Анализ эффективности внекорабельной деятельности на российском сегменте международной космической станции и пути ее повышения Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 629.786.2

АНАЛИЗ ЭФФЕКТИВНОСТИ ВНЕКОРАБЕЛЬНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ НА РОССИЙСКОМ СЕГМЕНТЕ МЕЖДУНАРОДНОЙ КОСМИЧЕСКОЙ СТАНЦИИ И ПУТИ ЕЕ ПОВЫШЕНИЯ

А.В. Бабайцев, Д.В. Бабайцев

В статье описывается методика анализа эффективности системы внекора-бельной деятельности (ВКД) на основе структурной и операционной модели системы. Приводитсяоценка эффективности системы ВКД на Российском сегменте МКС. Предложеныосновные пути ее повышения, сделана попытка прогноза их полезного эффекта и реализуемости.

Ключевые слова: внекорабельная деятельность, мобильный робот, эффективность.

1. Введение

Внекорабельная деятельности - этоцеленаправленная деятельность, производимая на внешней поверхности космического аппарата, в негерметичных и разгерметизированых отсеках.

Система ВКД - это совокупность экипажа, скафандров, подсистем обеспечения шлюзования, наземной инфраструктуры обеспечения выхода, средств страховки и фиксации, инструментов и других технических средств, объединенных целью выполнения задач в открытом космическом пространстве (ОКП). Так как система ВКД это сложная эргатическая система с множеством неявных связей и неопределенностей,строго формальное описаниеее затруднительно, а для анализа используется системный подход.

Рис. 1. Операция внекорабельной деятельности операторы в скафандрах: Олег Кононенко и Антон Шкаплеров

66

В зависимости от действующего субъекта (актора) на внешней поверхности КА могут работать операторы в скафандрах (рис.1), технологические роботы (управляемые из ЦУП или из герметичного отсека КА), операторы в скафандрах и роботы совместно (с управлением одним из операторов через пульт на внешней поверхности или с Земли). Для обеспечения универсальности методики оценки эффективности - будем рассматривать общие характеристики актора - будь то работ или оператор в скафандре.

Эффективность системы ВКД это характеристика системы отражающая способность решать определенное множество задач ВКД с требуемой надежностью, качеством и безопасностью. Формализовать эту характеристику можно путем определения условий выполнения задач и операций, критериев эффективности и их ограничений.

2. Формальное описание системы ВКД

В данном исследовании система описывается в виде структурной и операционной моделей.

В упрощенном виде структуру системы ВКД можно представить как взаимосвязь нескольких основных подсистем (рис.4).

Рис. 2. Структурная модель системы ВКД

Субъект операции (актор) - основной действующий компонент системы. Им может являться оператор в скафандре или мобильный робот. В модели параметрыактора можно представить в виде:

(МЛ ш {к}

Ь

М^ — масса актора {Х} — характерные размеры {к}

— кинематическая структура актора F¿ — развиваемое усилие актора М1 — развиваемый момент актора {/} — интерфейсы актора

Объекты ВКД - научное и служебное оборудование, заменяемые блоки бортовых систем, элементы конструкций и интерфейсные узлы, с которыми работает МР при выполнении целевых задач. Могут быть частью внешней поверхности ОС.

Множество объектов операций можно представить следующим образом:

{0} = {01,02,...0п}

М1 — масса объекта

— длина объекта У1 — ширина объекта

— толщина объекта {/} — интерфейсы объекта

Инструменты - инструменты, непосредственно предназначенные для выполнения целевых операций субъектом операции. Характеризуются назначением, массогабаритными характеристиками и «входными» и «выходными» управляющими воздействиями.

Приспособления - оборудование, предназначенное для выполнения вспомогательных операций, таких как страховка, фиксация и обеспечения требуемых параметров целевых операций.

Множество инструментов и приспособлений ВКД:

{1} = {11>12>...1т1

о1 =

/МЛ

У;

\ш/

где /¿- тип инструмента, где / = 1,т

/МЛ

х,-

к =

1

У;

\ш/

М1 — масса инструмента

— длина инструмента У1 — ширина инструмента

— толщина инструмента

{/} — интерфейсы инструмента

Функциональная зона - наружная поверхность КА, внутренняя поверхность разгерметизированых и негерметичных отсеков, а также внутренняя поверхность шлюзового отсека в разгерметизированом состоянии являющиеся рабочей зоной субъекта операции. Применительно к поставленной задаче характеризуется формой и размерами модулей, внутренним объемом ШО, расстояниями между поручнями и стационарными и перемещаемыми объектами внешней поверхности:

68

В1 =

/{К}\ {К} — геометрическая структура КА

{Х} {Х} — характерные размеры элементов КА

{/} ' {/} — множество интерфейсов КА

{/?} - зоны с ограниченным доступом Функционирование системы ВКД во времени описывается операционной моделью с несколькими иерархическими уровнями(см. рис.2).

Уровень сеансов ВКД

ВКД 1 ВКД 2 - ■ ВКД п

Уровень задач Л

Задача 1 Задача 2 - Задача п'

Л Уровень операций

Операция 1 * Операция 2 Операция п'

Л Уровень элементарных действий

Действие 1 Действие 2 - - Действие п"

Пример сеанса ВКД: Выходдля решения задач стыковки межмодульных связей, проведение осмотра и фотографирования СБ

Пример задачи: Стыковка межмодульных связей С01-СМ аппаратуры "XXX"

Пример операций: Стыковка разъема XXXкабеля ХХХХ

Пример элементарного действия: Перемещение разъема XXX рукой к месту стыковки

Рис. 3. Операционная модель системы ВКД

Уровень сеансов ВКД - последовательность выходов в открытый космос человека или мобильного робота, хранящегося в герметичном отсеке или последовательность сеансов работы робота,постоянно находящегося на внешней поверхности.

Уровень задач - последовательность задач выполняемых в процессе одного сеанса ВКД

Уровеньопераций - последовательность операций составляющих задачу и выполняемых для решения поставленной локальной цели.

Для операций выполняемых роботом и некоторых формализуемых операций человека можно дополнительно выделить уровень операции -последовательность элементарных действий составляющих операцию.

Опыт внекорабельной деятельности на РС МКС показывает, что на уровне задач сложно провести однозначную классификацию из-за большого количества уникальных или сильно отличающихся задач. В свою очередь большинство операций (96% суммарного времени выполнения по результатам анализа экспедиций с 2001 по 2015 г.) можно классифицировать как типовые.

Типовые операции можно разделить на контрольные, транспортировочные, операции фиксации, сборочные, технологические, и общие манипуляции (см.рис.4).

Не типовые операции

Операции

Типовые операции

1 1

Контрольны Сборочно-

е операции монтажные

операции

Авар ийно - спас ате ль ные операции

Транспортаро яочные о пер airan

Операции ВспомсггателЬ Технололиес

фиксация ные кие операции

манипуляции

Рис. 4. Классификация операций

И условия выполнения и эффективность системы ВКД зависят от уровня в иерархии динамической модели, относительно которого они рассматриваются.

На уровне сеанса ВКД условиями реализации сеанса ВКД являют- ограничение по времени (определяется возможностями актора) - ограничение по уровню безопасности 3. Количественная оценка эффективности

Эффективность первого уровня представляется в виде взвешенной суммы вероятности успешного выполнения задач, где коэффициентами являются значения приоритета задачи:

п

Р1 - вероятность выполнения ьй задачи,

Шв\.д = ^ qPi

1=1

С1 - приоритет 1-й задачи. Относительное значение эффективности на уровне сеансов:

1а=1 ад

КГ'

Уп с-

¿-4 = 1 С1

Из статистики выполнения и экспертных оценок приоритетности задач абсолютная эффективность первого уровня равна: 249 относительная: 90,2%

На уровне задач исходя из структуры типовой задачи общую эффективность выполнения задач можно представить как совокупность эффективности фиксации, транспортных и целевых операций:

1^тр /> Ртр ^ Утр )

мф = г(аф),Рф>Р;реб)

№раб = !{{£ц)>(}>Рф) где (утр) — матожиданиескоростиоперацийтранспортировки; ^ф), (Ц) - ма-тожидание затрат времени на фиксацию и целевую операцию; р, ртр, Рф -

надежность выполнения операции, транспортировки, фиксации; - нормированное качество выполнения рабочей операции (точность, усилие).

Для эмпирической оценки эффективности используем линейную свертку, исключаяпри этом показатели надежности:

Абсолютное значение эффективности на уровне задач: ^гп Qk

= с2 ^^ + (1 - С2) (< V) + ^ + {(рф1

где С2 - показатель [0;1] характеризующий критичность целевых операций по отношению к досягаемости и фиксации в точках внешней поверхности Относительное значение эффективности на уровне задач:

<?Л

у?1г = с2

ц к

ут

1 Лк=1 .тр

\ цк/

к

(у"Г) (Ч) и,,,/,)

тр

ьц к ,

С2 принимаем коэффициент: С2=0.5,

(?к=1, (¿цк) = 3<15мин Мф) = 1,81 мин, (¿рф) = 1,76мин, (утр) =

= 2 м/мин

Расчет был выполнен на основе выходов на РС МКС ВКД-1 -ВКД-10.

Из статистики выполнения и экспертных оценок приоритетности задач абсолютная эффективность второго уровня равна: = 1,72 относительная: = 0,86 ( 86 %)

В соответствии с операционной моделью на уровне операций, эффективность можно представить в аддитивной форме как взвешенную сумму критериев эффективности для каждой ьй типовой операции:

Шк - критерий эффективности ьй операции, Щ?к() — / акУ^к а к - вес 1-й операции характеризующий ее критич-к=1 ность и повторяемость.

Факторы, влияющие на вес ьй операции:

Повторяемость и длительность операции (определяется из статистики);

Критичность операции; Представим вес ак в виде

ак = Сз ■ + (1 - С3)Ьк где ~дк - частота повторяемости к-й операции; Ьк - критичность к-й операции; С3 - подбираемый коэффициент из [ОД] характеризующий аварийный характер использования РТС или действия оператора по спасению экипажа и станции.

Повторяемость и длительность операции:

Из статистики операций ВКД определяется как частота появления й операции:

*=т

где № - количество появлений ьй операции за исследуемый период; I -общее количество операций за исследуемый период.

Например, для РС МКС статистический анализ частоты появления выполненных операций и веса операций соответственно приведены в таблице

Статистический анализ частоты появления выполненных операций

и веса операций

Код операции Количество выполненных операций суммарное время выполненных операций, мин Среднее время выполнения одной операции, мин Относительная частота по времени V Относительная частота по кол-ву Вес операции а-к

1 2 3 4 5 6 7

Тр-1 428 1397,05 3,26 0,143 0,140 0,14

Тр-2 184 959,28 5,21 0,098 0,060 0,08

Тр-3 32 249,33 7,79 0,025 0,010 0,02

Тр-4 111 421,32 3,80 0,043 0,036 0,04

Ф-1 280 644,99 2,30 0,066 0,092 0,08

Ф-2 100 225,85 2,26 0,023 0,033 0,03

Ф-3 5 14,50 2,90 0,001 0,002 0,00

Ф-4 1 0,50 0,50 0,000 0,000 0,00

К-1 117 397,18 3,39 0,041 0,038 0,04

К-2 153 611,62 4,00 0,062 0,050 0,06

К-3 5 20,00 4,00 0,002 0,002 0,00

К-4 6 67,33 11,22 0,007 0,002 0,00

М-1 279 569,29 2,04 0,058 0,091 0,07

М-2 5 10,77 2,15 0,001 0,002 0,00

м-з 35 133,26 3,81 0,014 0,011 0,01

М-4 8 21,78 2,72 0,002 0,003 0,00

М-5 175 447,71 2,56 0,046 0,057 0,05

М-6 21 54,21 2,58 0,006 0,007 0,01

М-7 3 4,90 1,63 0,001 0,001 0,00

М-8 218 518,39 2,38 0,053 0,071 0,06

Окончание таблицы

1 2 3 4 5 6 7

М-9 94 125,95 1,34 0,013 0,031 0,02

Сб-1 223 1051,01 4,71 0,107 0,073 0,09

С 6-2 126 491,93 3,90 0,050 0,041 0,05

Сб-3 131 311,74 2,38 0,032 0,043 0,04

С 6-4 43 128,31 2,98 0,013 0,014 0,01

Сб-5 50 94,46 1,89 0,010 0,016 0,01

Сб-6 15 44,93 3,00 0,005 0,005 0,00

Сб-7 7 21,72 3,10 0,002 0,002 0,00

Сб-8 81 402,90 4,97 0,041 0,027 0,03

Сб-9 91 269,69 2,96 0,028 0,030 0,03

Тех-1 3 14,30 4,77 0,001 0,001 0,00

Тех-2 3 14,75 4,92 0,002 0,001 0,00

Тех-3 1 3,33 3,33 0,000 0,000 0,00

Тех-8 11 25,67 2,33 0,003 0,004 0,00

Тех-10 9 29,05 3,23 0,003 0,003 0,00

Сумма 3054 9799,00 1,000 1,000 1,000

При отсутствии априорной информации повторяемость операции прогнозируется исходя из структуры типовой задачи.

Критичность операции Ь подбирается методом экспертных оценок.

Сама эффективность каждой операции Шк определяетсяпо следующим

критериям: надежности, качества и затрат времени.

1. Надежность (вероятность выполнения операции) - находится в прямой зависимости от досягаемости объекта и в обратной зависимости от сложности данной операции для актора(ов) в данных условиях:

т

р _ 1 Г р1 - вероятность успешного выполнения ]-го элемен-

1 тарного действия для отдельных операций;

)=1

Для транспортировочных операций для определения надежности производится анализ графа глобальной досягаемости по поручням или базовым точкам на внешней поверхности. Пример графа глобальной досягаемости для стыковочного отсека (С01) РС МКС приведен на рисунке 5.

Рис. 5. Модуль COI и его граф глобальной досягаемости по поручням

для оператора в скафандре

73

Для не транспортировочных операций производится анализ реализуемости алгоритма операции и локальной досягаемости связанных с данной операцией объектов.

2. Затраты времени

Определяется временем выполнения операции относительно расчетного времени выполнения оператора в СК при отработке на Земле:

j-on fon _ ym t F _ 4._Ч_ _ Li ¿->j=lL)

k ~ t°n + ^ ~ t°n + 1/ где tj - затраты времени на j-e элементарное действие; tion - затраты времени оператора на i-ю операцию в заданных условиях, определяется в интервале [-1,1].

Затраты времени определяются на основе графа глобальной досягаемости и эмпирической скорости перемещения по средствам фиксации на внешней поверхности

3. Качество выполнения операции

Определяется характером операции при заданных ограничениях из следующих параметров:

- стабильность удержания (величина микроускорений);

- точность отработки траектории;

- точность соблюдения скорости;

- точность соблюдения силы;

- точность соблюдения момента силы;

- скорость перемещения.

Критерий качества может быть найден не для каждой операции, к абсолютному значению показателя качества применяется полная нормализация:

Qf6c — min(Qi)

1 max(Q¿) — min(Qi) Общий критерий эффективности на уровне операции можно представить в виде линейной комбинации частных критериев i-й операции:

Wi = P¿(a¿£¿ + (1 - aOQD где a¡ - варьируемый для разных операций показатель относительной важности качества/эффективности, тогда

п ¿=i

V Г7 TLitj Qfc-min{Q{)

= | Pj (a¿ ¿oñ I" (1 ~ a¿) max(Qj — min(Q¿)^

¿=i j=i

На основе статистики выполненных операций за период с 2001 по 2015 г. эффективность на уровне операций: W3 =0,93.

74

Исходя из полноты учета различных факторов, наиболее достоверной является оценка эффективности на уровне операций.

При прогнозе эффективности системы наиболее существенной является априорная информация о задачах и операциях. Она может быть задана в виде перечня будущих задач или операций или, при отсутствии детальной информации, исходя из структуры типовой задачи.

Эффективностьсуществующей системы ВКД на уровнезадач и операций можно считать достаточной, однако для перспективных проектов ее необходимо повышать.

Факторами, которые могли бы способствовать повышению эффективности ВКД, являются следующие:

1. Полная автоматизация технологических операций ВКД.

2. Прорыв в скафандростроении, который приблизил бы функциональные возможности человека в скафандре к возможностям человека в рабочем костюме на Земле.

3. Качественный скачок в области космической робототехники, приближающий функциональные возможности роботов-манипуляторов к уровню человека или превосходящий их.

Полная автоматизация технологических операций может иметь наибольший полезный эффект, что связано с устранением опасностей для экипажа, связанных с воздействием факторов открытого космического пространства. Однако такая автоматизация является технологически нереализуемой сейчас и маловероятной в среднесрочной перспективе.

Это связанос:

- необходимостью кардинального изменения конструктивного облика КА;

- технологической и конструктивной сложностью требуемой конструкции;

- сосложностью обеспечения требуемой гибкости системы из-забольшого количества компонентов и широким диапазоном параметров;

- работы, возникающие как последствия нерасчетных ситуаций, в том числе ремонтно-восстановительные и аварийно-спасательные, не могут быть автоматизированы по определению

Прорыв в скафандростроении, который приблизил бы функциональные возможности человека в скафандре к возможностям человека на Земле, мог бысущественно повысить эффективность системы ВКД при минимальном воздействии на ее структуру и конструкцию КА.

Реализуемость данного пути целиком зависит от развития в технологии скафандростроения, а реализация представляется весьма вероятной втечении ближайших 20 лет. Однако в настоящее время имеет следующие трудности:

- кардинальное повышение эксплуатационных характеристик скафандра затруднено технически в силу медико-биологических требований и физических условий среды (например, необходимость избыточного давления в скафандре при установленном составе атмосферы);

- обеспечение требований безопасности операторов в СК сильно ограничивают возможности модернизации скафандра.

Качественный скачок в области космической робототехники, приближающий функциональные возможности роботов-манипуляторов к уровню человека или превосходящий их с точки зрения автора является наиболее перспективным и реализуемым в настоящее время.

Эффект от внедрения космических робототехнических систем (РТС) определяется набором задач и операций в том числе совместных с оператором в СК, которые поможет производить их применение.

Возможность создания робототехнических систем отвечающей требованиям ВКД, на современном уровне техники в среднесрочной перспективе представляется практически осуществимым. Трудности, возникающие на этом пути:

- необходимость адаптации или доработки существующей инфраструктуры системы ВКД, в том числе конструкции элементов внешней поверхности КА;

- необходимость создания наземного комплекса для отработки действий РТС, тренировки экипажа и т.д.

4. Выводы

ВКД является неотъемлемой частью практики эксплуатации орбитальных станций и в частности РС МКС, при этом сама эта деятельность постоянно меняется в процессе эксплуатации ОС.Поэтому для выбора оптимальной линии поведения важно уметь оценивать и анализировать ее эффективность. Эффективность системы ВКД на РС МКС (И/^.;/''"' = 0,9; ИЛ;.//'"" = 0,86; И/^/""' = 0,93) в соответствии с предварительной оценкой на основе статистики выполненных задач и операций достаточна для решения большинства стоящих перед ней задач, однако для перспективных проектов, ее необходимо повышать.

Описаны три пути повышения эффективности ВКД, в порядке убывания оценки их потенциала:

1. Использование космической робототехнической системы

2. Создание новых космических скафандров

3. Автоматизация операций на внешней поверхности ОС.

При этом они не являются взаимоисключающими и подлежат дальнейшей проработке и исследованию.

Список литературы

1. Цыганков О.С. Пятидесятилетие внекорабельной деятельности // Космическая техника и технология, 2015. №1(8). С. 3 - 16.

2. Легостаев В.П., Марков А.В., Сорокин И.В. Целевое использование российского сегмента МКС: значимые научные результаты и перспективы // Космическая техника и технология, 2013. №2. С. 3 - 18.

3. Александров А.П., Гречка В.Д., Кобрин В.Н., Цыганков О.С. Сборочно-монтажные и восстановительные работы в космическом пространстве: учебное пособие для ВУЗов. Харьков: ХАИ, 1990. 248 с.

4. Цыганков О.С. Диссертация на соискание д.т.н.: Концепция, теоретико-экспериментальное обоснование критериальной базы проектирования, инструментального обеспечения и реализации технологической деятельности в условиях космического полета. Харьков, 1993.

5. Ильичев А.В. Эффективность проектируемой техники: основы анализа. М.: Машиностроение, 1991. 336 с.

6. Юзов Н.И. Крючков Б.И. Шувалов В. А. Внекорабельная деятельность космонавтов: учебно-методическое пособие. РГНИИ ЦПК им. Ю.А.Гагарина Звездный городок МО. Россия, 1989.

7. Бабайцев Д.В., Цыганков О.С. Имитационное моделирование операций внекорабельной деятельности // Космонавтика и ракетостроение. 2017. № 1 (94). С. 38 - 45.

Бабайцев Арсений Владимирович, асп., м.н.с. Ar7eny-f_i@,mail.ru, Россия, Москва, Московский авиационный институт,

Бабайцев Дмитрий Владимирович, инженер-конструктор 2 категории, fri-gor1@mail.ru, Россия, Москва, АО ««Корпорация ««ВНИИЕМ»

AN ANALYSIS OF THE EFFECTIVENESS OF EXTRA VEHICULAR ACTIVITY ON THE RUSSIAN SEGMENT OF THE INTERNATIONAL SPACE STATION AND THE WAYS ITS

INCREASE

A. V. Babaytsev, D. V. Babaytsev

The article describes the method of analysis of the extravehicular activity (EVA) effectiveness on the basis of structural and operational model of the system. Evaluation of the effectiveness of the EVA on the Russian segment of the ISS. The main ways to improve it, to forecast their useful effect andfeasibility.

Key words: extravehicular activity, mobile robots, effectiveness.

Babaytsev Arsenij Vladimirovich, postgraduate, junior researcher, Ar7eny-f_i@,mail.ru, Russia, Moscow, Moscow Aviation Institute,

Babaytsev Dmitrij Vladimirovich, design engineer 2 categories, fri-gor1 @mail. ru, Russia, Moscow, JSC VNIIEM Corporation