЭ в интервале температур 100-500 К. Обнаружен рост диэлектрической проницаемости и максимум диэлектрических потерь в области низких температур. Найдено смещение температуры максимума мнимой части диэлектрической проницаемости в сторону высоких температур с ростом концентрации. Для двух составов обнаружен магнитоемкостный эффект. Магнитоемкостный эффект δεН = (ε(Н,T) - ε(0,Т))/ε(0,Т)) был определен в результате исследования комплексной диэлектрической проницаемости. Синтез новых халькогенидных соединений при катионном замещении марганца гадолинием в системах MnS и MnSe позволит выяснить влияние анионной системы в результате исследования его диэлектрических свойств с концентрацией в области протекания ионов гадолиния по решетке x ≤ 0,2. Диэлектрические потери описываются в модели Дебая с замерзанием дипольных моментов и в модели орбитально-зарядового упорядочения.

Спутниковые системы продолжают играть важную роль в развитии рынка услуг связи и вещания, предос- тавляя эффективное техническое решение для передачи различного рода информации на мобильные и фикси- рованные абонентские приемники. Такая тенденция повышает спрос на использование орбитально- частотного ресурса (ОЧР), обеспечивающего работу любого космического аппарата, что ведет к феномену нехваткиоэгто ценного ресурса. Международная административная система управления, основанная на тех- нических и нормативных принципах и процедурах, изложенных в Регламенте радиосвязи, успешно справляв- шаяся со своими задачами по распределению ОЧР в условиях существования нескольких спутниковых держав с незначительным количеством спутников на геостационарной орбите, в условиях текущей загрузки демонст- рирует свою неэффективность. Процедура получения разрешения на использование ресурса требует больших временных и материальных затрат, что повышает транзакционные издержки на развитие спутниковых проектов и риски, что, в свою очередь, снижает привлекательность инвестирования в спутниковые проекты. В этой связи встает вопрос о необходимости внедрения методов, стимулирующих рациональное использование ОЧР. Рассматривается возможность внедрения в международную систему управления ОЧР экономических методов в качестве дополнительного инструмента, стимулирующего оптимизацию использования ресурса. Проведенный анализ существующих подходов современной экономической теории позволил определить основ- ные варианты применения экономических методов к системе управления ОЧР. Для плановых полос частот, распределенных для спутниковых служб, предлагается введение системы аренды национальных присвоений. Для неплановых полос частот рассматривается введение платы за использование РЧС. На основе анализа оценки электромагнитной совместимости систем спутниковой связи предложена методика определения платы за РЧС, основанная на оценке агрессивности спутниковой системы с точки зрения создания помехи и ее чувствительности по отношению к помехам от других систем.