Том 19, № 2 (2018)

В связи с возникновением нештатных ситуаций на этапе выведения космических аппаратов (КА) различно- го назначения (AngoSat-1, Telkom-3, «Фобос-Грунт» и др.) актуальными являются задачи их своевременного выявления и дистанционного контроля технического состояния КА. Для оценивания возможности решения данного класса задач с применением оптико-электронных средств (ОЭС) требуется априорная информация о спектроэнергетических характеристиках (СЭХ) КА и сопутствующих фонах для прогнозируемых ракурсов условий наблюдения в рабочих спектральных диапазонах ОЭС с учётом подсветки Солнцем и Землёй. В каче- стве рационального метода получения динамических СЭХ (сигнатур) КА для изменяющихся в процессе орби- тального полёта условий наблюдения может рассматриваться математическое моделирование вследствие его адаптивности к высокой степени изменчивости указанных выше факторов. Представлена технология моделирования СЭХ космических объектов (КО) с использованием специализиро- ванного программного обеспечения (СПО) FemRad, обеспечивающая получение СЭХ КО с учётом индикатрис рассеяния оптического излучения материалов и покрытий внешней поверхности объекта, динамики изменения его теплового режима и условий подсветки Солнцем и Землёй в процессе орбитального полёта. Достоинством представленной технологии является сопряжение собственных программных решений разработчика с распро- странёнными прикладными программами конечно-элементного анализа. В частности, для разработки сеточных геометрических 3D-моделей КО применяются известные CAD- и CAE-средства - SolidWorks, ANSYS, Gmsh. Представлен способ параметрической аппроксимации измеренных индикатрис рассеяния оптического излучения материалов и покрытий КО на основе заданной модели шероховатости. Приведены основные положения реализованной в СПО методики расчёта потока собственного теплового излучения системы «Земля-атмосфера», а также потоков отражённого и рассеянного этой системой солнечного излучения, падающих на КО в диапазоне 0,2-20 мкм. В качестве иллюстрации применения СПО приведены результаты моделирования динамических СЭХ типового КО в инфракрасном (ИК) диапазоне.

Впервые определение графа Кэли было дано известным английским математиком Артуром Кэли в XIX веке для представления алгебраической группы, заданной фиксированным множеством порождающих элементов. В настоящее время графы Кэли нашли широкое применение как в математике, так и в прикладных задачах. В частности, указанные графы используются для представления компьютерных сетей, в том числе для моде- лирования топологий многопроцессорных вычислительных систем (МВС) - суперкомпьютеров. Это связано с тем, что графы Кэли имеют много привлекательных свойств, из которых выделим их регулярность, вершин- ную транзитивность, малые диаметр и степень при достаточно большом количестве вершин в графе. На- пример, такие базовые топологии сети, как кольцо, гиперкуб и тор, являются графами Кэли. Одной из широко применяемых топологий МВС является k-мерный гиперкуб. Данный граф задается k-порожденной бернсайдо- вой группой периода 2. Эта группа имеет простую структуру и равна прямому произведению k экземпляров циклической группы порядка 2. Ранее авторами уже были изучены графы Кэли групп периода 3, 4 и 5. Проведе- ны исследования по определению структуры графов Кэли некоторых конечных двупорожденных бернсайдовых групп периода 7. Вычисление диаметра графа Кэли большой конечной группы является хотя и разрешимой, но весьма сложной проблемой. Это связано с тем, что в общем случае задача по определению минимального сло- ва в группе является NP-трудной (nondeterministic polynomial). Таким образом, в наихудшем случае количество элементарных операций, которые необходимо выполнить для решения указанной задачи, представляет собой экспоненциальную функцию от количества порождающих элементов. Поэтому для эффективного решения задач на графах Кэли, имеющих большое количество вершин, необходимо применять МВС.

Рассмотрен процесс распространения пластических деформаций в полубесконечном упруго-пластическом стержне, вызванных приложенной к концу стержня динамической нагрузкой, не убывающей во времени. Урав- нения записаны в лагранжевой системе координат. Предполагается, что в процессе деформации не происхо- дит бокового выпучивания стержня и что влияние поперечных деформаций стержня на процесс распростра- нения продольных волн пренебрежимо мало. В начальный момент стержень находится в деформированном состоянии и состоянии покоя. Рассмотрены малые деформации стержня. Плотность стержня в процессе деформирования не изменяется. Единственной отличной от нуля составляющей тензора напряжений будет компонента вдоль оси ox, отличными от нуля составляющими тензора деформаций будут компоненты вдоль осей Ox, Oy. В результате построена система двух квазилинейных однородных уравнений первого порядка. Уравнения являются гиперболическими. Для них построены характеристики и соотношения на них. Далее уравнения записаны в терминах инвариантов Римана. Для построенных уравнений найдены законы сохранения в случае, когда сохраняющийся ток зависит только от искомых функций. В результате получена система линейных уравнений с коэффициентами, зависящими только от искомых функций. Построение законов сохра- нения сведено к решению краевой задачи для известных уравнений Эйлера-Пуассона-Дарбу. Эта задача решена с помощью функций Римана. Законы сохранения позволили найти координаты точек пересечения характе- ристик, а значит, и решить поставленную задачу. В заключение рассмотрен случай, когда одна из характери- стик пересекает линию, на которой заданы начальные условия. В этом случае, как известно, задача Коши решена быть не может. Это приводит к процедуре, которая с помощью законов сохранения позволяет выяс- нить вопрос о разрешимости задачи Коши. Она сводится к решению несложного интегрального уравнения методом последовательных приближений.

Спутниковые системы - один из наиболее распространенных методов отслеживания различных объектов по всему миру. Существуют различные виды спутниковых систем различного назначения, но их общей чертой является передача данных посредствoм радиосигналов. Атмосфера нашей планеты неоднородна, и каждый ее слой имеет ряд характеристик, которые затрудняют передачу данных, а в случае недостаточной мощности передачи - попросту делают невозможным. Следовательно, необходимо наличие методов и алгоритмов, ко- торые смягчали бы воздействие атмосферы на сигналы устройства мониторинга воздушных судов. В частно- сти, главной причиной погрешности при определении местоположения является слой ионосферы. Для спутни- ков Iridium, осуществляющих прием сигналов от модуля Iridium 9602 с частотой 1616-1625,5 МГц, влияние ионосферы будет заключаться в изменении мощности сигнала из-за неоднородности заряженных частиц. Представлен расчет потерь в свободном пространстве при передаче данных местоположения через транси- вер Iridium 9602 на высоты 450, 500 и 600 км. Предлагаемый для применения метод основан на моделировании текущей карты полного электронного со- держания ионосферы. На основе модели вносится коррекция при определении местоположения объекта мо- ниторинга. На сегодняшний день существуют несколько центров, осуществляющих расчет полного электрон- ного содержания ионосферы. Результаты расчетов находятся в свободном доступе. Таким образом, имея исходные данные, полученные по картам полного электронного содержания ионосферы, и алгоритм для кор- рекции, можно осуществлять поправку данных при решении задачи навигации. Конкретно, предлагается ис- пользовать модель GEMTEC, исходными данными для которой является карта полного электронного содер- жания атмосферы.

Завершающим этапом процесса проектирования кабельной сети космического аппарата, как и любого дру- гого изделия, является выпуск конструкторской и эксплуатационной документации. Автоматизация процесса выпуска комплекта документации на кабельную сеть позволяет повысить качество документации и сокра- тить сроки изготовления космического аппарата. Выпуск комплекта конструкторской документации на кабельную сеть в АО «ИСС» производится в интег- рированном программном комплексе ALCAB собственной разработки. Разработка сборочного чертежа осуществляется вручную с применением двумерных чертежно-ориентированных САПР, не имеющих интегра- ции с ALCAB. В связи с этим внесение или удаление позиций в спецификации ведет к доработке чертежа. Предложена методика решения проблемы, связанной с автоматизацией процесса формирования сборочно- го чертежа на кабельную сеть, изготовление которой производится на плоскости. Главной задачей, которую необходимо решить при таком подходе к выпуску чертежно-графической документации, является организа- ция ассоциативной связи между позициями спецификации и сборочного чертежа. Приведен результат анализа структуры 3D-модели кабельной сети, спроектированной в САПР CATIA V5. Представлены схематичные примеры топологий жгутов. Анализ позволил выявить перечень данных, которые требуется извлечь из трех- мерной модели. Приведено описание наиболее интересных инструментов, предоставляемых пользователю САПР CATIA V5 и дающих возможность автоматизировать многие задачи, включая разработку собственных программных решений. Анализ позволил выделить инструменты, которые автоматизируют процесс выгрузки всех требуе- мых данных из модели. К таким инструментам относятся Knowledge Expert и внешняя среда программирова- ния CAA RADE. Анализ их быстродействия показал, что выгрузка данных с помощью алгоритма, разработан- ного в CAA RADE, происходит быстрее, чем с помощью Knowledge Expert. Перечислены возможности чертежно-графических инструментов САПР CATIA V5, таких как Electrical Harness Flattening и Drafting. Они предоставляют возможность автоматизировать процесс формирования сборочного чертежа. Предложена методика автоматического формирования сборочного чертежа кабельной сети, разрабаты- ваемой по трехмерной технологии, с применением инструментов, предоставляемых САПР CATIA V5, и про- граммных решений собственной разработки.

Имитатор солнечного излучения является одним из самых сложных элементов испытательного оборудо- вания, применяемого в ходе наземной отработки космических аппаратов. Большинство современных крупно- габаритных имитаторов построено на основе массива газоразрядных ксеноновых ламп воздушного охлажде- ния по принципу «совмещенных фокусов». Основными недостатками подобных имитаторов являются низкая эффективность и малый ресурс ксеноновых газоразрядных ламп, высокие потери в сложной оптической системе, сложность и неудобство эксплуатации. Предложена схема свободного от указанных недостатков комбинированного имитатора на основе высокоэффективных светодиодов в видимой области спектра и до- полнительных традиционных источников, которыми могут быть кварцево-галогенные лампы накаливания в инфракрасной и газоразрядные ртутные лампы среднего давления в ультрафиолетовой областях. Светоди- одный источник конструктивно выполнен в виде матриц с распределенными параметрами, расположенных в виде одного или нескольких модулей внутри термовакуумной камеры, непосредственно возле объекта испы- таний. Модули снабжены оптической системой, формирующей квазипараллельный световой поток, термо- изоляцией и системой охлаждения, выводящей избыточное тепло за пределы камеры. Проведен краткий сравнительный анализ, в ходе которого показаны преимущества светодиодного имитатора по энергоэффек- тивности, однородности и временной стабильности светового потока, надежности, долговечности и безо- пасности. Предлагаемый имитатор обладает лучшими массогабаритными характеристиками, не требует настройки и юстировки и имеет ряд дополнительных возможностей. Основным недостатком светодиодных источников является несоответствие спектра излучения солнечному. Необходимая спектральная точность может быть достигнута при применении в матрицах большого количества раздельно регулируемых по мощ- ности групп белых и монохромных светодиодов с разными длинами волн и оптической системы, суммирующей потоки групп светодиодов по спектру, углу и площади. На примерах серийно выпускаемых зарубежных свето- диодных имитаторов солнечного излучения наземного спектра АМ1,5 прослеживается тенденция перехода на светодиодные источники. Сделан вывод о возможности создания комбинированного имитатора солнечного излучения на основе высокоэффективных светодиодов для наземной отработки космических аппаратов, обла- дающего улучшенными техническими и эксплуатационными характеристиками

Современные требования по увеличению срока активного существования космического аппарата приводят к повышению эффективности использования всех его ресурсов. И одним из главных ресурсов космического аппарата, который определяет срок активного существования, является топливо двигателей ориентации. Расход топлива двигателями ориентации зависит от внешних возмущающих моментов, действующих на кос- мический аппарат. Представлена разработка математической модели, которая позволяет определять внеш- ние возмущающие моменты, действующие непрерывно на космический аппарат. Математическая модель строится на предположении, что кинетический момент космического аппарата остается неизменным в инерциальной системе координат. Использование активной маховичной системы ориентации дает возмож- ность измерять кинетический и возмущающие моменты космического аппарата. Особенностью такого изме- рения является жесткая связь маховиков с корпусом космического аппарата, который вращается с орби- тальной скоростью. Эта особенность заставляет учитывать кинематическую взаимосвязь кинетического момента маховиков с кинетическим и возмущающими моментами в инерциальном пространстве. Таким обра- зом, из закона изменения кинетического момента удалось получить математическую модель взаимосвязи кинетического момента маховиков и внешних возмущающих моментов. Для проверки модели были рассмотре- ны два наиболее распространенных метода среднеквадратичной фильтрации показаний - фильтр Гаусса и фильтр Калмана. Для моделирования были определены моделируемые системы уравнений и коэффициенты матриц ошибок. Проверка модели проводилась в среде математических вычислений GNU Octave по телемет- рической информации, полученной в 2017 году с космических аппаратов среднего (на базе платформы «Экспресс-1000H») и тяжелого («Экспресс-2000») класса. Для сравнения результатов приведены графики рас- чета кинетического момента по модели и измеренного кинетического момента с маховиков. Среднеквадра- тичное отклонение сравниваемых значений не превысило 0,1 Н·м/с для фильтра Гаусса и 0,03 Н·м/с для фильт- ра Калмана. Приведены графики оценки возмущающих моментов по математической модели. Среднеквадра- тичное отклонение оценки возмущающих моментов для фильтра Гаусса не превысило 0,9 % и для фильтра Калмана - 2 %. Сходимость оценок возмущающих моментов показывает адекватность разработанной мате- матической модели.

Приведены краткие сведения по истории развития фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) (кремние- вых и на основе соединений АIIIBV) и солнечных батарей на их основе для космических аппаратов. Перечислены основные факторы космического пространства и показана эволюция структуры и конструкций. Приведена принципиальная структура современных трехкаскадных InGaP / InGaAs / Ge солнечных элементов с указанием функционального назначения слоёв, их основных характеристик. Объяснен механизм деградации электрических параметров таких фотопреобразователей под действием космической радиации и показана возможность минимизации данного негативного эффекта. Описаны основные методы и особенности технологии изготов- ления трехкаскадных ФЭП. Приведен обзор ФЭП космического назначения на основе соединений АIIIBV основ- ных мировых производителей из США, Германии, Италии, России с иллюстрацией их внешнего вида, описанием особенностей конструкций и основных свойств. Показано, что наиболее распространенным является размер ФЭП с площадью ~ 30 см2. Представлены сведения о созданных трехкаскадных InGaP / InGaAs / Ge ФЭП большой площади (до ~ 60-65 см2). Показан мировой уровень эффективности преобразования солнечной энергии (КПД), достигнутый в промышленном производстве, составляющий 26-30 %. Приведены сведения о ФЭП для преобразования концентрированного солнечного излучения. Показаны основные направления повы- шения характеристик ФЭП на основе соединений АIIIBV.

Представлены типы гироскопических измерителей вектора угловой скорости разработки и изготовления НИИ ПМ им. академика В. И. Кузнецова на базе динамически настраиваемого гироскопа (ДНГ) с газодинами- ческой опорой. Это два варианта конструкции малогабаритного гироскопического измерителя вектора угловой скорости (МБИС), предназначенного для системы ориентации космических аппаратов (КА), разраба- тываемых и изготавливаемых в АО «ИСС» им. академика М. Ф. Решетнева». Также представлен третий вариант конструкции МБИС, разрабатываемый для КА иностранного заказчика, в рамках разработки которого решалась задача по повышению стойкости к внешним механическим воздействиям модернизированного МБИС. Даны общие технические характеристики гироскопических приборов типа МБИС (габаритно-массовые па- раметры, точность измерения, количество измерительных осей, ресурс работы, энергопотребление и т. д.). Представлены преимущества и недостатки выбранного гироскопа (ДНГ) в качестве чувствительного элемента. Преимуществами являются средняя точность измерения при небольших габаритно-массовых характеристиках и при длительном ресурсе работы. Недостаток - необходимость применения системы амортизации в составе гироскопических приборов (типа МБИС), специальной системы, предназначенной для защиты чувствительных элементов от внешних механических нагрузок, действующих при выведении ра- кетой-носителем КА. Оригинальность и новизна представленных исследований заключается в их прикладном назначении. Иссле- дуется конструкция конкретного прибора. Решается задача по моделированию происходящих в приборе физи- ческих процессов, связанных с внешними возмущающими факторам. Полученные результаты использованы для обеспечения стойкости приборов типа МБИС к внешним механическим нагрузкам, действующим в процессе выведения КА на орбитальный участок полета. Изложены основные принципы обеспечения стойкости к данным воздействиям. Приведена упругая расчет- ная модель системы амортизации прибора, позволяющая подбирать ее вибродинамические параметры (резо- нансная частота и коэффициент передачи). Представлены теоретические результаты моделирования и кон- кретные практические результаты отработки МБИС при проведении вибродинамических испытаний. Теоретический и практический результат работы определяется обоснованными результатами работы системы амортизации в составе приборов типа МБИС, возможностью использования опыта данной работы при разработке новых приборов систем ориентации и навигации с повышенными показателями отказоустой- чивости, надежности и стойкости к внешним механическим воздействиям.

Для изготовления деталей и сборки узлов аэрокосмической отрасли характерна небольшая номенклатура изделий, но значительная сменяемость их по форме и типоразмерам. В этих условиях использование элемен- тов универсально-сборных приспособлений (УСП) позволяет существенно сократить количество специальных приспособлений за счет использования стандартных элементов в рамках определенных групп деталей. По результатам комплекса работ по анализу конструкций и технологии изготовления элементов УСП и на основании известных принципов построения групповых технологий разработан алгоритм формирования тех- нологических групп деталей УСП типа «призма опорная». Сформированная 3D-модель комплексной детали, предложенная для неё классификация поверхностей и база данных по всем 16-ти деталям группы (включенным в состав комплексной по общности конструктивных и технологических признаков) являются основой для раз- работки алгоритма построения маршрутного группового технологического процесса. В новом групповом тех- нологическом процессе предлагается совместить в одну операцию практически все черновые виды обработки: фрезерование, сверление, нарезание резьбы на многоцелевом станке с ЧПУ с установкой комплексной детали на технологическую плиту. Управляющая программа для механической обработки резанием комплексной детали легко адаптируется к изготовлению любой детали группы. Эффективность принятых конструктивно- технологических решений подтверждается сокращением количества операций, оборудования (с 7 до 4 стан- ков) и межоперационных переходов в структуре процесса механической обработки резанием, а значит, снижением трудоемкости и себестоимости. Таким образом, предложены и обоснованы конструкторско- технологические приемы повышения эффективности механической обработки деталей универсально-сборных приспособлений за счет применения групповых технологических процессов. Использование разработанных ме- тодик построения групповых технологических процессов позволяет значительно расширить возможности для автоматизации технологической подготовки цифрового производства, упрощает процедуру разработки управляющих программ для многоцелевых станков с числовым программным управлением.