CC BY
12
УДК 629.78
В.Н. Блинов, V.N. Bfrnov, e-mail: [email protected]
В.В. Шатай, V.V. Shalai, e-mail: [email protected]
Е.Б. Чарушина, Е.В. Charushina, e-mail: Ju [email protected]
Омский государственный технический университет, г, Омск. Россия
Omsk State Technical University. Omsk. Russia
К ВЫБОРУ ОПОРНЫХ АЛЬТЕРНАТИВ ПРИ ОЦЕНКЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ Л1АЛЫХ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ С АММИАЧНЫМИ ДВИГАТЕЛЬНЫМИ УСТАНОВКАМИ МЕТОДОМ АНАЛИТИЧЕСКОЙ ИЕРАРХИИ
ТО THE CHOICE OF SUPPORT ALTERNATIVES IN ASSESSMENT OF EFFIC IENCY OF SMALL SPACECRAFTS WITH AMMONIA PROPULSION SYS TEMS USING METHOD OF ANALYTICAL HIERARC HY
Рассмотрены вопросы выбора опорных альтернатив при оценке эффективности маневрирующих малых космических аппаратов с аммиачными корректирующими двигательными установками с электротермическими микродвигателями методом аналитической иерархии. Приведен пример определения массовой и энергетической эффективности
Problem? of choice of support alternatives ill assessment of efficiency of maneuvering small spacecrafts with ammonia correcting propulsion systems with electrotherruahnicrojets using rlie method of analytical hierarchy are considered The example to determme mass and energy efficiency is given.
210
Ключевые слова: корректирующая двигательная установка, маневрирующий литый космический ал-парат, метод аналитической иерархии, опорная альтернатива, электротермический микродвигатель
Keywords: correcting propulsion system, maneuvenng small spacecraft, method of analytical hierarchy, support alternative, electi-othennal microjet
Основу разрабатываемой методики комплексных, исследований эффективности маневрирующих малых космических аппаратов (ММКА) с аммиачными корректирующими двигательными установками (КДУ) с электротермическими микродвигателями (ЭТМД) в заданных условиях функционирования составляет метод аналитической иерархии [1],
Эффективность ММКА рассматривается как обобщенный показатель качества, а под условиями функционирования - условия выполнения ММЕСА заданных ТТЗ целевых задач в процессе эксплуатации ММКА.
Рассматривается многокритериальная задача ранжирования альтернативных вариантов ММКА с КДУ на ранних стадиях жизненного цикла, когда многие критерии не поддаются формализации и ее общее аналитическое решение представляется практически невозможным. Множество альтернатив ММКА обладает определенными свойствами, в т.ч. набором общих свойств, имеющих неодинаковую степень важности.
Метод аналитической иерархии предполагает реализацию следующих этапов:
- формулируется иерархическая структура ММКА в целом, так и отдельных его компонентов по уровням: цели - критерии - альтернативы;
- осуществляются попарные сравнения альтернатив, при этом результаты сравнения представляются сначала соответствующими матрицами сравнений, а затем определяются собственные векторы для каждой матрицы сравнении;
- на основе найденных значений компонент собственных векторов для каждой матрицы сравнений находятся «веса» иди коэффициенты важности для сравниваемых элементов (критериев, альтернатив);
- вычисляются приоритеты альтернатив, по которым определяется наилучшее альтернативное решение ММКА с КДУ.
Любой ММКА является иерархической системой, способной обеспечить выполнение заданных целевых функций в определенных условиях функционирования, обладающей определенной стоимостью и ценностью. Основными критериями оцени! ММКА могут являться:
- приведенная масса КДУ (массовая эффективность);
- запасы характеристической скорости (энергетическая эффективность):
Иерархическая структура обычно представляется в виде схемы деления ММКА.
Тогда показатель эффективности ММКА рассматривается как значение суммарного
многоцелевого критерия ММКА с учетом значимости критериев в сравнении с аналогичными ММКА.
Недостатки метода аналитической иерархии связаны с критерием качества работы эксперта - с отношением согласованности, Отношение согласованности хорошо работает, когда основные характеристики исследуемого ММКА можно представить числовыми величинами.
Повышение достоверности оценок альтернатив ММКА методом аналитической иерархии может быть обеспечено использованием опорных альтернатив, в виде конструкций созданных ММКА, рассматриваемых как квазноптнмальные решения н характеризующиеся:
- различными компоновками КДУ в составе опорных альтернатив;
- наличием математических моделей, позволяющим численно оценивать характеристики КДУ и средств их адаптации в составе опорных альтернатив;
- наличием математических моделей, позволяющим численно оценивать критерии оценки опорных альтернатив.
Квазиоптамальность опорных альтернатив обеспечивается использованием многоцелевого метода при их создании - метода структурной оптимизации [2-4]. Представим множество Й значений вектора конструктивных параметров, определяющих структурный состав КДУ. в виде отображения:
5*: ЗбхЭк (1)
где. множество значений вектора («б», определяющих базовую структуру многоцелевой КДУ. используе;.гую при решении всего диапазона целевых задач: % множество значений вектора «:бк„. определяющих комплектующие структуры многоцелевой КДУ. используемые при решении отдельных целевых задач.
Формируя новую структуру КДУ при решении различных целевых задач, будем иметь ряд разновидностей КДУ. имеющих одну и туже базовую структуру, но отличающихся между собой составом комплектующих агрегатов и систем.
При многоцелевом методе исследования проектно-конструктнвного облика КДУ для ММКА одной из актуальных задач проектирования является структурно-параметрический синтез, осуществляемый при наличии существующего и предполагаемого многообразия задач целевого назначения и условий применения ММКА. Определение оптимальной структуры и основных проектных параметров КДУ на ранних стадиях проектирования позволяет сократить затраты на создание КДУ с обеспечением высокой эффективности выполнения решаемых целевых задач.
Рассмотрим взаимосвязь проектных и структурных параметров КДУ с электротермическими микродвигателями (ЭТМД) с трубчатыми нагревательными элементами [5.6]. Под структурой КДУ понимается ее расчленение на системы и конструкцию с указанием связей между ними, неизменное (по многоцелевому методу гарантированного результата) или изменяемое (по многоцелевому методу структурного проектирования) и даюшее представление о КДУ как сложной системе в целом.
В качестве целевой функции ММКА принимается заданное значение характеристической скорости, реализуемой КДУ в составе ММКА: ДЛгХаР1(ш№[к.\)=Шммка)■ Используя многоцелевые методы проектирования КДУ. полагаем, что уже определено множество целевых функций: { АУтар1(111Ш.1КЛ)=ДЛ^р1 ^Шммка)} ■
Запасы топлива в КДУ для ДУ^1'3*3!; Шммкд) определяются величиной удельного импульса тяги ЭТМД и приведенной массой КДУ ш^у в составе ММКА. Структурное уравнение приведенной массы КДУ шкду представим в виде масс, зависящих и не зависящих от массы топлива 111т:
<ду = ттб +111 к + ткду+ тавг +111 ЭТМД + штр + Шоке + Шбукду + шт (2)
АД
тТБ?тк>ткду- масса топливного бака, конструкции, средств адаптации КДУ в состав ММКА. зависящие от массы топлива:
_ _
. тЭШд. 111^-р. 111БКС. ШБуКду. 1ДСЭП - масса автоматики. ЭТМД.
трубопроводов, бортовой кабельной септ. блока управления, не зависящие от массы топлива.
Рабочие запасы топлива для заданных удельного импульса тяги ЭТМД и приведенной массы ММКА шкду определяют величину реализуемой характеристической скорости, тогда.
твду = ш(ДУ шр (Шх- Руд)) + щ^г (3)
Из (3) следует, что базовыми структурами многоцелевой КДУ. используемыми при решении всего диапазона целевых задач, являются структуры, масса которых не зависит от массы топлива. Базовыми структурами являются: КДУ - блок управления: испаритель; регулятор давления: электропневыоклапан; клапан отсечной: ЭТМД - система электропитания; система контроля температуры: система герметизации токовыводов: нагревательные элементы с системой изоляции; система формирования газового потока. Комплектующими структурами КДУ являются топливные системы с элементами конструкции и заправочными муфтами.
Массовые характеристики комплектующих структур определяются с использованием габаритно-массового метода. Рассмотрим опорную альтернативу на основе многоцелевой служебной платформы для создания космических аппаратов с перемещаемой внутри КДУ для выставки вектора 1яги [2.7], Габариты платы для установки топливного бака н ложементы определяются габаритами бака н габаритами устанавливаемой автоматики. Так, например. раднус топливного цилиндрического топливного бака Кд с полусферическими днищами Ксф (Ксф1 = й-б) определяется через запасы топлива в КДУ 111 т [8]:
К.б = кб^шт; кб = з
к£р
Уткудл
(4)
где, кб - коэффициент топливного бака, учитывающий изменение геометрии бака за счет величины удлинения, газовой подушки н плотности топлива ут { - ТС;
к^=1+кп; кп- коэффициент газовой подушкн в баке): кудл - коэффициент удлинения
топливного бака к удл — 116/Т!.6 .
Габариты платы для установки топливного бака определяются габаритами бака и габаритами устанавливаемой автоматики. Для платы прямоугольной формы (поперечный и продольный размеры 1поп, 1прод ):
1поп = 2к ПОП Кб- 1прОД кпрод (кУдл+2кб со
В тате под топливный бак выполняется вырез размерами и
+
Толщины стенок днищ н цилиндрической части при воздействии эксплуатационного давления в баке рэ определяются известными прочностными зависимостями.
С использованием габаритно-массового метода получено выражение для суммарной массы КДУ. зависящей от запасов топлива [8]:
ткду = тт (РЭКГ (1 + кудл)+ ШТ ^ клож к6
(6)
где. р - эксплуатационное давление в топливном баке: з
б У
К™ =—— 2л И квес — обобщенный коэффициент цилиндрической часш бака.
СТв
учитывающий плотность ум и предел прочности при растяжении С„ конструкционного
материала, коэффициент топливного бака коэффициент безопасности п. весовой
коэффициент квес. учитывающий увеличение толщины оболочки бака по отношению к
обобщенный
минимально-допустимой;
К пл = (- к поп кпрод (кудл + 2)— 2(кудц + - ))к-р у ддк д коэффициент шгаты для установки топливного бака, учитывающий поперечные и продольные размеры платы для установки бака (1поп~ 2кпопКб:
1прод = кпр0д(кудп+2 )11б); кпл= _ коэффициент приведенной толщины платы.
Кб
учитывающий отношение весовой толщины платы к радиусу топливного бака;
У„л - плотность материала платформы;
клож = 4тхрложудож - приведенный коэффициент ложемента для установки бака с площадью и удельным весом материала улеж;
Структурное массовое уравнение средств адаптации КДУ к ММКА с перемещаемой в специальном отсеке в двух-взаимно-перпендикулярных направлениях КДУ при выставке
— — АД
вектора тяги ЭТМД т^ запишем в виде:
= 2»Ср + Шду + 4тст + т^ (7)
где, ш^др - масса торцевой платы отсека ММКА для КДУ; 7Пду - масса платы дтя
установки КДУ в ММКА; Шсг- масса 4-х стоек для закрепления и перемещения КДУ при
КА
выставке вектора тяги ЭТМД; Шду- - дополнительная масса конструкции боковых плат
ММКА для установки КДУ.
Масса торцевой платы с диагональными подкреплениями (ее размеры примем как
^поп'^прод)'
ттор — 2 Опоп +1прод+^'поп+^прод ) У^—2 (2к„ И5 + кпрод (к^+2 ) +
где
Т-|ПРИВ гтл _
' Vm " приведенная площадь сечения и плотность материала оалок торцевой
платы.
Размеры платы для установки КДУ без диагональных подкреплений также примем как 1П0П, /прод. тогда ее масса будет равна:
тЪ = 2('поп + ^прсдЖГиГ = 2(2fcnonÄ6 + кпрол(ку^ + 2)R6 >££"7™ (9)
где. F^V - приведенная площадь сечения балок платы для установки КДУ. Масса стойки с длиной площадью поперечного сечения F^. н с плотностью материала у^. для закрепления н перемещения КДУ:
ct^CTYCT
=(2R6+haBT+hBy+2hper)FCTYCT (Ю)
где. haBT, hEy - высота выступания автоматики н двух блоков управления
относительно топливного бака: hper - увеличение длины стоек за счет регулирования
положения ДУМИТ во время выставки вектора тяги ЭТМД.
Для определения Шду введем постоянный коэффициент массовой нагрузки от массы
конструкции боковых плат m°°h МКА на занимаемый ими объем в виде:
„бак
k™ = ^-=COnSt (11)
VMKA
Тогда, если КДУ в составе МКА занимает объем Vj^y и поперечные габариты ММКА определяются габаритами КДУ (что справедливо для данной компоновки ММКА):
= k?VдУ = к?(2кпопкпрод{кудл + 2)Я^кЦпк^оя1„ (12)
» VS 1 VB
где. кпопк'прод - коэффициенты, определяющие поперечные габариты МКА за счет увеличения /попЛпрОД-
Приведенные зависимости нллюстрнруют взаимовлияние проектных (шт. Руд). структурных параметров КДУ н средств адаптации КДУ в составе ММКА. Выбор
многоцелевого метода проектирования определяется степенью различия целевых задач из числа заданных с оценкой изменения проектного облика ММКА: габаритов, массы. Изменение проектного облика ММКА. обусловленное степенью различия целевых задач, опреде.ляется с учетом принятой компоновки КДУ в составе ММКА
В качестве опорных альтернатив КДУ взяты аммиачные КДУ с ЭТМД. прошедшие наземные и натурные испытания в составе ММКА [2.5.6.9].
Рис 1 Опорные альтернативы КДУ
Рнс. 3. Опорная альтернатива системы адаптации неперемещаемой КДУ: 1 — ЭТМД без теплозащитного кожуха: 2 — ЭТМД с теплозащитным кожухом; 3 — платик, ориентирующий вектор тяги ЭТМД в направлении через центр масс ММКА; 4 — КДУ
в состав ММКА для нижней торцевой схемы размещения
Рис. 4. Опорная альтернатива системы адаптации перемещаемой КДУ в состав ММКА для верхней торцевой схемы размещения: 1 — КДУ; 2 — плата КДУ; 3 — плата перемещения КДУ: 4 — узел перемещения всей КДУ типа вннт-гайка: 5 - пазы перемещения платы КДУ; 6 — торцевая схема установки КДУ на ММКА
Схема формирования струкутры опорных альтернатив приведена на рис. 5.
Уравнения 4-12 позволяют оценивать массовую эффективность данной опорной альтернативы. Оценку энергетической эффективности опорной альтернативы проводится с учетом уравнений массовой эффективности н графиков изменения температуры газообразного аммиака в ЭТМД. полученной по результатам летных испытаний ЭТМД [8.9] (рис. 6).
0,5 1 11,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5
Время работы ЭТМД. мин.
Время рабсиы ЭТМД. мин
Рис. 6. Изменение температуры газообразного аммиака в ЭТМД по результатам летных испытаний
С учетом циклограмм выхода ЭТМД на режим (рис. 6} выражение для характеристической скорости, обеспечиваемой КДУ в составе ММКА и характеризующей энергетическую эффективность ММКА. имеет вид:
-%TP(N-1)-%TBN tvf -%TBN-%TPN
-,5Kl -p" рГ5 pb рГ
AV=-g„p«M-S—-2-)-е01>--2-), (13)
--fTp(N-l) Мж --fTBN
"уд "уд
где AV- характеристическая скорость: g _
Pyfl - средний удельный импульс тяги ЭТМД при выходе на режим;
р _ _
Руд - средний удельный импульс тяги ЭТМД после выхода на режим:
М^- масса МКА с учетом массы КДУ и ее средств адаптации;
Рдв - тяга ЭТМД; Тв - время выхода ЭТМД на стационарный режим:
Тр - время работы ЭТМД на стационарном режиме;
N - количество включений КДУ,
Приведенные массы КДУ (массовая эффективность) н запасы характеристической скорости (энергетическая эффективность) для других опорных альтернатив определяются аналогично.
Таким образом, использование опорных альтернатив с их математическим описанием критериев эффективности дает эксперту информацию о квацноптнмальных решениях, что повышает достоверность оценок альтернатив ММКА методом аналитической иерархии.
Библиографический список
1. Чарушина. Е. Б. Анализ многокритериальных методов оценки эффективности маневрирующих малых космических аппаратов / Е. Б. Чарушина // Проблемы разработки, изготовления и эксплуатации ракетно-космической техники и подготовки инженерных кадров для авиакосмической отрасли / Федер. косм, агентство. Правительство Ом. обл.. ПО «Полег» - фил. ФГУП :<ТКНПЦ им. М. В. Хруннчева». ОмГТУ. Федерация космонавтики России -Омск. 2013.-С. 192-198.
2. Исследования электротермических микродвигателей корректирующих двигательных установок маневрирующих малых космических аппаратов : монография / В. Н. Блинов [и др.] : Минобрнауки России. ОмГТУ. - Омск : Изд-во ОмГТУ. 2014. - 264 с. : ил.
3. Блинов. В. Н. К выбору многоцелевых методов проектирования маневрирующих малых космических аппаратов / В. Н. Блинов. В. В. Шалай. Е. В. Ходорева // Проблемы раз-
работки, изготовления и эксплуатации ракетно-космической и авиационной техники : материалы 7-й Всерос. науч. конф. - Омск. 2012. - С. 21-27.
4. Блинов, В. Н. Особенности выбора и использования многоцелевых методов проектирования маневрирующих малых космических аппаратов / В. Н. Блинов. В. В. Шалай. Е. В. Ходорева // Дннамнка систем, механизмов и машин, - Омск : ОмГТУ. 2012. - № 2. -С. 138-143.
5. Пат. № 2332583 Рос. Федерация. МПК Е02К9/68. Электротермический микродвигатель /Блинов В Н.. Рубан В.П. [и др.]. № 2007105473/06 ; заявл. 13.02.2007 ; опубл. 27.08. 2008. Бюл. № 24.
6. Пат. № 2442011 Рос. Федерация. МПК Р02К9/68_ Электротермический микродвигатель / Блинов В. Н.. Рубан В. II. [и др.]. 2010127372/06 : заявл. 02.07.10; опубл. 10.02. 12. Бюл. № 4.
7. Пат. № 2375267 Рос. Федерация. МПК В6401/10. Многоцелевая служебная платформа для создания космических аппаратов / Блинов В. Н.. Иванов Н. Н. [и др.]. -№ 2008124844/11 : заяви. 17.06.08 ; опубл. 10.12.09. Бюл. № 34.
8. Оценка массовой эффективности маневрирующих малых космических аппаратов с двигательной установкой мнкротяги на аммиаке / В, Н, Блинов [и др.] ,7 Омский научный вестник. Сер. Приборы, машины и технологии. - 2012. - Вып. 1. - С. 59-62.
9. Исследование параметров двигательной установки мнкротяги на аммиаке по результатам натурных испытаний / В. Н. Блинов [и др.] // Омский научный вестник. Сер. Приборы. машины н технологии. - 2010. - Вып. 2. - С. 90-93.
