CC BY
67
УДК 681.5.034
В.М. Артюшенко
д-р техн. наук, профессор, кафедра информационных технологий и управляющих систем, ГБОУ ВПО Московская область «Финансово-технологическая академия», г. Королев
B.А. Бекетов
ведущий инженер, ОАО «Научно-производственное объединение измерительной техники (НПО ИТ)»,
г. Королев
C.В. Кузьмин
аспирант, кафедра информационных технологий
и управляющих систем, ГБОУ ВПО Московской области «Финансово-технологическая академия», г. Королев
А.Ю. Майданов
канд. техн. наук, ст. науч. сотрудник, проректор по информационным технологиям, ГБОУ ВПО Московской области «Финансово-технологическая академия», г. Королев
А.П. Мороз
д-р техн. наук, доцент, заместитель генерального директора по научной работе, ОАО «Научно-производственное объединение измерительной техники (НПО ИТ)», г. Королев
В.И. Привалов
канд. техн. наук, доцент, декан информационно-технологического факультета, ГБОУ ВПО Московской области «Финансово-технологическая академия», г. Королев
СБОР И ОБРАБОТКА ВИБРОАКУСТИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ НА БОРТУ РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ
Аннотация. В данной статье рассматриваются вопросы, связанные со сбором и обработкой быстроменяющихся параметров на борту изделия ракетно-космической техники. Выделены основные конструктивные параметры и требования к аппаратуре по обработке быстроменяющихся параметров.
Ключевые слова: быстроменяющиеся виброакустические параметры, космический аппарат, изделия ракетно-космической техники.
V.M. Artyushenko, Financial and Technological Academy, Korolev
V.A. Beketov, Scientific, Research & Production Corporation of Measuring Equipment, Korolev S.V. Kuzmin, Financial and Technological Academy, Korolev A.Iu. Maidanov, Financial and Technological Academy, Korolev
A.P. Moroz, Scientific, Research & Production Corporation of Measuring Equipment, Korolev V.I. Privalov, Financial and Technological Academy, Korolev
ONBOARD VIBROACOUSTIC PROCESSES DATA ACQUISITION AND PROCESSING IN ROCKET AND SPACE TECHNOLOGY
Abstract. This article discusses issues related to the rapidly changing parameters acquisition and processing on board of the rockets and spacecrafts. The main design parameters and hardware requirements for rapidly changing parameters processing are given.
Keywords: rapidly changing vibroacoustic parameters, spacecraft, rocket space technology products.
Понятие вибрации и акустики пришло в космическую технику с момента первых испытаний. Тогда же появилась необходимость получать данные о состоянии изделия и его отдельных элементах в части виброакустических процессов [1-3]. Практика показывает, что основными
источниками вибрации в РКТ являются: двигательная арматура; средний переходник; нижний переходник; арматура конструкции [4, 5].
При трансляции информации с борта ракетоносителя (РН) и разгонного блока (РБ) существуют два обстоятельства, затрудняющих ее достоверное получение [6]:
- потеря радиосвязи в некоторые моменты разделения ступеней;
- резкое сокращение пропускной способности радиоканалов во время полета РБ, которое в начале, в лучшем случае, достигает несколько сот кбит, а к моменту отделения космического аппарата (КА) вообще падает до нескольких десятков кбит.
Особенно обостряется положение при возникновении нештатной ситуации, когда необходимо решать две задачи. Первая - принять срочные меры, чтобы, по возможности, устранить или хотя бы парировать возникшее нештатное развитие событий. Вторая - передать на землю, по возможности, максимальное количество измеренной информации для анализа и определения причины возникновения нештатной ситуации. При этом особое место отводится быстроменяющимся параметрам (БМП), которые в силу своей специфики первыми откликаются на неблагоприятное развитие событий.
Виброакустические параметры относятся к группе быстроменяющихся параметров, для сбора которых требуется частота опроса от 8 кГц до 20 кГц. Для сравнения, у медленноменяю-щихся параметров - таких, как давление и температура, частота опроса составляет около 10 Гц. В период первых разработок ракетно-космической техники (РКТ) было предложено проводить обработку информации на борту, так как виброакустические параметры обладают большой информативностью. В начале 60-х годов были изготовлены экспериментальные приборы на основе LC-фильтров, позволяющие обработать данный поток информации. Однако, из-за достаточно крупных размеров, приборы получились больших габаритов, и обработку было решено производить на земле, передовая все данные по радиоканалу. В настоящее время, в связи с созданием быстродействующих и малопотребляющих процессоров, появилась возможность решить данную задачу. Однако до настоящего времени данная бортовая аппаратура отсутствует, либо имеет характеристики, не удовлетворяющие современным требованиям.
С постоянным развитием РКТ происходит резкое увеличение числа измеряемых вибропараметров, которые необходимо передавать на землю. При этом возможностей расширенного канала недостаточно, особенно на большой высоте. В связи с этим вновь возникла необходимость в обработке вибрационных параметров на борту КА.
В настоящее время существует аппаратура на отечественной элементной базе, но с малой разрядностью и с большими габаритами. Одно из таких устройств разработано ФГУП «ГНПРКЦ «ЦСКБ-ПРОГРЕСС» и представляет собой систему мониторинга большого количества датчиков. Система фильтрует сигналы и передает их на землю, без бортового анализа.
Исходя из ситуации на сегодняшний день, можно сформировать необходимые требования для реализации бортовой обработки: возможность многоканальной обработки, 24 канала; высокое быстродействие; большая разрядность, 16 разрядов; малые габариты; малый вес; малое энергопотребление, до 10 Вт.
В связи с вышеизложенным, был выработан следующий принцип построения бортовых аппаратно-программных средств по сбору, преобразованию, обработке, анализу и передачи информации по БМП. По всем процессам БМП вычисляются характеристики, необходимые для оперативной оценки. Вычисленные характеристики передаются на землю. По возможности так же передается непосредственная запись.
В качестве примера можно привести изделие ОАО «НПО ИТ» - бортовое устройство сбора и обработки быстроменяющихся параметров процессов при исследовании ударных нагрузок (УСО-БМП.У), использующееся для сбора информации телеметрических систем, устанавливаемых на разгонных блоках. На рисунке 1 приведен фрагмент ударного процесса в момент отделе-
ния среднего переходника от РБ ДМ SLB, измеренного устройством УСО-БМП.У в радиальном направлении при испытании РН «Зенит- SLB» (адаптер фирмы SAAB, 05.10.2011 г.) [7].
Рисунок 1 - Фрагмент ударного процесса в момент отделения среднего переходника от РБ ДМ SLB
Одновременно с процедурой вычисления, используется устройство для обнаружения всех штатных и нештатных ситуаций на борту изделия.
К штатным ситуациям можно отнести: разделение ступеней, сброс переходников, запуск двигателей. Все штатные воздействия обрабатываются и сравниваются с заданными нормами. При превышении норм устройство действует следующим образом: определяет место, где появилось первым нештатное воздействие; передает предупреждающий сигнал; формирует поток процессов БМП с нештатным воздействием для передачи на землю.
Для оперативной оценки вибрационного состояния отдельных узлов необходимо непрерывно вычислять следующие характеристики измеряемого параметра х.
1) Среднее значение тх:
1 V N-1
тх = — } X ,
х N ¿—¡п=0 п '
где Хп - отсчет измеренного сигнала Х(1) в точке п; N - количество отсчетов.
С помощью среднего значения тх можно выделить различные воздействия, значительно превышающие диапазон измерения.
2) Среднеквадратичное отклонение ах:
=Ч N -
1
iE л- (Xn - mx ) .
Среднеквадратичное отклонение ax позволяет оценивать колебательную составляющую измеренного сигнала, что особенно важно при появлении тренда или скачкообразного изменения характера сигнала.
3) Максимальное - Maxx и минимальное - Minx значения:
Maxx = max{(X1 -mx)...(Xn -mx)} при n = 0...N-1;
Minx = min{(X1 -mx)...(Xn -mx)} при n = 0...N-1.
С помощью Maxx и Minx оцениваются пиковые вибронагрузки на тот или иной агрегат или узел.
4) Амплитудные или спектральные характеристики.
Для вычисления спектральных характеристик виброакустических процессов используются два метода: метод БПФ и метод фильтрации.
При использовании метода БПФ, прежде всего, определяются коэффициенты Фурье, спектр мощности, спектральная плотность мощности и амплитудный спектр. Коэффициенты Фурье:
Л,п 1 v-*N1 ^N-i.. . 2лкп
C(k) = — > Y cos-, S(k) = —> Yn sin-,
^ > N =0 n N N n=0 n N
где Yn = Xn - mx.
Спектр мощности:
Ссм(к)=MM > M=i [C2 (k)+S(k)],
где М - количество реализаций.
Спектральная плотность мощности:
GCпм(k) = ^^,
Дf
где Дf - полоса частот.
Амплитудный спектр:
А(к) = 7ССм(к).
При использовании метода фильтрации, прежде всего, реализуется цифровая рекурсивная фильтрация в заданных полосах частот с помощью полосовых фильтров Баттерворта второго порядка:
Ук (п) = аокХп-2 + а1кХп-1 + а2кХп + Ь0кХп-2 + Ь1кХп-1 ,
где Хп - входной массив данных; ук(п) - выходной массив данных к-го фильтра; а0к, а1к, а2к, Ь0к, Ь1к - коэффициенты фильтра, рассчитанные в соответствии с заданными характеристиками к-го фильтра; к - номер фильтра.
Далее, на базе полученных массивов отфильтрованных данных производится вычисление следующих характеристик:
- амплитудный спектр:
А(к) = N X N=1 Ук (л)|;
- амплитудный спектр максимальных значений:
А(к)тах = тах{Ук(1)...уАN)};
- спектр мощности:
1
) = : X :=1 у2(П);
- спектральная плотность мощности:
1
^) = :Д7 X :=1 У2(П).
Пример представления выходных характеристик обрабатываемых быстроменяющихся вибрационных процессов, происходящих на борту РКТ, представлен на рисунке 2.
Для улучшения анализа данных, были продуманы дополнительные возможности, предоставляемые работой системы:
- обработка данных в реальном масштабе времени, для принятия оперативных мер по предотвращению последствий нештатных ситуаций (в ручном и автоматическом режимах);
- одновременный опрос датчиков с привязкой по времени (позволяет сравнивать показания датчиков в одном промежутке времени, для более точного определения места нештатного воздействия);
- одновременный расчет порядка в двух областях (положительной и отрицательной), в
случае несимметричного сигнала (относительно нулевого уровня);
- предсказание развития сигнала на основании его производной;
- дополнительное сокращение передаваемых данных достигается за счет передачи данных в виде экспоненциальной формы, что позволяет сократить объем в 2 раза (в этом случае передаваемые данные несут информацию о максимальных значениях спектра, что позволяет получить необходимое понимание о происходящих процессах).
1000Гц б)
Рисунок 2 - Представление выходных характеристик: а - обрабатываемый процесс; б - амплитудный спектр
Результаты обработки и передачи получаемых данных позволяют использовать бортовую обработку для решения нескольких задач:
- вибромониторинг - передача данных для анализа;
- вибродиагностика - расчет параметров и анализ на предмет выхода за пределы допустимых значений;
- аварийная защита двигателя КА - предотвращение возможных неисправностей за
счет перевода работы двигателя в другой режим или полного отключения, в случае наличия резервного двигателя.
Совокупность применяемых способов для получения и обработки данных представляет собой интеллектуальную систему анализа состояния виброакустической устойчивости объекта. Создание подобной интеллектуальной бортовой системы позволит перейти на более качественный уровень в оценке состояния объекта и принятии оперативных мер при возникновении нештатных ситуаций.
Отличительной особенностью системы является то, что она должна производить анализ не только БМП, но и медленно меняющихся параметров (ММП). Увеличение количества обрабатываемых данных позволит соотносить изменение одних параметров одновременно с изменениями других, что дает наиболее точное понимание протекающих процессов. Применение данной системы не ограничивается лишь космическими технологиями, она может быть применена в любых системах, обладающих вибрацией при работе.
Список литературы:
1. Оптимизация диагностики космического разгонного блока / В.М. Филин, Л.А. Пчелин-цев, В.Н. Денчик, В.А. Задеба, В.П. Клиппа, А.С. Ершов, И.И. Кузнецов. - М.: Едиториал УРСС, 2004. - 184 с.
2. Мороз А.П. Повышение эффективности телеметрирования быстроменяющихся параметров при натурных испытаниях летательных аппаратов: монография. - Королев МО: ФТА, 2012. - 224 с.
3. Кузьмин С.В. Средства сбора и обработки быстроменяющихся виброакустических параметров на борту ракетно-космической техники // Электротехнические и информационные комплексы и системы. - 2013. - № 1, Т. 9. - С. 93-96.
4. Артюшенко В.М., Видов М.И.. Анализ систем управления космическим летательным аппаратом // Информационные технологии. Радиоэлектроника. Телекоммуникации ITRT-2011. Тольятти: Изд-во ПВГУС. - С. 18-29.
5. Калошин А.М., Пчелинцев Л.А., Кузнецов И.И., Ершов А.С. Наземная отработка космических аппаратов. - М.: КомКнига, 2005. - 176 с.
6. Артюшенко В.М., Кучеров Б.А. Повышение оперативности бесконфликтного управления группировкой космических аппаратов в условиях ресурсных ограничений // Электротехнические и информационные комплексы и системы. - 2013. - Т. 9, № 3. - С. 59-66.
7. Федоров С., Бекетов В. Обеспечение надежности электронных блоков при эксплуатации в условиях высоких вибрационных нагрузок // Электроника. - 2012. - № 2. - С. 192-194.
