Том 21, № 2 (2020)
Раздел 1. Информатика, вычислительная техника и управление
Разработка и исследование эффективности алгоритма дифференциальной эволюции для решения задач многокритериальной оптимизации
Аннотация
В практической деятельности часто встречаются задачи, заключающиеся в поиске лучшего (оптимального) решения при наличии различных несводимых друг к другу и противоречивых (конфликтующих) критериев оптимальности, называемые задачами многокритериальной оптимизации. Один из наиболее распространенных методов решения подобного рода задач заключается в объединении всех критериев в один, используя некоторое линейное соотношение. Несмотря на простоту метода, при решении задач таким способом могут возникнуть проблемы с определением самого линейного соотношения, а именно весовых коэффициентов каждого критерия, неправильный подбор которых может привести к неоптимальным (в смысле теории Парето доминирования) решениям. В связи с этим в настоящее время предложены различные популяционные алгоритмы для решения описанных задач, которые в свою очередь являются модификациями этих же популяционных алгоритмов для решения задач однокритериальной оптимизации. В данной статье описаны разработанные модификации алгоритма дифференциальной эволюции (Differential Evolution, DE) для решения задач многокритериальной безусловной оптимизации на базе широко известных схем NSGA (Non-dominated Sorting Genetic Algorithm) и MOEA/D (Multiobjective Evolutionary Algorithm Based on Decomposition), использующих теорию Парето доминирования. Исследование эффективности алгоритма дифференциальной эволюции для решения задач многокритериальной оптимизации проводилось в зависимости от выбора оператора мутации исходного алгоритма дифференциальной эволюции и схемы учета множества целевых функций. Разработанные модификации были протестированы с помощью известных задач многокритериальной безусловной оптимизации вещественнозначных функций с 30 независимыми переменными, например, ZDT1, ZDT2, ZDT3 и т. д., также была решена практическая задача выбора эффективного варианта аппаратно-программного комплекса для систем управления космическими аппаратами. В результате экспериментов было установлено, что алгоритм дифференциальной эволюции демонстрирует лучшие результаты при использовании наиболее простых операторов мутации в сочетании со схемой учета целевых функций NSGA, таким образом, показана целесообразность его применения с данными параметрами для решения практических задач.
134-143
К задаче управления группой объектов на основе информационных технологий
Аннотация
Для участия тепловых электростанций (ТЭС) с поперечными связями в общем первичном регулировании частоты необходимо наличие работающего главного регулятора. Главный регулятор предназначен для поддержания давления пара в общем паропроводе ТЭС на заданном уровне, что является сложной задачей. На ТЭС с поперечными связями производимый котлами пар поступает в общий паропровод. Для поддержания давления в общем паропроводе необходимо комплексное управление тепловой нагрузкой работающих котлов. Традиционные решения построения главного регулятора не нашли применения, так как имеют ряд недостатков, не позволяющих эксплуатировать такую систему автоматического регулирования. Если рассматривать систему регулирования давления пара в общем паропроводе снизу вверх, можно на каждом уровне выявить недостатки, мешающие эффективной работе главного регулятора. На нижнем уровне главного регулятора расположены регуляторы тепловой нагрузки котлов, построенные по схеме задание – теплота. Регуляторы тепловой нагрузки предназначены для поддержания тепловыделения в топке котла на требуемом уровне. Сигнал по теплоте представляет собой сумму сигналов по расходу пара за котлом и скорости изменения давления пара в барабане котла. Такая структура не позволяет эффективно поддерживать инвариантность сигнала по теплоте при внешних возмущениях, таких как резкое изменение давления пара в общем паропроводе, что приводит к «ложной» работе регуляторов. На верхнем уровне расположен непосредственно сам главный регулятор, поддерживающий давление пара в общем паропроводе на заданном уровне и корректирующий задания регуляторам тепловой нагрузки котлов. Одновременное одинаковое воздействие на тепловую нагрузку котлов не может быть оптимальным с точки зрения критериев оценки качества регулирования, так как динамические свойства котлов, такие как коэффициент усиления, постоянная времени переходного процесса и транспортное запаздывание, индивидуальные для каждого котла.
Однако в 2006–2008 гг. была осуществлена попытка построения обновленного главного регулятора, учитывающего недостатки традиционной схемы. Основа структуры главного регулятора по-прежнему осталась параметрической, и в результате десятилетнего опыта эксплуатации были выявлены недочеты в работе обновленного главного регулятора. Недочеты в основном состоят в необходимости частой корректировки настроечных коэффициентов системы из-за изменения динамических свойств объекта в процессе эксплуатации. По сути, остались те же самые проблемы, связанные с параметрической структурой регулятора.
С появлением новейших информационных технологий появляется возможность внедрения адаптивных систем управления технологическими процессами, позволяющими обрабатывать расширенное количество поступающих в систему сигналов и формировать управляющие воздействия, основываясь как на текущих, так и на исторических данных технологического процесса. Использование новейших информационных технологий и современных аппаратных средств при управлении сложными многосвязными объектами, решающих не только задачи управления технологическими процессами, но и задачи повышения экономических и экологических показателей предприятий, должно стать новым витком в развитии систем автоматического управления.
144-152
Прикладные вопросы классификации с использованием гребневой регрессии
Аннотация
Бурное развитие технологий и техники обеспечивают возможность мониторинга свойств объектов различной физической природы с очень малой дискретностью. В результате накапливаются большие объемы данных, которые можно использовать с пользой для управления объектом, многосвязной системой, технологическим предприятием. Однако, вне зависимости от сферы деятельности, остаются задачи, связанные с небольшими объемами данных, динамика их накопления зависит от объективных ограничений внешнего мира и окружающей среды.
Проводимые исследования касаются данных небольших объемов выборок и размерности признаков объектов, которая может считаться высокой относительно количества изучаемых объектов. В связи с этим возникает задача отбора информативных признаков, что позволит как улучшить качество решения задачи за счет исключения «мусорных» признаков, так и повысить скорость принятие решения, поскольку алгоритмы обычно зависимы от размерности признакового пространства, и упростить процедуру сбора данных (не собирать неинформативные данные). Поскольку количество признаков может быть велико, полный перебор всех пространств признаков оказывается невозможным. Вместо этого для отбора информативных признаков предложен двуступенчатый алгоритм случайного поиска, основанный на применении генетического алгоритма: на первом этапе с ограничением количества признаков в подмножестве для сокращения признакового пространства за счет исключения «мусорных» признаков, на втором этапе – без ограничения, но по сокращенному набору признаков.
Исходная формулировка проблемы представляет собой задачу классификации объектов с учителем, когда класс объекта определен экспертом. Значения признаков объектов меняются в зависимости от его состояния, что обусловливает принадлежность тому или иному классу, то есть статистики обладают смещенностью в классе.
Без нарушения общности для проведения имитационного моделирования использовалась двухальтернативная постановка задачи классификации с учителем, для генерации обучающих выборок были использованы данные из области медицинской диагностики степени тяжести заболевания.
153-159
О непараметрической идентификации динамических систем в условиях нормального функционирования
Аннотация
Приводятся непараметрические алгоритмы идентификации в условиях неполной информации. Существенное отличие самой задачи идентификации от известных предыдущих задач состоит в том, что на вход объекта, кроме управляющего воздействия, действует неуправляемая переменная, но контролируемая. В отличие от параметрической идентификации, рассматривается ситуация, когда уравнения, описывающие динамические объекты, не заданы с точностью до параметров. В этом случае появляются некоторые особенности, которые необходимо учитывать при снятии переходных характеристик объектов по различным каналам. Основная особенность состоит в том, что переходная характеристика по одному каналу снимается при стабильном положении другого канала. Более того, задача идентификации рассматривается в условиях нормального функционирования объекта в отличие от ранее известного подхода к непараметрической идентификации, основанного на подаче на вход объекта функции Хевисайда и дальнейшем применении интеграла Дюамеля. В условиях нормального функционирования на вход объекта подают сигнал произвольной формы. При этом на выходе объекта наблюдается соответствующий отклик. Измерения входной и выходной переменных осуществляются со случайными помехами. В итоге имеем реализацию (выборку) входных–выходных переменных. Поскольку линейная динамическая система может быть описана интегралом Дюамеля, то при известных входных и выходных переменных объекта могут быть найдены соответствующие значения весовой функции. Это достигается при дискретной записи последнего. Располагая подобной реализацией, в дальнейшем используется непараметрическая оценка весовой функции в виде непараметрической оценки Надарая – Ватсона. Подставляя ее в интеграл Дюамеля, получаем тем самым непараметрическую модель линейной динамической системы неизвестного порядка.
В статье приведен так же любопытный случай построения непараметрической модели при подаче на вход дельтаобразной функции. Было интересно выяснить, насколько дельтаобразная функция может отличаться от дельта-функции. Оценка весовой функции и в этом случае определялась в классе непараметрических оценок Надарая – Ватсона. Ранее были предложены непараметрические алгоритмы идентификации для случая, когда на вход объекта подавалась функция Хевисайда. Это несколько сужает рамки практического использования самой идеи непараметрической идентификации. Естественно, важным является случай построения непараметрической модели динамического объекта, находящегося в условиях нормальной эксплуатации. Эта особенность является наиболее важной из рассматриваемых приемов идентификации в условиях непараметрической неопределенности.
160-165
Многосеточные конечные элементы в расчетах многослойных овальных цилиндрических оболочек
Аннотация
Метод конечных элементов (МКЭ) активно используется в расчетах композитных оболочечных конструкций (оболочки вращения, круговые и овальные цилиндрические оболочки), которые широко применяются в ракетно-космической и авиационной технике. Для расчета многослойных овальных цилиндрических оболочек предложены трехмерные криволинейные лагранжевые многосеточные конечные элементы (МнКЭ). При построении k-сеточного конечного элемента (КЭ) используется k вложенных сеток. Мелкая сетка порождена базовым разбиением МнКЭ, которое учитывает его сложную неоднородную структуру и форму. На k–1 крупных сетках определяются функции перемещений, применяемые для понижения размерности МнКЭ. Напряженно-деформированное состояние в МнКЭ описывается уравнениями трехмерной задачи теории упругости (без введения дополнительных гипотез) в локальных декартовых системах координат. Показана процедура построения лагранжевых МнКЭ оболочечного типа с применением полиномов Лагранжа, представленных в криволинейных системах координат. При измельчении дискретных моделей МнКЭ имеют постоянную толщину, равную толщине оболочки. Узлы полиномов Лагранжа по толщине совпадают с узлами крупных сеток МнКЭ и расположены на общих границах разномодульных слоев. Применение таких МнКЭ порождает последовательности приближенных решений, которые равномерно и быстро сходятся к точным.
Основные достоинства МнКЭ состоят в том, что они образуют дискретные модели, размерность которых в 102–106 раз меньше размерности базовых моделей, и порождают решения с малой погрешностью. Представлены примеры расчетов четырех- и трехслойных овальных оболочек различной толщины и формы при равномерном и локальном нагружениях с применением 3-сеточных КЭ. Сравнительный анализ полученных решений с решениями построенных с помощью программного комплекса ANSYS показывает высокую эффективность предлагаемых МнКЭ в расчетах многослойных овальных оболочек.
174-182
Применение программно-математических моделей бортовой аппаратуры при разработке бортового программного обеспечения
Аннотация
Работа посвящена отработке логики функционирования подсистем космического аппарата на этапе разработки бортового программного обеспечения системы. Усложнение структуры и логики функционирования космических аппаратов в связи с повышением требований в части обеспечения потребителей информационными услугами (навигации, спутникового мониторинга транспорта, геодезии, связи и т.д.) требует поддержания надежности и бесперебойного функционирования, реализации автоматизированного парирования нештатных ситуаций при работе бортовых аппаратур космических аппаратов. Для достижения поставленных требований необходима отладка взаимодействия бортовой аппаратуры и программного обеспечения бортового интегрированного вычислительного комплекса, реализующего целевое функционирование бортовых систем космического аппарата. При этом выполнение требований по увеличению надёжности бортового программного обеспечения не должно приводить к увеличению сроков изготовления космического аппарата.
В настоящей работе предложен подход для отработки информационно-логического взаимодействия бортовой аппаратуры и программного обеспечения бортового интегрированного вычислительного комплекса космического аппарата с применением лабораторно-отработочного изделия и программно-математической модели. Описаны основные идеи проведения двухуровневого тестирования бортового программного обеспечения, включающего в себя автономное и системное тестирование на наземном отладочном комплексе. Указанный подход применен в рамках реализации цикла разработки бортового программного обеспечения, проводимого согласно стандартам АО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнева».
Предложенный в работе подход способствует сокращению ошибок при разработке бортового программного обеспечения и проверке информационно-логического взаимодействия бортовой аппаратуры и космического аппарата в целом во всех режимах функционирования.
166-173
Строгий лавинный критерий функций четырехзначной логики как характеристика стойкости криптоалгоритмов
Аннотация
Важнейшим компонентом современных криптографических алгоритмов, который во многом определяет качество криптопреобразования, является S-блок. Современная методика оценки качества S-блоков предполагает их представление в виде компонентных булевых функций, к которым применяются критерии криптографического качества, такие как нелинейность, критерий распространения ошибки, строгий лавинный критерий, корреляционный иммунитет. Тем не менее очевидным является тот факт, что криптоаналитик не стеснен в способах представления компонент шифра, в частности и с помощью функций многозначной логики. Конструктивные особенности современных криптоалгоритмов допускают их представление в виде функций 4-логики, что диктует необходимость исследования криптографических свойств S-блоков, представленных в виде компонентных 4-функций. В литературе сегодня имеются методы измерения нелинейности 4-функций, тем не менее отсутствуют подобные методы для изучения дифференциальных свойств 4-функций, в частности, их соответствия строгому лавинному критерию. В настоящей статье строгий лавинный критерий обобщен на случай 4-функций, проведены исследования соответствия строгому лавинному критерию компонентных 4-функций S-блоков криптоалгоритма «Магма». Методом ограниченного перебора синтезированы все сбалансированные 4-функции длины N = 16, удовлетворяющие строгому лавинному критерию. Определены базовые свойства построенного класса 4-функций, а также построены биективные S-блоки на их основе. Установлено, что S-блоки длины N = 16, удовлетворяющие строгому лавинному критерию как с точки зрения компонентных булевых функций, так и с точки зрения 4-функций, обладают также оптимальными нелинейными свойствами. Данное обстоятельство позволяет рекомендовать S-блоки, удовлетворяющие строгому лавинному критерию компонентных 4-функций, к использованию в современных криптоалгоритмах.
183-190
Реализация библиотеки математических функций с параллелизмом на уровне операций на языке Пифагор
Аннотация
К настоящему времени параллельное программирование обеспечивается большим объемом развитых инструментов и библиотек, базирующихся на императивном программировании с применением параллельных процессов или потоков (нитей), также развиваются средства распараллеливания и для функциональных языков программирования. Вместе с перечисленными инструментами существуют и альтернативные подходы к организации параллельных вычислений, один из которых реализуется языком функционально-потокового параллельного программирования Пифагор, поддерживающим параллелизм на уровне операций.
И теоретические концепции, и инструментальные средства обозначенного языка программирования активно развиваются, расширяется репозиторий разработанных функций. Разработано множество математических функций, без встроенной реализации которых затруднено комфортное программирование многих задач, способное предоставить разработчику не меньшую функциональность, чем математическая библиотека math.h языка С. Большая часть математических функций реализована с помощью рядов Маклорена. Используется как подход, предоставляющий более быстрые и менее точные вычисления, при котором без циклов и рекурсий вычисляется предопределенное количество элементов ряда с подстановкой в код функции заранее вычисленных коэффициентов, так и подход, предоставляющий менее быстрые и более точные вычисления, при котором элементы ряда вычисляются динамически до достижения нужной точности. Для части функций ряд Маклорена имеет ощутимо разный уровень точности в рамках своей области определения, тогда в окрестностях точек, отрицательно влияющих на точность ряда, искомая функция уточняется с помощью дополнительных математических формул, например, формул приведения.
Задача описания библиотеки математических функций языка является прикладной алгоритмической задачей, уже реализованной тем или иным образом для ряда существующих языков программирования. При этом во многих языках реализация алгоритмов математических функций скрыта от пользователя, последнему предоставляется только возможность программного вызова такой функции, тогда как современные инструментальные средства языка Пифагор поддерживают открытый репозиторий функций. Применительно к языку программирования Пифагор интерес представляют особенности и возможности распараллеливания на уровне операций при вычислении математических формул, представленные в статье.
191-196
Раздел 2. Авиационная и ракетно-космическая техника
Разработка лабораторной установки трехточечного измерения топлива
Аннотация
Развитие цифровых технологий позволяет непрерывно производить улучшения во многих сферах деятельности. Данная работа посвящена разработке нового, несуществующего на данный момент метода измерения топлива. Для измерения топлива предлагается использовать три топливных датчика и вычислительный элемент для моделирования положения уровня топлива в пространстве с дальнейшим расчетом объёма топлива, что позволит уменьшить погрешности, возникающие при эксплуатации топливомеров. Главным преимуществом данной системы будет устранение погрешности, возникающей при эволюциях воздушного судна, а также при его неравномерном движении.
В данной работе проводится поэтапная разработка лабораторного стенда для исследования трехточечного метода измерения топлива. В ходе работы был собран сосуд, моделирующий топливный бак воздушного судна. Сосуд представляет собой стеклянную емкость с погружными измерительными датчиками. Также был проведен расчет мостовой электрической схемы, рассчитывающей значение напряжения на каждом датчике. В качестве замены топлива использовалось трансформаторное масло, выступающее в качестве диэлектрика. Был записан программный код для микроконтроллера.
Предложенный способ обладает рядом преимуществ в сравнении с традиционными способами замера уровня топлива. В работе представлена математическая модель, на основе которой производилось измерение уровня топлива в топливном баке воздушного судна.
198-203
Межспутниковая оптическая линия связи
Аннотация
Рассмотрена двухуровневая система передачи данных оптического диапазона между низкоорбитальным космическим аппаратом (НКА), находящимся на солнечно-синхронной орбите, и спутником-ретранслятором (СР), находящимся на геостационарной орбите. Данная тема является весьма актуальной в связи с тем, что стремительное развитие спутников дистанционного зондирования земли привело к повышению объемов передаваемой информации, что в следствии привело к новым требованиям к системам связи. Увеличение скорости передачи данных, повышение требований к системам связи способствовало развитию одного из перспективных направлений космической связи, основанного на передаче информации по лазерному каналу благодаря высокой концентрации энергии и гораздо более высокой частоте несущей. Меньшее энергопотребление, габаритные размеры и масса приемопередающей аппаратуры оптического диапазона (по сравнению с системами радиодиапазона) определяют перспективы применения оптических систем связи.
В статье описано решение использования между НКА и СР оптической линии связи. Приведены и проанализированы основные факторы, вносящие ослабление в процессе распространения сигнала на трассе. Приведена модель для наглядного отображения канала связи между НКА и СР. Описаны два разных подхода взаимного наведения и сопровождения лазерных терминалов с использованием маяков и без маяков. В качестве близкого аналога рассмотрена зарубежная система EDRS. Приведена оценка основных параметров линии связи.
Рассмотренная в статье система связи сможет обеспечить большую пропускную способность при передаче данных в оптическом диапазоне между НКА и СР. Применение данной системы позволит решать задачи, в том числе в интересах любых ведомств и структур МО РФ, для которых скорость получения информации является одним из основных требований, предъявляемых к системе спутниковой связи. Задачи точного наведения приемных и передающих устройств, возникающие как следствие узких диаграмм направленности, можно решить современными техническими средствами.
204-209
Исследование метрологических характеристик системы PulsESPI применительно к прецизионному контролю термодеформаций
Аннотация
В условиях имитации воздействия космического пространства при наземной экспериментальной обработке антенн и зеркальных систем космических аппаратов необходим высокоточный и надёжный контроль термодеформаций. В работе рассматривается контроль объектов размером до 1,5 м, но на практике размер может достигать 10 м. Требования по величине измеряемой термодеформации находится в пределах 10–200 мкм. Деформируемая поверхность обычно является шероховатой (Ra » λоптич.). Погрешность измерений при этом должна быть порядка 1 мкм.
Методом, отвечающим требованиям данной задачи, является метод электронной спеклинтерферометрии (ESPI). Данный метод позволяет контролировать объекты со случайно-неоднородной поверхностью. При использовании данного метода вычисляют значение фазы волнового фронта, регистрируемого цифровой матрицей камеры. Фаза содержит информацию о деформации, а для ее вычисления используется метод пространственного фазового сдвига. Одной из измерительных систем, основанных на данном методе, является измерительная система PulsESPI (производство Carl Zeiss Optotechnik GmbH, Германия). Она обладает высокой чувствительностью, которая составляет порядка 50 нм. Однако данная измерительная система предназначена для выполнения единичных измерений. В связи с этим разработан дополнительный программный модуль для обработки и визуализации серии из нескольких сотен измерений.
Для исследования метрологических характеристик системы PulsESPI, применительно к измерению термодеформаций (многократные измерения), разработан экспериментальный стенд с тестовым объектом размером 1,5 м. С разных сторон объекта размещались система PulsESPI и интерферометр Renishaw XL-80, внесенный в Госреестр средств измерений РФ. В качестве результатов сравнивались смещение поверхности, измеренное интерферометром Renishaw XL-80, и соответствующая ей точка с карты деформаций системы PulsESPI. На разработанном стенде проведено три вида испытаний. Среднеквадратическое отклонение единичных измерений составило не более ± 0,2 мкм. При проведении серии измерений, в которых получена суммарная деформация 200 мкм, ошибка составила не более ± 1 мкм. Полученные результаты позволяют говорить о возможности применения данной системы для высокоточного контроля термодеформаций крупногабаритных объектов.
210-218
Методика определения дискового трения малорасходных центробежных насосов
Аннотация
Малорасходные центробежные насосы в настоящее время находят широкое применение в системах топливоподачи жидкостных ракетных двигателей малой тяги, двигателях коррекции и ориентации космических аппаратов, в составе бортовых источников мощности, газогенераторных системах надува топливных баков, системах терморегулирования летательных и космических аппаратов.
При проектировании малорасходных центробежных насосов аэрокосмического назначения зачастую используют методы расчета и оптимизации проточной части в большей степени соответствующие расчетным методикам полноразмерных центробежных насосов, что ограничивает режимный и конструктивный потенциал насосов и влияет на их энергетические параметры и надежность. Требования обеспечения надежности зачастую приводят к необходимости резервирования агрегатов и систем топливоподачи.
Поэтому, несмотря на большой объем проведенных научно-исследовательских работ, разработка методики проектирования малорасходных центробежных насосов с высокими энергетическими и эксплуатационными параметрами аппаратов остается актуальной задачей ракетного двигателестроения.
В статье проведен анализ режимных параметров малорасходных центробежных насосов, используемых в энергетических системах летательных и космических аппаратов. С учетом используемых рабочих тел и диапазона температурного режима выявлено, что в полости между рабочим колесом и корпусом насоса реализуется ламинарное вращательное течение с характерными числами Рейнольдса в диапазоне .
С учетом конструктивных особенностей и применяемых схем разработана методика определения потерь мощности на дисковое трение рабочего колеса. Выражения для определения коэффициентов дискового трения согласуются с результатами, полученными другими авторами. Полученные выражения для ламинарного вращательного течения позволили определить математические зависимости для определения момента сопротивления и мощности дискового трения рабочего колеса малорасходного центробежного насоса.
219-227
Разработка архитектуры эмулятора интерфейсных модулей сопряжения систем жизнеобеспечения космических аппаратов
Аннотация
Рассмотрена специфика наземной экспериментальной отработки бортовой радиоэлектронной аппаратуры на примере блока управления бортового комплекса управления современных космических аппаратов. Сформулирована проблема обеспечения процесса тестирования его программного обеспечения в процессе проектирования и изготовления. Предложено решение обозначенной проблемы на основе аппаратно-программного комплекса, эмулирующего работу интерфейсных модулей сопряжения для вычислительного модуля блока управления. В соответствии с обобщенным алгоритмом функционирования блока управления разрабатываемый комплекс рассмотрен в виде многопользовательской системы. Определены основные функциональные требования к аппаратно-программному эмулятору как к соответствующей системе массового обслуживания. На основе проведенных экспериментальных исследований процесса функционирования вычислительного модуля сформулированы требования к времени реакции эмулятора с точки зрения обеспечения его работы в режиме жесткого реального времени. В целях обеспечения требуемой оперативности функционирования проведена классификация эмулируемых функций интерфейсных модулей сопряжения в соответствии со степенью критичности детерминированности их выполнения. По результатам экспериментальной апробации вариантов технической реализации канала обслуживания на основе многофункциональных устройств реконфигурируемого цифрового ввода/вывода разработана структурная схема аппаратно-программного эмулятора, основанная на возможностях параллелизма выполнения операций в программируемых логических интегральных схемах и гибкости программного реконфигурирования. Реализация имитируемых функций выделенных классов в рамках предложенной архитектуры выполнена на основе соответствующих аппаратных блоков и программного модуля. Проведен анализ предельных значений времени реакции эмулятора на примере его реализации с использованием технологий National Instruments. Рассмотрены результаты апробации и внедрения разработанного аппаратно-программного эмулятора, а также дальнейшие направления прикладного применения предложенного подхода в процессе испытаний бортовой радиоэлектронной аппаратуры космических аппаратов и компонентов космических систем.
228-235
Аппаратура регулирования и контроля системы электропитания перспективного пилотируемого транспортного корабля
Аннотация
Целью работы является решение комплекса задач, направленных на выполнение сложных тактико-технических требований, предъявляемых к аппаратуре регулирования и контроля (АРК) систем электропитания (СЭП) перспективных космических аппаратов, обусловленных необходимостью обеспечения высоких показателей надежности аппаратуры при эксплуатации в условиях воздействия внешних воздействующих факторов (вакуум, виброударные нагрузки, радиация, отсутствие конвективного охлаждения), а также достижения высоких массогабаритных показателей аппаратуры и ее высокой функциональности.
Сложность решения задач обусловлена необходимостью обеспечения противоречивых по физической сути требований – высоких показателей энергетической плотности, массогабаритных характеристик, надежности и долговечности.
В полной мере указанные проблемы относятся и к аппаратуре регулирования и контроля системы электропитания перспективного пилотируемого транспортного корабля (АРК ППТК) нового поколения, на примере проектирования которого показан вариант решения указанных задач.
Наиболее рациональным способом устранения указанных противоречий можно назвать повышение удельных энергетических показателей основных составляющих устройств АРК – силовых преобразователей, которого возможно достичь путем использования современной силовой электронной компонентной базы, применения новых материалов и полуфабрикатов, например, печатных плат с металлическим теплоотводом, а также повышения плотности компоновки при проектировании.
В свою очередь, определяющим решением является выбор оптимальной структуры силового преобразователя, обеспечивающего наилучшую энергетическую эффективность.
Дополнительным путем уменьшения массогабаритных показателей АРК является применение цифрового способа управления, сбора телеметрической информации, приема и обработки команд.
В то же время, напротив, для обеспечения заданных показателей надежности аппаратуры необходимо использовать избыточное резервирование на уровне элементов (для силовых компонентов) и принципы мажоритарного резервирования на уровне функциональных блоков (для схем управления и телеметрии).
На примере разработанной предприятием ЗАО «Орбита» АРК представлены основные параметры СЭП космического корабля нового поколения, рассмотрены важнейшие подсистемы электропитания: подсистема регулирования солнечной энергии и подсистема хранения электроэнергии, способы их построения для реализации заданных требований с учетом предложенных решений.
В результате проведенной работы выбраны оптимальные структуры силовых преобразователей – регулятора тока солнечной батареи и регулятора тока аккумуляторной батареи, представлены основные принципы резервирования силовых компонентов, обеспечивающих работоспособность аппаратуры в случае единичного отказа любого компонента без потери работоспособности и ухудшения параметров АРК в целом.
Для оптимальной компоновки и высокой надежности АРК использованы блочно-модульный способ построения, обеспечивающий равномерный отвод тепла от электронных компонентов, что особенно важно в условиях вакуума, минимизация габаритов и массы АРК, а также высокая механическая прочность конструкции.
Реализованные принципы построения АРК для ППТК с использованием указанного подхода позволят увеличить срок активного существования (САС), повысить надежность КА с одновременным снижением массогабаритных показателей.
236-242
Моделирование напряженно-деформированного состояния конструкций ракетно-космической техники, изготовленных с использованием аддитивных технологий
Аннотация
Одним из перспективных направлений совершенствования методов изготовления конструктивных элементов ракетно-космической техники является применение технологии селективного лазерного плавления, которая дает уникальную возможность изготавливать изделия из металла посредством расплавления порошка и получения сплошной твердофазной структуры. Однако при лазерном спекании в формируемом элементе могут образовываться поры и прочие дефекты структуры, что вызывает снижение прочностных характеристик изготавливаемых деталей. Важным этапом при внедрении аддитивных технологий является разработка методов предварительного прогнозирования прочностных характеристик изготавливаемых элементов конструкции в условиях воздействия механических нагрузок с помощь математического моделирования. Представлена методика оценки снижения прочности материала элемента конструкции ракетно-космической техники, полученного с использованием аддитивных технологий с помощью моделирования пористой структуры и расчета характеристик напряженно-деформированного состояния.
Предложенные математическая модель и методика расчета нагружения образца, основанная на теории энергии формоизменения, позволяют провести расчёт напряженно-деформированного состояния в процессе численного моделирования для разных значений диаметра пор. Снижение предела текучести в связи с пористостью материала детали оценивается с помощью коэффициента, равного отношению эквивалентных напряжений, возникающих при приложении нагрузки к образцу, изготовленному посредством традиционных и аддитивных технологий. Значение введенного коэффициента характеризует структуру выращенного изделия и рассматривается как функция случайного расположения пор в исследуемом образце, появление которых является результатом влияния совокупности факторов: состав и дисперсность исходного металлического порошка, скорость подачи, расстояние выведения и мощность лазера при спекании, ориентация детали и направление спекания, высота уровня порошка, нанесенного на специальное основание перед спеканием и др.
В работе проведена оценка снижения прочности для рабочей части серии образцов для испытаний на растяжение, выращенных из металлического порошка различной дисперсности. Установлен нелинейный характер зависимости предела текучести от диаметра частиц исходного металлического порошка. Максимальное значение предела текучести соответствует образцу с минимальным значением суммарной площади поверхности пор.
243-250
Солнечные тепловые ракетные двигатели с различными высокотемпературными источниками мощности
Аннотация
В статье приводится обзор космических тепловых ракетных двигателей, использующих концентрированную солнечную энергию как основной источник мощности. Рассматриваются солнечные тепловые ракетные двигатели (СТРД) разных схем, в том числе с дожиганием нагретого в системе «концентратор – приемник» (КП) водорода различными окислителями, образующими с водородом высокоэнергетические топливные пары с высоким значением соотношения массовых расходов компонентов, что позволяет уменьшить размерность системы КП. Показаны экстремальные зависимости тяги двигателя от удельного импульса при различных значениях температуры нагрева водорода и коэффициента избытка окислителя. Приводятся коэффициенты регрессионных зависимостей для КПД двухступенчатого приемника и приемника с предельной неравнотемпературностью нагрева, обладающим предельно возможной энергетической эффективностью. Приведены алгоритмы расчета основных проектных параметров СТРД в составе космического аппарата (КА) с учетом баллистических параметров многовитковой переходной траектории с множественными активными сегментами применительно к СТРД с энергетически выгодной неравнотемпературной системой КП. Также рассматриваются схемы двигателя с тепловым аккумулированием тепла и возможным дожиганием нагретого водорода. Тепловое аккумулирование позволяет накапливать энергию в светоприемнике-аккумуляторе во время пассивного движения на освещенных участках переходных орбит вне зависимости от условий освещенности апсидальных участков орбиты, на которых осуществляется включение двигателя. Для различного времени межорбитального перелета на геостационарную орбиту (ГСО) выбираются целесообразные теплоаккумулирующие фазопереходные материалы (ТАМ) типа эвтектического сплава бора и кремния, а также тугоплавкого оксида бериллия. Показаны основные характеристики разных схем СТРД в задаче выведения КА на высокоэнергетические орбиты типа ГСО. Приведена модель операции системы «КА-СТРД» с учетом баллистических параметров и возможностью аккумулирования тепловой энергии. Показано, что коэффициент избытка окислителя в СТРД с тепловым аккумулятором (ТА) возрастает при уменьшении времени межорбитального перелета. Рассмотрены схемы СТРД с двухступенчатым ТА, показывающим большую энергомассовую эффективность при умеренных значениях параметра точности солнечного концентратора.
251-265
Раздел 3. Технологические процессы и материалы
Наномодифицирование алюминиевых сплавов при литье слитков, деформируемых в аэрокосмические изделия
Аннотация
В последнее время все большее внимание уделяется такому классу материалов, как нанопорошки (НП) химических соединений, которые представляют собой сверхтонкие образования размерами не более 100 нм. Такое отношение к этим материалам объясняется тем, что они обладают уникальными физико-химическими и механическими свойствами, существенно отличающимися от свойств материалов одного и того же химического состава в массивном состоянии, и эти свойства могут быть в определенной степени переданы от них или с их участием продуктам.
Существующие способы введения НП в металлические расплавы не могли быть использованы вследствие наличия у них особых свойств по сравнению с более крупными порошками, в связи с чем был разработан новый способ их введения в расплав, исключающий прямой контакт частиц НП с кислородом и беспрепятственное их проникновение в расплав через окисную пленку. Суть способа заключалась в следующем. В алюминиевый контейнер засыпали частицы алюминия или алюминиевых деформируемых сплавов Д1 или Д16 и различные НП (нитриды, карбиды, оксиды и др.) и подвергали эту композицию прессованию в пруток, с помощью которого НП и вводили в расплав при литье слитков из алюминия и алюминиевых деформируемых сплавов.
Результаты исследования показали, что при этом исключается появление в слитках трещин, а также повышаются их технологические и механические свойства.
268-276
Исследование теплофизических свойств рабочей среды для абразивно-экструзионной обработки
Аннотация
Важнейшим ресурсом повышения эксплуатационных характеристик деталей является уменьшение шероховатости поверхности. Одним из перспективных способов снижения шероховатости поверхности является абразивно-экструзионная обработка (АЭО). При разработке технологии АЭО необходимо знать расход (давление) рабочей среды (РС), который зависит от вязкости последней. В свою очередь вязкость РС определяется её температурой. Температуру РС при АОЭ можно рассчитать, зная коэффициенты теплопроводности и температуропроводности РС. РС при АЭО состоит из двух компонентов, поэтому рассчитать коэффициент теплопроводности можно по известным формулам. Однако погрешность расчётов значительна, поэтому требуется экспериментальное определение вышеупомянутых коэффициентов. Представлены установки для исследования коэффициентов, разработаны методики проведения опытов. После математической обработки результатов экспериментов с помощью программы AdvanceGrapher v. 2.11 получены зависимости коэффициентов теплопроводности и температуропроводности от концентрации абразива. Проведенные исследования теплофизических свойств рабочей среды показали, что величины коэффициентов теплопроводности и температуропроводности РС, в основном, определяются концентрацией абразивных зерен в рабочей среде. Установлена прямая зависимость этих коэффициентов от степени наполнения рабочей среды абразивными зернами.
277-283
Математическая модель работы линейного электродинамического двигателя при ударе с учетом упругой деформации упрочняемой поверхности
Аннотация
Эксплуатационные характеристики контактирующих элементов машин и механизмов в значительной степени определяются показателями качества слоя у поверхностей контакта. Одним из способов повышения прочности деталей, в том числе деталей ракетно-космической техники, является поверхностное пластическое деформирование (ППД). В статье рассмотрены аспекты динамических способов упрочнения с позиции волновой теории удара.
Представлена конструкция ударного стенда на базе линейного электродинамического привода с типоразмером 60 мм, работающего в ударно-импульсном режиме, а также известная математическая модель рабочего процесса – движения якоря с инструментом в момент удара бойка о поверхность. Данная модель в полной мере не описывает процесс работы, так как масса бойка учитывалась равной 1 кг, что не характеризует процесс работы ударного инструмента, целью которого является деформация объекта (например, наклеп с целью поверхностного уплотнения материала или пробой отверстия в нем, или нанесение номерных маркеров).
Получена математическая модель, которая описывает движение якоря с инструментом с учетом упругой деформации упрочняемой поверхности. В ходе выполненного расчета вычислена величина упругой деформации упрочняемой поверхности по динамической составляющей силового импульса, прикладываемого к нему через индентор (наконечник ударного инструмента).
Представлена схема ударного стенда, используемое оборудование. Были проведены эксперименты по регистрации сигнала с различным расположением пьезодатчиков на наковальне – упрочняемой поверхности (схемы расположения датчиков приведены). Выполнено сравнение расчетных данных по показаниям осциллографа с теоретическими данными математической модели, где выявлено расхождение и объяснены возможные факторы его возникновения. Несмотря на расхождения и недостатки, расчеты и проведенный опыт указывают на наличие упругой деформации, а значит, ударная установка может найти применение при обработке поверхностно – пластическим деформированием ударными способами рабочих поверхностей деталей, в том числе деталей ракетно-космической техники.
284-290