автореферат диссертации по авиационной и ракетно-космической технике, 05.07.07, диссертация на тему:Методология и лабораторно-стендовой отработки динамических схем жидкостных ракет

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

"МАТИ" - Российский государственный технологический университет имени К. Э. Циолковского

На правах рукописи

Для служебного пользования

Экз. № /У

ВЛАДИМИРОВ Александр Владимирович

МЕТОДОЛОГИЯ ЛАБОРАТОРНО-СТЕНДОВОЙ ОТРАБОТКИ ДИНАМИЧЕСКИХ СХЕМ ЖИДКОСТНЫХ РАКЕТ

Специальность: 05.07.07 — Контроль и испытания летательных аппаратов

и их систем

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва 2000

Работа выполнена в КБ "Салют" ГКНПЦ им. М.В. Хруничева и на кафедре "Испытания летательных аппаратов" МАТИ - Российского государственного технологического университета им. К.Э. Циолковского.

Официальные оппоненты: -доктор технических наук,

профессор ПЕТРУХИН Н. В.

-доктор технических наук,

профессор АЛЕКСАНДРОВСКАЯ Л.Н.

-доктор физико-математических наук, профессор КИБЗУН А. И.

Ведущее предприятие: Государственное унитарное предприятие Московское опытное конструкторское бюро "Марс"

Защита состоится "_" сентября 2000 года в 13 час. 00 мин. на заседании диссертационного Совета Д 063.56.03 "МАТИ" - Российского государственного технологического университета им. К.Э. Циолковского по адресу: 109240, г. Москва, Берниковская наб., д. 14, стр. 2

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке "МАТИ" - Российского государственного технологического университета им. К.Э. Циолковского

Отзывы (в двух экземплярах, заверенных печатью учреждения) просим направлять по адресу: 121552, г. Москва, Г-552, ул. Оршанская, д.З, Диссертационный совет Д 063.56.03 "МАТИ" - Российского государственного технологического университета им. К.Э. Циолковского

Автореферат разослан "_" мая 2000 года

Ученый секретарь диссертационного Совета Д 063.56.03 доктор технических наук, профессор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ. В современных условиях жесткой конку-нции на рынке коммерческих услуг по выведению на орбиты космических аппа-гов важную роль играют энергетические характеристики ракет-носителей, опре-ляемые максимальной величиной полезной нагрузки.

Достижение максимальной энергетики обеспечивается, в том числе, снижением 1ссы конструктивных элементов (что часто приводит к уменьшению жесткости нструкции), уменьшением количества внутрибаковых демпфирующих устройств.

0 приводит к необходимости более тщательного учета большого количества ос-:лляторов, влияющих на устойчивость полета, и повышает ответственность за дос-верность динамических характеристик основных компонентов динамической схе-.1 на всех этапах циклограммы выведения космического аппарата на заданную орту.

Кроме того, следует иметь в виду необходимость принятия адекватных реше-й на ранней предконтрактной стадии о выведении различных коммерческих на-узок уже имеющимися средствами с гарантированным выполнением требований казчика по точности выведения на орбиту и динамике отделяемых полезных на-узок.

При определении динамических характеристик сложных объектов, таких как желые носители, транспортные космические системы, космические аппараты пер-степенное значение имеют экспериментальные методы исследования. Задача экс-риментальных методов исследования динамики в настоящее время формулирует-как задача экспериментального обоснования динамических схем ракет и решается разных этапах изготовления ракет-носителей (РН), разгонных блоков (РБ) и кос-гаеских аппаратов (КА), включая этапы огневых испытаний двигательных устано-к.

Вместе с тем, в настоящее время резко сокращено финансирование всех видов пытаний, включая летно-конструкторские (ЛКИ), обычно подтверждающие фак-ческие летно-технические характеристики изделия.

В связи с этим, разрабатываемая комплексная методология лабораторно-гндовой отработки (JICO) динамических схем жидкостных ракет является акту-ьной.

ЦЕЛЬ ИССЛЕДОВАНИЯ. Повышение качества и эффективности динамиче-íx испытаний и уменьшение затрат на наземную отработку изделий ракетно-:мической техники (PECT) за счет разработки и внедрения новых методов опреде-гая динамических характеристик и информативных моделей (математических и зических), позволяющих с минимальными затратами средств и времени и без по-)и материальной части экспериментально обосновать динамическую схему раке-и принимать решения о готовности к пуску.

ОСНОВНЫЕ НАУЧНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ, выносимые на защиту.

1. Структура методологии исследования динамических свойств космических гательных аппаратов при учете подвижности жидкого топлива в баках и упруго-

1 конструкции, позволяющая без проведения летных испытаний обосновать ха-стеристики и параметры объектов обобщенной динамической схемы жидкостной сеты.

2. Импульсный метод активной идентификации динамических характеристик

объектов динамической схемы жидкостной ракеты:

- выбор функционального преобразования терминальных переменных;

- алгоритм поиска неизвестных параметров по критерию минимума ошибки;

- разработка базы данных;

- логический синтез требуемых динамических характеристик объектов;

- методики идентификации динамических характеристик гидромагистралей (и жидкостных двигателей), рулевых трактов и рулевого привода.

3. Композиционный импульсный метод активной идентификации динамических характеристик объектов, использующий кусочно-непрерывную схему идентификации:

- выбор оптимальной последовательности входных импульсных воздействий (по энергетическому критерию спектральной функции в заданной частотной области);

- согласование вектора состояния исследуемой системы на граничных временных и частотных интервалах идентификации;

- нахождение кусочно-непрерывной амплитудно-фазовой частотной характеристики в соответствии с упорядоченным набором входных импульсных воздействий.

4. Совокупность математических и физических моделей динамики топлива в баках, а также математические модели объектов динамической схемы жидкостных ракет на динамических стендах:

- математическая модель динамики топлива при действии слабых гравитационных полей, определяющая динамические процессы жидкости в баках при переходе от равновесной конфигурации, соответствующей полю гравитационных сил, к равновесной конфигурации, имеющей место в условиях невесомости; результаты верификации стендовыми испытаниями;

- физическая модель, воспроизводящая динамику топлива на участке спада тяги, и результаты физического моделирования при гидродинамических испытаниях;

- математические модели гидромагистралей различной конфигурации и рулевого привода на динамическом стенде, позволяющие с достаточной точностью (5-7%) прогнозировать динамические характеристики в интересующем диапазоне частот (0-25 Гц).

5. Метод учета технологических разбросов параметров при комплексных испытаниях динамики отделения КА:

- методологические принципы распознавания состояния КА в условиях неопределенности обстановки отделения;

- методика вероятностного анализа, позволяющая построить опорные доверительные области по любой компоненте вектора состояния КА при наличии технологических погрешностей в изготовлении элементов конструкции аппаратов и систем разделения;

- процедуры определения слабой и сильной доверительных трубок;

- алгоритмизация и программная реализация метода учета технологических разбросов параметров;

- прикладное исследование: вероятностный анализ динамики отделения КА с учетом влияния поведения топлива в баках; построение областей возможных раз-

юсов вектора состояния.

6. Принцип комплексного контроля верифицированных элементов обобщен-зй динамической схемы изделия в режиме имитационного моделирования.

7. Внедрение методологии лабораторно-стендовой отработки динамических :ем жидкостных ракет в систему динамических испытаний изделий PKT.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА. Установлены структурные особенности лаборатор-)-стендовой отработки динамически схем жидкостных ракет, обеспечивающей >стоверность динамических характеристик объекта на всех этапах циклограммы введения на основе формирования информативных моделей и методик и организа-ш "математических пусков".

Разработан импульсный метод активной идентификации динамических харак-ристик, основанный на минимизации времени испытаний, предупреждении и па-фовании нештатных ситуаций в зоне развития резонансных явлений. Следствием газанных отличительных особенностей является возможность идентификации объ-тов в режиме их нормального функционирования, а также объектов, свойства ко->рых существенно меняются.

Композиционный импульсный метод активной идентификации позволяет уве-[чить точность определения динамических характеристик в расширенном частот->м диапазоне.

Новизна метода и технических устройств для его реализации подтверждены [тью авторскими свидетельствами.

Разработанная система математических и физических моделей динамики топ-[ва на активном и пассивном участках полета отличается новизной в силу еле-тощих причин.

При хорошо развитой методологической концепции моделирования динамики |плива на активном участке полета (продольная нагрузка пх > 0,01 g) вопросы экс-¡риментального определения влияния внутрибаковых устройств и многосекцион-.ix перегородок на относительное движение жидкости в баке сопряжены с боль-ими трудностями.

Предложен метод экспериментального исследования гидродинамических ха-ктеристик секционных баков, новизна которого подтверждена авторским свиде-льством.

Новизна математической модели процесса отделения КА от РН с учетом ди-[мики топлива в баках при действии слабых гравитационных полей подтверждает-отсутствием в космической отрасли РФ методик, стандартов либо рекомендаций, 13воляющих моделировать динамику топлива в баках при действующих перегруз-хниже 0,01g.

Предложена физическая модель и маятниковый стенд, имитирующие динами-■ топлива в баках при малых уровнях заливки в условиях одновременно изменяю-яхея по направлению и величине продольных и поперечных перегрузок, что ха-ктерно на участках спада тяги двигателя.

Математическая и физическая модели верифицированы стендовыми испыта-[ями и реальными пусками изделий.

Новизна математических моделей объектов на динамических стендах под-ерждена семью авторскими свидетельствами.

Новизна предложенного метода учета разбросов параметров при комплексных пытаниях состоит в возможности получения слабой и сильной оценок вектора со-

стояния КА при отделении с учетом характеристик средств разделения; метод может быть использован на ранних стадиях проектирования при проведении сравнительного анализа вариантов технических решений систем разделения.

Впервые предложен принцип комплексного контроля верифицированных элементов обобщенной динамической схемы жидкостной ракеты на динамическом стенде полунатурного моделирования.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ. Представленные в диссертации результаты строго обоснованы методологией системного анализа; теорией колебательных систем, в том числе, твердых тел с полостями, частично заполненными жидкостью; экспериментальными методами в динамике космических аппаратов. Достоверность и обоснованность результатов подтверждается удовлетворительным совпадением расчетных и экспериментальных параметров, а также результатами практического использования разработанных методик.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ. Разработанная методология лабораторно-стендовой отработки динамических схем жидкостных ракет использована для решения следующих практических задач динамических испытаний.

1. Математическая модель динамики топлива в невесомости внедрена в процесс лабораторно-стендовой отработки изделия "Рокот", "Бриз-М".

2. Методика вероятностного анализа и математическая модель процесса отделения космического аппарата от ракеты-носителя с учетом динамики жидкости в баках при действии слабых гравитационных полей внедрены при комплексных и натурных испытаниях отечественных и зарубежных КА по программам "Астра-1Р", "Астра-Ш", "Асгра-1Н", "Астра-2А", "Панамасат-5", "Иридиум", "Инмарсат", "Тел-стар-5", "Телстар-6", "Телесат" и др. с использованием ракет-носителей "Протон" и "Рокот".

3. Разработанные методики эксперимента, стендовое оборудование и физическая модель динамики топлива на малых уровнях заливки баков при одновременном изменении продольной и поперечной перегрузок внедрены при подготовке к запуску станции "Мир", а также не ряде других изделий КБ "Салют".

4. Разработанный импульсный метод активной идентификации динамических свойств гидроприводов внедрен в КБ "Салют" по темам: 44, АЗО, "Наряд". Впервые характеристики определены непосредственно на летном экземпляре. Новизна методов и стендов защищена авторскими свидетельствами.

Метод идентификации динамических характеристик гидромагистралей и разработанное стендовое оборудование использованы при отработке изделия АЗО.

РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ. Импульсный метод активной идентификации динамических характеристик объектов динамической схемы жидкостной ракеты внедрен в разработку отраслевого стандарта ОСТ 91-96. 21-82. "Приводы рулевые. Методика определения амплитудно-фазовых частотных характеристик".

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основное содержание диссертации отражено в 28 публикациях, в том числе 2 монографиях, 13 авторских свидетельствах, из которых 5 запатентовано. Результаты исследований докладывались на 7 научно-технических конференциях. Материалы диссертации вошли в 67 научно-технических отчетов по тематике КБ "Салют".

ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертация состоит из введения, шести глав, списка литературы (121 наименование) и 4 приложений; изложена на 438 страницах

ашинописного текста и содержит 183 рисунка и 29 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во ВВЕДЕНИИ обоснованы актуальность темы диссертации и направления следований, ориентированных на решение задачи экспериментального обоснова-ш динамических схем жидкостных ракет; определены научная новизна, практиче-:ая значимость и реализация результатов диссертационной работы. Дана краткая шотация содержания глав диссертации.

В ПЕРВОЙ ГЛАВЕ "Анализ методологических аспектов лабораторно-•ендовой отработки динамических элементов и систем жидкостных ракет" рас-триваются структура и состав обобщенной динамической схемы (ОДС) жидко-•ных ракет и обсуждаются аспекты JICO, которые могут позволить провести в наемных условиях "математические пуски", выявляющие основные характеристики и фаметры объекта без проведения летных испытаний.

Моделирование системы в целом представляет серьезные трудности, поэтому эедлагается методологическая концепция моделирования по этапам циклограммы ¿ведения КА на заданную орбиту: уравнения движения изделия на активных уча-ках полета (в том числе, с учетом влияния внутрибаковых элементов и устройств i относительное движение жидкости в баках), уравнение движения изделия на пас-1вных участках (свободный полет, программные развороты, стабилизация и пр.) с гетом динамики топлива в баках при действии слабых гравитационных полей, а 1кже в условиях одновременно изменяющихся по направлению и величине про->льных и поперечных перегрузок, что характерно на участках спада тяги.

Показано, что возможность привлечения математических методов ограничена южностью задачи, решаемой на соответствующем этапе циклограммы выведения, сформулированная выше проблема о реализации "математических пусков" может >ггь решена в результате взаимодействия математических и физических подходов к эделированию.

Физические подходы основаны на экспериментальном исследовании динами-{ объектов ОДС, связанном с процессами обработки данных и принятия решений, 1анированием информативных экспериментов и пр.

Оценка современного уровня лабораторно-стендовой отработки динамики идкостных ракет как упругих конструкций с жидкостью выполнена на основе дельного анализа фундаментальных трудов Колесникова К.С., Микишева Г.Н., Мои-:ева H.H., Нариманова Г.С., Натанзона М.С., Петрова A.A., Полухина Д.А., Раби-звича Б.И., Челомея В.Н. и др.

Достигнутые в настоящее время результаты в области планирования и органи-[ции экспериментальных исследований и наземной отработки сложных техниче-:их систем, интеграции математических и физических методов при имитационном эделировании проанализированы на основе работ Абрамсона Н., Альбрехта A.B., едайводы А.К., Шаронова A.B.', Тимиркеева Р.Г. и других ученых.

При оценке актуальности проблемы изучены опыт ведущих организаций и ин-•итутов отрасли ЦНИИМАШ, НИИТП, КБХМ, НИИХМ, РКК "Энергия", НПО 'отор", ГКНПЦ им. М. В. Хруничева, НПО "Техномаш", НПО "Машиностроение", [АИ, МГТУ им. Н.Э. Баумана, информация из ГОСТов, ОСТов, справочников и пр.

Выполнена оценка полноты существующей лабораторно-стендовой базы для тределения динамических характеристик элементов и систем объектов ОДС, соот-

ветствующей, в основном, широко применяемым традиционным методам исследования динамики с помощью синусоидальных входных воздействий и метода свободных колебаний объекта.

Показано, что с точки зрения задачи экспериментальных исследований динамики изделий ракетно-космической техники, формулируемой как задача экспериментального обоснования ОДС, требуют развития вопросы разработки технологического оборудования для исследования динамики топлива в баках на пассивных участках полета, а стремление получить основные характеристики объекта без проведения летных испытаний обосновывает необходимость расширения методологической концепции моделирования за счет разработки комплексных методик полунатурного моделирования и их реализации на динамическом стенде полунатурного моделирования, позволяющих выполнять комплексную проверку функционирования верифицированных элементов ОДС в замкнутом контуре управления, содержащем модель динамики движения изделия, модель системы управления, штатные приборы управления рулевыми приводами и реальные исполнительные элементы.

Как показал анализ литературы, достоверность экспериментального обоснования обобщенной динамической схемы жидкостной ракеты можно повысить на основе системной разработки методологической концепции моделирования (математического, физического и полунатурного), методологического обеспечения динамических испытаний (методов расчетно-экспериментальной отработки динамики) и технических средств испытаний по новым направлениям:

- моделирование динамики топлива в баках,

- идентификация и реконструирование вектора состояния функционально завершенных фрагментов динамических схем, отображаемых математическими и физическими моделями;

- разработка принципов построения и функциональной структуры технологического оборудования.

В первой главе сформулирована постановка задачи диссертационного исследования, основные компоненты которой представлены на рис.1 как фрагменты методологии лабораторно-стендовой отработки динамических схем жидкостных ракет.

Во ВТОРОЙ ГЛАВЕ "Разработка импульсного метода активной идентификации динамических характеристик объектов обобщенной динамической схемы" предлагается активный экспериментальный метод идентификации, использующий реакции исследуемых объектов на непериодические сигналы и требующий меньше времени на наблюдение и обработку результатов, чем традиционные - метод синусоидальных входных воздействий и метод свободных колебаний.

Математической основой метода является интегральное преобразование Фурье

со

= {^е^'Л, (1)

—ОО

позволяющее сигналы функции времени /•"(<) представлять как функцию частоты.

Используя интегральное преобразование Фурье (1) и формулы Эйлера, выходной у(1) и входной ^„(0 сигналы объекта представляются в виде аналитических функций комплексного переменного; составляется отношение

к

о

н Ц

е п т

У а л ь н ы е

Анализ обобщенной динамической схемы

Определение доминирующих факторов при экспериментальной отработке динамики жидкостных ракет

и с с л е д о в а н и я

Анализ методов лабораторно-стендовой отработки динамических схем

Методология лабораторно-стендовой отработки динамических схем жидкостных ракет

/Основные объекты4

обобщенной динамической схемы жидкостной ракеты

Топливные магистрали ригательные установки ~

Топливные баки

улевые тракты управления двигателем

Математическое - при действии слабых гравитационных полей

Физическое -на участке спада тяги двигателей

Импульсный метод активной идентификации

Стенд для д инамических испытаний топливных бают и пиромагистралей

Композиционный импульсный метод активной идентификации

Метод учета технологических разбросов параметров

Комплексная методика отработки динамики полета

Маятниковый стенд

Экспериментальные установки для исследования динамики топлива

Динамический стенд для полунатурного моделирования

Рис. 1. Структура методологии

определяющее амплитудно-фазовую частотную характеристику (АФЧХ) исследуемого объекта.

После ряда преобразований и допущений, не искажающих физического смыс ла, амплитудная А(а>) и фазовая (р{со) частотные характеристики получаются и: выражений

4»)=

i

¡xB (/)cos OJtdt- sin col n ty

+

- jjtB(í)sin<yf Л——соscoT

A СО

(2:

<p{&)= arctgf

i л

¡y{t)smevtdt- eos a>T \xs (í)sin eotdt- eos coT

n СО . n СО

-arctgf-

\ j(í)cos o t dt - sin coT Jjcb (í)cos cotdt - -^sin coT

0 a> 0 a>

где хуст, yyCÍ-установившиеся значения сигналов входа и выхода соответственно.

Эффективное применение соотношений (2), т.е. обеспечение достоверности и точности получаемых динамических характеристик, наряду с известными требованиями удовлетворения рассматриваемых функций условиям Дирихле зависит от дополнительных условий и рекомендаций к форме входных возмущений хв(/), к длительности возмущения Та, а также к системе регистрации сигналов и реакции исследуемой динамической системы.

Во второй главе выполнен анализ спектральных функций ступенчатого сигнала, импульсов (однополярных и двуполярных), импульсов треугольной формы (симметричных и несимметричных) с различной длительностью Ти, амплитудой, скоростью изменения.

Показано, что по энергетическому критерию спектральной функции в заданном диапазоне частот оптимальным является треугольный импульс с длительностью Ги = 0,02 с и вертикальным передним фронтом. На качественном уровне этот факт объясняется тем, что спектральная функция имеет вид плавно падающей кривой и на частоте 30 Гц (по сравнению с величинами амплитуд других сигналов на этой же частоте) максимальна, что позволяет снизить погрешность вычислений и тем самым повысить точность определения АФЧХ системы в требуемом диапазоне.

Новизна предложенных рекомендаций к форме и длительности входного воздействия подтверждена авторским свидетельством.

Предложен алгоритм поиска неизвестных параметров из условий минимизации выбранной меры ошибки.

С этой же целью все множество параметров разбивается на два класса: известных достаточно точно на этапе проектирования и изготовления объекта и в дальнейшем — неизменяемых; известных с недостаточной степенью точности вследствие, например, технологических разбросов параметров при производстве, которые названы изменяемыми.

Среди множества изменяемых параметров выделяется подмножество доминирующих (на основе априорной или экспертной информации), которые приводят к склонениям АФЧХ от номинального значения.

1. Вводится в рассмотрение обобщенный параметр 0{а>), характеризующий ¡еличину отклонения динамической характеристики исследуемой системы от характеристик основного варианта.

2. Строится функция в{ю)

•де А(й>), <р{й)) - соответственно амплитудная и фазовая частотные характеристи-:и; индекс 0 относится к основному варианту, э - к эксперименту, м - к модели.

3. Определяется критерий ошибки построенной модели

Ел{А,0>)= \[А1(СО)-А\со)]2<1СО,

<»к

4. Величины Е сравниваются с допустимыми Ед. Если величины Е меньше аранее определенных значений Ея, то считается, что система уравнений, правиль-ю описывает динамику исследуемой системы в рассматриваемом диапазоне частот.

5. При Е>ЕД осуществляется выбор из имеющихся характеристик &и(со) та-:ой характеристики, для которой функции £л и имели минимальные значения

б. Рассчитывается критерий ошибки для вариации параметров в'{со). Вообще говоря, определение коэффициентов уравнений по эксперименталь-юй информации представляет собой задачу, некорректную по Адамару, т.е. любой аданной характеристике соответствует бесконечное множество приближений. Тем [е менее практика требует решения аналогичных задач, и использование изложен-юго алгоритма при известной структуре системы уравнений и возможных отклоне-[иях коэффициентов дает возможность значительно сузить круг решений в тех слу-;аях, когда полученное решение не единственно.

Предложенный импульсный метод активной идентификации динамических арактеристик объекта, позволяющий с достаточной степенью точности определять ^.ФЧХ в интересуемом частотном диапазоне О-т-25 Гц, в том числе, и в окрестности •азвития резонансных явлений, дает возможность разработать принцип преднамеренного формирования требуемых динамических характеристик объектов ОДС сидкостной ракеты.

Предложен адаптивный формирователь динамических характеристик объекта в условиях развития резонансных явлений, позволяющий на основе логического анализа входных и выходных воздействий динамического звена в колебательном контуре автоматически определять развитие автоколебательных режимов в системе и менять либо собственные свойства динамического звена, либо условия на его входе. Новизна подтверждена авторским свидетельством.

Наличие развивающихся автоколебаний определяется в результате логического анализа состояния объекта исследования:

1- выделение динамической составляющей;

2- анализ амплитуды сигнала;

3- анализ частотного спектра;

4- расчет количества колебаний в указанном спектре с заданными амплитудами;

5- формирование команды на реализацию корректирующих воздействий.

Во второй главе рассмотрена прикладная задача, имеющая самостоятельное научное и практическое значение: формирование динамической характеристики гидромагистрали адаптивным устройством.

Основными вопросами, затронутыми в прикладном исследовании, являются:

- разработка математических моделей гидромагистралей на динамическом стенде;

- активная идентификация динамических характеристик гидромагистралей с помощью импульсного метода;

- формирование заданных динамических свойств гидромагистралей с учетом упругих колебаний корпуса.'

Математическое описание моделируемых динамических элементов объединяет математические модели гидромагистралей со следующими геометрическими конфигурациями:

- магистраль с демпфером на выходе;

- магистраль без учета демпфера;

- магистраль с разветвлениями.

Математические модели гидромагистрали на стенде разрабатываются на основе линеаризованных уравнений гидродинамики, связывающих давление P(x,t) в магистрали и скорость V(x,t) частиц жидкости. Сформулированы допущения и предположения, когда подобная модель справедлива.

Ввиду ограниченного объема автореферата рассмотрим как типовую краевую задачу, описывающую динамику магистрали с демпфером на выходе на испытательном стенде 10ДМ-83, конструкция которого и методика испытаний приведены в диссертации.

Показано, что краевая задача для нахождения функции V(x,t) имеет вид

.2 '

(5)

тГа(и) = -КеГ(1,()-стО-^-р0С^х(1,1), (7)

Ут

де /70 - плотность жидкости, V - коэффициент вязкости, С0 - эффективная скорость вука в прямой трубе, Р0 - статистическое давление в магистрали, х - координата [роизвольного сечения магистрали, <2Т ' площадь внутреннего поперечного сечения гагистрали, Хп - координата поршня, Ь - расстояние между поршнем и мембраной их среднем положении, т - масса, Кг - жесткость (сумма жесткости сильфона

емпфера и жесткости газового объема демпфера), с - коэффициент вязкого трения.

Решение(5) - (7) ищется методом разделения переменных

К(.х,0 = и(х)е"*; тогда Р(х,1) = ЩхУ", П(х) = 1-^-и'{х).

О)

Задача сводится к нахождению собственных значений и собственных функций оответствующего обыкновенного дифференциального оператора второго порядка ли к задаче Штурма-Лиувилля. Константы разделения определяются в соответст-ии с заданными краевыми условиями или другими присоединенными условиями, ешение системы уравнений для определения констант разделения проведено чис-енным методом с последующей интерпретацией результатов в виде графиков 1.ФЧХ. Получено хорошее совпадение теоретических (модельных) и эксперимен-альных характеристик гидромагистралей.

При реализации импульсного метода активной идентификации динамических арактеристик гидромагистралей предложены устройства для создания импульсного озмущения на входе гидромагистрали; новизна подтверждена авторскими свиде-гльствами.

Приведен обширный экспериментальный материал по определению динами-еских характеристик гидромагистралей с различными свойствами и разной геомет-ической конфигурации как системы "магистраль-жидкость-газ", который позволил □основать необходимость разработки способов активного формирования динами-зских характеристик магистралей.

С этой целью выполнена отработка адаптивного формирователя динамиче-шх характеристик гидромагистрали с использованием газового демпфера активно> действия (с подводом и отводом газа), допускающего преднамеренное изменение есткости в процессе работы (управляемый газовый демпфер).

Рассмотрен простейший алгоритм управления - переключение по временной зманде, которая дается в определенный момент движения изделия. Принцип выбо-1 момента времени может определяться, например, исходя из анализа изменения 1рциальных частот упругого корпуса во времени и графика изменения резонанс-ых частот магистрали, которые не должны совпадать.

Практически подтверждена эффективность воздействия формирователя на )ыв развития резонансных автоколебательных процессов путем ступенчатого из-енения жесткости сильфона по команде от логического анализатора состояния Зъекта исследования.

В ТРЕТЬЕЙ ГЛАВЕ "Восстановление динамических параметров рулевых »актов управления импульсным методом активной идентификации" разрабатывайся композиционный импульсный метод определения АФЧХ рулевых трактов, по-

зволяющий расширить частотный диапазон исследования динамики объектов ОДС и повысить точность получаемых динамических характеристик, используя для идентификации ту частотную область, где спектральная функция входного импульсного сигнала имеет наибольшее значение.

Метод использует кусочно-непрерывную схему идентификации; основан на выборе оптимальной последовательности входных импульсных воздействий, различных по форме и длительности (по энергетическому критерию спектральной функции в заданной частотной области), согласовании вектора состояния исследуемой системы на граничных временных и частотных интервалах идентификации и нахождении кусочно-непрерывной АФЧХ в соответствии с упорядоченным набором входных импульсных воздействий.

Правило, по которому составляется композиция М импульсных входных воздействий проиллюстрировано на рис.2. Нумерация элементов множества М выполнена в соответствии с порядком увеличения частоты/ Двойной линией показана кусочно-непрерывная схема идентификации.

Сформулированы ограничения на область применения метода.

Рулевые тракты управления являются сложными техническими системами, объединяющими гидравлический привод, узлы его крепления к корпусу и двигателю, а также нагрузку на гидропривод со стороны двигателя.

Применительно к рулевому приводу задача идентификации рассматривается как определение коэффициентов системы дифференциальных уравнений привода по известной структуре этих уравнений и экспериментально полученным динамическим характеристикам.

Приведена математическая модель привода с инерционной нагрузкой с первым каскадом усиления типа сопло-заслонка, а вторым- золотник-цилиндр, представленная дифференциальными уравнениями и передаточными функциями относительно перемещения золотника, нагрузки, штока и привода, перепада давлений в полостях силового цилиндра. Выполнена автоматизация подготовки и проведения экспериментальных работ по определению динамических характеристик рулевых приводов на динамическом стенде (рис.3).

Определены требования к системам измерений при проведении натурных экспериментов по идентификации динамических характеристик рулевых трактов, учитывающие выбор датчиков, частоту их опроса, алгоритм обработки измерительной информации, структуру привода, выбор моментов дискретизации времени и шага интегрирования А1 при использовании преобразования Фурье, а также форму и длительность 7"и входного импульсного воздействия.

В качестве примера (рис.4) показаны результаты эксперимента по определению динамических характеристик привода со слабым демпфированием (т.е. большим временем полного затухания переходных процессов - 7*). При планировании эксперимента решена компромиссная задача нахождения минимального числа регистрируемых параметров, обеспечивающих заданную точность, при постоянном шаге интегрирования А/.

Приведен обширный экспериментальный материал по определению указанных требований, подтвержденных на линейной математической модели гидравлического привода и отработке на динамическом стенде привода 15Л635.

Экспериментальная проверка импульсного метода активной идентификации динамики рулевых трактов проведена на рулевых приводах разных мощностей, с

О 20 40 /Гц

Рис. 2. Спектральные функции для трех воздействий

Рис. 3. Внешний вид привода на стенде 1 - привод

о

40 80 120 160 200

/Гц

Рис. 4. Динамические характеристики привода со слабым демпфированием

(импульсный вход)

различными нагрузками и значениями жесткости кинематической цепи крепления привода к стенду.

Сравнительные характеристики получены двумя методами: традиционным (синусоидальное входное воздействие) и импульсным методом.

Показана удовлетворительная сходимость аналитических и экспериментальных результатов, подтверждающая достоверность идентификации динамических характеристик рулевых трактов на основе предложенного импульсного метода активной идентификации.

Задача обеспечения устойчивости и управляемости летательного аппарата (ЛА) (решаемая на основе экспериментального обоснования ОДС) усложняется, если собственные частоты управляемого элемента и первых тонов упругих колебаний корпуса ЛА располагаются в рабочем диапазоне частот привода.

Поведено на математической модели исследование вопросов влияния парадов рулевого тракта на стабилизацию упругих колебаний корпуса изделия.

Рассмотрены мероприятия:

- изменение собственной частоты колебаний рулевого тракта при увеличении [ерционной нагрузки;

- увеличение жесткости кинематической цепи;

- ограничение максимальной величины давления;

- изменение фазовой характеристики автомата стабилизации.

Отмечены как наиболее эффективные два последних метода.

О] г;;!:;:чс!п:е га-си: :з'Н ной нмкченм лзвления позволяет уменьшить ампли-ду \ П1Х колебаний корпуса до дотеш.мых пределов. Преимущество способа -осооноаь к аитоподстройкс на частоте собственных колебаний рулевого тракта и зможпость стабилизации сразу нескольких тонов упругих колебаний.

Изменение фазовой характеристики автомата стабилизации позволяет эффек-вно гасить сразу несколько тонов упругих колебаний.

В ЧЕТВЕРТОЙ ГЛАВЕ "Разработка математических и физических моделей щамики топлива в баках" показано, что поведение жидкости (и как следствие, ее ияние на объект управления) существенно различается на разных участках цикло-аммы выведения: при наличии и отсутствии перегрузки, и поэтому представляет-разными моделями.

На активных участках полета, когда работает маршевый двигатель и направ-ние вектора перегрузки меняется незначительно, а его величина достаточна для ;ержания топлива в районе заборных устройств баков, математическое описание, пример, в виде маятниковой модели колебаний, дает хорошее приближение к ре-ьным физическим процессам.

Однако, в ряде проектов внутри топливных баков располагается сложная кон-рукция, полностью разделяющая зеркало жидкости в баке на отдельные, в общем учае, неодинаковые между собой секции.

Для топливных баков такой конфигурации предложен метод экспериментально исследования гидродинамических характеристик секционных баков, новизна торого подтверждена авторским свидетельством.

Суть метода состоит в следующем.

1.На исследуемый объект подается возмущающее воздействие, возбуждаю-;е наиболее широкий спектр частот колебаний жидкого наполнителя.

2. Регистрируются силовое воздействие и реакция жидкости на этот сигнал в юцессе воздействия и после его окончания.

3. Записанные процессы представляются в частотной области с помощью ин-грального преобразования Фурье (применяется пакет прикладных программ на ав-матизированном комплексе).

4. Выделяются частотные диапазоны, в которых плотность амплитуды сигна-1В имеет максимальные значения.

5. Проводят повторные испытания моделей, создавая возмущающее воздейст-:е на выделенных в п.4 частотах.

6. Регистрируют сигналы входа и выхода до полного затухания переходных юцессов.

7. Определяют частотную характеристику как отношение сигналов на выходе, »едставленных с .помощью интегрального преобразования Фурье в виде функции

частоты к сигналам на входе, также представленным в функции частоты.

8. Выделяют на частотной характеристике резонансные частоты, а по соотношению величин резонансных пиков оценивают величины присоединенных подвижных масс и демпфирование.

Методика проведения испытаний и обработки результатов позволяет построить математическую модель совокупности (или одного) колебательных звеньев, описывающих гидродинамические свойства емкостей сложной конфигурации.

Предложена математическая модель динамики топлива в условиях микрогравитации, основанная на физической аналогии, отличной от маятниковой модели и от моделей, связанных со статическим расположением топлива ("замороженное" топливо в крайних положениях внутри каждого бака).

Приняты следующие допущения:

1- в баках КА отсутствуют какие-либо конструктивные элементы, препятствующие свободному перемещению жидкости и газа по всему объему баков;

2- весь газ, находящийся в баке, может быть представлен в виде одного пузыря ("пузырьковая" модель).

Разработана схема взаимодействия пузыря со стенками бака и представлена в виде модели механической системы: пружины и демпфера, действующих между стенкой бака и центром масс жидкости. Модель дополняет диаграмма перехода между тремя возможными состояниями пузыря: свободное движение, сжатие, отталкивание.

На рис.5 представлен фрагмент движения пузыря в модели бака, зафиксированный при проведении экспериментальных исследований динамики топлива на космической станции "Мир".

Модель движения КА с учетом динамики жидких компонентов для участков малых или кратковременных перегрузок имеет следующий вид

Уравнение моментов

Л * ¿Г ,•

Уравнение сил:

<Й /

Уравнение движения центра масс жидкости в ¿-м баке:

¿1а1 с1а) _ с£а{ _ = .

—=--ха,- - 2а>х—--со хшхаЛ-Сг.Д + /гст,/т,-.

Л2 Л Л ' '

Инерциальное ускорение 1-го бака:

А' ='7Т + -Т~ХГ<>< + <У*(®х'-о,). (8)

Л ш

Масса КА с жидкостью^

I

Статический момент КА с жидкостью:

Рис. 5. Эксперимент на станции "Мир": Взаимодействие воздушного пузыря

со стенкой бака

Рис. 6. Внешний вид установки УН-95Т на борту самолета-лаборатории ИЛ-76 МДК

Матрица инерции КА с жидкостью:

х, 0 г, -у,

У1 = 0 *« У Лс, -'о,- +ап

Л. . У, 0

= | ^2(1 ^¡^ ) " масшта®нь1^ множитель ускорения (функция уровня запол-

нения бака К ¡У,

О

\-kpA -кает7р1 -при г{ > Я,

- сила взаимодеиствия топлива

со стенками бака;

1

3

пни

л А

= "«О!

4» = (Я, "О

1-к,

А 4Л,'

Рр, - радиальная составляющая скорости центра масс жидкости; ^ - тангенциальная составляющая скорости центра масс жидкости,

В (8) со — вектор угловой скорости КА; I — вектор, определяющий положение начала координат, связанного с корпусом КА, в инерциальной системе координат; С - вектор, определяющий положение центра масс КА относительно выбранного начала координат; Т - сумма моментов внешних сил относительно выбранного начала координат; F - сумма внешних сил, действующих на КА; Щ - вектор, определяющий положение центра масс жидкости в /-м баке относительно центра

этого бака; Ур1, - радиальная и тангенциальная составляющая скорости центра масс жидкости в /-м баке; М5,- масса и матрица инерции сухого КА (без жидких компонентов); Л,- - радиус г-го бака; г3 — вектор, определяющий положение центра масс сухого КА относительно начала координат; ш, - масса жидкости в г-м баке; г0|- — вектор, проведенный из начала координат в центр «-го бака; - вектор, определяющий положение центра масс жидкости в 1-м баке относительно начала координат; А, — вектор инерциального ускорения г'-го бака; К, — коэффициент запол-

нения 1-го бака, К1 = -

^ V

> ' 33

- объем заправляемого компонента топлива,

- полный объем заправляемого бака, Н, — коэффициент заполнения г-го бака

г( = 0 соответствует сферическому баку),

Следует отметить, что рассмотренные здесь уравнения, а также величины ко-фициентов, моделирующих удар жидкости о стенку бака, были подтверждены ;периментально при исследованиях в невесомости на самолете - лаборатории, юме того, правомерность принятой модели была подтверждена результатами на-эных пусков.

В четвертой главе рассмотрена методика верификации математических моде-я динамики жидкости на пассивных участках на летающих лабораториях (на кос-ческой станции "Мир" и самолете-лаборатории Ил-76 МДК).

Разработана экспериментальная установка УН95Т (рис.6) и методика экспе-ментальной отработки отделения КА в условиях невесомости путем физического делирования гидродинамических процессов (задача 1).

Результаты измерений и видеосъемка (рис.7) позволяют сделать вывод о до-гтимости применения в расчетах математической модели (8).

Рассмотрена задача 2 - исследование влияния нелинейных колебаний жидко-I в баках на массово-инерционные характеристики КА при осуществлении манев-з изделий на орбите. Разработана экспериментальная установка на борту самоле-лаборатории и методика испытаний. Обработка и анализ экспериментальных щых позволяют определить присоединенный момент инерции подвижной жидко-I по отношению к моменту инерции полностью "замороженной" жидкости.

Не приводя конкретных количественных результатов, отметим, что математи-:кая модель динамики топлива при действии слабых гравитационных полей была эифицирована на стендовой установке "Волна" станции "Мир". Характерные кон-гурации свободной поверхности жидкости на стенде "Волна" показаны на рис.8, : представлен процесс формирования пузыря в секции модели топливного бака :ле окончания действия возмущений.

Разработанная методика верификации математических моделей стендовыми тытаниями позволяет определять коэффициенты дифференциальных уравнений тамики для различных форм топливных баков, схем формирования возмущающих ¡действий и уровней заливок. Проведено 86 испытаний, показавших, что резуль-ы разбросов находятся в пределах 5-7 %.

Завершает четвертую главу задача физического моделирования динамики то-тва на участке спада тяги.

Разработка строгих математических моделей динамики топлива при малых )внях заливки топливных баков затруднительна, поскольку состояние жидкости )актеризуется разрывами поверхности и нарушением сплошности.

Разработаны физическая модель, воспроизводящая динамику топлива на уча-:е спада тяги, и принципы физического моделирования: физическая модель усло-\ нагружения (методика воспроизведения полетных перегрузок в наземных усло-1х); методика выбора натурных моделей из условия подобия; оригинальное стен-юе оборудование (маятниковый стенд и информационно-измерительная система), годика динамических испытаний.

В ПЯТОЙ ГЛАВЕ развивается метод учета технологических разбросов парафов при комплексных испытаниях средств разделения.

тод основывается на представлении вероятностной модели состояния КА при делении, реконструировании вектора состояния в условиях неопределенности и юятностном анализе, позволяющем построить опорную доверительную

Рис. 8. Формирование воздушного пузыря в невесомости

область.

Сформулирована и исследована задача реконструирования вектора состояния по определяющим параметрам при наличии неопределенностей, порождаемых не-эпределенностью параметров космических аппаратов и систем разделения (вызванной технологическими погрешностями при изготовлении элементов конструкции и их компоновке), а также неопределенностью условий конкретного пуска, влияющей на режим работы двигателей.

Пространство векторов состояния биективно отображается на параметриче-:кое множество, т. е. вектор состояния изделия является многомерным вектором ортогонального базиса параметров системы.

Введено в рассмотрение поле признаков /(х, у) = 0, в котором выполняется шализ состояния системы.

Предполагается, что одновременно определены (измерены) в некоторых точках АI (/ = 1,2,..., Ы) значения признака вектора состояния, т. е. можно выделить лиши уровня /¡(х,у) = 0 из условия, что во всех точках (х, _у), принадлежащих 1-й шнии уровня, значение величины признака //постоянно и равно Н,.

Показано, что координаты искомой точки (истинное положение конца вектора :остояния) представляют собой решение системы А^ алгебраических уравнений

Р,(х,у, £,/7) = 0, /=1,2,..., И, (9)

I, р - характеризуют способ построения отображения.

Приведена последовательность операций по реконструированию вектора со-:тояния.

Рассмотрены два случая.

1. Истинные координаты вектора состояния (х, д») известны в заданный мо-1ент времени с малой погрешностью Ах, Ау.

В этом случае линии уровня аппроксимируются прямыми. Вводится квантова-ше поля признаков, линии квантования также аппроксимируются прямыми

аух + ЬуУ+Су =0, (10)

а\х + Ъ)у + с)= 0, (11)

10) соответствует величине Нц\ (11) соответствует ближайшему к Н* уровню :вантования # * (/ = 1,2,..., N - число возможных состояний, j = 1,..., п - число ви-;ов признаков).

При определенных предположениях о числовых характеристиках случайных еличин и их законов распределения рассматриваются результаты преобразования иний квантования и истинных линий по всем / и /, причем образы всех истинных иний уровня проходят через точку, соответствующую истинному положению век-ора состояния.

Преобразование этих линий выполняется по алгоритму

х = х + ¿.соэД,

' и' (12)

Показано, что определение искомых координат по координатам точки воз-южного положения сводится к определению по всем ; и / математического ожи-

дания координат точек пересечения линий /^(х, у) = 0.

2. Большие погрешности Ах, Ау. Особенность задачи в этом случае состоит ] необходимости предварительного выбора некоторой области, в которой с наиболь шей вероятностью находится искомый вектор состояния. Приводится итерационна] процедура поиска, построенная по выборочным значениям у, ,

<х">:{х"+1}=/(хп), (13;

х" - некоторое начальное значение, Бир| /'(¿;)\< 1, /- удовлетворяет условию Лип шица и непрерывно дифференцируема.

Доказана сходимость итерационной процедуры.

Показано, что потенциальная точность оценок, полученных в результате ите рационного процесса, может быть определена на основании неравенства

. (14:

' п

егху - среднеквадрагические отклонения оценок координат хс, ус, к - коэффициент

зависящий от размеров доверительной области, п - число независимых элементо! выборки.

Поскольку точность оценок зависит от размеров доверительной области и дл5 "работы" метода необходим предварительный ее выбор, предлагается методика ве^ роятностного анализа состояния КА при разделении, позволяющая построить опор' ную доверительную область.

Суть предлагаемого подхода заключается в следующем.

При наличии вектора случайных параметров со в уравнении динамики КА естественно принять доверительные трубки для переходных процессов по интересующим координатам вектора состояния, к которым предъявляются следующие требования:

- форма трубок должна отражать физическую природу процессов, протекающих в системе;

- трубки должны обладать свойством вероятностной гарантии, т. е. гарантировать, что с заданной вероятностью р реальный переходный процесс окажется внутри трубки.

Свойство вероятностной гарантии для доверительной трубки формулируется е сильном и слабом смысле.

Пусть доверительная трубка для переходного процесса (/, ¿у) по г'-й координате задается верхней хтах(0 и нижней лгтш ) границами, являющимися непрерывными функциями времени.

Сильная трубка определяется условием

Р{хтЫ (г) < х,0,а) < хтах(/), V/ е [Г0, Г, ])=р, (15]

(15) означает, что навеем интервале времени [Г0,7|] с вероятностью р переходный процесс по /-й координате не выйдет за пределы трубки.

Слабая трубка определяется условием

Р(хт1П(0<а)<хтах(0)=Р. (16)

<е[7Ь,Г,]

Это означает, что в любой фиксированный момент времени /

Фпип (0 * си) < хтах (0) >р, (17)

) при этом не гарантируется, что траектория процесса xt(t, со) не выйдет за грани->i доверительной трубки на всем интервале [Г0,7j ].

Разработаны методика, алгоритм и программная реализация процедуры веро-ностного анализа состояния КА, позволяющие осуществлять выбор опорной дове-[тельной области.

Методика позволяет провести вероятностный анализ процессов отделения эбого количества КА от РН для всех известных систем разделения. Для вероятно-ного анализа используется метод Монте-Карло с целью получения выборок кри-[ческих параметров с последующим построением доверительных интервалов. Ис-шьзуются два типа статистических оценок для построения доверительных интер-лов: экстремальные порядковые статистики для малых выборок; выборочные (енки для больших выборок.

В пятой главе выполнено прикладное исследование: вероятностный анализ [намики отделения КА с учетом влияния колебания топлива в баках и анализ кри-ческих зазоров; построение областей возможных разбросов вектора состояния.

Разработанные принципы моделирования использованы для вероятностного ализа процессов отделения ряда американских и индийских спутников от РН [ротон" и индийских КА от РН GSLV. В результате были получены доверитель-ie границы для критических параметров при уровне доверительной информации )9, в пределы которых уложились данные всех последующих реальных пусков.

В ШЕСТОЙ ГЛАВЕ "Комплексный контроль верифицированных элементов общенной динамической схемы на стенде полунатурного моделирования" разра-тываются элементы технологической схемы полунатурных испытаний, форми-ющей функциональную интеграцию теоретических и экспериментальных методов следований натурных объектов и их моделей.

Приведена функциональная структура стенда, основные функциональные моли которой представлены на рис.9.

Стенд предназначен для проведения проверки функционирования в замкнутом нтуре верифицированных элементов динамической схемы и исполнительных ор-нов системы управления (СУ) с учетом их жесткостных и динамических характе-стик, реальных величин люфтов рулевых трактов управления и дискретности сис-мы управления изделием "Бриз-М", а также проведения сквозного моделирования лета с учетом динамических процессов старта и отделения, контроля полетных ^аний и подтверждения устойчивости на всех участках циклограммы полета.

При проведении работ на динамическом стенде полунатурного моделирования намики замкнутого контура управления решаются следующие основные задачи.

1. Проверка функционирования штатной аппаратуры управления РН совмест-с реальными рулевыми трактами.

2. Определение АФЧХ штатных рулевых трактов управления изделием для кдой ступени.

3. Создание и подтверждение математических моделей рулевых трактов для точения их в программы расчетов динамических характеристик замкнутого кон-за.

4. Проверка функционирования штатных алгоритмов системы управления

ИСС2 2

Рис. 9. Схема динамического стенда полунатурного моделирования

изделием совместно с математическими моделями изделия и исполнительных органов для 1 и 2 ступеней изделия. Проверка функционирования штатных алгоритмов системы управления изделием совместно с математическими моделями и реальными рулевыми трактами 3 ступени изделия.

5. Анализ работоспособности комплекса "ракета-носитель + система управления" для различных вариантов полезной нагрузки, представленной имитационными и математическими моделями.

6. Уточнение параметров динамической схемы.

7. Моделирование нештатных ситуаций.

Широкие функциональные возможности стенда обеспечиваются применением новых информационных технологий по всем направлениям технологии испытаний: техническое обеспечение, планирование эксперимента, алгоритмизация методик и пр.

Разработаны принципы построения имитационного программного обеспечения, объединяющего имитационные модели, моделирующие алгоритмы и процедуры обработки результатов испытаний.

Предложены унифицированные технические решения (использующие блочно-модульный подход) по стендовому оборудованию, информационно-измерительной системе, методическому и проблемно-ориентированному обеспечению динамических испытаний, следствием которых являются мобильность и высокая степень адаптивности к объектам испытаний и составу имитационных моделей и натурных элементов системы полунатурного моделирования динамики полета ракеты.

Математические модели изделия реализованы на стендовом вычислительном омплексе в составе: движение изделия как твердого тела; упругие свойства конст-укции; динамика топливоподающих магистралей и двигателя; поведение жидкости баках изделия на активном и пассивном участках полета; динамические свойства ортовой системы измерения; сервисное программное обеспечение, циклограмма зделия; баллистика полета.

Материальная часть стенда — реальные хвостовые отсеки со штатными руле-ыми приводами и штатными элементами системы управления.

Разработан метод комплексной проверки верифицированных элементов ОДС и недрен в экспериментальное обоснование динамической схемы РБ "Бриз-М".

Метод объединяет:

- аттестацию стенда (подтверждение динамических характеристик используе-ого штатного оборудования и приборов);

- моделирование разомкнутого канала управления с целью подтверждения ве-ифицированных характеристик математических моделей элементов тракта управ-гния;

- имитационное моделирование движения ОБ с целью комплексной проверки атематической модели динамики объекта в замкнутом контуре.

Использован импульсный метод активной идентификации для определения ФЧХ отдельных динамических звеньев системы.

Приведены примеры зарегистрированных файлов и результаты их обработки а основе математического аппарата Фурье согласно импульсному методу активной центификации в рамках автоматизированной информационно-измерительной сис-;мы.

В соответствии с комплексной программой экспериментальной отработки СПЭО) проведена верификация математической модели динамики объекта с уче-зм жидкого наполнителя в замкнутом контуре. Использован метод имитационного оделирования движения ОБ.

Особенностью циклограммы выведения космической головной части (РБ >риз-М" + КА "ЬМ1-1") является многоступенчатость вывода на целевую орбиту А и сброс дополнительного топливного бака.

Режимы полета характеризовались различным сочетанием наиболее неблаго-эиятных для СУ параметров; опорные доверительные области по компонентам гктора состояния (обусловленные разбросами параметров из-за наличия техноло-иеских погрешностей при изготовлении элементов конструкции аппаратов и эедств разделения и их компоновке) построены с использованием методики веро-гностного анализа, разработанной в пятой главе.

О характере результатов "математического пуска" на стенде полунатурного оделирования можно судить по телеметрической информации и графикам, полу-:нным после ее обработки.

На рис.10 показаны углы отклонения связанной СК от программной СК ПЕТО - угол тангажа, ЕБГО - угол крена, ЕР Б ГО - угол рыскания) на первом ак-шном участке полета, отделения РН.

На рис.11 приведены сигналы на управление ДУ (БЮТС - в канале тангажа, ЮКС - в канале рыскания) на первом активном участке полета (ДУ - двигательная ¡тановка).

Таким образом, по результатам проведенных исследований можно утверждать ю дующее.

В соответствии с КПЭО проведена в полном объеме экспериментальная отра-)тка программного обеспечения (ПО) бортовой системы управления (БСУ) РБ

Углы отклонения от заданной СК [гр]

Рис.10. Отделение от РН, 1-й активный участок

Сигналы на управление ДЫ [гр3

"Бриз-М" с Кй "1_М1 -1" < Режим номин. тяговооружённостм >

Рис.11. Отделение от РН

!риз-М" с КА "LMI-1" на динамическом стенде полунатурного моделирования, роведено три режима испытаний по реализации полной циклограммы выведения \ "LMI-1". Режим №1 (номинальный), остальные режимы характеризовались раз-[чным сочетанием наиболее неблагоприятных для работы СУ параметров. Все олеты" выполнялись с первого раза, без аварийных прерываний циклограммы вы-дения.

При исследовавшихся сочетаниях разбросов параметров динамической схемы ¡ъекта с учетом жидкого наполнителя, параметров энерговооруженности и тяги 1игателей системы ориентации и стабилизации обеспечиваются устойчивость и [равляемость РБ.

Комплексная проверка ПО БСУ РБ в замкнутом контуре в режиме имитаци-шого моделирования движения РБ с реальными рулевыми приводами на выбран-.IX характерных режимах испытаний показала выполнение всех требований к СУ в ;сти выполнения циклограммы полета и полетного задания. Полученные результа-i в части параметров целевой орбиты не более, чем на 0,5% отличаются от значе-ш соответствующих параметров, полученных при моделировании тех же режимов i аналого-цифровом комплексе.

В Приложениях к диссертации приведены техническая реализация элементов ендового оборудования и результаты экспериментальных исследований объектов ДС.

ВЫВОДЫ

1. Разработана структура методологии лабораторно-стендовой отработки объ-тов ОДС жидкостных ракет с учетом подвижности топлива в баках и упругости 1нструкции, позволяющей аргументировано принимать решения о готовности из-лия к пуску в части динамики полета без проведения летных испытаний.

2. Обобщен и систематизирован опыт экспериментального обоснования дина-гческих схем жидкостных ракет и на этой основе рассмотрены проблемные вопро-I существующей технологии лабораторно-стендовой отработки динамических 1ъектов:

- неполнота математического обеспечения;

-недостаточная эффективность традиционных методов, связанная, в первую [ередь, со значительными временными затратами;

- необходимость ориентации на снижение затрат в процессе проектирования и ладки современных космических летательных аппаратов за счет комплексного »именения новых информационных технологий по всем направлениям технологии лытаний: техническое обеспечение, планирование эксперимента, алгоритмизация 5тодик, интеграция теоретических и экспериментальных методов.

3. Предложены математические и физические модели, используемые для раз-ботки конструктивных элементов стендового изделия, и на их основе установлена диональная последовательность динамических испытаний, позволившая объек-[вно уменьшить их количество при наличии разбросов на параметры аппаратов, едств разделения, условий пуска. Разработаны: математическая модель динамики плива при действии слабых гравитационных полей; физическая модель, воспроиз-дящая динамику топлива на участке спада тяги; математическая модель объектов [намической схемы жидкостных ракет на динамических стендах (гидромагистра-й различной конфигурации, рулевого тракта и гидропривода); статистические моли оценивания состояния космического аппарата при отделении, а также модели-тощие алгоритмы, алгоритмы вероятностного анализа и процедуры идентифика-ш модели динамики КА по фактическим данным, полученным из телеметрической

информации.

4. Предложены новые методы идентификации динамических характеристик объектов динамических схем жидкостных ракет:

- импульсный метод активной идентификации, позволяющий сократить длительность динамических испытаний без потери точности идентификации динамических характеристик; метод основан на функциональном преобразовании Фурье терминальных переменных; в качестве минимизируемого критерия выбран интеграл от квадрата ошибки между выходами объекта и модели; предложен алгоритм идентификации; оригинальность метода подтверждена пятью авторскими свидетельствами;

-композиционный импульсный метод активной идентификации, расширяющий частотный диапазон исследования динамики объектов; метод основан на выборе оптимальной последовательности входных импульсных воздействий и нахождении кусочно-непрерывной амплитудно-фазовой частотной характеристики в соответствии с упорядоченным набором входных импульсных воздействий.

В развитие импульсного метода активной идентификации предложена методика, формализующая логический синтез требуемых динамических характеристик объекта, и разработан адаптивный формирователь характеристик гидромагистралей, оригинальность которого подтверждена авторским свидетельством; методика может быть использована для корректировки конструкторских решений элементов доминантных систем жидкостных ракет.

5. Разработан метод учета технологических разбросов параметров при комплексных испытаниях динамики отделения КА, позволяющий на основе предложенных статистических моделей оценивания состояния космического аппарата при отделении построить опорные доверительные области по любой компоненте вектора состояния при наличии технологических погрешностей в изготовлении элементов конструкции аппаратов и систем разделения.

Выполнена алгоритмизация и программная реализация методики вероятностного анализа.

Метод позволяет объективно уменьшить количество динамических испытаний.

6. Предложена структура моделирующей системы, проблемно-ориентированной на организацию взаимодействия натурных объектов и их математических моделей в режиме имитационного моделирования движения орбитального блока ("математические пуски").

Разработан метод комплексной проверки верифицированных элементов обобщенной динамической схемы и внедрен в экспериментальное обоснование динамической схемы РБ "Бриз-М".

7. Рассмотрены прикладные задачи, имеющие самостоятельное научное и практическое значение:

- исследование динамических характеристик гидромагистралей с различными свойствами и различной геометрической конфигурацией, способ активного формирования характеристик требуемого вида;

- вероятностный анализ динамики отделения КА с учетом влияния колебаний топлива в баках; построены области возможных разбросов вектора состояния.

8. Обработан обширный статистический материал по верификации математических моделей динамики топлива в баках, гидромагистралей с различной геометрической конфигурацией, рулевых трактов и рулевого привода, а также оценке состояния космического летательного аппарата при наличии технических разбросов параметров, показавший удовлетворительное совпадение расчетных и экспериментальных параметров и подтвердивший достоверность разработанных математиче-

ix моделей.

Верификация математических моделей, проведенная стендовыми испытаниями юличестве 86 испытаний для различных форм топливных баков, схем формирова-и возмущающих воздействий и уровней заливок на самолете-лаборатории ИЛ-76, 1нции "МИР", показала, что результаты разбросов находятся в пределах 5-7%.

Статистический материал по анализу динамики процессов отделения построен выборке из 1500 реализаций для каждого типа космического аппарата.

В результате анализа прогнозируется выполнение контрактных требований по чамике отделения космических аппаратов. Точность прогноза подтверждена ус-иными запусками 32 космических аппаратов с различной конструкцией и схема-разделения.

9. Разработанная методология внедрена в лабораторно-стендовую отработку яамики полета штатных изделий.

Основные положения диссертационной работы отражены в следующих пуб-кациях.

1. Владимиров A.B. Построение частотных характеристик рулевых приводов. Сбор-с трудов X НТК / Под общ. ред. акад. В.Н. Челомея - М.: ЦКБМ(Ф), 1977, - с.32-37.

2. Владимиров A.B. Способ коррекции динамических характеристик рулевых при-Юв. Сборник трудов XI НТК / Под общ. ред. акад. В.Н. Челомея. - М.: ЦКБМ (Ф), 1978, 15-17.

3. Владимиров A.B. Об одном методе определения динамических характеристик ру-¡ых приводов. Сборник трудов XII НТК / Под общ. ред. акад. В.Н. Челомея. - М.: БМ(Ф), 1979,-с. 22-25.

4. Цуриков Ю.А., Владимиров A.B. Многоканальный демпфер гидравлического геода. Авторское свидетельство №676767, бюллетень № 28, 1979,-с.29.

5. Владимиров A.B., Жукова Т.Н., Шумилов В.Ф. Автоматизация подготовки и прогнил экспериментальных работ по определению динамических характеристик рулевых йодов. Сборник трудов XIII НТК / Под общ. ред. акад. В.Н. Челомея. - М.:ЦКБМ(Ф), >0, - с. 43-46.

6. Цуриков Ю.А., Владимиров A.B. Устройство демпфирования колебаний инерцию нагруженного двигателя. Авторское свидетельство № 712540, бюллетень №4, 1980, 106.

7. Цуриков Ю.А., Владимиров A.B. Электрогидравлический усилитель дискретного [ствия. Авторское свидетельство № 711305, бюллетень №3, 1980, - с. 158.

8. Полухин Д.А., Владимиров A.B., Цуриков Ю.А. Стенд для частотных испытаний [гателей. Авторское свидетельство № 204474, 1982.

9. Цуриков Ю.А., Владимиров A.B. Отраслевой стандарт ОСТ № 91-96.21-82. При-1Ы рулевые. Методика определения амплитудно-фазовых частотных характеристик, i.: гт/я М-5539, 1982. - 23с.

10. Цуриков Ю.А., Владимиров A.B., Самойлова И.В., Фролов А.Е. Электрогидравличе-я следящая система. Авторское свидетельство № 937796, бюллетень № 23, 1982, - с. 163.

11. Владимиров A.B., Шафир И.Г., Цуриков Ю.А. Система управления стендом для ис-ганий гидроприводов. Авторское свидетельство №1033784, бюллетень № 29,1983, - с. 138.

12. Владимиров A.B., Цуриков Ю.А. Об одном способе определения динамических 1актеристик рулевого привода. В сб. Пневматика и гидравлика, № 9. - М.: Машино-оение, 1984,-с. 147-155.

13. Владимиров A.B., Алехин Э.Г., Холин Л.И., Цуриков Ю.А. Стенд для определе-[ амплитудно-фазовых частотных характеристик гидромагистралей. Авторское свиде-ьство № 1188388, бюллетень № 40, 1985, - с. 127.

14. Альбрехт A.B., Владимиров A.B., Цуриков Ю.А., Смирнов A.A. Устройство авто-гического определения отказа рулевого тракта. Труды II отраслевого совещания по ди-

намической устойчивости PKT. - M.: ЦКБМ(Ф), 1987, - с. 26-27.

15. Владимиров A.B., Цуриков Ю.А., Гришин В.Н., Стрельников Ю.Н. Определен!« динамических характеристик гидромагистрали и двигателя по реакции на кратковременно« изменение входного давления. Труды II отраслевого совещания по динамической устойчи вости изделий PKT. - M.: ЦКБМ(Ф), 1987, - с. 28-30.

16. Владимиров A.B. Об одном способе реализации алгоритма обеспечения надежности ЛА. ПТО, вып.9. Депонир. рукоп. № 035-4524. - M.: ЦНТИ "Поиск", 1989.-11с.

17. Владимиров A.B., Цуриков Ю.А. и др. Топливный бак. Авторское свидетельстве №318345, 1989.

18. Владимиров A.B., Лопатинский C.B., Калязин Э.А., Куликов В.Н., ЯроцкийВ.Н Исследование влияния жидкости на массово-инерционные характеристики КРБ. Определение моментов инерции подвижной жидкости в моделях емкостей при имитации динамики КРБ в условиях кратковременной невесомости. Научно-технический отчет, гос. per №43140 - M.: КБ "Салют", 1992. - 27с.

19. Владимиров A.B., Николаев Э.П., Цуриков Ю.А. Способ получения амплитудно-фазовых частотных характеристик электрогидравлического привода. Авторское свидетельство № 1763735, бюллетень № 35, 1992, - с.24. Патент РФ № 1763735, регистрация в гос реестре 29.06.1993 г.

20. Владимиров A.B., Стрельников Ю.Н., Холин Л.И. Устройство формирования импульсных возмущений для определения динамических характеристик расходной магистрали. Авторское свидетельство № 1148844, бюллетень №13, 1985, - с.60. Патент РФ № 1148844, регистрация в гос. реестре 29.06.1993 г.

21. Владимиров A.B., Цуриков Ю.А. Способ получения амплитудно-фазовых частотных характеристик электрогидравлического привода. Авторское свидетельство №682680. бюллетень №32,1979, - с. 124. Патент РФ № 682680, регистрация в гос. реестре 29.06.1993 г.

22. Полухин Д.А., Владимиров A.B., Орещенко В.М., Цуриков Ю.А. Автомат стабилизации продольного движения. Авторское свидетельство № 227613. Патент РФ № 2066063, регистрация в гос. реестре 27.08.1996 г.

23. Владимиров А.В, Полухин Д.А., Цуриков Ю.А. Способ защиты от аварии многоканальных систем управления ракет. Авторское свидетельство №249610. Патент РФ № 2058918, регистрация в гос. реестре 27.04.1996 г.

24. Владимиров A.B. Применение интегрального преобразования Фурье при экспериментальных исследованиях динамики гидромагистралей. Информационные технологии в проектировании и производстве, № 4. - М.: ВИМИ, 1997, - с. 51-54.

25. Альбрехт A.B., Баталин H.H., Владимиров A.B., Недайвода А.К. Имитационное моделирование процессов комплектации, сборки и контроля выходных характеристик сервопривода (ЭГСП). Депонир. рукопись № Д08726. - М.: ВИМИ, 1998. - 23 с.

26. Владимиров A.B., Шлуинский Ю.Т., Рогова O.P. Математическая модель процесса отделения космического аппарата от ракеты-носителя с учетом колебаний жидкости в баках. Информационные технологии в проектировании и производстве, № 4. - М.: ВИМИ, 1999, - с. 66-69.

27. Владимиров A.B., Шлуинский Ю.Т. Имитационное моделирование динамики процессов разделения при лабораторно-стендовой отработке изделий ракетно-космической техники. - М.: МАИ, 1999. - 152 с.

28. Владимиров A.B. Лабораторно-стендовая отработка динамических схем жидкостных ракет. - М.: МАТИ, 1999.- 376 с.

Подписано в печать 15.05.2000 г. Объем 2,0 п.л. Тираж 100 экз.

Ротапринт МАТИ им. К.Э. Циолковского, Берниковская наб., д.14, стр. 2