CC BY
14Проектирование и производство летательных аппаратов, космические исследования и проекты
УДК 001.891.57 : 621.39
В. А. Углев
Филиал Сибирского федерального университета, Россия, Железногорск
Б. С. Добронец Сибирский федеральный университет, Россия, Красноярск
ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДОВ ИМИТАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ И ИНТЕРВАЛЬНОЙ МАТЕМАТИКИ ПРИ ОПТИМИЗАЦИОННОМ ПРОЕКТИРОВАНИИ ОБОРУДОВАНИЯ
КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ
Рассматривается применение аппарата интервальной математики в составе имитационных моделей, предназначенных для оптимизационного проектирования оборудования спутниковых систем. Дается оценка применимости данных технологий в рамках одной среды проектирования.
Проектирование оборудования космических аппаратов (КА) предполагает достижение высокого уровня надежности конечного изделия. При этом возникает задача выбора рациональной реализации отдельных блоков (элементов, подсистем), каждый из которых обладает индивидуальным набором тактико-технических характеристик (ТТХ). Эти характеристики должны обеспечивать целевые потребительские свойства КА и определяться в соответствии со строгим научным подходом [1].
Подбор приемлемых (с позиции качества и цены) технических решений, обладающих фиксированным набором ТТХ, не всегда осуществим на базе макетов и имитаторов, особенно тогда, когда осуществляется проектирование нового оборудования для КА, обладающего конкурентными преимуществами по сравнению с аналогами. Сложность проектирования возрастает, если требуется минимизировать риски, связанные со следующими категориями неопределенностей:
- недостаточно точной постановкой задачи (слабой и недостаточной формализацией);
- наличием допусков и граничных значений на допустимые режимы работы различных элементов оборудования;
- наличием шумов и помех (потенциальной подверженностью возмущениям внешней среды);
- распределенным выполнением работы по производству оборудования, предполагающем ответственные работы по согласованию и интеграции подсистем в рамках заданных ограничений.
Комплексный учет этих неопределенностей достигается за счет применения методологии системной инженерии. В частности, для задачи автоматизированной сборки «чернового» проекта рационально осуществить комбинацию методов онтологического описания, интервальной математики и имитационного моделирования.
Рассмотрим задачу разработки инструментария для оптимизационного проектирования элементов КА с применением приведенных выше методик.
Механизм имитационного моделирования позволяет осуществить решение следующих затруднений:
- проанализировать «узкие» места в конструкции системы и оценить нагрузку каждого элемента;
- проанализировать работу конкретной реализации проекта при различных нагрузках (включая за-проектные);
- внести и учитывать в рамках модели возмущения и шумы от надсистемы.
Различные средства имитационного моделирования (в первую очередь метод систем массового обслуживания [2]) позволяют подойти к задаче принятия эффективных решений как по составу элементов проектируемого технического средства, так и их архитектуре.
Методы обработки двусторонних оценок (интервальная математика) позволяет осуществить следующие классы затруднений:
- оценку возможности интеграции конкретных технических элементов системы;
- поиск устойчивых и нормативных режимов работы оборудования;
- решение обратной постановки задачи проектирования и оценки надежности КА.
В случае получения аналитических фрагментов описания модели можно не ограничиваться интервальной арифметикой [3], а подойти к решению задачи оптимизации через применение гистограммной арифметики, более гибко рассматривающей возможности обработки интервальных величин в многофакторном пространстве ТТХ проектируемого КА.
Онтологический подход к проектированию стандартизированного оборудования рассмотрен в работе [4]. Его реализация существенно усложняет исходную архитектуру моделирующего и проектирующего программного комплекса, но при этом позволяет получить ряд существенных преимуществ (например, интегрировать отдельные области знаний в рамках единой модели и организовать совместный просчет).
Следует добавить, что лишь комплексный охват всех типов неопределенностей может свести к минимуму затрат ресурсов на начальном этапе проектирования (разработке так называемого пилотного проекта) только за счет перехода к автоматизации процессов обработки ограничения и рисков.
Процесс проектирования сложных технических подсистем космических аппаратов, имеющих целью решить задачу оптимизации, предполагает наличие сложной комплексной модели. Механизмы имитационного моделирования и интервальной математики способны эффективно решить часть потребностей проектанта. Но существенной автоматизации сборки проекта в автоматизированном режиме можно добиться лишь тогда, когда введена единая база знаний.
Решетневскце чтения
Она, в соответствии с методологией системного подхода, призвана сыграть объединяющую роль не только для методов описания моделируемого объекта, но и требований заказчика, и ограничений по эксплуатации космического аппарата и, при онто логизированном варианте реализации, дает возможность автоматически проверить их осуществимость в рамках конкретного проекта.
Библиографические ссылки
1. Чеботарев В. Е., Косенко В. Е. Основы проектирования космических аппаратов информационного
обеспечения : учеб. пособие ; Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т. Красноярск, 2011.
2. Углев В. А., Устинов В. А. Имитационное моделирование : учеб. пособие / Сиб. федер. ун-т ; ХТИ -филиал СФУ. Абакан, 2011.
3. Добронец Б. С. Интервальная математика : учеб. пособие / Краснояр. гос. ун-т. Красноярск, 2004.
4. Uglev V. A., Mishkina N. Yu. Manufactory standards' content quality management on the basis of ontology mechanism // Modern Techniques and Technologies : The XVIII Intern. Scientific and Practical Conf. Tomsk, 2012. P. 218-220.
V. A. Uglev, B. S. Dobronets Siberian Federal University, Russia, Krasnoyarsk
THE SIMULATION AND INTERVAL MATHEMATIC METHODS APPLIED FOR SPACECRAFT EQUIPMENT OPTIMAL DESIGN
The use of simulation and interval mathematics mechanisms of solving the problem of spacecraft equipment optimal designing is discussed. An assessment of the suitability of these technologies in a single design environment is given.
© yraeB B. A., ,Цо6ронец E. C., 2012
УДК 621.396.677
Е. Ю. Узолин
ОАО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнева», Россия, Железногорск
СПОСОБЫ РЕАЛИЗАЦИИ РЕФЛЕКТОРОВ КОНТУРНЫХ АНТЕНН
Приведено описание двух способов реализации рефлекторов для контурных антенн в зависимости от диаметра апертуры и технологии их изготовления.
Однозеркальные антенны, формирующие контурную диаграмму направленности (ДН), т. е. луч, покрывающий некоторую зону обслуживания (ЗО) со сложным контуром границ (рис. 1), уже достаточно давно получили широкое распространение на космических аппаратах (КА). Главным образом это спутники-ретрансляторы, расположенные на геостационарной орбите, предоставляющие услуги телерадиовещания, широкополосного доступа в Интернет, связь и др. Такие антенны позволяют значительно увеличить мощность передаваемого или принимаемого сигнала по сравнению с антеннами, формирующими ДН простой формы, некоторая часть излучаемой энергетики которых приходится на необслуживаемые территории. Расчет подобных антенн гораздо сложнее расчета антенн с простыми ДН, для этих целей требуются специальная методика и значительные вычислительные ресурсы персональных компьютеров.
Специальная форма диаграммы достигается за счет внесения различного рода деформаций в базовый гладкий профиль рефлектора антенны - это может быть вырезка из параболоида или эллипсоида вращения (рис. 2). Сложность и величина этих деформаций зависит от сложности зоны обслуживания антенны и
от того, каким образом будет описываться поверхность синтезируемого рефлектора - это могут быть различного вида полиномы, шаровые функции, бикубические сплайны и т. д. Величина деформаций может колебаться от нескольких сотых долей миллиметра до нескольких сантиметров относительно базового значения. Значительное усложнение профиля поверхности соответственно усложняет задачу изготовления подобной конструкции.
В зависимости от диаметра апертуры рефлектора есть несколько способов их реализации. При размере диаметра апертуры от 0,3 до ~2,2 м (такие антенны работают в частотном диапазоне от 3 до 60 ГГц и выше) рефлектор реализуется «в твердом исполнении», т. е. в процессе эксплуатации не подвергается складываниям или каким-либо другим трансформациям. На настоящий момент лучшим материалом для таких рефлекторов является углепластик - материал достаточно прочный и легкий, по своим электропроводящим характеристикам схожий с металлами. Размер зеркальных антенн с углепластиковыми рефлекторами ограничен компоновочными возможностями платформы КА, на котором предполагается ее размещение.
