автореферат диссертации по авиационной и ракетно-космической технике, 05.07.07, диссертация на тему:Разработка комплексной методики испытаний средств разделения с использованием имитационных моделей

Министерство образования Российской Федерации

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

На правах рукописи

Для служебного пользования

Экз.

ШЛУИНСКИЙ Юрий Томашевич

РАЗРАБОТКА КОМПЛЕКСНОЙ МЕТОДИКИ ИСПЫТАНИЙ СРЕДСТВ РАЗДЕЛЕНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ИМИТАЦИОННЫХ МОДЕЛЕЙ

пециальность: 05.07.07 - Контроль и испытания летательных аппаратов и

их систем

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2000

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

Научный руководитель: Официальные оппоненты:

- кандидат технических наук

ВЛАДИМИРОВ А. В.

- доктор технических наук

ХАЛАТОВ Е.М.

- кандидат технических наук

ЕФИМЕНКО Г.Г.

Ведущее предприятие: НПО им. С.А. Лавочкина

Защита состоится февраля 2000 года в 15 час. 00 мин. назаседанш

диссертационного Совета МАТИ - Российского государственного технологиче ского университета им. К. Э. Циолковского по адресу: 109240, г. Москва, Берниковская наб., д. 14, стр. 2.

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

Отзывы (в двух экземплярах, заверенных печатью учреждения) просим направ лять по адресу: 121552, г. Москва, ул. Оршанская, 3, Диссертационный совей Д 063.56.03 МАТИ - Российского государственного технологического университет! им. К. Э. Циолковского. ^ ^ • /

Автореферат разослан " 14 " января 2000 года.

Ученый секретарь диссертационного Совета Д 063.56.03 доктор технических наук, профессор

/•■.('.V С 7'

Об^-СЦ-О^ЖО

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ. В начале 90-х годов необходимость реализации ых перспективных научно-технических национальных и международных про-лм, связанных с космической отраслью, таких как

- создание развитой сети глобальной спутниковой телеграфо-телефонной свя-редств навигации, а также современных высоконадежных ретрансляторов теле-юнных программ;

- выполнение национальных и зарубежных научных программ в области ис-ювания и освоения космического пространства,

винула на повестку дня задачу не только увеличения массы полезного груза, вы-ямого на околоземную геостационарную орбиту, но и задачу одновременного ода группы космических аппаратов (в частности, спутников ретрансляторов) с эвременным снижением себестоимости выполнения этих работ.

Решение поставленной задачи требует разработки новых подходов к созданию шытаниям средств разделения (СР) космических аппаратов (КА) и разгонных |у ков (РБ), учитывающих множество неопределенных факторов, формирующих гановку разделения на траектории полета ракеты-носителя (РН), необходимость гкого ограничения наземных испытаний и снижения материальных затрат на актирование и наземную отработку СР, необходимость комплексного решения элемы с использованием основных принципов имитационного и физического елирования: информационной достаточности, параметризации, агрегирования, шзуемости, рационального использования факторного пространства, множест-тости моделей.

В связи с этим разрабатываемая комплексная методика испытаний средств (еления с использованием имитационных моделей на ранних стадиях проектиро-1Я и в системе наземной отработки, позволяющая повысить конкурентоспособ-гь изделий РКТ на мировом рынке космических услуг, является актуальной.

ЦЕЛЬ ИССЛЕДОВАНИЯ. Цель исследования заключается в комплексном ении проблемы надежного и безопасного разведения без соударений отработав-:'РБ.от последующих ступеней, реализации требований минимальных возмуще-по компонентам вектора состояния отделяемых частей, в оценке конструктив-и компоновочных решений СР на основе разработки стендовой базы для ком-ссных испытаний средств разделения с интеграцией подсистемы имитационного елирования и системы наземной отработки средств разделения по направлению [много дополнения физических и вычислительных экспериментов.

ОСНОВНЫЕ НАУЧНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ, выносимые на защиту.

1. Методологическая схема исследования концептуально ориентированной сортности задач, организованная как иерархическая многоуровневая система, полющая достигнуть необходимой точности описания задач разделения, постро-новые математические модели (статистические и имитационные) и выполнять гационный анализ процесса разделения аналитически или на ЭВМ.

2. Математическая модель координирующей задачи, формирующая исходные 1ые и математическую модель относительного движения разделившихся ракет-частей.

3. Двухуровневая структура проблемно-ориентированной имитационной сис-»1, построенная с использованием принципа агрегирования.

Уровень агрегатов представлен блоками задач разделения ступеней РН, сброса 1вного обтекателя, разделения КА и РБ.

Общая схема испытаний средств разделения описывается математической мо-.ю координирующей задачи, обеспечивающей технологическую последователь-ъ реализации агрегатов согласно схеме полета РН "Протон".

Имитационная подсистема моделирования является развивающейся и допус кает включение новых агрегатов (например, задачи старта РН: отвод наземных мг гистралей).

4. Моделирующий алгоритм анализа процессов отделения, универсальный п отношению ко всем известным системам разделения (ракетные двигатели, пружин ные толкатели, специальные устройства крепления КА и РН). Разработана прс граммная реализация.

5. Математическая модель процесса отделения КА от РН с учетом колебани: топлива в баках при действии слабых гравитационных полей.

Предложена методика идентификации модели по фактическим данным, полу ченным из телеметрической информации.

6. Метод учета технологических разбросов параметров при комплексных ис пытаниях средств разделения:

- методологические принципы распознавания состояния КА в условиях неоп ределенности обстановки разделения;

- методика вероятностного анализа, позволяющая построить опорные довери тельные области по любой компоненте вектора состояния КА при наличии техноло гических погрешностей при изготовлении элементов конструкции аппаратов и сис тем разделения и их компоновке;

- процедуры определения слабой и сильной доверительных трубок;

- алгоритмизация и программная реализация метода учета технологически: разбросов параметров.

7. Результаты расчетно-экспериментальной отработки систем разделения:

- техническое обеспечение: разработка функциональной структуры универ сального рабочего места для испытания средств разделения;

-разработка информационно-управляющего блока универсального рабочей места;

- технологическая схема комплексных испытаний.

8. Результаты внедрения комплексной методики испытания средств разделе ния с использованием имитационных моделей.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА. В диссертационной работе впервые предложена ме тодологическая схема исследования проблемы, отличающаяся многоуровневым сис темным подходом к синтезу и оценке средств разделения изделий РКТ по направле ниям:

- конструктивно-компоновочные решения;

- ситуационный анализ схемы полета РН "Протон" (техническое описание проблемы);

- функциональные задачи, выполняемые СР,

что позволило конкретизировать совокупность задач по разработке информативны} математических и имитационных моделей и методик их практического использования.

Отличительной особенностью математической модели координирующей зада чи является доопределение математической модели движения РН силами и момен тами от расстыковки и условиями скачков, формирующих обстановку разделения.

Проблемно-ориентированная имитационная система имеет новые общш принципы построения и отличается организацией "увязки" уровня агрегатов и общей схемы испытаний на основе координирующей задачи, которые обеспечивают технологическую последовательность реализации агрегатов согласно схеме полетг РН "Протон".

Отличительная особенность и новизна моделирующего алгоритма анализг процессов отделения состоят в инвариантности по отношению к известным систе-

разделения.

Новизна математической модели процесса отделения КА от РН с учетом коле- ■ ш топлива в баках при действии слабых гравитационных полей обосновывается тствием в космической отрасли РФ методик, стандартов либо рекомендаций, юляющих моделировать динамику топлива в баках при действующих перегруз-ниже 0,0^.

Новизна предложенного метода учета технологических разбросов параметров комплексных испытаниях состоит в возможности получения слабой и сильной ток вектора состояния КА при разделении с учетом характеристик СР; метод ;ет быть использован на ранних стадиях проектирования при проведении срав-гльного анализа вариантов технических решений систем разделения.

Впервые предложены функциональная структура и принципы эксплуатации зерсального рабочего места для испытания средств разделения. Сформирована юлогическая схема комплексных испытаний, в рамках которой организуется (модействие подсистемы имитационного моделирования и системы стендовой 1ботки СР. Разработан информационно-управляющий блок универсального ра-;го места.

Разработанные методики доведены до программной реализации.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ. Представленные в диссертации результаты »го обоснованы идеями и методами системного анализа, аппаратом имитацион-> моделирования, теорией информации, статистическими методами анализа, тео-\ колебательных систем, в том числе, твердых тел с полостями, частично запол-шми жидкостью. Достоверность и обоснованность результатов подтверждается злетворительным совпадением расчетных иг экспериментальных параметров, а ке результатами практического использования разработанных методик.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ. Разработанная комплексная методика ис-аний средств разделения с использованием имитационных моделей (на ранних [иях проектирования и в системе наземной отработки) использована для реше-следующих практических задач.

1. Подсистема имитационного моделирования внедрена в процесс комплекс-испытаний изделия 12КРБ, РН "Протон", РН "Рокот", разгонных блоков "Бриз-"Бриз-КМ".

2. Методика вероятностного анализа внедрена при комплексных и натурных лтаниях отечественных и зарубежных КА по программам "Астра-1Е", Астра, "Астра-Ш", "Астра-2А", "Панамсат-5", "Иридиум", "Инмарсат", "Телстар-5", ютар-6", "Телесат" и др. с использованием ракет-носителей "Протон" и "Рокот".

3. Математическая модель процесса отделения космического аппарата от ра-,1-носителя с учетом колебаний жидкости в баках при действии слабых гравита-шых полей использована для имитации процесса отделения от РН "Протон" ря-мериканских спутников и индийских КА от РН СЭЬУ.

РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ. Комплексный подход к синтезу и оценке ;труктивно-компоновочных схем систем разделения, развитый в методике, вне-I в стандарт предприятия СТП-171-33-94. "Лабораторно-стендовая отработка из-1Й. Общие требования, организация и порядок проведения". Результаты исследо-1я процесса разделения ракетных блоков в части создания математических и финских моделей внедрены в руководящие материалы РТМ 38-98. "Методика полу-грного моделирования динамики разделения".

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основное содержание диссертации отражено в 7 >тах. Результаты исследований докладывались на двух международных конфе-1иях. Материалы диссертации вошли в 45 научно-технических отчетов по тема-

тике КБ "Салют".

ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертация состоит из введения, четырех глав, списка

литературы (_наименований), изложена на_страницах машинописного текста и

иллюстрирована _ рисунками, содержит_таблиц и 5 приложений на_страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во ВВЕДЕНИИ обоснована актуальность темы диссертации; сформулированы цель и задачи исследования; определены научная новизна, практическая ценность и подтверждается реализация результатов работы. Дана краткая аннотация содержания глав диссертации.

В ПЕРВОЙ ГЛАВЕ проведена оценка конструктивно-компоновочных решений средств разделения КА и РБ и систематизирован опыт эксплуатации СР. Выполнен анализ фундаментальных работ отечественных и зарубежных ученых в области проектирования и испытаний изделий ракетно-космической техники, динамики ракет-носителей космических аппаратов, динамики разделения, математического описания сложных технических систем.

На основании основополагающих трудов Александовской Л. Н, Альбрехта А. В, Бусленко В. Н., Кибзуна А. И., Колесникова К. С., Месаровича М., Недай-воды А.К, Фу К., Ховарда Д., Шаронова А.В. и др. сформированы основные направления исследований, ориентированных на комплексное решение проблемы испытаний средств разделения, и показана возможность повышения их эффективности за счет организации взаимодействия подсистемы имитационного моделирования и системы наземной отработки по стадиям жизненного цикла изделия.

Рассмотренные схемы и средства отделения неоднократно апробированы в летных условиях. Однако, при исследовании динамики отделения не учитывались наличие жидкого наполнителя в баках, его влияние на изменение массово-инерционных характеристик отделяемых частей, возможные технологические разбросы параметров СР, КА и РН, неопределенность условий конкретного пуска, без чего невозможно правильно сформулировать технические требования к разрабатываемым средствам разделения (например, выбрать соответствующие энергоемкости и расположение толкателей, величины углов сброса и пр.).

Многообразие факторов, влияющих на выполнение требований по динамике отделения КА, различный весовой вклад каждого из них для разных динамических схем КА и схем отделения обосновывают необходимость разработки комплексной методики испытаний с использованием имитационных моделей, которая позволила бы облегчить поиск оптимальных вариантов и значительно сократить объем дорогостоящих экспериментальных работ.

Общесистемное описание комплексной методики испытаний СР с использованием имитационных моделей на ранних стадиях проектирования и в системе наземной отработки построено на основе ситуационного анализа схемы полета РН "Протон", который показал, что надежное безударное отделение и малые возмущения последующей ступени с учетом множества неопределенных факторов, формирующих обстановку разделения (независимо от схем разделения и конструкции средств разделения), возможны в рамках двухуровневой организационной схемы, в которой координирующая задача формирует условия для задач, решаемых на нижестоящем уровне.

Разработана методологическая схема исследования концептуально ориентированной совокупности задач, организованная как иерархическая многоуровневая система, позволяющая достигнуть необходимой точности описания задач разделения,

троить новые математические модели (имитационные и статистические) и вы-:нить ситуационный анализ процесса разделения аналитически или на ЭВМ с. 1).

В первой главе сформулирована постановка задачи диссертационного иссле-ания, основные компоненты которой представлены на рис. 1 как фрагменты тлексной методики испытаний средств разделения с использованием имитаци-:ых моделей (на ранних стадиях проектирования и в системе наземной отработ-

Во ВТОРОЙ ГЛАВЕ разрабатываются имитационные модели исследования ¡амики процесса разделения.

На основе ситуационного анализа схемы полета РН "Протон", выполненного в вой главе, структурирована совокупность имитационных моделей.

С использованием принципа агрегирования (по Бусленко В. Н) предложена уктура проблемно-ориентированной имитационной системы.

Уровень агрегатов представлен блоками задач разделения ступеней РН, сброса эвного обтекателя, разделения КА и РБ. В основе математического описания ди-ики разделения, представляемой агрегатами, лежат современные методы анали-еского исследования колебательных систем, в том числе, колебания твердых тел «гостями, частично заполненными жидкостью.

Общая схема испытаний средств разделения описывается математической мо-ью координирующей задачи, обеспечивающей взаимодействие агрегатов, т. е. дологическую последовательность их реализации согласно схеме полета РН отон".

Математическая модель координирующей задачи объединяет математическую ;ель движения РН, доопределенную моментами и силами от расстыковки, и за-ную во времени последовательность скачкообразного изменения параметров и лущающих воздействий в моменты разделения (названную условиями скачков).

Силы и моменты от расстыковки рассматриваются как аддитивные состав->щие в суммарной схеме возмущающих сил и моментов.

Проведены имитационные исследования движения носителя с учетом процес-асстыковки бортовых разъемных соединений, обосновавшие необходимость статического моделирования по агрегатам и моделирования с учетом влияния коле-ий жидких компонентов топлива.

На уровне агрегатов рассмотрены две задачи.

Первая - отработка с помощью имитационного моделирования системы разде-яя ступеней и выбор технических характеристик СР.

Разработан моделирующий алгоритм, представляющий собой последователь-гь операций, которые необходимо выполнить над уравнениями математического сания процесса разделения, чтобы найти значения выходных переменных моде-1ри заданных значениях (определяются координирующей задачей) входных пе-енных и тем самым определить параметры динамики разделения двух тел после >ыва связей в плоскости разделения на этапах совместного движения, при нали-кинематической связи, обусловленной контактом в одном двух поясов, и при юдном движении.

Алгоритм позволяет провести анализ процессов отделения для всех известных гем разделения (ракетные двигатели, пружинные толкатели и специальные устава крепления КА и РН).

Разработана программа расчета параметров движения двух тел при разделении.

Выполнено имитационное моделирование процесса отделения ускорителя I [ени от II ступени с целью определения величин реакций, возникающих при кении бугелей II ступени по направляющим ускорителя I ступени, и

Анализ конструктивно-компоновочных решений СР

Техническое описание проблемы (схема полета .РН "Протон").

Рис. 1. Методологическая схема исследования

гделения зазора между внутренней поверхностью проставки и конструкцией гательной установки II ступени (рис. 2).

Обоснована необходимость корректировки конструктивных решений. Исполь-1ны численные данные по изделию 8К82КМ.

Система дифференциальных уравнений, описывающая движение тел при раз-:нии, имеет вид

= -?2I)cos^ +NlB)sin¿\ + £>cos.9|,

dt

-P21)sin^ +(NU +Ar,B)cos^ + 6sín^+y^lt

dt

h —Г" = (pi ~ + M21 +HBRBi + N{ARa - e¿sign(/Vls) + A/-4i ,

d\ O)

d x

m2 —т~-Рг cos ¿>2 + ~QC0S&2>

dt2

d2vn

m2 —¿2. = p2 sin ¿>2 - (ЛГМ + tf, в) cos ^ - Q sin 9г + rwá , dr

¿2 a

h —ГГ=Р2^У2 + ^ + JV,Bi?fi2 + + <2¿s¡gn(N1B),

dt¿

mit m2, I\, Ij - массы и моменты инерции соответственно ускорителя I ступени ступени, остальные обозначения приведены на рис. 2.

Траекторные данные на момент разделения формируются математической мо-.ю координирующей задачи: время разделения Граз = 122,045 с; высота

42,23 км; относительная скорость V^ = 1726,9 м/с; угол тангажа 24,172град; угол атаки а = 0,464град, скоростной напор <7 = 445,2кг/м2; ско-ъ ветра W = 100м/с.

Условия скачков приведены на рис. 3 и определяются циклограммой разделе-I и II ступеней.

Разработанный моделирующий алгоритм реализует способ разделения двух торможением.

Как видно из рис. 4, поперечная реакция в месте контакта бугеля и направлен (рис. 2) превышает критические значения, что приводит к недопустимому ичению деформаций АуА и Ауви нарушению технических норм прочности.

Получены рекомендации по результатам имитационного моделирования для шшения величины реакции и перемещений:

1 - установить шпильки в плоскости разделения (т. А) и снизить нагрузки на

2 - выполнить оптимизацию величины жесткости (податливости) пояса буге-

3 - ввести зазор между бугелем и направляющей в номинальном режиме.

Результаты имитационного моделирования после корректировки конструктор; решений представлены на рис. 5.

о

Рис. 2. Схема сил при разделении торможением

Перечень команд

"4" - Запуск ДУII ступени (I команд) "4а" - II команда на запуск ДУ II ступени; "4к" - Запрет форсирования тяги ДУ I ст.; "ВГК" - Разрыв трубопроводов по стыку; "5" -1 команда на выключение да. ИД43;

- Включение ACII ступени;

- Разделение ступеней;

"7" - II команда на выключение дв. 11Д43; "В" - Перенастройка дв. ВД411 к и

ВД412к на номинальный режим; "8к" - Выключение системы РКС II ступени.

Рис. 3. Циклограмма разделения I и II ступеней (условие скачков)

Рис. 4. Кривые изменения поперечной реакции и деформации

Рис. 5. Кривые изменения поперечной реакции, величины деформации, относительная траектория точки А

Вторая задача (второй агрегат) связана с разработкой математической модели )цесса отделения космического аппарата от ракеты-носителя с учетом колебаний дкого топлива в баках при действии слабых гравитационных полей. В настоящее :мя в космической отрасли РФ отсутствуют методики, стандарты либо рекомен-(ии, которые позволяли бы моделировать динамику топлива в баках при дейст-эщих перегрузках ниже 0,01^

Дифференциальные уравнения модели движения КА с учетом движения цен-1В масс жидких компонентов в баках имеют вид

+ *тг=Т-Я*х -х Рст;);

с1со

(11 — — —

~л ■ ^сг.

г ¿1 *

с1га1 йсо _ ей) _

Л

=--ха, -2гу х--¿у х (л> ха;) - +

Л

Л

г/2/ ¿/Й7

т.

А/ =—т + — х г0/ -Ьй> х (гу хгш); ¿Г ш

1

М!,С = М,Г! + £/л,(1 - С, )Л0;. ;

I

18=1,- 5>Д1 - ВДЛ0,).У(/г0(.);

(2)

ч " 0 г/

У! = -2/ 0 ; = г01 + а,

2,- 0

2(1-*,)

1 + 2(1-*,) 1

РСТА =

0 при г,- < Ri,

~ крА ~ к<1етУр1 ~ кзкеаг^Ч При Г,- > К; ,

1-3(1-*,)

Л и

1-3(1-К,)

1 + -

зяЛ

V Щу

Г7 ¡7

«А

К. =_- - к ..

" Т. К/7С

V =170229 — ; = 16256 — ; к,Ыаг = 354,3-^, м м/с м/с

где со - вектор угловой скорости КА; / - вектор, определяющий положение начала координат, связанного с корпусом КА, в инерциальной системе координат; С -вектор, определяющий положение центра масс КА; Т - сумма внешних моментов, действующих на КА; а,- - вектор, определяющий положение центра масс жидкости в ¡-м баке относительно центра этого бака; Ур:, Г„ - радиальная и тангенциальная со-IШ,

ставляющая скорости-центра масс жидкости в г'-м баке; М3 - масса сухого КА

(без жидких компонентов); - радиус /-го бака; - вектор определяющий положение центра масс сухого КА относительно начала координат; /п,- - масса жидкости в 1-м баке; - вектор, определяющий положение центра масс сухого КА относительно начала координат ¡-го бака; /?0, - вектор, определяющий положение центра масс жидкости в /-м баке относительно начала координат; А,- - вектор инерциально-го ускорения г'-го бака; К1 - коэффициент заполнения г'-го бака; МЁ - масса КА с жидкостью; Iё - матрица инерции КА с жидкостью.

Ограниченный объем информации и требования по ограничению угла нутации КА обосновывают необходимость идентификации математической модели динамики КА по фактическим данным, полученным из телеметрической информации.

Разработан алгоритм идентификации моделей и оптимизирован процесс выбора коэффициентов системы уравнений (2), описывающих динамику КА с учетом подвижности топлива в баках.

При решении задачи идентификации модели проводится подбор коэффициентов заданной системы уравнений, и строится оптимальный (с точки зрения совпадения с телеметрией) переходный процесс; физические параметры, принятые в этом оптимальном расчете, характеризуют КА, РБ и систему разделения в данном конкретном случае.

Алгоритм идентификации предлагается в следующем виде.

1. Строится функция

= Г (0-/^(0,

где - функция, характеризующая изменение во времени 1-го параметра моде-

ли динамики отделения в номинальном сочетании всех остальных параметров модели; (*) - соответствующий телеметрический сигнал параметра /.

2. Определяется критерий ошибки модели

<*

5/(0= {[^(О-^О)]2^,

о

где (к - конечное время телеметрического сигнала (или же интервал времени, для которого проводится идентификация, например, 1к = 300 с).

3. Полученные величины Е1 сравниваются с допустимыми значениями £д. При Е/ < £д считается, что система уравнений с номинальными параметрами объекта "правильно" описывает динамику отделения и полета КА.

4. При Ej > Еа проводится выбор характеристик £,м для заданных разбросов параметров с целью минимизации квадратичного критерия

/ЮЮ-О)]2^.

5. Рассчитывается критерий ошибки для варианта коэффициентов Е".

Определение коэффициентов уравнения по экспериментальной информации ¡дставляет собой задачу, некорректную по Адамару, однако использование изло-шого алгоритма при заданной структуре уравнений и возможных разбросов ко-¡жциентов дает возможность значительно сузить круг решений в тех случаях, ко-полученное решение не единственно.

Проведен имитационный эксперимент по анализу влияния коэффициентов на [марную величину ошибки ориентации КА.

Разработанный алгоритм идентификации и процедуры оптимизации использо-ы в РТМ 38-98. "Методика полунатурного моделирования динамики разделе-

В ТРЕТЬЕЙ ГЛАВЕ развивается метод учета технологических разбросов па-[етров при комплексных испытаниях средств разделения.

Метод основывается на представлении вероятностной модели состояния КА [ разделении, реконструировании вектора состояния в условиях неопределенно-и вероятностном анализе, позволяющем построить опорную доверительную об-ть.

Сформулирована и исследована задача реконструирования вектора состояния определяющим параметрам при наличии неопределенностей, порождаемых не-«деленностью параметров космических аппаратов и систем разделения (вызван-[ технологическими погрешностями при изготовлении элементов конструкции и компоновке), а также неопределенностью условий конкретного пуска, влияющей )ежим работы двигателей.

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

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

Предполагается, что одновременно определены (измерены) в некоторых точ-А1 (/ = 1,2,..., Ы) значения признака вектора состояния, т. е. можно выделить ли-уровня /¡(х,у) = 0 из условия, что во всех точках (х, у), принадлежащих ¡-й ии уровня, значение величины признака Я постоянно и равно Я,-.

Показано, что координаты искомой точки (истинное положение конца вектора гояния) представляют собой решение системы /^алгебраических уравнений

Р,(Х,У,Ь,А)=0, / = 1,2,..., Ы, (3)

? - характеризуют способ построения отображения.

Приведена последовательность операций по реконструированию вектора со-шия.

Рассмотрим два случая.

1. Истинные координаты вектора состояния (х, у) известны в заданный мог времени с малой погрешностью Дх, Ду.

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

а0х + Ь9у + су= 0, (4)

а\х + Ъ\у + ск^ 0, (5)

(4) соответствует величине Я,у; (5) соответствует ближайшему к И* уровню квантования Я* (/ = 1,2,..., N - число возможных состояний, _/' = 1,..., п - число видов признаков).

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

Преобразование этих линий выполняется по алгоритму

х = х + Ь: соб Д,

(6)

у=у+Ь^ тД,

Показано, что определение искомых координат по координатам точки возможного положения сводится к определению по всем / и ] математического ожидания координат точек пересечения линий Гу (х, у) = 0.

2. Большие погрешности Дх, Ау. Особенность задачи в этом случае состоит в необходимости предварительного выбора некоторой области, в которой с наибольшей вероятностью находится искомый вектор состояния. Приводится итерационная процедура поиска, построенная по выборочным значениям х,-, уп

< х" >:{х"+1} = /(х"), (7)

х" - некоторое начальное значение, вир! - удовлетворяет условию Лип-

шица и непрерывно дифференцируема.

Доказана сходимость итерационной процедуры.

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

,_2 ¡.2

(8)

п

у - среднеквадратические отклонения оценок координат хс,ус,к- коэффициент,

зависящий от размеров доверительной области, и - число независимых элементов выборки.

Поскольку точность оценок зависит от размеров доверительной области и для "работы" метода необходим предварительный ее выбор, предлагается методика вероятностного анализа состояния КА при разделении, позволяющая построить опорную доверительную область.

Суть предлагаемого подхода заключается в следующем.

При наличии вектора случайных параметров си 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 в ьном и слабом смысле.

Пусть доверительная трубка для переходного процесса дг,(/, со) по /-й коорди-г задается верхней хтах (() и нижней хт1П (/) границами, являющимися непре-1ными функциями времени.

Сильная трубка определяется условием

Р(хЫа (/)<х,(Г,£У)<хтах (О, V/ е [Г0, Г, ]) = р, (9)

означает, что на всем интервале времени [Г0,Г)] с вероятностью р переходный цесс по 1-й координате не выйдет за пределы трубки.

Слабая трубка определяется условием

М /(*,*. (О ^ ) * *тах (')) = Р ■ (10)

Это означает, что в любой фиксированный момент времени г

Р(хтЬ (0 < *,(/, а>) < -гтах (())>р, (II)

1ри этом не гарантируется, что траектория процесса со) не выйдет за грани-цоверительной трубки на всем интервале [Г0, Ц ].

Разработаны методика, алгоритм и программная реализация процедуры вероятного анализа состояния КА, позволяющие осуществлять выбор опорной дове-злыгой области.

Методика позволяет провести вероятностный анализ процессов отделения ¡ого количества КА от РН для всех известных систем разделения. Для вероятного анализа используется метод Монте-Карло с целью получения выборок крн-;ских параметров с последующим построением доверительных интервалов. Ис-ьзуются два типа статистических оценок для построения доверительных интер->в: экстремальные порядковые статистики для малых выборок; выборочные ши для больших выборок.

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

ЧЕТВЕРТАЯ ГЛАВА посвящена расчетно-экспериментальной отработке ем разделения, выполненной по аспектам:

- разработка технологической схемы комплексных испытаний, обеспечиваю-функциональную интеграцию на основе сетевых информационных технологий :истемы имитационного моделирования и системы стендовой отработки средств еления в направлении взаимного дополнения физических и вычислительных ериментов;

- разработка функциональной структуры универсального рабочего места для гганий средств разделения (техническое обеспечение) и

-разработка информационно-управляющего блока универсального рабочего а для испытаний СР, формирующего единое информационное поле испытаний.

Элементы технологической схемы комплексных испытаний и их взаимодейст-ю стадиям жизненного цикла представлены на рис. 6. Программно-технический щеке универсального рабочего места приведен на рис. 7; на рис. 8 показан -Ший вид стендового изделия.

Рис. 6. Технологическая схема комплексных испытаний

Рассмотрены две прикладные задачи.

В рамках одной из них выполнен вероятностный анализ процесса отделения КА и переходной системы (ПС) с целью анализа при разделении критических зазоров между элементами конструкции КА и конструкции адаптера (являющегося принадлежностью РН), а также анализа влияния колебаний топлива в баках КА на движение КА после его отделения.

Инженерный анализ процесса разделения КА и РН "Протон" проводился путем численного моделирования уравнений движения КА и блока ДМ с учетом их взаимодействия; силы и моменты, действующие на КА и IV ступень РН "Протон", принимались в соответствии с характеристиками пружинных толкателей и отрывных электросоединителей и с учетом модели влияния колебаний топлива в баках КА.

Результаты имитационного моделирования показали, что по отдельным компонентам вектора состояний КА (в частности, по сох) не выполняются условия существования доверительной области, что требует корректировки конструкторских решений.

Рис. 8. Внешний вид стендового изделия

Вторая прикладная задача посвящена исследованию динамики отделения в штатных условиях семи КА "Иридиум".

Оценка возможных разбросов величин радиальной скорости каждого КА проведена в соответствии с характеристиками толкателей, массово-инерционными характеристиками КА и РБ, оценками влияния жидкого наполнителя и энергии деформации стыка.

Построены соответствующие области возможных значений параметров движения КА.

В заключении приводятся основные выводы.

Приложения к диссертации содержат результаты имитационного моделирования в рамках координирующей задачи; программу расчета параметров двух тел при разделении; результаты идентификации моделей динамики отделения КА на основании телеметрических данных, модели средств разделения и программную реализацию методики вероятностного анализа.

ВЫВОДЫ

В диссертации получены следующие основные результаты.

1. Разработана методологическая схема исследования концептуально ориентированной совокупности задач, организованная как иерархическая многоуровневая система, позволяющая достигнуть необходимой точности описания задач разделения, построить новые математические модели (статистические и имитационные) и выполнять ситуационный анализ процесса разделения аналитически или на ЭВМ.

На ее основе предложена структура комплексной методики испытаний СР, выполнена классификация объектов и процессов, характеризующих обстановку

деления; представлены ограничения на технические условия процесса разделения арактеристики средств разделения.

2. Разработана стендовая база для комплексных испытаний средств разделения нтеграцией подсистемы имитационного моделирования и системы наземной от-отки средств разделения по направлению взаимного дополнения физических и шслительных экспериментов.

3. Предложены имитационные модели, используемые для оценки технических гений средств разделения и для разработки конструктивных элементов стендово-изделия, и на их основе установлена рациональная последовательность испыта-i, позволившая объективно уменьшить их количество при наличии разбросов на |аметры аппаратов, средств разделения, условий пуска. Имитационные модели вставлены математической моделью координирующей задачи, математическими 1елями агрегатов (уравнения движения разгонного блока при разделении с ис-[ьзованием специальных средств разделения, ограничивающих относительное юречное перемещение; уравнение движения космического аппарата при разделе-I с учетом колебаний топлива в баках в условиях малых гравитационных полей), 1елями средств разделения, статистическими моделями оценивания состояния мического аппарата при разделении, а также моделирующими алгоритмами, ал-итмами вероятностного анализа и процедурами идентификации.

4. Предложена технологическая схема комплексных испытаний, формирую-I функциональную интеграцию на основе сетевых информационных технологий [системы имитационного моделирования и системы стендовой отработки средств целения.

Разработана функциональная структура универсального рабочего места для ытания средств разделения (техническое обеспечение), и на ее основе предложен >граммно-технический комплекс.

Разработаны и внедрены имитаторы внешних нагрузок при испытаниях средств целения головных обтекателей, космических аппаратов и разгонных блоков.

Верификация имитационных моделей проведена методами стендовых испы-ий в количестве 68 испытаний, результаты разбросов находятся в пределах 5%.

5. Комплексная методика испытаний средств разделения с использованием гационных моделей внедрена в разработку регламентирующих документов и в одики комплексных и натурных испытаний ряда разгонных блоков, космических аратов и головных обтекателей при реализации национальных и международных |грамм, что позволило уменьшить затраты по испытаниям на величину порядка 'а за счет уменьшения их количества и сокращения сроков.

Основные положения диссертационной работы отражены в следующих пуб-ациях.

1. Владимиров A.B., Лопатинский C.B., Калягин Э.А., Куликов В.Н., Шлуин-й Ю.Т., Яроцкий В.Н. Исследование влияния жидкости на массово-инерционные актеристики КРБ. Определение моментов инерции подвижной жидкости в моде-емкостей при имитации динамики КРБ в условиях кратковременной невесомо. Научно-технический отчет, гос. per. №43140. - M.: КБ "Салют", 1992.- 27 с.

2. Полухин Д.А., Альбрехт A.B., Бизяев Р.В., Шлуинский Ю.Т. и др. Стандарт дприятия СТП-171-33-94. Лабораторно-стендовая отработка изделий. Общие бования, организация и порядок проведения. - М: КБ "Салют", 1994.- 86 с.

3. A.I. Kibzun, Yu.T. Shluinsky, Yu. S. Kan, V.L. Miroshkin. Probalistic Analysis ipacecraft Separation from Launch-Vehicle // Rzeszow University of Technology Scie Reports (Poland), №168, Mechanics Series, №51, Avionics, t.2, 1998,-p.p. 493-495.

4. Кибзун А.И., Шлуинский Ю.Т., Кан Ю.С., Мирошкин В.Л. Принципы моделирования и вероятностный анализ систем разделения космических аппаратов. В сб. трудов международной конференции. "Бортовые интегрированные комплексы и современные системы управления". - Ярополец: МАИ, 1998, - с.46-48.

5. Альбрехт A.B., Владимиров A.B., Королев С.Н., Шлуинский Ю.Т. Имитационное моделирование динамики разделения космических аппаратов.: Учебн. пособие. - М.: МАТИ, 1998. - 51с.

6. Альбрехт A.B., Бизяев Р.В., Владимиров A.B., Шлуинский Ю.Т. и др. РТМ № 38-98. Методика полунатурного моделирования динамики разделения. - М.: КБ "Салют", 1999. - 22с.

7. 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.