Том 20, № 4 (2019)
Раздел 1. Информатика, вычислительная техника и управление
Имитационная компьютерная модель для виртуальных исследований измерительных оптико-электронных систем
Аннотация
Рассматривается имитационная компьютерная модель оптико-электронной системы измерения координат точечных объектов, позволяющая проводить оптимальное согласование параметров звеньев системы с целью минимизации погрешности измерений. Основным методом имитационного компьютерного моделирования является метод многократных статистических испытаний, позволяющий накапливать результаты однократных вычислительных экспериментов для каждого конкретного акта измерения при уникальном случайном распределении параметров и характеристик звеньев, а затем проводить статистическую обработку накопленных результатов. В результате многократного анализа реализуются многопараметрические функциональные зависимости, обеспечивающие оптимальное согласование контролируемых проектировщиком или оператором параметров по критерию минимизации результирующей погрешности измерений. В статье приведены результаты оценки параметров моделирования, уменьшающих погрешность измерений. Актуальным является применение данного метода при использовании одной и той же измерительной системы в разных условиях эксплуатации, для различных измеряемых объектов и при выполнении различных функциональных задач, поскольку позволяет адаптировать систему для конкретного применения. Приведенная в статье модель может быть конкретизирована с целью оценки и многопараметрической оптимизации параметров конкретного объекта, а также для разработки на основе модели и ее модификаций виртуального измерительного стенда.
416-422
Метод эквивалентных условий прочности в расчетах композитных конструкций регулярной структуры с применением многосеточных конечных элементов
Аннотация
Пластины, балки и оболочки с неоднородной и микронеоднородной регулярной структурой широко применяются в авиационной и ракетно-космической технике. На этапе эскизного проектирования первоначально важно знать, удовлетворяет ли коэффициент запаса конструкции заданным условиям прочности. Для определения коэффициента запаса необходимо решить по методу конечных элементов (МКЭ) задачу упругости для проектируемой конструкции с учетом ее неоднородной структуры, что требует больших ресурсов ЭВМ. В данной работе предложен метод эквивалентных условий прочности (МЭУП) для расчета на прочность упругих конструкций с неоднородной регулярной структурой. Предлагаемый метод сводится к расчету на прочность изотропных однородных тел с применением эквивалентных условий прочности. В основе МЭУП лежит следующее утверждение. Для всякого композитного тела существует такое изотропное однородное тело и такое число (коэффициент эквивалентности), что если коэффициент запаса тела удовлетворяет эквивалентным условиям прочности , то коэффициент запаса тела удовлетворяет заданным условиям прочности , и наоборот, , – заданы, коэффициенты , отвечают точным решениям задач упругости, построенных для тел и . Расчет на прочность по МКЭ изотропных однородных тел наиболее простой в реализации и требует меньше памяти ЭВМ, чем аналогичный расчет тел с учетом их неоднородной структуры. Изложена процедура определения коэффициента эквивалентности с помощью МКЭ. При построении решений по МКЭ для изотропных однородных тел применяются многосеточные конечные элементы, порождающие модели малой размерности и решения с малой погрешностью. Скорректированные эквивалентные условия прочности имеют вид , где – коэффициент запаса тела и величины , отвечают приближенному решению. Реализация МКЭ для многосеточных дискретных моделей требует в раз меньше объема памяти ЭВМ, чем для базовых. Приведен расчет на прочность балки с микронеоднородной регулярной структурой с помощью МЭУП.
423-435
Сравнение способов инициализации начальных точек на генетическом алгоритме оптимизации
Аннотация
Способ инициализации начальных точек для алгоритмов оптимизации является одним из главных параметров. Сегодня используются способы инициализации начальных точек, основанные на стохастических алгоритмах разброса точек. В генетическом алгоритме точки представляют собой булевые строки. Эти строки формируются по-разному: напрямую с помощью случайных последовательностей (с равномерным законом распределения) или с помощью случайных последовательностей (с равномерным законом распределения) в пространстве вещественных чисел, а потом преобразуют вещественные числа в булевые. Спроектированы шесть алгоритмов построения многомерных точек для алгоритмов глобальной оптимизации – булевых строк, основанные как на стохастических, так и на неслучайных алгоритмах разброса точек. В первых четырех способах инициализации булевых строк использовался случайный закон распределения, а в четвертом и пятом способе инициализации использовался неслучайный способ формирования начальных точек – ЛПt последовательность. Применялось большое количество повторных запусков алгоритмов оптимизации. Использовалась достаточно высокая точность вычислений. Исследования проводились на генетическом алгоритме глобальной оптимизации. Использовались функция Акли, функция Растригина, функция Шекеля, функция Гриванка и функция Розенброка. Исследования проводились с использованием трех алгоритмов разброса начальных точек: ЛПt последовательность, UDC последовательность, равномерный случайный разброс. В работе использовались лучшие параметры генетического алгоритма глобальной оптимизации. На выходе получены массивы математических ожиданий и среднеквадратических отклонений качества решения для разных функции и оптимизационных алгоритмов. Цель анализа способов инициализации начальных точек для генетического оптимизационного алгоритма заключалась в нахождении экстремума одновременно быстро, точно, дешево и надёжно. Способы инициализации сравнивались между собой по математическому ожиданию и среднеквадратическому отклонению. Под качеством решения понимается среднестатистическая ошибка нахождения экстремума. Выявлен лучший способ инициализации начальных точек для генетического алгоритма оптимизации на данных тестовых функциях.
436-442
Использование атрибутивных признаков при спецификации регрессионной модели стоимости квартир
Аннотация
При изучении статистических совокупностей с явно выраженной эндогенной переменной, необходимо выявить факторные признаки, которые оказывают сильное влияние на результат. При этом факторные признаки могут быть, как количественными, так и атрибутивными. Для оценки влияния числовых признаков можно использовать методы регрессионного анализа. Влияние атрибутивных признаков не учитывается. Однако часто именно они вносят решающий вклад в вариацию результата. Необходимо разработать методы анализа влияния атрибутивных признаков и учета этих признаков в регрессионных моделях.
На примере совокупности квартир, предлагаемых к продаже в г. Красноярске, применен новый метод оценки влияния атрибутивных признаков на количественные с использованием ранжирования их в соответствии с их влиянием на эндогенную переменную. Для анализа атрибутивного признака используется метод фиктивных переменных. Каждому атрибуту, имеющему m значений, ставится в соответствие m-1 фиктивная переменная, строится регрессионная модель. Силу влияния экзогенных переменных можно выразить с помощью стандартизированных коэффициентов регрессии. В этом случае влияние атрибутов можно оценить совокупным коэффициентом корреляции, вычисленным на основе регрессионной модели с фиктивными переменными.
Для дальнейшего исследования совокупность предлагается ранжировать, присваивая каждому элементу «ранг» – значение стандартизированного коэффициента, который отражает тесноту связи с эндогенной переменной. Таким образом, все признаки имеют числовое значение. Построены стандартизированные регрессионные модели.
Предлагаемый подход можно использовать при анализе статистических совокупностей, единицы которых характеризуются количественными и атрибутивными признаками.
443-450
Раздел 2. Авиационная и ракетно-космическая техника
Информационно-измерительная система пирометрического типа для малоразмерного беспилотного летательного аппарата
Аннотация
В настоящее время в России, как и за рубежом, стремительно развивается новое направление науки и техники – разработка миниатюрных беспилотных летательных аппаратов (МБПЛА).
Ключевой системой бортовой аппаратуры управления (авионики) БПЛА является система ориентации для определения углового положения БПЛА относительно опорной системы координат. В МБПЛА могут применяться бесплатформенные системы ориентации, магнитометрические, видеосистемы, пирометрические и др.
Стремительно развивающееся направление мини- и микро-БПЛА требует разработки информационно-измерительных систем, необходимых для определения параметров ориентации БПЛА в пространстве, построенных на различных физических принципах. Вместе с уменьшением массы и размаха крыльев БПЛА, возрастают требования к таким системам по точности определения параметров и минимизации габаритов.
В настоящее время большинство информационно-измерительных и управляющих систем пилотируемых самолётов и тяжёлых БПЛА строятся на базе гироскопов и акселерометров традиционного исполнения. Они представляют собой сложные приборы точной механики, обладающие значительными энергопотреблением, габаритами, массой и высокой стоимостью.
Существенное улучшение точности определения угловых координат БПЛА достигается комплексированием систем ориентации различных типов. Использование сигналов систем GPS/ГЛОНАСС также повышает точность и надёжность определения угловых координат БПЛА и добавляет функцию определения географических координат его положения.
452-457
Дополнительные отбраковочные испытания в испытательном техническом центре для наземного силового оборудования
Аннотация
При испытаниях космического аппарата в термовакуумной камере особое внимание уделяется обеспечению гарантированного непрерывного энергопитания космического аппарата в течение продолжительного времени (до нескольких месяцев). Обесточивание космического аппарата может повлечь за собой отказ систем терморегулирования, вплоть до полного выхода из строя космического аппарата стоимостью несколько миллиардов рублей. В процессе эксплуатации наземного силового оборудования получены необходимые данные об интенсивности и типах отказов в работе данного наземного силового оборудования, что привело к увеличению сроков испытаний и рисков выхода из строя космического аппарата на этапе термовакуумных испытаний.
В результате совместно проведенного анализа статистики отказов наземного силового оборудования, полученных в процессе эксплуатации, АО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнева» и Научно-исследовательским институтом автоматики и электромеханики Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники, было разработано техническое задание по созданию методик увеличения времени безотказной работы наземного силового оборудования.
Одним из ключевых требований к изготовляемому наземному силовому оборудованию нового поколения является обеспечение высокого показателя надёжности – времени безотказной работы.
Опыт в области дополнительных отбраковочных испытаний электрорадиоизделий перед их установкой в космическом аппарате позволяет предложить способ определения количественного значения понижающего коэффициента отбраковочных испытаний с помощью метода оценки коэффициентов, характеризующих степень отличия электрорадиоизделий, успешно прошедших дополнительные отбраковочные испытания и полученных с завода-изготовителя.
В результате расчётов понижающего коэффициента и математических расчётов времени безотказной работы можно определить влияние понижающего коэффициента отбраковочных испытаний на повышение надёжности наземного силового оборудования.
Высокие требования по безотказной работе наземного силового оборудования для электроиспытаний космического аппарата привели к необходимости проведения дополнительных отбраковочных испытаний в специальных испытательных технических центрах, где должны проводиться проверки показателей количества отказов по доверительным вероятностям. Ввод дополнительных отбраковочных испытаний в технологический процесс изготовления наземного оборудования – это следующая ступень в методах повышения надёжности.
458-464
Исследование движения космических аппаратов на низкой около круговой орбите при создании межспутниковой линии связи
Аннотация
В работе исследуется задача организации межспутниковой линии связи (МЛС) в космической системе, которая строится на основе орбитальной группировки (ОГ) космических аппаратов (КА) на низкой около круговой орбите. Рассматривается одна из проблем при создании МЛС на такой орбите – наведение антенны КА друг на друга. Для возможности отслеживания друг друга важно размещать КА в орбитальной плоскости так, чтобы они были постоянно в зоне взаимной видимости. Анализируется дальность прямой видимости как внутри одной орбитальной плоскости, так и в соседних плоскостях. Создание МЛС рассматривается с точки зрения баллистического построения ОГ. При организации МЛС определены несколько типов характерного движения КА в соседних плоскостях: параллельного, ортогонального, встречного. Приводятся значения параметров наведения антенны МЛС. Полученные результаты построения ОГ и вычисления параметров наведения антенны могут быть актуальны для создания модифицированной системы.
465-476
Раздел 3. Технологические процессы и материалы
Исследование радиоэкранирующих свойств тонких прозрачных пленок одностенных углеродных нанотрубок
Аннотация
Представлены результаты исследования экранирующих свойств тонких прозрачных пленок одностенных углеродных нанотрубок на гибких подложках из полиэтилентерефталата. Пленки формировались спрей распылением коллоидного раствора одностенных углеродных нанотрубок. Толщина пленок задавалась объемом распыляемого коллоидного раствора и измерялась при помощи просвечивающей электронной микроскопии в режиме cross-section. Морфология и структурное качество пленок были изучены методами электронной микроскопии, методами оптической спектроскопии и спектроскопии комбинационного рассеяния света. Результаты позволяют судить о высоком структурном качестве материала. Согласно данным спектроскопии комбинационного рассеяния, соотношение интенсивностей пиков G/D составляет 23,4, что является свидетельством существенного преобладания углерода, находящегося в состоянии sp2 гибридизации. Это характерно для графитоподобных систем и, в частности, углеродных нанотрубок. Изучены спектральные зависимости коэффициента прохождения и отражения радиоволн в К-диапазоне 18–26,5 ГГц. Доминирующим механизмом экранирования является поглощение излучения. Увеличение толщины пленки c 15,9 до 56,1 нм сопровождается снижением поверхностного сопротивления с 971 до 226 Ом/кв, оптическая прозрачность при этом снижается с 93,58 до 76,71 %. Эффективность экранирования увеличивается с 2,29 до 6,6 дБ, повышая долю поглощенного излучения с 34,6 до 51,2 % на частоте 18 ГГц. Это говорит о перспективах применения пленок в качестве радиоэкранирующих и антиобледенительных покрытий в аэрокосмической отрасли.
478-484
Алгоритм контактного метода измерения текущей площади кристаллов, выращиваемых способом Чохральского
Аннотация
Для кристаллов, выращиваемых из жидкого расплава по способу Чохральского, при контроле и управлении текущей площадью кристалла на основе контактного метода измерения, определены требования для повышения точности измерения площади кристалла на цилиндрической части выращивания.
Для устранения ошибки из-за точности стабилизации уровня расплава в тигле предложен алгоритм работы установки выращивания кристаллов, выполняемый программно с помощью системы управления.
За время оценки сигнала управления на цилиндрической части выращиваемого кристалла принимается время выборки заданного количества импульсов перемещения тигля.
Начинается вычисление сигнала управления в момент замыкания датчика уровня расплава, заканчивается вычисление сигнала управления так же в момент замыкания датчика уровня расплава при условии выборки заданного количества импульсов перемещения тигля.
Время оценки сигнала управления в предыдущем цикле управления используется в текущем цикле для вычисления паузы замыкания и размыкания датчика уровня расплава.
В системе управления в момент замыкания контактного датчика выдерживается пауза замкнутого и последующая пауза разомкнутого состояния датчика уровня.
В моменты пауз состояние контактного датчика системой управления не анализируется и управление подъемом тигля происходит с замедленной и ускоренной скоростью подъема тигля в моменты «условно» замкнутого и «условно» разомкнутого состояний датчика уровня.
Система управления постоянно обнуляется в момент завершения каждого цикла управления.
Программная система управления обеспечивает приведенный выше алгоритм управления процессом выращивания из жидкого расплава кристаллов по способу Чохральского, при этом достигается точность определения текущей площади выращиваемого кристалла порядка 1 %.
485-496
Использование диафрагменного электролизёра для очистки сточных вод от шестивалентного хрома
Аннотация
В производстве ракетно-космической техники применяются электрохимические процессы, в результате которых происходит загрязнение сточных вод ионами металлов. Строгие требования органов охраны окружающей среды не позволяют сбрасывать непосредственно в водоемы или канализацию сточные воды, содержащие ионы металлов, концентрация которых превышает предельно допустимые значения. Наибольшие трудности вызывает очистка воды от шестивалентного хрома.
Предлагаемые методы очистки от хрома шестивалентного – метод электрокоагуляции, метод гальванокоагуляции, сорбционные методы, комбинированные методы – имеют недостатки, такие как значительный расход электроэнергии, металлических растворимых анодов, пассивация анодов, необходимость больших избытков реагента (солей железа), большие количества осадка и сложность его обезвоживания, дороговизна и дефицит сорбентов, большой расход реагентов для регенерации сорбентов и др.
В работе показано оборудование для проведения опытов, включающее диафрагменный электролизёр с коаксиальным расположением электродов. Представлены формулы для расчёта потока ионов хрома под действием миграции и диффузии. Отличие расчётной силы тока от практической составляет 25 %, теоретической степени очистки от реальной – 4 %, что подтверждает эффективность предложенного способа очистки.
Концентрацию ионов хрома определяли методом атомно-абсорбционной спектроскопии. Степень очистки воды от хрома составила от 84 до 96 %. Наибольшая степень очистки (96 %) получена при продолжительности электролиза 29 мин.
497-501