2022. № 122

Рассмотрены вопросы, связанные с созданием и применением нового типа движителей для использования в робототехнических и транспортных устройствах. Показано, что применение движителей амебоидного типа имеет несомненные достоинства по сравнению с уже существующими аппаратами. Поставлены основные задачи, которые необходимо решить в процессе проектирования подобных движителей. Для построения математической модели движения выбрана расчетная схема, базирующаяся на выборе цилиндрической формы устройства, двигающегося по шероховатой наклонной плоскости. Представлены базовые дифференциальные уравнения для построения математической модели движения.

Ключевые слова: движитель, робот, движение, условия, способ, модель, конструкция

Изучается возможность использования одной из коллинеарных точек либрации ⌊₁ или ⌊₂ для развертывания тросовой системы в направлении Фобоса в плоской круговой ограниченной задаче трех тел в системе Марс-Фобос. Орбитальный космический аппарат, с помощью которого «закрепляется» один конец троса, расположен в коллинеарной точке либрации ⌊₁ или ⌊₂ , и удерживается в одной из этих неустойчивых точек с помощью низкой тяги своих двигателей. Получено уравнение движения тросовой системы в полярной системе координат для троса постоянной длины, найдены положения равновесия и определена зависимость периода колебаний от длины троса. Проведено сравнение приближенного решения для малых углов отклонения троса от местной вертикали с численным. Результаты этого исследования могут быть использованы для обеспечения будущих космических миссий. Так, например, в системе Марс-Фобос можно построить космический лифт, трос которого будет проходить через точку либрации ⌊₁ или ⌊₂ . Кроме того, такой лифт может служить промежуточной станцией для проведения исследований, связанных с изучением пространства вокруг нее, а также как площадку для межпланетных перелетов. «Закрепив» тросовую систему в коллинеарной точке либрации ⌊₁ или ⌊₂ системы Марс-Фобос, можно проводить дистанционные исследования Фобоса с помощью аппарата с датчиками, который зависнет над его поверхностью.

Ключевые слова: тросовая система, точка либрации, положение равновесия, фазовая плоскость, аналитическое решение, эллиптическая функция

Цель исследования состоит в детализации видов механической мощности при гармонических колебаниях. Показано, что при механических колебаниях развивается не только знакоположительная тепловая мощность, но и знакопеременные реактивные мощности, характеризующие обратимость кинетической и потенциальной энергий. Под активной мощностью понимается среднее за полпериода значение мгновенной мощности, а под реактивной – амплитудное значение. Полная механическая мощность, с одной стороны, описывается формулой Пифагора, а с другой – равна произведению действующих значений гармонических величин. Особенностью комплексного представления является то, что при вычислении полной мощности один из перемножаемых векторов должен быть сопряженным. Представление о механических реактивных, активной и полной мощностях является обобщением соответствующих понятий из электротехники, что является проявлением электро-механического дуализма.

Ключевые слова: механическая мощность, кинетическая энергия, потенциальная энергия, комплексное представление, векторное представление

Предлагается методика учёта пластических деформаций при проектировании цилиндрического отсека летательного аппарата небольшого диаметра, имеющего вафельную конструкцию. Методика отличается простотой, и удобна для использования в проектировочных расчётах.

Ключевые слова: оболочка, вафельная конструкция, кривизна, критические напряжения, предел текучести, модуль упругости, диаграмма сжатия

Сооружения с тонкостенными разомкнутыми оболочками имеют оптимальное соотношение внутреннего объёма к площади ограждающей поверхности. Вместе с тем у использования таких оболочек имеются недостатки – тонкостенные разомкнутые оболочки очень чувствительны к вынужденным колебаниям, возникающим от воздействия внешних сил (ветровые и снеговые нагрузки, работа оборудования и т.п.). В статье показана необходимость расчета оболочечных конструкций на динамические процессы от воздействия вынужденных колебаний. Получена модель расчета круговой частоты колебаний тонкостенной цилиндрической композитной разомкнутой оболочки при шарнирном опирании. Для сравнения результатов и определения погрешности между полученной расчетной моделью и апробированным компьютерным расчётом, выполненным в программе «Лира – САПР», был проведен численный эксперимент. Определено влияние количества продольных полуволн на круговую частоту колебаний композитной разомкнутой оболочки.

Ключевые слова: вынужденные колебания, тонкостенная разомкнутая оболочка, усредненный модуль упругости

Прогнозирование прочностных характеристик элементов конструкций летательных аппаратов на начальном этапе проектирования особенно важно для механизмов, подверженных в процессе эксплуатации ударным воздействиям. В данной статье исследуются динамические нагрузки и прочностные характеристики консоли летательного аппарата, возникающие в результате удара об упор при его раскрытии и стопорении на начальном участке полета, посредством динамического модуля в конечно-элементном программном комплексе на основании явной схемы интегрирования дифференциальных уравнений движения. В расчетной схеме учтено трение между составными частями, а именно между втулками и осью, упором и консолью, а также между стопором и консолью. Свойства материалов деталей сборки, подверженные значительному деформированию, заданы с использованием диаграммы пластичности. В результате моделирования определены силы реакции между наиболее нагруженными деталями сборки, максимальный прогиб консоли летательного аппарата, характеристики поперечных колебаний консоли и продольных колебаний отсека (амплитуды и длительности). Исследованы поля напряжений и деформаций в условиях динамического кратковременного нагружения. Верификация расчета проведена посредством сравнения результатов моделирования со значениями, полученными в ходе проведения натурного эксперимента по раскрытию консолей пиротехническим механизмом. Относительные деформации упора и отсека при ударе замерялись тензорезисторами. Для регистрации поворота консоли проводилась видеосъемка. Продемонстрирована хорошая сходимость с натурным экспериментом: величины, полученные численным методом расчета, отличаются от результатов эксперимента менее чем на 8%.

Ключевые слова: летательные аппараты, консоль, метод конечных элементов, напряженно-деформированное состояние, диаграмма пластичности

Несмотря на то, что случайные процессы встречаются повсеместно, остаются сомнения, насколько они случайны, и не является ли эта случайность кажущейся, основанной лишь на ограниченности наших знаний.

Если неопределенность процессов, происходящих на квантовом уровне, сегодня уже в основном не вызывает сомнений, то стохастичность макропроцессов, и в частности, турбулентности, до сих пор является предметом научных дискуссий, хотя бы потому, что они описываются детерминированными уравнениями.

В работе показано, что уравнения Навье-Стокса, используемые для описания гидродинамических течений, теряют свои детерминированные свойства при их интегрировании вычислительными методами. Этим можно объяснить довольно успешное применение этих уравнений при решении многих практических гидродинамических задач при реализации турбулентных режимов течения. Однако такой подход описания турбулентных течений можно соотнести скорее с аналоговым моделированием турбулентности.

Для того чтобы контролируемым образом описывать как ламинарные, так и турбулентные режимы течения предлагается рассматривать уравнения Навье-Стокса в фазовом пространстве, расширенном за счет введения дополнительной переменной, характеризующей производство энтропии. Для ламинарных режимов течения производство энтропии принимает нулевое значение, дополнительное слагаемое исчезает, и осуществляется переход к уравнениям Навье-Стокса в их стандартном виде.

В работе рассмотрены вопросы возможности возникновения и поддержания недетерминированных – стохастических процессов в жидкости за счет существования несовместимых между собой граничных условий, а также способы их описания, применительно к турбулентному течению. Показано, что профиль скорости турбулентного течения может быть описан, как обобщенное решение задачи, являющееся суммой двух слагаемых, каждое из которых является произведением двух функций: одна из которых определяет одну из асимптот решения, а вторая определяет степень влияние этой асимптоты на общее решение в каждой точке исследуемой области.

С помощью этого подхода решена задача плоского течения Куэтта. Показано хорошее совпадение результатов с экспериментальными данными.

Ключевые слова: стохастические системы, плотность вероятности, турбулентное течение, плоское течение Куэтта

В работе рассмотрено три диффузора различной конструкции: профилированный, с отрывом по наружной стенке и отрывной диффузор. Представлены основные геометрические параметры диффузоров. Рассмотрено стендовое оборудование и отражены особенности проведения эксперимента. Для определения потерь полного давления в камере сгорания и перепада давления на стенках жаровой трубы, камера продувается воздухом последовательно меняя значения приведенной скорости потока на входе. Выполнено испытание камер сгорания с рассмотренными диффузорами и определены потери давления в камере и диффузоре. Результаты испытаний показали, что наименьшие потери давления наблюдаются в отрывном диффузоре при этом в профилированном диффузоре и диффузоре с отрывом по наружной стенке значение потерь находится практически на одном уровне [1].

Ключевые слова: камера сгорания, эксперимент, диффузор, потери давления

Предложен подход к обоснованию выбора граничных условий на твёрдой поверхности для течений различной степени неравновесности. Рассмотрены различные варианты постановки граничных условий: граничные условия прилипания, граничные условия скольжения пограничного слоя, а также явное описание межмолекулярного взаимодействия молекул газа с молекулами твёрдой поверхности, путём задания функции распределения молекул по скоростям. Численные эксперименты проводятся для плоского течения Куэтта.

Ключевые слова: моментные уравнения, кинетическое уравнение, неравновесные течения, течение Куэтта, граничные условия

Рассмотрена методология определения местоположения источника радиоизлучения в задачах радиотехнической разведки. Отмечено, что предложенная ранее модель позволяет определять местоположение источника. Однако при этом требуется проводить расчёт зон неопределённости.

Разработан алгоритм определения смещения оценок координат источника радиоизлучения относительно истинных значений для расчета зон неопределенности при использовании триангуляционного метода нахождения его местоположения. Проведено моделирование процесса определения местоположения источника радиоизлучения.

Для получения выходных данных предложено использовать базовый алгоритм TargetLocation. Он реализует метод триангуляции. При этом необходимо выполнить следующие шаги: вычисление размера базы триангуляции; определение углов треугольника; вычисление относительных дальностей источника от точек пеленгации; определение координат цели.

Основные этапы моделирования проведены в среде MATLAB. При этом выполнялись следующие процедуры: вычисление коэффициента корреляции и среднего квадратичного отклонения координат цели; вычисление размеров полуосей эллипса ошибок и углов между осью X и главной осью эллипса; корректировка размеров эллипса ошибок. Проведён анализ результатов моделирования.

Проведенный анализ результатов моделирования показал, что метод, заключающийся в отбраковке измерений и корректировке размеров эллипсов ошибок на величину смещения, дает зону неопределенности, охватывающую истинное местоположение источника радиоизлучения. Установлено, что данный метод позволяет повысить точность определения местоположения.

Ключевые слова: пеленг, смещение оценок координат, зона неопределённости, алгоритм, эллипс ошибок, моделирование, источник радиоизлучения, местоположение

Представлена методика численного моделирования распределения электромагнитного поля в ближней зоне, создаваемого бортовой РЛС землеобзора авиационного базирования. Получены значения напряженности электрического поля и плотности токов, наведенных на корпусе блока аппаратуры, расположенного рядом с антенным полотном РЛС. Эти данные могут быть использованы при обеспечении электромагнитной совместимости бортовых радиоэлектронных средств. Показаны схемы выполнения лабораторных исследований и последовательность комплексных проверок аппаратуры на носителе, перечислены основные возникающие сложности. Отдельно рассмотрены проблемы, возникающие при проверках аппаратуры спутниковой навигации.

Ключевые слова: численное моделирование, электромагнитное поле, радиолокационная станция, летательный аппарат, спутниковая навигация, электромагнитная совместимость

Описана актуальность и состояние разработки беспилотного летательного аппарата вертолетного типа легкого класса серии «Грач» отечественного производства. Исходя из специфики применения беспилотного вертолета с широкодиапазонной станцией радиоразведки в качестве целевой нагрузки сформулированы требования, предъявляемые к устанавливаемой на нем системе управления и передачи данных. Проанализировано соответствие установленной системы предъявляемым требованиям и показаны технико-экономические и эксплуатационные преимущества систем связи, базирующихся на сверхширокополосных сигналах. На основе ранее выполненных исследований, посвященных вопросам создания беспилотного летательного аппарата вертолетного типа легкого класса, а также генерации, обработки и излучения сверхширокополосных сигналов, сформулированы особенности и принципы построения сверхширокополосного канала связи, определяющие технический облик и характеристики системы управления, передачи данных и локальной радионавигации, устанавливаемой на летательном аппарате. Проанализированы и обоснованы технические характеристики системы управления и передачи данных, связанные с генерацией и обработкой импульсов, их излучением и оценкой помехоустойчивости антенных систем, выбором частотного диапазона, ширины полосы и вида сигнала, вопросов размещения системы на летательном аппарате, а также оценки возможности интеграции локальной навигационной системы в систему связи. Сделаны выводы о влиянии обоснованных технических характеристик на тактические — дальность связи, время полёта, взлётная масса и т.д.

Ключевые слова: беспилотный вертолет, сверхширокополосный сигнал, помехозащищенность, скрытность

На макете исследован коэффициент шума цифрового приемника с субдискретизацией. С учетом отсутствия малошумящего усилителя на входе макета коэффициент шума составил 41…52 дБ в полосе 18 ГГц. Поскольку высокая неравномерность коэффициента шума приводит к сужению динамического диапазона, для ее компенсации целесообразно использовать соответствующие эквалайзеры и усилители. На основе результатов измерений выполнена оценка реальной чувствительности канала комплекса радиомониторинга, которая для указанной выше полосы частот составила –95…–86 дБВт.

Ключевые слова: : субдискретизация, цифровой приемник с субдискретизацией, SDR, широкополосный анализ, коэффициент шума приемника

Статья посвящена исследованиям эксплуатации усилителей М-типа в различных режимах управления выходной мощностью, для реализации возможности многорежимной работы передающих модулей радиолокационных станций (РЛС) с использованием электровакуумных приборов (ЭВП) М-типа. Необходимость таких исследований возникла с повышением требований к мощным передающим модулям. Представлены результаты исследований различных методов управления выходной мощностью амплитрона. Рассмотрен принципиально новый способ управления выходной мощностью усилителей М-типа – управление рабочим напряжением с изменением величины магнитной индукции. Показано, что использование комбинированного метода управления выходной мощностью, совмещающего в себе управление входным сигналом, анодным током и управлением анодным напряжением позволит изменять выходную мощность усилителя в диапазоне более 11дБ.

Ключевые слова: мощные передающие модули, усилители М-типа, амплитрон, активная фазированная антенная решетка (АФАР), многорежимная работа РЛС

В данной статье рассмотрен концептуально новый подход к обеспечению надежности, живучести и эффективности функционирования малого космического аппарата, учитывающий структурно-функциональные, структурно-технологические особенности управления, многокритериальный характер оценивания, анализа и выбора структуры и параметров бортовых систем малого космического аппарата дистанционного зондирования Земли в условиях ограниченных бортовых ресурсов, деструктивных воздействий и постоянно растущей номенклатуры элементной базы космической техники.

Ключевые слова: система управления движением и навигацией, структурно-параметрическая конфигурация, рациональные варианты

Важное значение для обеспечения безопасности государства имеет применение пилотируемых комплексов воздушного мониторинга (разведки) в интересах оперативного принятия стратегических решений. Однако, применение таких комплексов зачастую осуществляется в экстремальных условиях, обусловленных климатическими (сложными метеорологическими) условиями, разрушающими воздействиями техногенных катастроф, опасностью применения средств противовоздушной обороны незаконными вооруженными формированиями, условиями ведения боевых действий и т.д.

В связи с этим, в статье предложен интегрированный пространственно-распределенный разведывательный авиационный комплекс, который в отличие от известных, включает в свой состав беспилотные летательные аппараты, состоящие под управлением бортовых операторов, находящихся непосредственно на пилотируемом авиационном комплексе ведения и управления разведкой (воздушным мониторингом).

Порядок применения такого комплекса рассмотрен для наиболее сложного случая: ведения воздушной разведки в условиях боевых действий при вскрытии наземной обстановки в два этапа. На первом этапе, при условии возможности радиоприема сигналов, например, радиосигнала бедствия, радиосигналов объектов разведки и т.д., ведется пассивная радио и радиотехническая разведка с использованием технических возможностей бортовых датчиков пилотируемого воздушного судна. На втором этапе осуществляется доразведка и разведка объектов интереса с использованием оптикоэлектронных и других средств, размещенных на беспилотниках.

Предлагая модернизацию элемента системы воздушной разведки (мониторинга) и, основываясь на системном подходе, важно понимать, как повлияет предложенное решение на вышестоящую систему – исполнительную, в частном случае – ударную. Для этого была разработана динамическая модель процесса разведывательно-ударных действий, представляющая собой граф состояний, с указанием временных и вероятностных параметров. В статье показано решение системы уравнений, составленных на основе графа состояний в виде временных зависимостей вероятностей состояний.

Предложенная модель обладает значительной общностью и может быть распространена на широкий спектр задач воздушного мониторинга в экстремальных условиях.

Ключевые слова: интегрированный разведывательный авиационный комплекс, группы беспилотных летательных аппаратов, марковский случайный процесс

В статье рассматривается подход к формализации возможных стратегий реализации программ создания космической техники с учетом стратегических приоритетов и приоритетности программных мероприятий. В процедуре формализации стратегий предлагается использовать последовательность Фишберна и последовательный перебор различных вариантов.

Ключевые слова: фактор, стратегия, двух уровневая система приоритетов, программа создания космической техники

Рассмотрена расчётно-логическая интеллектуальная система оптимального управления процессом нанесения гальванического покрытия на множество деталей-катодов. Система управления решает задачу поиска оптимального расположения нескольких катодов различной формы и размеров в гальванической ванне, для получения покрытий с минимальной неравномерностью.

Ключевые слова: гальваническое покрытие, неравномерность, деталь, катод, анод, система управления

В статье рассмотрены основные положения математического моделирования рабочего процесса газотурбинного двигателя. На основе проведенного анализа определены задачи и структура этапов идентификации разрабатываемой математической модели двигателя. Даны подходы к предварительной оценке экспериментальных данных по количественным и качественным показателям. Описан выбор корректируемых в процессе идентификации параметров и процесс их согласования с экспериментальными данными.

В заключение приведены рекомендации по процессу настройки модели при идентификации математической модели по данным проведенных испытаний.

Ключевые слова: математическая модель, идентификация математической модели, верификация и валидация, цифровой аналог физического объекта, газотурбинный двигатель, экспериментальные данные, поправочные коэффициенты, согласованная математическая модель

Статья посвящена разработке новых критериев оптимизации функционирования изображающих устройств, установленных на сверхскоростных летательных устройствах. Рассмотрен случай размещения изображающей системы в составе летательного средства, передвигающейся со сверхвысокой скоростью. При отсутствии перекрытий соседних во времени формируемых изображений требуется сформировать новые критерии оптимизации таких систем. Предложены два критерия такой оптимизации и выявлены условия выполнения этих критериев.

Ключевые слова: БПЛА, изображающая система, оптимизация, камера, критерий

Для обеспечения надежного функционирования БПЛА перспективным решением является беспроводная передача энергии через специализированные наземные базовые станции. Беспроводная передача энергии в настоящее время реализуется в виде лазерной или радиоволновой передачи энергии. Вместе с тем, такие системы энергоснабжения являются дорогостоящими, опасными для населения из-за высокой интенсивности лазерного луча и избыточного электромагнитного излучения. Частичным решением данной проблемы является совместной передача информации и энергии с единой базовой станции. Существует также другое решение проблемы - использование солнечных панелей. Однако, эффективность такого решения пока слишком низка. Предложен метод организации комбинированного энергоснабжения БПЛА, предусматривающий использование солнечных батарей и лазерной подпитки. Подробно рассмотрен случай облачного неба, когда БПЛА по определению летит на уровне нижней границы облачного покрова.

Сформулирована и решена задача нахождения оптимальной величины высоты этой границы при неизменной высоте верхней границы облачного слоя. Составлен соответствующий алгоритм реализации предложенного метода.

Ключевые слова: БПЛА, солнечная панель, атмосфера, эффективность, энергопитание

Оценка эффективности является неотъемлемой частью этапов разработки, испытаний и эксплуатации оптико-электронных систем (ОЭС). Отсутствие единой методики оценки эффективности оптико-электронных систем приводит к тому, что для сравнения различных систем используются различные методики оценки, в результате чего полученные результаты противоречивы и не дают объективных данных для принятия соответствующих решений на различных этапах жизненного цикла оптико-электронных систем, особенно на этапах определения технического задела в конкурсных работах. Одним из путей решения данной проблемы является разработка аналитической модели, которая может быть основой построения единого комплекса средств интеллектуальной поддержки проектирования и сопровождения оптико-электронных систем на всех этапах жизненного цикла.

Целью статьи является описание аналитической модели оценки эффективности оптико-электронных систем, в части касающейся модели шума системы «ОЭС-оператор».

Рассмотрены составляющие шума системы «ОЭС-оператор»: дисперсия шума зрительной системы оператора ОЭС и дисперсия шума, отображаемого на дисплее ОЭС. Приведены формульные зависимости составляющих дисперсии шума, отображаемого на дисплее ОЭС: это спектральная плотность шума на дисплее, полоса пропускания временного шума и полоса пропускания пространственного шума. Рассмотрена модель расчёта разности температур, эквивалентной шуму.

Приведён пример представления исходных данных в аналитической модели оценки эффективности оптико-электронных систем и проведена оценка влияния шума на такие показатели эффективности ОЭС как дальности обнаружения, распознавания и идентификации объекта.

Таким образом, рассмотрена реализация модели шума системы «ОЭС-оператор», являющейся составной частью единого программного комплекса средств интеллектуальной поддержки проектирования и сопровождения оптико-электронных систем на всех этапах жизненного цикла.

Ключевые слова: оптико-электронная система, пространственный шум, време́нной шум, обнаружение, распознавание, идентификация

Представлены результаты исследований по формированию алгоритмов системы автоматического управления (САУ) преобразуемого беспилотного летательного аппарата (БЛА). Проведена сравнительная оценка различных способов реализации контуров управления траекторным и угловым движением БЛА с использованием пропорционально-интегро-дифференциального, линейно-квадратичного, нелинейного регуляторов, а также метода обратной задачи динамики с целью определить преимущества и недостатки того или иного способа.

Ключевые слова: система автоматического управления, ПИД-регулятор, линейно-квадратичный регулятор, нелинейная логика, обратная задача динамики

Изложена методика решения задачи быстродействия для космического аппарата, реализующего перелет между двумя планетами, при помощи параметризации закона управления и использования двух современных биоинспирированных алгоритмов условной глобальной оптимизации – методов, имитирующих поведение стай серых волков, стай горбатых китов.

Данные алгоритмы относятся к классу методов роевого интеллекта, особенностью которого является возможность обмена информацией между особями. Предложена методика нахождения оптимального программного управления нелинейными непрерывными детерминированными динамическими системами в условиях, когда правый конец промежутка времени функционирования системы не фиксирован. Программное управление ищется в классе разложений по различным системам финитных базисных функций с неопределенными коэффициентами.

Предложенная методика применяется для решения задачи оптимального управления солнечным парусом, используемым для перелета с орбиты Земли на орбиту Меркурия за минимальное время при одновременном обеспечении выполнения требований к параметрам конечной орбиты. Сформировано алгоритмическое и программное обеспечение двух биоинспирированных алгоритмов. Приводятся рекомендации по выбору параметров алгоритмов для решения типовых модельных задач оптимизации и прикладной задачи управления солнечным парусом.

Ключевые слова: космический аппарат, солнечный парус, параметрическая оптимизация управления, биоинспирированные стратегии, финитные базисные функции