Рассматривается задача формирования командного управления субгиперзвуковой первой ступенью аэрокосмической системы при наборе высоты. Пассивное движение летательного аппарата исследуется в условиях предельных возмущений плотности атмосферы. Конечным условием движения является достижение заданного значения угла наклона траектории. Конечное значение высоты является регулируемой величиной. Предлагается алгоритм терминального управления для формирования командного значения коэффициента аэродинамической подъёмной силы. При определении командного управления используется метод Ньютона с одной или несколькими итерациями на шаге коррекции. Исследуется работоспособность и эффективность алгоритма по компенсации влияния возмущений плотности атмосферы на выполнение заданного конечного условия движения летательного аппарата по высоте. Приводятся и обсуждаются результаты моделирования движения летательного аппарата при терминальном управлении для предельно «разреженной» и предельно «плотной» атмосферы. Предлагается возможное совершенствование алгоритма терминального управления.
Вестник Самарского университета. История, педагогика, филология
2016. — Выпуск 2
Содержание:
В статье рассмотрен комплекс широкозахватной мультиспектральной аппаратуры (КШМСА), установленный на космическом аппарате «Ресурс-П». Представлены основные технические характеристики. В состав комплекса входят камера высокого разрешения (ШМСА-ВР), камера среднего разрешения (ШМСА-СР) и блок управления. В обоих камерах реализованы шесть спектральных каналов - панхроматический и пять мультиспектральных в видимом и ближнем инфракрасном диапазоне спектра. Отличительными особенностями КШМСА является использование светосильных объективов и единого линейного ПЗС фотоприёмника с большой длиной строки. Использование единого фотоприёмника обеспечивает бесшовное изображение и высокую геометрическую точность. Высокое качество получаемых изображений позволяет использовать КШМСА для решения широкого круга задач: создание и обновление топографических карт; мониторинг сельскохозяйственных и лесных угодий; выявление очагов лесных пожаров; мониторинг паводкоопасных регионов и др. В статье представлены примеры снимков КШМСА и перспективы модернизации аппаратуры.
Ключевые слова
В статье рассмотрена аппаратура для перспективного космического аппарата «Ресурс-ПМ» и представлены её основные технические характеристики. Аппаратура включает в себя оптическую систему, панхроматический и мультиспектральные оптико-электронные преобразователи, запоминающее устройство и блок управления, датчики ориентации по звёздам. В техническом задании к аппаратуре были предъявлены рекордные требования по разрешению, производительности, чувствительности и точности координатной привязки информации. Для реализации этих требований были созданы: новая крупноформатная оптическая система, три типа широкоформатных фотоприёмников, многоканальные интерференционные светофильтры, быстродействующая широкоформатная кадровая матрица для звёздного датчика, новые алгоритмы цифровой обработки и сжатия информации, высокоскоростные интерфейсы передачи данных с оптоволоконными компонентами в космическом исполнении. В конструкции оптической системы применена углепластиковая несущая размеростабильная конструкция, которая в совокупности с облегчёнными зеркалами обеспечили объективу малый вес и высокое качество изображения. Аппаратура позволяет осуществлять съёмку поверхности Земли в панхроматическом и восьми узких спектральных каналах с высоким пространственным разрешением.
Ключевые слова
Рассматриваются вопросы определения допустимой точности управления космического аппарата дистанционного зондирования Земли (КА ДЗЗ) на интервалах наблюдения, учитывающие особенности работы оптико-электронного комплекса (ОЭК) с приборами зарядовой связи (ПЗС) временной задержки и накоплением (ВЗН). Требования к точности управления определяются из условия непревышения сдвига изображения допустимой величины. Допустимая точность пропорциональна времени экспонирования элемента разрешения, которое зависит от количества строк накопления в матрице ПЗС и скорости бега изображения. Несоответствие реализуемой ОЭК скорости бега изображения и скорости сканирования земной поверхности во многом зависит от точности управления КА по угловому положению и вращению вокруг центра масс. Угловое движение на интервалах наблюдения формируется из условий постоянства заданной продольной и нулевой поперечной скоростей бега изображения по центру кадра. Определена зависимость величины сдвига изображения в центре кадра от погрешностей отработки системой управления углового движения КА. На основе полученного соотношения предложен алгоритм определения допустимых погрешностей отработки углового движения. Погрешность отработки углового движения влияет на точность наведения оптической оси ОЭК на центральную линию маршрута. Приведены примеры, иллюстрирующие применение предложенного алгоритма, а также оценка точности наведения на маршруте.
Ключевые слова
В статье изложены принципы применения технологии имитационного моделирования при проведении статических испытаний изделий ракетно-космической техники на примере малого космического аппарата (МКА) «АИСТ-2Д». Приведены ограничения статических испытаний, не позволяющие в полной мере исследовать напряжённо-деформированное состояние изделия. В качестве дополнительного метода анализа напряжённо-деформированного состояния изделия предложено проведение имитационных статических испытаний с помощью метода конечных элементов с использованием пакета конечноэлементного анализа MSC.Patran/Nastran. Сформулированы цели и задачи имитационных испытаний, а также приведено описание основных этапов имитационного моделирования испытаний. Для получения достоверных результатов имитационных испытаний требуется проведение валидации конечноэлементной модели изделия, которая заключается в подтверждении правильности модели путём исследования напряжённо-деформированного состояния конструкции лётного изделия. Эффективность метода подтверждена при проведении имитационных испытаний МКА «АИСТ-2Д», проведённых параллельно со статическими испытаниями изделия. Сходимость результатов испытаний составила в среднем 8 %. Применение метода имитационного моделирования статических испытаний обеспечивает сокращение затрат на проведение статических испытаний, улучшает качество отработки статической прочности и повышает надёжность изделия.
Ключевые слова
В статье описываются алгоритмы определения ориентации и демпфирования угловых скоростей наноспутника 8аш8а1-218Д, разработанного в Самарском государственном аэрокосмическом университете. В качестве источников информации в системе ориентации используются трёхосный магнитометр и датчики освещённости. Исполнительными органами, обеспечивающими демпфирование угловых скоростей на борту наноспутника, являются три магнитные катушки. В качестве алгоритма определения ориентации применяется известный метод векторного согласования с оригинальным критерием предварительной отбраковки измерений, поскольку метод векторного согласования имеет высокую чувствительность к ошибкам измерений. В качестве алгоритма демпфирования используется традиционный алгоритм B-dot. Изучено влияние начальных угловых скоростей на коэффициент магнитного момента в алгоритме управления B-dot. Поскольку непрерывный режим работы магнитных катушек на борту наноспутника в орбитальном полёте нецелесообразен из-за необходимости измерения вектора напряжённости магнитного поля Земли, то проведён анализ процесса демпфирования в дискретном режиме работы при различных величинах начальных угловых скоростей отделения наноспутника. Приведено сравнение быстродействия алгоритма в непрерывном и дискретном режимах работы при различных начальных угловых скоростях отделения.
Ключевые слова
Рассматривается получение оптимального закона управления бортовыми магнитными катушками, обеспечивающего уменьшение кинетического момента наноспутников и микроспутников до заданных малых величин с последующим их поддержанием. Показывается, что применение полученного оптимального закона управления способствует значительному увеличению быстродействия магнитной системы управления ориентацией в задаче уменьшения кинетических моментов указанных спутников до малых величин. Отдельно обсуждается вопрос о демпфировании угловой скорости спутников в соответствии с заданной эталонной моделью, представляющей собой систему из трёх независимых линейных однородных уравнений. Приводятся численные результаты применения законов в задаче уменьшения кинетического момента и угловых скоростей спутников. Определяются достоинства и недостатки, характерные для представленных законов управления магнитными моментами наноспутников и микроспутников.
Ключевые слова
Изложены методические основы разработки проблемно-ориентированной системы (ПОС) автоматизированного проектирования, позволяющей в интерактивном режиме изменять постановки проектных задач, проводить уточнения проектных параметров и оперативно получать необходимые результаты для формирования проектного облика космических аппаратов (КА) дистанционного зондирования Земли. Процесс постановки и решения задачи в ПОС автоматизированного проектирования включает следующие этапы: задание параметров, характеризующих объект проектирования, и зависимостей между ними; постановка проектной задачи путём указания подмножества входных параметров (заданных величин) и множества выходных параметров (искомых величин); проверка корректности и разрешимости задачи; определение для каждой переменной уравнения, из которого она может быть найдена; разбиение математической модели на отдельные частные модели; поиск последовательности решения задачи; получение численных значений выходных параметров. Разработка ПОС автоматизированного проектирования может быть выполнена с использованием методов теории множеств и теории графов, что позволяет в дальнейшем автоматизировать процесс решения проектных задач. Рассматриваемая методика реализована в программном комплексе, разработанном на языке программирования Java и позволяющем решать проектные задачи большой размерности. Приведены иллюстрирующие примеры.
Ключевые слова
В настоящее время выбор новых оптико-электронных телескопических комплексов (ОЭТК) для внедрения определяется на основе трудоёмких и длительных исследований, в которых принимают участие научно-исследовательские институты заказчика и ракетно-космической отрасли, а также предприятия, специализирующиеся на создании ОЭТК и космических аппаратов (КА) дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ). Предлагается методика ранжирования ОЭТК по степени влияния на целевые характеристики космической системы (КС) наблюдения (линейное разрешение на местности, периодичность наблюдения, количество спектральных диапазонов, ширина полосы захвата, ширина полосы обзора, производительность съёмки, точность привязки снимков к местности, срок активного существования) с учётом возможного изменения проектных параметров КА ДЗЗ и затрат на реализацию новых проектов и влияния на стоимостные характеристики космических снимков. Методика основана на использовании программного обеспечения для предварительных оценок массогабаритных и других проектных параметров КА ДЗЗ в зависимости от заданных целевых показателей КС. С помощью предлагаемой методики можно оперативно провести анализ эффективности внедрения того или иного технического решения, связанного с выбором проектных характеристик вновь создаваемых КА ДЗЗ с оптико-электронной аппаратурой наблюдения.
Ключевые слова
Работа посвящена исследованию теплового режима платформы чувствительных элементов, предназначенной для астроориентации космического аппарата при воздействии условий эксплуатации. Рассматривается температурное поле и напряжённо-деформированное состояние платформы под действием тепловыделения приборов платформы с учётом работы системы термостатирования на основе численного решения связанной термоупругой задачи. Расчёт температурного поля и поля деформаций платформы проводился методом конечных элементов с помощью программного пакета ANSYS. Для проведения расчётов на основе геометрической 3D-модели платформы была разработана конечно-элементная модель платформы. На первом этапе был выполнен расчёт стационарного поля скоростей теплоносителя в каналах платформы. Далее был выполнен расчёт температурного поля платформы с учётом гидродинамики теплоносителя. По рассчитанному полю температур проведён расчёт деформированного состояния платформы под действием тепла. Найдены угловые отклонения посадочных мест блоков определения координат звёзд (в среднем 2'') по сравнению с первоначальным недеформированным состоянием. Показано, что угловые отклонения не превосходят предельно допустимых значений. Разработаны предложения по созданию высокоточной системы контроля положения блоков определения координат звёзд с точностью 1''.
Ключевые слова
Анализируется устойчивость движения космической тросовой системы с атмосферным зондом. Рассматривается устойчивость положений равновесия тросовой системы вблизи местной вертикали (статическая устойчивость) и при её развёртывании (динамическая устойчивость). Тросовая система состоит из базового космического аппарата, с которого производится выпуск троса, и атмосферного зонда. Методом Лагранжа получена математическая модель движения тросовой системы в подвижной орбитальной системе координат с учётом аэродинамических сил, действующих на космический аппарат и зонд. Получены условия устойчивости движения тросовой системы относительно местной вертикали. Аналитический анализ подтверждается численными примерами.
Ключевые слова
В статье представлены результаты эксперимента по формированию методом твёрдофазной эпитаксии тонких плёнок дисилицида бария (BaSi2) - перспективного материала для солнечных элементов. Формирование BaSi2 проводилось в условиях сверхвысокого вакуума на кремниевых подложках по технологии template. На финальной стадии формирования наноструктур проводили рекристаллизацию плёнок отжигом. Полученные тонкие плёнки исследовали in-situ методами: электронной оже-спектроскопии и спектроскопии характеристических потерь энергии электронами. Далее ex-situ методами: атомносиловой микроскопии и рентгеновской дифракции. Последний метод показал наличие в плёнке, сформированной при температуре рекристаллизации T = 800 0С, a-ориентированного дисилицида бария. Для данной плёнки представлены спектры оже-электронов и характеристических потерь энергии электронами. Анализ топологии поверхности полученной наноструктуры методом атомно-силовой микроскопии показал, что её шероховатость сопоставима с шероховатостью образцов тонких плёнок BaSi2, сформированных методом молекулярно-лучевой эпитаксии. Причина незначительного количества сформировавшихся кристаллитов BaSi2 - низкая взаимодиффузия атомов бария и кремния при выбранном методе формирования плёнки. Решение данной проблемы представляется в использовании технологии соосаждения Ba и Si с последующей рекристаллизацией плёнки при температурах, близких к температуре, определённой в данной работе.
Ключевые слова
В оптической схеме спекл-интерферометра с совмещёнными пучками и спекл-модулированной опорной волной использованы два источника когерентного излучения с длиной волны 532 и 632,8 нм. Опорный пучок сформирован с помощью диффузора, расположенного перед исследуемым объектом. Применение двух источников излучения в оптической схеме позволило увеличить количество экспериментальных точек, что необходимо для повышения точности измерения статических перемещений поверхности исследуемой детали. С использованием дополнительных экспериментальных точек построена эпюра нормальных перемещений входной кромки лопатки компрессора 7-й ступени при изгибных деформациях. В качестве регистрирующего устройства применена цифровая фотокамера. С помощью длинноволнового спекл-интерферометра на разных длинах волн получены две спекл-интерферограммы при крутильном нагружении лопатки 9-й ступени компрессора. Предложено для нахождения нулевой полосы использовать изображение, представляющее собой произведение этих двух спекл-интерферограмм. Разработана методика определения нулевой полосы при крутильном нагружении для случая, когда прилегающая к заделке часть поверхности лопатки недоступна для наблюдения и на заделку выходит сразу несколько тёмных полос. Данная методика апробирована при определении нулевой полосы на спекл-интерферограмме, полученной при статическом крутильном нагружении лопатки 9-й ступени компрессора.
Ключевые слова
С использованием рекуррентной нейронной сети разработана математическая модель малоразмерного газотурбинного двигателя (МГТД), отражающая его функционирование на переходных режимах. В процессе моделирования учёт температуры и давления перед компрессором, зависящих от высоты и скорости летательного аппарата (ЛА), осуществлялся в явном виде. Для верификации применялась термодинамическая динамическая модель МГТД, основанная на поузловом описании агрегатов двигателя. Выполнено сравнение разработанной модели с существующей, в которой для учёта скорости и высоты полёта ЛА использовались приведённые параметры. Результаты показали, что разработанная модель даёт значительно меньшую погрешность расчёта динамических характеристик МГТД по сравнению с существующей. При этом время расчёта моделей отличается незначительно.
Ключевые слова
В статье представлены результаты работ по снижению импульсной вибрации трубопроводной арматуры при нестационарных режимах работы. Выделены основные параметры, оказывающие влияние на виброакустические характеристики арматуры при открытии и закрытии: конструкция привода, геометрия проточной части, режим работы. Исследован процесс формирования динамической силы, действующий на запорный элемент арматуры. Приведены временные зависимости суммарного гидравлического сопротивления, скорости протекания рабочей среды и динамической силы. Определена возможность выбора режима работы, обеспечивающего минимальную вибрационную активность трубопроводной арматуры. Предложена новая конструкция запорного элемента крана шарового. Выполнен анализ проточной части методами численного моделирования. Показан характер течения, наличие зон обратного тока, образование вихрей, а также определены потери давления и значения коэффициента гидравлического сопротивления при различной степени закрытия проходного сечения крана. Приведены результаты экспериментального исследования импульсной вибрации. Показано снижение уровней вибрации при работе трубопроводной арматуры на нестационарных режимах, что приведёт к обеспечению безопасной эксплуатации трубопроводных систем, уменьшению шумовой загрязнённости окружающей среды и улучшению условий труда обслуживающего персонала. Результаты работы могут быть использованы при разработке новых конструкций трубопроводной арматуры.
Ключевые слова
В статье предложен эмпирический метод прогноза шума авиационных бензиновых двигателей с внешним смесеобразованием, применяемых в малой и беспилотной авиации. Этот метод основан на классических подходах авиационной акустики к расчёту шума на местности от различных источников. Спектр акустической мощности предлагается получать на основе эмпирической модели, по структуре схожей с известной моделью М. Хекла для расчёта шума наземных поршневых двигателей внутреннего сгорания, но учитывающей ключевые особенности авиационных двигателей. Показано согласование расчётных и экспериментальных данных по интегральным характеристикам акустического поля авиационных поршневых двигателей. Экспериментальные данные о шуме авиационных поршневых двигателей типа АШ-62ИР, М-14П, ROTAX-912ULS с капотом и без, ROTAX-582UL были получены при проведении акустических испытаний лёгких винтовых самолётов Ан-2, Як-18Т, МАИ-223М, МАИ-890У и МАИ-890 соответственно, в статических условиях на аэродроме базирования малой авиации. При этом акустическое поле поршневого двигателя полагалось осесимметричным относительно оси коленвала и шум двигателя определялся суммарным излучением на гармониках частоты следования вспышек в цилиндрах.
Ключевые слова
Лопатки компрессора являются одними из многочисленных и наиболее сложных деталей газотурбинных двигателей. Сложная поверхность лопаток компрессора характеризуется комплексом параметров, характеризующих геометрию отдельных сечений. В статье приводится разработанная модель вычисления комплекса геометрических параметров профилей по измеренному массиву точек. Разработана методика оценки погрешностей измерения комплекса геометрических параметров при измерении с использованием координатно-измерительных машин. Для реализации предложенных модели и методики разработаны программные алгоритмы. Приводятся результаты исследований погрешностей измерения комплекса геометрических параметров пера лопаток компрессора газотурбинного двигателя. Получены вероятностные характеристики возникающих погрешностей для трёх сечений пера лопатки. Разработанные модель и алгоритмы вычисления комплекса геометрических параметров профилей по измеренному массиву точек могут быть применены в программном обеспечении измерительных машин.
Ключевые слова
Предложена методика оценки основных характеристик инерциальных измерителей угловой скорости среднего и низкого классов точности, включая шумовые составляющие измерительного канала. Методика основана на обработке выходной информации измерителя посредством дискретного фильтра Калмана и метода вариации Аллана. Оцениваемыми характеристиками являются погрешности масштабного коэффициента и смещения нулевого сигнала, а также ряд типовых шумовых составляющих. Приведены оценки уровня методической погрешности для рассматриваемой методики на основе математического моделирования измерительной информации с внесением в неё различного рода оцениваемых погрешностей. Практическая апробация данной методики показана на примере обработки результатов испытаний, проведённых для двух инерциальных измерителей, основанных на различных принципах действия. Один из них - прибор ВГ910-МК470 разработки ЗАО «Физоптика», г. Арзамас, содержащий один волоконно-оптический гироскоп среднего класса точности, второй - прибор ADIS16405 разработки Analog Devices (США), реализованный на базе трёх микромеханических гироскопов низкого класса точности.
Ключевые слова
В статье предложен метод сжатия цифровых изображений без потерь, который требует для своей реализации минимальных вычислительных ресурсов и может быть эффективно использован в системах дистанционного зондирования Земли. Метод позволяет максимально удалить статистическую избыточность, присутствующую в изображениях, и не имеет спектральных преобразований. Цифровое изображение раскладывается на битовые плоскости, которые обрабатываются независимо друг от друга, что позволяет применить к ним параллельную обработку, и при этом отсутствует ограничение на разрядность изображения. Каждая битовая плоскость аппроксимируется двухмерным марковским дискретнозначным случайным полем. На основе теории условных марковских процессов осуществляется предсказание элементов битовой плоскости. Для предсказания используются только операции логического сравнения и не требуется вычислительных операций, таких как умножение, сложение, что позволяет увеличить скорость обработки изображений. Проведённые исследования показали, что метод не уступает по своей эффективности известным методам сжатия без потерь и значительно превосходит их по скорости обработки. Метод применим как к панхроматическим, так и цветным изображениям и может быть использован в любых системах обработки цифровых изображений.
Ключевые слова
Приведён метод оперативного ортотрансформирования космических изображений, построенный на комплексировании орбитального и полиномиального методов фотограмметрической обработки изображений. Идея метода заключается в фрагментарном формировании ортоизображения. На космических изображениях выделяются фрагменты (четырёхугольники) таких размеров, геометрические связи между элементами которых с достаточной точностью описываются двумерным полиномом первого порядка. Соседние фрагменты имеют общие вершины по линии соприкосновения, что обеспечивает целостность формируемого ортоизображения. Положение фрагмента (координат его вершин) определяется орбитальным методом с учётом рельефа местности, что при малых размерах фрагментов обеспечивает учёт рельефа для всех точек фрагмента. Для возможности использования орбитального метода применяются операции по определению начальных значений углов ориентации бортовой специальной аппаратуры космического аппарата и законов изменения этих углов в процессе съёмки с последующим уточнением этих величин на основе координат четырёх опорных точек. Соответствие между толерантными точками фрагментов исходного и формируемого изображения осуществляется на основе моделей, реализация которых имеет меньшую вычислительную сложность по сравнению с реализацией на основе орбитальных методов. Экспериментальная апробация предлагаемого метода показала, что использование метода оперативного ортотрансформирования позволило в среднем сократить более чем в 4 раза время проведения фотограмметрической обработки космических изображений при сопоставимой точности получения результирующего изображения.
Ключевые слова
В статье рассматривается подход к решению задачи идентификации объектов земной поверхности по данным гиперспектральной съёмки от космических комплексов, базирующийся на сравнении гиперспектральных характеристик исследуемых объектов с набором эталонных сигнатур. Предлагаются алгоритмы идентификации объектов с использованием теории нечётких множеств: алгоритм идентификации на основе нечёткой линейной регрессии и алгоритм консолидации результатов различных решений по идентификации. Алгоритм на основе нечёткой линейной регрессии базируется на применении несимметричных треугольных нечётких чисел. Данный подход, использовавшийся ранее при решении задач аппроксимации и оценки уникальности фрагментов электронной карты, применяется для идентификации гиперспектральных характеристик. Такой выбор основан на том, что нечёткая линейная регрессия позволяет провести идентификацию в условиях неоднозначности. Приводятся результаты экспериментальных исследований предлагаемых алгоритмов на основе реальных данных гиперспектральной съёмки (с космического аппарата «Ресурс-П» №1) в объёме 10 снимков. Показано повышение надёжности идентификации при консолидации результатов от алгоритмов на основе меры подобия евклидова расстояния, угловой меры подобия, а также нечётких мер подобия на 6,1 % по сравнению с одним из исходных алгоритмов, дающим лучшее решение.
Ключевые слова
В статье исследуются подходы к использованию априорной информации о рельефе для повышения качества интерферометрической обработки данных от космических систем радиолокационного наблюдения Земли. Анализируется влияние рельефа на характер геометрического соответствия радиолокационных изображений и предлагается алгоритм быстрого и высокоточного их совмещения на основе полиномиальной аппроксимации влияния высоты рельефа. Показана необходимость уточнения перпендикулярной интерферометрической базы при современной точности навигационной информации, а также необходимость учёта рельефа. Обосновывается целесообразность двухэтапного уточнения базы: перед и после развёртывания фазы. Определяется влияние крутизны наклона рельефа на оценку когерентности. Анализируются существующие методы развёртывания фазы и предлагается алгоритм их комбинирования на основе априорной информации о характере сигнала на интерферограмме, при котором соответствующий метод способен развернуть фазу без значительных ошибок. Предлагается критерий выделения на интерферограмме областей, в которых от пикселя к пикселю наблюдаются сильные фазовые скачки, обусловленные крутым наклоном рельефа. Рассматривается процесс пересчёта фазы в высоту. Предлагается в качестве априорной информации использовать при интерферометрической обработке глобальные цифровые модели рельефа низкого разрешения, имеющиеся в открытом доступе.