Решается задача максимизации конечной скорости летательного аппарата при пассивном трансатмосферном движении. Заданы конечные значения высоты и угла наклона траектории. Управлением является коэффициент подъёмной силы (угол атаки). Ранее решение данной задачи оптимизации было проведено на основе метода последовательной линеаризации. Получено, что на больших высотах, в зависимости от выбранного начального приближения, программы управления несколько отличаются. Поэтому целью данной работы является определение оптимальной программы управления на основе «строгого» решения задачи оптимизации принципом максимума Понтрягина. Решение задачи оптимизации проведено на примере трансатмосферного набора высоты субгиперзвукового летательного аппарата MPV - первой ступени аэрокосмической системы RASCAL (США). Коэффициент подъёмной силы (угол атаки) на большей части траектории увеличивается для обеспечения заданных конечных значений высоты и угла наклона траектории, а затем уменьшается для обеспечения наибольшей конечной скорости. Подтверждением правильности полученных решений задачи оптимизации методом принципа максимума является нулевое значение Гамильтониана на оптимальной траектории. Полученные результаты показывают близость решений рассматриваемой задачи оптимизации методом принципа максимума и методом последовательной линеаризации.
Вестник Самарского университета. Аэрокосмическая техника, технологии и машиностроение
2018. — Выпуск 1
Содержание:
Рассматривается задача определения характеристик диаграммы направленности антенны космического аппарата, решение которой позволит оценить изменения параметров антенны с течением времени. Для решения задачи предложен метод определения диаграммы направленности антенны космического аппарата с использованием наземной станции приёма информации. Представлены результаты имитационного моделирования распределения электромагнитного излучения по поверхности Земли для различных трасс пролёта, показывающие возможность использования наземной станции приёма информации для построения диаграммы направленности антенны космического аппарата. Приведён алгоритм расчёта частей диаграммы направленности с их последующим объединением, определены условия, ограничивающие точность предложенного метода и направление по ускоренному построению диаграммы направленности антенны космического аппарата. Представлена апробация предложенного метода на примере антенны малого космического аппарата «АИСТ-2Д». Для этого построена диаграмма направленности антенны радиолинии передачи целевой информации космического аппарата и определены характерные части диаграммы направленности антенны. Представлены результаты проведённого сравнительного эксперимента с изменением направления излучения антенны и определением изменений характеристик приёма информации.
Ключевые слова
Рассматривается бесплатформенный инерциальный измерительный блок (БИИБ) со структурной избыточностью, предназначенный для повышения отказоустойчивости и точности БИНС для изделий ракетно-космической техники. БИИБ включает шесть датчиков угловой скорости и шесть акселерометров, что позволяет для датчиков каждого типа с высокой вероятностью диагностировать и парировать одну неисправность и с более низкой вероятностью - две неисправности. Приведены известные теоретические и практические технические решения в этой области. Рассматривается задача оптимизации ориентации измерительных осей; критерием оптимизации является точность оценки проекций измеряемого вектора в ортогональной приборной системе координат. Приводится решение задачи в условиях отсутствия неисправностей, одной неисправности и двух неисправностей. Анализируются алгоритмы контроля, диагностики и парирования неисправностей (КДПН). Рассматриваются результаты тестирования базовых алгоритмов КДПН, проведённого с помощью математического моделирования. Приводится сравнение полученных оптимальных конфигураций измерительных осей с точки зрения эффективности диагностики. Показано, что ни один из методов не даёт 100-процентной правильной диагностики не только для двух, но и для одной неисправности. Анализируются возможные причины неправильной диагностики.
Ключевые слова
Представлены результаты аналитического исследования точности оценивания систематических погрешностей бортовых навигационных измерений, которые, наряду с вектором, характеризующим движение центра масс космического робота, включены в вектор уточняемых параметров. В качестве первичных навигационных параметров, измеряемых бортовыми средствами космического робота, выбраны дальность до орбитального ориентира, относительная скорость его движения и углы между направлениями на орбитальный ориентир и навигационные звёзды, одна из которых находится в плоскости орбиты космического робота, а направление на вторую совпадает с нормалью к этой плоскости. Определены условия, при выполнении которых существует возможность уточнения расширенного вектора определяемых параметров. При оценивании систематических погрешностей измерений введены допущения о центральном гравитационном поле Земли, нормальном законе распределения погрешностей измерений с известными дисперсиями и постоянстве искомых систематических погрешностей. Получены аналитические выражения ковариационных матриц, позволяющие оценить предельно достижимую точность решения поставленной задачи в зависимости от вида навигационных измерений, дисперсий погрешностей измерений и количества измерений в течение выбранного мерного интервала. Представленные результаты могут найти применение при обосновании путей повышения точности автономной навигации космического робота при выполнении режима диагностирования технического состояния орбитального объекта.
Ключевые слова
Беспилотные летательные аппараты имеют огромный потенциал и перспективы в расширении области применения: от фото- и видеосъёмки до обеспечения сотовой связи и ретрансляции сигналов. Самарским национальным исследовательским университетом имени С.П. Королёва разрабатывается атмосферный псевдоспутник, который должен функционировать исключительно за счёт солнечной энергии. Проведено исследование эффективности использования фотоэлектрических преобразователей в составе бортовой аппаратуры атмосферного псевдоспутника на базе беспилотного летательного аппарата «Фотон-601». Выполнен сравнительный анализ различных типов фотоэлектрических преобразователей из аморфного кремния. Разработана математическая модель и приведены расчёты площади покрытия солнечными элементами для выработки достаточной для функционирования мощности. Для соответствующей площади покрытия приведён расчёт массы солнечных элементов. Также в целях снижения массы беспилотного летательного аппарата и, как следствие, энергопотребления разработана методика математического расчёта минимальной и достаточной необходимой ёмкости аккумуляторной батареи, исходя из максимального количества солнечной энергии, которую возможно преобразовать в течение суток. Проанализированы результаты лётных испытаний и обозначены перспективы использования фотоэлектрических преобразователей в составе солнечных батарей атмосферных псевдоспутников.
Ключевые слова
Рассмотрено решение задачи расчёта долговечности реальной детали газотурбинного двигателя, имевшей в эксплуатации проблемы, связанные с появлением трещин, исчерпанием несущей способности и нелокализованным разрушением вследствие развития трещины, возникшей по механизму малоцикловой усталости материала в межлабиринтной зоне детали. Проектный анализ детали, выполненный инженерными методами, соответствующими нормативной методологии, принятой на момент проектирования, не предполагал проблем с прочностью, связанных с малоцикловой усталостью. Массовые проявления дефекта «трещины в радиусе перехода центрирующего пояска фланца дефлектора» привели к необходимости проведения оценки безопасности дальнейшей эксплуатации изделий с данными деталями до выработки назначенного ресурса. По результатам металлургических исследований сделан вывод о причинах возникновения и введён комплекс технологических мероприятий по предотвращению данных дефектов в будущем. Приведено несколько методик оценки малоцикловой усталости, используемых в процессах проектирования и разработки двигателей в условиях отсутствия банка данных по свойствам материалов при «жёстком» цикле нагружения.
Ключевые слова
При разработке биротативных вентиляторов для перспективных авиационных двигателей нового поколения с закапотированными лопатками (CRTF) важно обеспечить хорошие акустические и аэродинамические характеристики. В обеспечение аэродинамических и акустических исследований исходного варианта модели перспективного биротативноговентилятора CRTF1 c \pi*_{\textit {в}} \sim 1,54 в заглушенной камере на стенде Ц3-А (ЦИАМ) былиразработаны его экспериментальная и математическая модели и проведены расчётыстационарных вязких трёхмерных течений и интегральных характеристик. Приведены результаты сравнения расчётных в приближении «mixing plane» и экспериментальных данных CRTF1. Данное сравнение должно показать правомочность проектирования биротативного вентилятора CRTF2A в приближении «mixing plane» без учёта нестационарного взаимодействия. Указанные сравнения расчётных и экспериментальных данных демонстрируютхорошее совпадение при \overline{n}_{\textit {пр}} \leq 92\%. При \overline{n}_{\textit {пр}} > 92\% совпадение расчётных иэкспериментальных данных удовлетворительное - максимальная погрешность не превышает 2%. Представлены результаты газодинамической оптимизации формы углепластиковой лопатки закапотированного биротативного вентилятора с использованием 3D-обратной задачи. Отличие углепластиковой лопатки от сплошной титановой лопатки заключается в более толстых передней и задних кромках и увеличенной максимальной толщине профиля.
Ключевые слова
Представлены результаты газодинамической и аэроакустической оптимизации формы лопатки незакапотированного биротативного винтовентилятора с использованием 3D-обратной задачи. На основе нестационарных 3D уравнений Навье-Стокса выявлено, что одним из основных источников тонального шума является взаимодействие концевых вихрей первого ротора со вторым и потенциальное взаимодействие роторов. С использованием метода 3D-обратной задачи аэродинамическая нагрузка была перераспределена по высоте лопаток первого и второго роторов таким образом, чтобы уменьшить интенсивность концевых вихрей и потенциальное взаимодействие роторов при возможном увеличении тяги винтовентилятора. Для проверки акустических характеристик модифицированного винтовентилятора проведено моделирование тонального шума исходного и модифицированного винтовентиляторов с использованием аэроакустического программного комплекса ЦИАМ 3DAS. Получено ближнее акустическое поле и диаграммы направленности в дальнем поле. Тональный шум вентилятора был снижен на 4 дБ для режимов взлёта и посадки без потерь тяги и коэффициента полезного действия.
Ключевые слова
Рассмотрены вопросы выбора материалов для создания размеростабильных несущих конструкций оптико-электронных комплексов космического назначения. Представлены физико-механические характеристики успешно применяемых и перспективных композитов, полученные теоретически и экспериментально. Проведён сравнительный анализ характеристик углепластиков в зависимости от процентного содержания наполнителя в матрице композита, а также в зависимости от модуля упругости угольного волокна. Получены экспериментальные данные по характеристикам углепластиков на основе различных волокон. Теоретически и экспериментально исследована зависимость коэффициента линейного температурного расширения (КЛТР) различных углепластиков с однонаправленной и квазиизотропнойструктурой. Показана устойчивость величины КЛТР, близкой к 1\cdot 10{-6\;\circ} C{-1}, в области объёмного содержания наполнителя 50-60%. Проведено сопоставление КЛТР и модулей упругости углепластиков с соответствующими характеристиками оптических стёкол элементов конструкции телескопов. Обсуждается задача разработки композита с величиной КЛТР, характерной для титановых сплавов. Даны рекомендации по применению рассмотренных композиционных материалов при создании размеростабильных космических конструкций.
Ключевые слова
Механическим методом определены остаточные напряжения в опасном сечении зубчатых колёс, изготовленных из материала и по технологиям, принятым в авиационном двигателестроении. Изучено влияние на остаточные напряжения способа изготовления зубчатых колёс, химико-термической обработки, упрочнения и покрытия. Существующие технологии изготовления зубчатых колёс приводят к значительному рассеиванию остаточных напряжений, особенно после химико-термической обработки. Поэтому в каждой партии деталей результаты подвергались статистической обработке и на эпюрах остаточных напряжений приведены средние значения. Показана возможность получения распределения остаточных напряжений в опасном сечении зуба шестерни по первоначальным деформациям образца-свидетеля, что позволяет сохранить исследуемую деталь. В качестве образца-свидетеля использовалась пластина, изготовленная из того же материала, что и зубчатое колесо, и прошедшая упрочняющие технологические операции вместе с исследуемой деталью. Изучено влияние остаточных напряжений на сопротивление усталости зубчатых колёс по критерию среднеинтегральных остаточных напряжений, который учитывает как величину, так и характер распределения остаточных напряжений в опасном сечении зубчатых колёс.
Ключевые слова
Рассмотрены зависимости характеристик малоцикловой и многоцикловой усталости от критерия среднеинтегральных остаточных напряжений. Обозначена существенная роль данных характеристик в обеспечении надёжности авиационной техники. Исследование проводилось для болтов М6 из титанового сплава ВТ6 при различных способах наведения остаточных напряжений. Во всех случаях зависимости носят квадратичный характер. Дальнейший анализ показал, что при изменении остаточных напряжений между приращениями циклической долговечности и предельной амплитудой цикла существует линейная зависимость. Данный вывод справедлив для всех рассмотренных способов наведения остаточных напряжений. Указанные приращения являются линейными функциями от критерия среднеинтегральных остаточных напряжений. Приведена методика определения приращения предельной амплитуды цикла с использованием критерия среднеинтегральных остаточных напряжений. Особое внимание уделено способу нахождения коэффициента влияния остаточных напряжений на предельную амплитуду цикла при постоянном среднем напряжении. Обоснован подход к определению приращения циклической долговечности по известному значению приращения предельной амплитуды цикла, определяемому с использованием критерия среднеинтегральных остаточных напряжений.
Ключевые слова
Предложен аппарат топологической оптимизации, основанный на методе выпуклой линеаризации. Формулировка задачи подразумевает минимизацию энергии деформации конструкции при ограничении на объём материала. Решение основано на использовании явной, выпуклой и сепарабельной аппроксимации Лагранжиана с привлечением теории двойственности. Для связи проектных переменных (плотности) с упругими характеристиками материала (модулем упругости) использована нелинейная степенная модель. Проведён анализ чувствительности целевой функции и функции ограничений. Получены основные расчётные формулы итерационного алгоритма оптимизации. Рассмотрен ряд тестовых задач топологической оптимизации, соответствующих передаче усилий элементарными способами: растяжением, сдвигом и кручением. Для всех случаев вычислена величина силового фактора: аналитически и при помощи конечно-элементной модели. Показано полное соответствие полученных силовых схем инженерным представлениям о теоретически оптимальных конструкциях для данных примеров.
Ключевые слова
Предлагается улучшение динамических характеристик вибрационных машин на основе использования резонансных колебательных систем с двумя и более степенями свободы. Показано, что разумное усложнение моделей за счёт увеличения числа степеней свободы, учёта нелинейности позволяет повысить взаимное усиление колебаний парциальных подсистем и раскрыть дополнительные возможности в разработке новой техники и технологий. Вовлечение объектов колебательной системы в коллективное взаимодействие достигается на основе использования сложных резонансов, которые реализуются только в связанных системах. Таким резонансом является комбинационный параметрический резонанс, обусловленный парным взаимодействием собственных форм колебаний. Приведены результаты теоретических и экспериментальных исследований самосинхронизации параметрических роторно-маятниковых вибровозбудителей, установленных на общем упругом изотропном основании. Динамическая модель вибрационной машины представлена совокупностью равноправных взаимодействующих нелинейных осцилляторов (маятников), при резонансном возбуждении которых реализуется эффект Гюйгенса, то есть самосинхронизация по типу маятниковых часов (маятниковая самосинхронизация). Один или несколько осцилляторов выполняют функции рабочего органа вибрационной машины. Другие осцилляторы этой системы играют роль инерционного элемента роторно-маятникового вибровозбудителя. Показано, что при совместной работе как минимум двух роторно-маятниковых вибровозбудителей реализуется самосинхронизация по типу неуравновешенных роторов (роторная самосинхронизация). Таким образом, исследуемое устройство совмещает в себе одновременно роторно-маятниковую самосинхронизацию. Приводятся результаты численного моделирования в виде амплитудно- частотных характеристик и зависимостей частот генерации от частоты параметрического возбуждения. Установлено, что амплитуда колебаний рабочего органа за счёт резонансных взаимодействий с маятниками возбудителя слабо реагирует на увеличение демпфирования. Сумма собственных частот маятников и рабочего органа удовлетворяет условию комбинационного параметрического резонанса во всём диапазоне области неустойчивости.
Ключевые слова
С позиций линейной механики разрушения исследовано явление остановки развития усталостной трещины в цилиндрических образцах с концентраторами напряжений, подвергнутых технологическим операциям упрочнения поверхности. В качестве критерия рассмотрен коэффициент интенсивности напряжений (КИН), размах которого в случае циклического нагружения определяет скорость роста усталостной трещины. Расчётная часть исследования выполнена методом конечно-элементного моделирования с использованием комплекса ANSYS. Расчётный комплекс ANSYS, использующий метод конечно-элементного моделирования в форме перемещений, применён при определении коэффициента интенсивности напряжений при изгибе цилиндрического образца диаметром 10 мм с полукруглым надрезом радиусом 0,5 мм без упрочнения и с упрочнением поверхности. Установлено, что на начальном участке развития усталостной трещины КИН имеет два экстремума: максимальное и минимальное значение. Результаты расчёта показывают, что в случае цилиндрического образца с надрезом и с упрочнением поверхности минимальное значение КИН оказывается меньше его порогового значения, ниже которого трещина не развивается. Данный факт хорошо согласуется с результатами испытаний этих образцов, так как только в них были выявлены нераспространяющиеся трещины усталости. Также установлено, что при максимальном значении коэффициента интенсивности напряжений глубина трещины составляет величину, равную примерно 0,02 от наименьшего размера сечения цилиндрического образца. Проведённое исследование подтверждает обоснованность использования критерия среднеинтегральных остаточных напряжений для расчёта приращения предела выносливости поверхностно упрочнённых образцов и деталей с концентраторами за счёт сжимающих остаточных напряжений.
Ключевые слова
Предлагается способ организации и хранения информации для формирования многомерного массива связанных актуальных данных, отражающих задокументированный факт осуществления хозяйственных операций в едином информационном пространстве. Раскрывается суть предлагаемого способа, основанная на структурировании данных, соответствующих первичным документам, детализированных до логически завершённых хозяйственных операций и имеющих жёсткие связи между собой. Описывается опыт создания автоматизированной системы управления на базе разработанного способа организации и хранения данных о хозяйственной деятельности. Предлагается использовать полученный массив структурированных данных для интеграции с функциональными учётными системами, служащими для автоматизации основных процессов в управлении предприятием, на базе формируемой OLAP-системы. Приводятся примеры внешних воздействий на автоматизированные системы управления и пути устранения возникающих при этом проблем. Показывается решение задачи о сопряжении в управленческом учёте бюджета доходов и расходов и бюджета движения денежных средств. Делаются выводы о положительном эффекте внедрения автоматизированной системы управления предприятием на основе разработанного способа организации и хранения фактических данных о покупках, продажах и собственных затратах и их связи с функциональными автоматизированными системами.