Том 23, № 1 (2022)
Раздел 1. Информатика, вычислительная техника и управление
Применение системы технического зрения, реконструирующей трехмерную форму объектов космической техники
Аннотация
Тенденции развития промышленности в области космических аппаратов (КА) ставят все более сложные задачи перед мехатронными системами. Ввиду усложнения процессов компоновки КТК и солнечных батарей, текущие методы раскрытия конструкций становятся менее надежными и актуальными. Помимо этого, развитие орбитальных станций приводит к возникновению целого спектра задач. Одним из перспективных подходов является использование мехатронных манипуляторов, однако, функциональность их применения сильно ограничена заранее определенными при разработке алгоритмами перемещения исполнительного органа и манипуляций над объектами. В связи с этим, возникает необходимость в проработке новых подходов к нахождению и определению формы целевого объекта, для дальнейшего просчета алгоритма его взаимодействия со схватом мехатронного манипулятора.
В статье приводится метод реконструкции трехмерной формы объектов, основанный на применении системы технического зрения. Для получения пространственных характеристик сцены используется стереокамера. На основе полученных данных, сцена разбивается на несколько независимых геометрических поверхностей, с последующей поэтапной обработкой нейросетевыми алгоритмами. На каждом из этапов алгоритма происходит извлечение требуемых параметров целевых объектов. В качестве архитектуры нейронной сети используется YOLACT EDGE, осуществляющая семантическую сегментацию и классификацию объектов. Отдельной задачей можно вынести соотнесение пространственных характеристик целевых объектов и замещающей трехмерной модели. Для обеспечения этого соотнесения архитектура нейронной сети была дополнена ветвью «Маска опорных точек», обеспечивающей прогноз позиций опорных точек объектов, однозначно определяющих пространственные характеристики целевого объекта.
В результате, полученная система способна обеспечить построение трехмерной карты зоны обметания в режиме реального времени. Кроме того, на основе полученной телеметрической информации возможен просчет траектории движения исполнительного органа манипулятора и его взаимодействия с объектами.
8-20
Уменьшение погрешностей местоопределений объектов радионавигационной системы
Аннотация
В представленной работе рассмотрен метод повышения точности местоопределения бортовой станции по сигналам радионавигационных систем наземного базирования. В радионавигационной системе на основе излучения сигнала ведущей опорной станцией производится приём сигналов ведомыми опорными станциями с определением моментов их прихода относительно собственных шкал времени. С другой стороны, на основе излучения сигналов ведомыми опорными станциями производится приём сигналов ведущей опорной станцией с определением моментов их прихода относительно собственной шкалы времени. Согласно измеренным моментам прихода излучённых сигналов, вычисляются временные поправки к шкалам времени ведомых опорных станций относительно ведущей опорной станции. Так как вычисление временной поправки производится за время не более 10 с, то исключаются случайные составляющие, обусловленные непостоянством скорости распространения поверхностной электромагнитной волны в следствие непостоянства параметров окружающей среды и параметров приповерхностного слоя участка распространения электромагнитной волны. При превышении вычисленного значения временной поправки длительности тактового интервала формируемого сигнала проводят коррекцию момента (с точностью до такта) формирования модулирующего кода сигнала, излучаемого ведомой опорной станцией, и коррекцию вычисленного значения временной поправки на величину скорректированных ранее длительностей тактов. Откорректированные значения временных поправок (предварительно закодированных) передаются каждой из ведомых опорных станций в составе их навигационных сигналов. Потребитель навигационной информации принимает сигналы, излучённые опорными станциями, через декодирование выделяет из сигналов опорных станций информацию о рассогласовании временных шкал и проводит измерения радионавигационных параметров с повышенной точностью, обусловленной компенсацией погрешности несинхронности сигналов излучения ведомых опорных станций радионавигационной системы.
21-32
Сравнение методов кластеризации данных для автоматического определения грануляции в генетической нечеткой системе
Аннотация
В статье предлагается применение методов кластеризации для определения наиболее подходящего количества нечетких термов при построении генетической нечеткой системы. При этом система на нечеткой логике применяется для решения задач классификации данных и автоматически формируется генетическим алгоритмом. В работе использовался генетический алгоритм с кодировкой термов и классов в бинарную строку, при этом каждый индивид кодировал базу правил. Для построения базы правил необходимо задавать такой параметр, как количество нечетких термов, так как он существенно влияет на качество сформированных классификаторов. Для выявления лучшего метода кластеризации данных было проведено сравнение наиболее известных алгоритмов: DBSCAN, k-средних и алгоритм среднего сдвига. Для оценки эффективности подобранного количества нечетких термов были проведены вычислительные эксперименты на нескольких наборах данных. По результатам было определено, что алгоритм среднего сдвига подбирает такое количество термов, которое позволяет строить более точные классификаторы в сравнении с двумя другими методами, участвовавшими в тестировании. Также было проведено сравнение с альтернативными методами классификации, такими как k ближайших соседей, метод опорных векторов и нейронные сети, в результате которого предложенный метод показал сравнимое качество классификации. Разработанный подход к автоматизации определения количества термов позволяет исключить ручной подбор грануляции для различных данных, снижая затраты на создание эффективной нечеткой системы для задачи классификации.
33-42
Определение критериев контрольных параметров приборов и алгоритма их определения для методики приёмо-сдаточныхиспытаний
Аннотация
В данной статье будут описаны результаты испытаний, проведённых на заводе-изготовителе холодильных приборов, позволяющие судить о возможности применения новой методики тестирования холодильных приборов на предмет соответствия изделий установленным ГОСТом стандартам, определяющим конкретные теплоэнергетические свойства каждого холодильного приборав зависимости от его типа (однокамерный или двухкамерный, с одним компрессором или с двумяи т. д.), проходящего приёмо-сдаточные испытания. Будут представлены графики активной мощности прибора при подключении его к сети питания и описана зависимость изменения графика мощности в зависимости от времени, описаны признаки графиков неисправных холодильных приборов с указанием причины неисправности. Авторы указывают параметры, по которым предлагается проводить сравнение полученных графиков мощности с эталонными графиками, полученными при тестировании достоверно исправных холодильных приборов. По результатам сравнения определённых значений параметров, характеризующих прибор, предлагается судить о соответствии стандарту каждого отдельного холодильного прибора. Также предоставлено описание алгоритма, который будет использован для определения соответствия холодильного прибора установленным параметрам теплоэнергетических характеристик, определяющим его работоспособность. Реализация данного алгоритма будет осуществлена посредством написания соответствующей программы для программируемого логического контроллера (ПЛК).
43-51
Раздел 2. Авиационная и ракетно-космическая техника
Анализ напряженно-деформированного состояния призматической опоры рычажно-градуировочного устройства стенда испытаний ЖРД
Аннотация
Силоизмерительное устройство (СИУ) является частью стендовой системы измерения усилий, необходимое для прямого измерения тяги ракетного двигателя в процессе огневого испытания. Одним из распространенных типов градуировочных систем СИУ является рычажное градуировочное устройство (РГУ). Простота кинематической схемы стала одним из главных преимуществ ее использования в качестве градуировочной системы. Наряду с этим, недостатки данной схемы концентрируются в опорных элементах системы ее рычагов, поскольку именно износ опор приводит к накапливанию систематической погрешности всей системы с пропорциональным ухудшением точности процесса силоизмерения. Целью работы было провести анализ особенностей призматических опор, использующихся в составе РГУ СИУ, а также смоделировать напряженно-деформированное состояние модели реальной призматической опоры, эксплуатируемой в существующей силоизмерительной системе. В работе рассмотрены наиболее близкие теоритические сведения, связанные с расчетом распределения напряжений в клине и полуплоскости в соответствии с плоской задачей теории упругости. Проведены подбор механических свойств материалов в зависимости от известных показателей твердости и моделирование контактной задачи в заданной призматической опоре, в зависимости от угла наклона призмы по отношению к подушке, с помощью статического анализа программного пакета Solidworks Simulation. Приведены результаты расчета, сделаны выводы по проделанной работе.
54-63
Исследование метода, основанного на влиянии воздействиязвуковых волн на сетеполотно, для измерения усилия натяжениясетеполотна на крупногабаритных рефлекторах
Аннотация
В статье приведён обзор актуальных методов измерения и контроля усилия натяжения материала сетеполотна рефлекторов космических аппаратов. Цель исследования – получение наиболее точных результатов измерения натяжения сетеполотна. На основании обзора проведен сравнительный анализ достоинств и недостатков каждого из рассмотренных методов при измерении усилия натяжения на сетеполотне крупногабаритных трансформируемых рефлекторов космических аппаратов. Рассмотренные в статье методы измерения усилия: фотометод, принцип работы которого заключается в последовательном фотографировании определенных зон натянутого сетеполотна на каркас рефлектора; метод на основе распознавания образов, аналогичный фотометоду, но использующий информационно-измерительную систему с заданным алгоритмом обработки информации; метод на основе локального деформирования мембраны, относящийся к контактному типу, при которых измерение натяжения сетеполотна определяется как реакция от воздействия физической силой на поверхность сетеполотна; метод, основанный на влиянии воздействия звуковых волн на поверхность сетеполотна. Экспериментальная часть исследования, описанного в статье, включает измерение натяжения сетеполотна методом резонанса как наиболее оптимального метода с точки зрения проведённого анализа. Предложены и проанализированы перспективы возможного использования метода резонансов в ракетно-космической промышленности при изготовлении радиоотражающих поверхностей антенн космических аппаратов. По результатам проведенного исследования установлена зависимость усилия натяжения сетеполотна от частоты звуковых колебаний, воздействующих на сетеполотно, при которых возникает резонанс.
64-72
Привод из материала с эффектом памяти формы для трансформируемых космических конструкций
Аннотация
Трансформируемые конструкции представляют собой особый класс больших космических систем. Они доставляются на орбиту в плотно упакованном состоянии. При достижении необходимых параметров орбиты осуществляется их раскрытие или трансформация. Форма трансформируемой конструкции жестко фиксируется по завершении процесса трансформации, при этом нагрузки на её составные элементы носят ударный характер. Усложнение конструктивных схем и габаритов современных трансформируемых космических систем вследствие повышения их эксплуатационных функциональных возможностей приводит к необходимости совершенствования их массовых характеристик. Так, к настоящему времени за рубежом и в нашей стране проработано много вариантов трансформируемых конструкций космических антенн, отношение массы зеркал которых к их площадям снизилось до 0,5–1,5 кг/м2. Дальнейшее совершенствование массовых характеристик трансформируемых космических конструкций возможно с использованием материалов с эффектом памяти формы для создания приводов, обеспечивающих управляемое безударное их раскрытие из транспортного состояния в рабочее положение. В предлагаемом силовом приводе с эффектом памяти формы применен активный элемент в виде проволоки, изготовленной из материала никелида титана, нагреваемого в процессе работы путем пропускания через него электрического тока. Экспериментально-теоретические исследования модели привода из материала никелида титана подтвердили принципиальную возможность его использования для развертывания перспективных космических трансформируемых конструкций. В процессе проведения испытаний были определены основные характеристики модели привода, а именно усилие срабатывания, рабочий ход и время срабатывания.
73-80
Исследование напряженного состояния и оценка устойчивости анизогридной цилиндрической оболочки при изменении параметров реберной структуры при статическом нагружении
Аннотация
Объектом исследования выступает цилиндрическая сетчатая оболочка без обшивки регулярной структуры, выполненная из композиционного материала углепластик. Отличительная особенность данного класса конструкций заключается в пересечении семейств кольцевых и спиральных ребер.
Сетчатые оболочки используются в качестве силовых элементов космических аппаратов, поэтому при их проектировании основными требованиями выступают уменьшение массы конструкции, высокие прочностные и жесткостные характеристики. Снижение массы оболочки достигается за счет варьирования и подбора структурных и геометрических параметров ребер.
В статье рассматривается набор сетчатых цилиндрических конструкций фиксированной массы. Авторами разработан и приведен алгоритм расчета числа элементов регулярной реберной структуры и вычисления значений геометрических параметров элементов семейств ребер. Рассматриваются два подхода к формированию систем ребер: путем изменения высот или толщин реберной структуры.
Разработан макрос для моделирования параметрических дискретных моделей таких реберных структур в программном комплексе Ansys Mechanical APD. При построении дискретных моделей сеток применялся одномерный двух узловой конечный элемент BEAM4. Модель жестко крепилась в узлах по нижней кромке, к узлам верхней кромки прикладывалась нагрузка. Рассматривалось два вида нагружения. Режим «не полет» определяло равномерно распределенное по верхней кромке осевое нагружение оболочки. Режим «полет» дополнительно учитывал приложенный момент.
Расчет полей перемещений и деформаций проводился численно в конечно-элементом пакете ANSYS. В статье приведены результаты исследования влияния плотности реберной структуры на устойчивость сетчатых оболочек при статическом осевом нагружении, собственные частоты и формы колебаний.
Показано, что с увеличением плотности реберная структура становится тоньше. При этом критическая нагрузка падает, значения собственных частот оболочек уменьшаются, а в формах увеличивается число волн. Отмечено влияние подходов к моделированию реберных структур на результаты численных расчетов.
81-92
Автоматизированный стенд для электрических испытанийи диагностики ресурсных характеристик литий-ионных аккумуляторов
Аннотация
Литий-ионные аккумуляторные батареи (ЛИАБ) широко применяют в качестве накопителей электроэнергии в системах электропитания (СЭП) космических аппаратов (КА).
В статье рассмотрен автоматизированный стенд СИА 12/24 для проведения электрических испытаний и диагностики ресурсных характеристик литий-ионных аккумуляторов (ЛИА), на основе которых разрабатываются и изготавливаются ЛИАБ СЭП КА. Ресурсные испытания ЛИА являются наиболее трудоемкими и длительными, их проводят в наземных условиях в течение нескольких месяцев при многократном циклическом воспроизведении режимов заряд/разряд и температур аккумулятора до достижения условий завершения испытаний при периодическом контроле, измерении и регистрации параметров ЛИА. Применение автоматизированного стенда, позволяющего проводить ресурсные испытания ЛИА на основе методики динамического стрессового тестирования (ДСТ), позволяет сократить сроки ресурсных испытаний ЛИА и тем самым существенно ускорить проектирование и отработку ЛИАБ и СЭП КА. Приведены структура, описание составных частей и технические характеристики стенда СИА 12/24, позволяющего проводить электрические испытания одновременно двенадцати ЛИА. Рассмотрены принцип действия и технические характеристики оригинального зарядно-разрядного устройства с нагрузочным преобразователем (ЗРУ-НП), составляющего основу стенда. Предложенные оригинальные топологии ЗРУ-НП и нагрузочного преобразователя (НП) с двухступенчатым преобразованием мощности и стабилизацией входного напряжения мостового трансформаторного преобразователя (МТП) позволяют автоматизировать процесс электрических испытаний литий-ионных аккумуляторов путем автоматического воспроизведения функционально необходимых режимов испытаний и обеспечить энергосбережение в режимах заряда – разряда аккумуляторов.
Для ЗРУ-НП с двухступенчатым преобразованием мощности показано, что применение стабилизации входного напряжения МТП позволяет придать НП следующие положительные свойства:
– расширение диапазонов регулирования атрибутов ЛИА: тока, напряжения, мощности;
– слабую зависимость статической погрешности стабилизации атрибутов ЛИА и показателей качества переходных процессов от типа нагрузки НП.
93-104
Перспективы применения комбинированного накопителяэлектроэнергии космического применения
Аннотация
Комбинированные системы накопления электроэнергии находят широкое применение в составе возобновляемых источников в промышленности, транспортной инфраструктуре, космической технике и других отраслях. Обусловлена подобная тенденция их более высокой надежностью и эффективностью, нежели чем у блоков питания из однотипных элементов, что, в частности, можно наблюдать на примере устройств космического назначения, где к элементам питания предъявляются повышенные требования к диапазону рабочих температур, а также к входным и выходным характеристикам.
В статье описывается разработка структуры портативного комбинированного накопителя электроэнергии на основе блока суперконденсаторов и аккумуляторов с системой контроля заряда и разряда, с масштабируемым (в зависимости от применяемых комплектующих) спектром входных характеристик и широким диапазоном рабочих температур. Представлена математическая модель комбинированного накопителя, разработанная в среде Simulink, позволяющая оценивать возможности работы предлагаемой структуры, анализируя различные режимы работы схемы. Подобное устройство может применяться в условиях крайне низких зарядных токов. Например,в случае затенения или неоптимальной пространственной ориентации солнечных панелей, литий-ионные аккумуляторы большой емкости не могут корректно заряжаться. Также к преимуществам комбинированных структур накопления электроэнергии можно отнести работоспособностьв широком диапазоне температур, обеспеченную способностью суперконденсаторов сохранять заряд даже при низких температурах.
В статье проиллюстрирован облик печатного узла в виде 3D-модели, полученной при проектировании схемы устройства в САПР Altium Designer 17, прилагаются результаты исследований и тестирования на работоспособность физически реализованного комбинированного накопителя электроэнергии, подтверждающие его рабочие характеристики на примере одного из составных модулей прототипа спутниковой платформы CubeSat, приводятся рекомендации по возможному применению подобных устройств и освещаются перспективы применения комбинированных накопителей в исполнительных элементах крупногабаритных трансформируемых конструкций
105-115
Методические принципы проектирования космического аппарата на предельное энергообеспечение полезной нагрузки
Аннотация
Проектирование космического аппарата на начальных этапах осуществляется при наличии неопределенностей по параметрам и условиям. Определение проектных параметров происходит пошагово: определение номинальных значений проектных параметров, нормирование запасов ресурсов (масса, объем, энергопотребление) по проектным параметрам на парирование неопределенностей, проектирование космического аппарата на предельные ресурсы.
Эксплуатация космического аппарата с включенной электрической нагрузкой содержит несколько этапов: выведение на целевую орбиту, ввод в штатную эксплуатацию, штатную эксплуатацию по целевому назначению, выведение из целевого использования при возникновении аварийных ситуаций. Система электропитания предназначена для обеспечения бесперебойного автономного электроснабжения бортовой аппаратуры во всех режимах и на всех этапах в течение срока активного существования космического аппарата с учетом наличия теневых участков орбиты от Земли и Луны.
В данной статье разработаны методические принципы проектирования космического аппарата на предельное энергообеспечение полезной нагрузки при наличии неопределенностей по параметрам и условиям. Разработаны математические модели расчета параметров энергобаланса космического аппарата для различных вариантов реализации мощности сеансной нагрузки в зависимости от уровня освещенности орбиты и срока функционирования космического аппарата. Проведены оценки эффективности использования методических принципов проектирования космического аппарата на предельное энергообеспечение полезной нагрузки в зависимости от уровня освещенности орбиты и срока функционирования космического аппарата. Разработана методика нормирования запасов по энергоресурсам космического аппарата на парирование неопределенностей по параметрам и условиям, а также принципы ее применения при проектировании космического аппарата на предельное энергообеспечение полезной нагрузки.
116-127
Раздел 3. Технологические процессы и материалы
Импеданс и диэлектрические свойства станнатов Bi2Sn2-хFeхO7
Аннотация
Исследуются станнаты висмута Bi2Sn2–хFeхO7, х = 0,1; 0,2 обнаруживающие свойства мультиферроиков. Изучается механизм взаимодействия между диэлектрической и электронной подсистемами на основе измерений электросопротивления на переменном токе, импеданса, емкости и тангенса угла диэлектрических потерь в интервале температур 100–600 К на частотах 102–106 Hz. Из сопоставления диэлектрической проницаемости и реактивной компоненты импеданса установлен парамагнитный вклад электронов в динамическую магнитную восприимчивость. Обнаружены скачки импеданса по температуре в результате изменения структурных характеристик. Температурные зависимости диэлектрической проницаемости описываются в модели Дебая. Найден активационный характер времени релаксации и два канала релаксации. Вычислена энергия активации электронов в миграционной поляризации.
130-140