2. СЕКЦИЯ РАКЕТОСТРОЕНИЯ И КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ

Варнавский С.О.

Научный руководитель – к.т.н., доцент Макаров Н.Н.

Тульский государственный университет

Большинство современных методов синтеза САУ эффективны лишь для линейных систем. Однако, в реальных условиях элементы системы линейны лишь в некоторой области входных сигналов, либо вообще нелинейны. Вследствие этого для их применения требуется проведение линеаризации системы управления, которая в свою очередь ставит задачу идентификации параметров линеаризованной системы. Без знания оператора объекта управления нельзя эффективно решать задачи расчета и проектирования систем управления. Однако ни один из существующих методов не позволяет контролировать мгновенные отклонения.

Вычисление ГТ является задачей максимизации ухода системы за отрезок времени Т. Эта задача для линейных систем с постоянными параметрами впервые рассмотрена и решена Б.В. Булгаковым. Однако если в структуру следящей системы входят существенные нелинейности, то вычисление гарантированной точности уже нельзя свести к задаче Б. В. Булгакова о накоплении возмущений линейной системой. В этом случае требуется найти управляющее воздействие в виде функции, а это задача оптимального управления. В частности будем использовать принцип максимума Л.С. Понтрягина, для получения управляющего воздействия, дающего максимум ошибки идентификации в конечный момент времени.

В итоге можно отметить, что метод гарантированной точности дает более близкое к действительности максимальное значения ошибки при идентификации нелинейных систем. Кроме того, метод гарантированной точности дает более близкое к действительности максимальное значения ошибки при отслеживании сигналов из заданного класса.

УДК 623.451.8

Цепляев В.В.

Научный руководитель – д.т.н., профессор Кобелев В.Н.

Российский государственный технологический университет – МАТИ

УДК 681.511.4

Феофилов С.В.

Научный руководитель – профессор, д.т.н. Фалдин Н.В.

Тульский государственный университет

Рассматривается задача синтеза и оптимизации системы управления релейного воздушно-динамического рулевого привода. Модель объекта управления разработана с учетом присущих газовому приводу динамических особенностей. Среди них следует отметить конструкцию управляющего электромагнита, вследствие которой он способен работать только в режиме перебросов и не может быть использован в пропорциональном режиме. Кроме того, модель является принципиально нелинейной, вследствие наличия ограничителей типа жесткий механический упор. Основной особенностью рассматриваемой системы является нестационарность ее параметров. Большинство из них изменяются в очень широком диапазоне (в 100 и более раз) в зависимости от избыточного давления.

Чернов А.Е.

Научный руководитель – д.т.н., доцент Руднев С.А.

Тульский государственный университет

Работа многих технических систем сопровождается ударными взаимодействиями между их элементами. Распространенным примером таких устройств являются звенья с ограничителями в форме механического упора, входящие в состав многих газовых и гидравлических приводов, различных электромеханических систем и т.д. Наличие звеньев с ограничителями оказывает существенное влияние на динамику систем автоматического управления.

В теории управления, в большинстве случаев, особенности звена типа механический упор учитываются с помощью статических нелинейностей, что приводит к значительным ошибкам, в том числе и качественным. Для более точного математического описания процессов, протекающих в системах автоматического управления с ограничителями, предлагается рассматривать удар с помощью предположения о пропорциональной зависимости между скоростями соударяющихся тел до и после удара.

Для оценки динамических свойств релейных систем автоматического управления при их анализе и синтезе часто требуется иметь линеаризованную модель. В работе предложен метод линеаризации релейных систем, содержащих звено с упругим механическим упором, позволяющий заменить релейный элемент и другие статические нелинейности на эквивалентный коэффициент передачи по медленно меняющейся составляющей.

Предложенный в работе метод линеаризации релейных систем не несет в себе каких-либо ограничений типа гипотезы фильтра и определяет коэффициент передачи по полезному сигналу с полным учетом формы периодического автоколебательного сигнала, поступающего на вход релейного элемента.

Предложен способ линеаризации звена с ограничителем в форме упругого механического упора, позволяющий использовать вместо звена с динамической нелинейностью эквивалентное линейное звено того же порядка.

Чакчир С.Я.

Научный руководитель – к.т.н., доцент Королев С.И.

Балтийский государственный технический университет (г. Санкт-Петербург)

В работе проведены исследования режимов функционирования гидравлического контура системы терморегулирования (СТР) на основе динамической модели с использованием метода системно-структурного анализа.

Применение методов структурно динамического анализа позволило установить общие закономерности функционирования гидравлических контуров, определяющих их работоспособность.

Полученные в результате преобразований передаточные функции использованы для анализа нестационарных процессов в рассматриваемом контуре, которые имели различный характер: устойчивый, скользящий (или пульсирующий), автоколебательный.

Наличие скользящего (пульсирующего) режима являлось характерной особенностью динамического режима функционирования контура при отработке заданного возмущающего воздействия и заключалось в достаточно высокой частоте срабатывания (включения) при практически неизменном его пороговом значении.

На основании проведенных исследований можно утверждать, что основной причиной возникновения автоколебаний в рассматриваемой динамической системе являлось транспортное запаздывание в байпасной магистрали по каналу регулирования.

Таким образом, транспортное запаздывание в канале обратной связи создает реальные предпосылки для образования на фазовом портрете некоторого предельного цикла, определяющего автоколебательный режим работы, что и было подтверждено результатами численных исследований на динамической модели.

УДК 681.511.4

Федоровский П.Ю.

Научный руководитель – д .т. н., профессор Фалдин Н.В.

Тульский государственный университет

Важным классом систем автоматического управления являются релейные системы. Недостатком релейных систем с двухпозиционным релейным элементом является высокая амплитуда автоколебаний, что отрицательно влияет на точность воспроизведения входного сигнала. Системы с трехпозиционным релейным элементом свободны от указанного недостатка, но для того, чтобы они работали в режиме автоколебаний необходимо принимать специальные меры по возбуждению автоколебаний. Указанных недостатков можно избежать, если вместо одного трехпозиционного релейного элемента использовать два двухпозиционных релейных элемента. При суммировании сигналов, поступающих в режиме автоколебаний с выходов идентичных двухпозиционных релейных элементов, смещенных относительно друг друга по фазе, получается сигнал, аналогичный сигналу с выхода трехпозиционного релейного элемента.

Работа посвящена развитию теории релейных систем с двумя управляющими релейными элементами.

Разработан способ оценки устойчивости автоколебаний. Устойчивость оценивается по собственным числам матрицы, задающей линеаризованное точечное отображение поверхностей переключения в окрестности периодического решения.

Предложен метод линеаризации, позволяющей весьма просто исследовать в указанной релейной системе режим слежения за входными сигналами. Метод позволяет выделить в выходном сигнале системы “среднюю” составляющую, на которую наложены высокочастотные колебания. При исследовании реальных технических систем интересуются, как правило, именно этой “средней” составляющей. Метод отличается повышенной точностью и не имеет ограничений, характерных для метода гармонической линеаризации. Коэффициенты передачи релейного элемента по постоянной составляющей определяется точно с полным учетом формы периодического движения.

Москвин С.В.

Научный руководитель - к.т.н., доцент Тимшин В.Т.

Самарский государственный аэрокосмический университет

При межпланетных полетах радиационную опасность для экипажа представляют в основном галактическое и солнечное корпускулярное излучение (ГКИ и СКИ), сопровождающее солнечные вспышки. В целях уменьшения опасности СКИ необходимо создавать на борту КА радиационное убежище (РУ) для кратковременного пребывания в нем космонавтов.

В случае использования электрореактивного двигателя (тяговооруженностью 0,0001) для разгона у Земли космический корабль длительное время (1-2 мес.) пребывает в радиационных поясах Земли (РПЗ), что требует значительного увеличения массы защиты от протонов. Кроме того, наличие на КА ядерного реактора в составе ядерной энергетической установки (ЯЭУ) или ядерного ракетного двигателя (ЯРД) обуславливает появление гамма - и нейтронного излучений, для ослабления которых необходимо создание теневой защиты.

С учётом характеристик излучений, длительности полёта и особенностей конструкции КК можно применять различные виды защиты или их сочетания:

• пассивная защита (ослабление излучения в толстых слоях материалов-замедлителей частиц);
• активная защита (создание вокруг КА магнитного или электрических полей);
• локальная защита критических органов экипажа;
• фармакохимическая защита.

Несмотря на то, что активная защита не дает вторичного излучения и обладает меньшей массой по сравнению с пассивной защитой, она значительно более сложна по конструктивно-техническому исполнению.

При создании локальной защиты необходимо экранировать участки тела с наибольшим содержанием костномозговой ткани (позвоночник, таз, ребра).

К средствам фармакохимической защиты относятся радиопротекторы, снижающие поражающий эффект радиационного воздействия, и средства биозащиты-адаптогены, повышающие общую сопротивляемость организма.

На основании данных о расположении поясов радиации и траектории полёта определяют значения эквивалентной дозы, обусловленной РПЗ, ГКИ и СКИ. Суммарная доза за полёт сравнивается с дозовой величиной, установленной в качестве критерия радиационной безопасности. Далее находят требуемую кратность ослабления отдельных компонент излучения, что позволит выбрать материалы защиты требуемой толщины при минимальной её массе.

Теневая защита должна содержать 2 компоненты - тяжелую для ослабления гамма-излучения и легкую водородсодержащую для замедления нейтронов.

Мятишкин Г.В.

Научный руководитель - к.т.н., доцент Тимшин В.Т.

Самарский государственный аэрокосмический университет

Создание любых космических систем, длительное время находящихся в условиях околоземного орбитального движения, требует решения задачи терморегулирования. Не исключением являются и конструкции надувного фиксируемого типа (НФК). Конструкции надувного типа, обладая рядом перспективных свойств (высокие удельные прочность и жёсткость, динамические свойства и др.), способны выполнять различные технические задачи, от создания баллистических аналогов, до создания отсеков КА. Как и любые другие части конструкции КА, надувные фиксируемые конструкции (НФК) подвергаются радиационному нагреву со стороны Солнца и Земли. Для решения задач по термостабилизированию НФК, оптимальному армированию композиционных материалов оболочки НФК, прогнозированию процессов разрушения неметаллических композиционных материалов оболочки НФК с течением времени, а также ряда других прикладных задач, предлагается математическая модель радиационного нагрева НФК со стороны наиболее сильных источников излучения Солнца и Земли. Представляемая модель радиационного нагрева включила в себя привязку величины теплового воздействия к параметрам орбитального движения КА. Поскольку все оболочки НФК выполнены из композиционных материалов, то в модель вошёл алгоритм определения обобщённой теплопроводности оболочки. При этом следует отметить, что модель определения обобщённой теплопроводности не зависит от числа и вида композиций. Конструкция частей КА как правило представлена в виде классических форм (цилиндр, сфера, конус, тор), поэтому в математической модели рассмотрены именно эти формы НФК.

Таким образом, модель радиационного нагрева универсальна по отношению к форме объекта, виду его движения, составу конструкционных материалов образующих объект, поэтому её применение возможно для решения задач термоупругости, создания моделей теплового разрушения полимерных материалов и др.

Мятишкин Г.В.

Научный руководитель - к.т.н., доцент Тимшин В.Т.

Самарский государственный аэрокосмический университет

Анализ тенденций развития космических технологий показывает, что одним из наиболее перспективных путей их совершенствования является применение малых космических аппаратов (МКА) и систем на их основе. По оценкам зарубежных специалистов затраты на изготовление малых космических аппаратов в 5-10 раз меньше за килограмм полезной нагрузки по сравнению с крупными космическими аппаратами. Следует отметить и ещё одно качество МКА, такое как срок исполнения этих работ. Как показывает практика проектирования, срок реализации проектов не превышает 2-3 лет.

Понятие малый космический аппарат включает не только качественное понятие малой массы, стоимости и многотипажности КА, ни и является результатом перехода научно-технического прогресса на более высокую ступень развития, характеризующуюся организацией на новом техническом уровне процессов проектирования, изготовления, испытаний запуска и обеспечения функционирования.

Переход к малым космическим аппаратам продиктован объективной реальностью, складывающейся в последние годы, а именно:

• широкое внедрение прогрессивных материалов в конструкциях КА;
• совершенствование технологий и образцов элементной базы, что обеспечивает снижение массогабаритных характеристик, энергопотребления и др.;
• внедрение новых технологий создания КА и средств выведения на основе модульности построения, унификации, негерметичности КА.

Установка пассивного тормоза увеличила время перехода с предспусковой круговой орбиты 450км, на критическую 110км до 90 суток. В случае использования КДУ для спуска КА с орбиты, потребовалось бы ≈30÷40кг рабочего тела. Учитывая, что хранение на борту КА дополнительного запаса топлива влечёт за собой увеличение емкости и массы топливного бака, на основании проектировочных расчётов в работе был сделан вывод о возможной экономии массы КА в пределах 30÷40 кг за счёт установки пассивного тормоза. Конструкции надувного типа могут быть использованы не только в качестве пассивных тормозов КА, но и при создании других элементов КА существенно влияя на массу КА. Экономия массы КА может позволить увеличить срок активного существования КА (при установке дополнительных панелей солнечных батарей и увеличении количества рабочего тела для поддержания орбиты), увеличить число используемой специальной аппаратуры и т. д.

УДК 629.7.017.1(075)

Пупков Е.А.

Научный руководитель – к.т.н., доцент Петровичев М.А.

Самарский государственный аэрокосмический университет

В представленной работе описана экспериментальная установка, разработанная для изучения свойств виброзащитной системы, где в качестве виброизолирующего элемента используется трос, уложенный в кольцо. Поскольку такая система обладает нелинейной силовой характеристикой и неким коэффициентом демпфирования, обусловленным сухим трением между отдельными жилами троса, то встал вопрос об определении показателей жесткости системы и ее демпфирующих свойств. Для определения этих характеристик были проведены 2 серии экспериментов: статические (для определения жесткости) и динамические (для определения коэффициента демпфирования).

В результате первой серии экспериментов были получены силовые характеристики тросовых систем в зависимости от радиуса загиба троса, который был выбран как определяющий параметр системы. Были получены четкие картины упругих гистерезисов, что характерно для металлических систем, определена жесткость системы, которая является нелинейной функцией перемещения конца троса.

Во второй серии экспериментов были получены демпфирующие характеристики системы. При проведении экспериментов в качестве источника вибраций использовался бортовой вентилятор, выпускаемый в ЦСКБ-ПРОГРЕСС и устанавливаемый в агрегатный отсек КА. Таким образом, данная виброизоляционная система адаптируется для реальных КА, используемых для проведения научных и технологических экспериментов в космосе.

Как показали результаты экспериментов, эта система виброизоляции обладает высокими демпфирующими свойствами и участком малой жесткости, что приводит к снижению передаваемых на конструкцию КА силовых нагрузок, а тем самым снижают общий уровень вибраций КА.

УДК 629.7.017.1(075)

Пупков Е.А.

Научный руководитель – к.т.н., доцент Петровичев М.А.

Самарский государственный аэрокосмический университет

Для проведения научных и прецизионных технологических экспериментов на борту КА необходимо поддерживать низкий уровень микроускорений. Основной вклад в возмущения дает работа системы терморегулирования, а именно различных вентиляторов. Для снижения их воздействия предлагается использовать тросовую систему подвески.

На основании полученных характеристик предложено несколько типов виброзащитных подвесок, обеспечивающих изоляцию источников вибраций по нескольким направлениям.

УДК 629.78

Солодилов А.С.

Научный руководитель – к.т.н., доцент Давыдов Е.И.

Самарский государственный аэрокосмический университет

Для дистанционного наблюдения за Землёй может быть использовано электромагнитное излучение, магнитное и гравитационное поля.

При наблюдении в видимом диапазоне на спутнике принимается отражённое солнечное излучение от объектов, прошедшее через атмосферу. Наблюдение в этом диапазоне возможно для объектов, не прикрытых облаками и преимущественно в дневное время. Этот способ является высокоинформативным с большим полем обзора.

ИК диапазон позволяет наблюдать за объектами, используя их собственное радиационное излучение. Наилучшим временем наблюдения является ночь, когда наименьшим образом влияют помехи от нагретых Солнцем наземных объектов. Могут быть выявлены не только поверхностные объекты, но и заглубленные.

СВЧ диапазон спектра позволяет получить радиолокационный портрет поверхности Земли, удобный для визуального восприятия и передачи информации.

Более длинные радиоволны позволяют построить радиолокационную систему для зондирования глубинных образований Земли. Глубина зондирования тем больше, чем больше длина волны зондирующего импульса.

Быструю передачу полученной информации позволяет осуществить оптико-электронная аппаратура, постепенно сменяющая аппаратуру фотонаблюдения. Ряд преимуществ по быстроте, объёму, кодированию при передаче информации, при практически таком же качестве изображения, дают толчок дальнейшему развитию аппаратуры наблюдения такого типа.

Шишов М.В.

Научный руководитель – к.т.н., доцент Шулепов А.И.

Самарский государственный аэрокосмический университет

Модель размещения бортового оборудования представляет собой совокупность описаний геометрии и свойств тех элементов конструкции летательного аппарата, форма и положение которых определяются в результате анализа требований к компоновке в целом и размещению отдельных приборов и агрегатов.

Можно выделить три группы, составляющих модели компоновки:

- модель отсека;

- модель размещаемых приборов и агрегатов;

- общие требования к компоновке и условия установки приборов и агрегатов.

Из множества структурных элементов, составляющих модель отсека КЛА, для решения задачи размещения бортового оборудования выбираются следующие:

- оболочка отсека (обшивка и силовой набор);

- рама (устройство для крепления приборов);

- служебные области (технологические зоны вблизи люков, технологические зоны внутри отсеков, зоны обитания экипажа пилотируемых КЛА);

- области размещения приборов и агрегатов, которые не совпадают с оболочкой отсека.

Все элементы отсека и оборудования представляются как сложные тела и описываются уравнениями не выше четвёртого порядка.

Для решения задачи оптимизации масс - инерционных характеристик дополнительно задаются масса, положение центра масс, моменты инерции пустого отсека.

В качестве модели размещаемых приборов включены:

- корпус прибора;

- разъёмы коммуникаций и узлы крепления;

- зоны подхода к разъёмам и узлам коммуникаций.

Служебная область задаётся в системе координат отсека, ограничивается поверхностью сложного тела и описывается также уравнениями не выше четвёртого порядка.