Том 15, № 2 (2016)

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.

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.

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 конечно-элементного 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 конечно-элементной 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.

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. 

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.

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. 

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: атомно-силовой 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 со-осаждения Ba и Si с последующей рекристаллизацией плёнки при температурах, близких к температуре, определённой в данной работе.

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.

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. 

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.

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.

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.