МЕТОДЫ ВАРИАБЕЛЬНОГО АНАЛИЗА И СИНТЕЗА СЛОЖНОГО ПРОЦЕССА УПРАВЛЕНИЯ СИСТЕМОЙ ЭЛЕКТРОРАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 629.785.05.036.7

методы вариабельного анализа и синтеза сложного процесса управления системой электроракетных двигателей космических аппаратов

© 2016 г. Ковтун В.С., фролов и.В.

Ракетно-космическая корпорация «Энергия» имени С.П. Королёва (РКК «Энергия») Ул. Ленина, 4А, г. Королёв, Московская обл., Российская Федерация, 141070, e-mail: post@rsce.ru

Определены методы вариабельного анализа и синтеза сложных процессов, происходящих на борту космических аппаратов, с проведением их общесистемного аналитического представления. В качестве примера для описания применения методов рассматривается управление системой электроракетных двигателей космических аппаратов «Ямал». Анализ и синтез сложного процесса в указанной системе производились для последующей оптимизации расхода рабочего тела при проведении маневров путем выбора варианта управления системой с минимальным секундным массовым расходом рабочего тела в электроракетных двигателях. Кроме того, указанные методы позволили устранить аномальные проявления в системе, приводящие к преждевременной выработке ресурса ее элементов и отказам в системе.

Представлена апробация применения вновь определенных методов вариабельного анализа и синтеза сложных процессов при управлении одной из бортовых систем в реальном полете космического аппарата «Ямал». Применение методов позволило значительно сократить затраты рабочего тела на выполнение программы полета геостационарных космических аппаратов - спутников связи и предотвратить развитие скрытой, реально возникшей аномальной ситуации, приводящей к отказу одного из элементов системы.

Определены аксиома и гипотеза, являющиеся вновь введенной методологической основой для вариабельного управления полетом космического аппарата. Проведено подтверждение выдвинутой гипотезы на основе результатов ее проверки при проведении маневра космического аппарата с использованием системы электроракетных двигателей.

Ключевые слова: методика вариабельного управления, метод вариабельного анализа, метод вариабельного синтеза, аксиома, гипотеза, сложный процесс управления, кластер процессов, агрегат сложного процесса, система электроракетных двигателей, стационарные плазменные двигатели, тяговый модуль, разрядный ток, разрядное напряжение, рабочее тело.

METHODS OF vARIABLE ANALYSIS AND SYNTHESIS

of the complex process of controlling a system of spacecraft electric propulsion thrusters

Kovtun v.S., Frolov I.v.

S.P. Korolev Rocket and Space Public Corporation Energia (RSC Energia) 4A Lenin str., Korolev, 141070, Moscow reg., Russian Federation, e-mail:post@rsce.ru

The paper identifies methods of variable analysis and synthesis of complex processes occurring onboard spacecraft providing their system-wide analytical representation. Discussed as an example of the methods application is the controlling of a system of electric thrusters on Yamal spacecraft. Analysis and synthesis in the said system were performed for subsequently optimizing the propellant consumption during maneuvers by selecting a system control option with minimal mass flow rate in the thrusters. Additionally, the said methods made it possible to resolve anomalies in the system, which otherwise would have resulted in reduced life expectancy of its elements and system failures.

ковтун B.C. Фролов и.в.

КОВТУН Владимир Семенович — кандидат технических наук, главный специалист РКК «Энергия», e-mail: vladimir.s.kovtun@rsce.ru

KOVTUN Vladimir Semenovich — Candidate of Science (Engineering), Chief specialist at RSC Energia, e-mail: vladimir.s.kovtun@rsce.ru

ФРОЛОВ Игорь Владимирович — генеральный конструктор автоматических космических комплексов и систем РКК «Энергия», e-mail: igor.frolov1@rsce.ru

FROLOV Igor Vladimirovich — General designer of automatic complexes and systems at RSC Energia, e-mail: igor.frolov1@rsce.ru

The paper presents validation of the newly identified methods for variable analysis and synthesis of complex processes during control of one of the onboard systems in an actual mission of a Yamal spacecraft. The use of the methods made it possible to significantly reduce propellant requirements for the communication satellites geostationary mission and prevent the propagation of a hidden anomalous situation which actually occurred and would have resulted in the failure of one of the system's elements.

An axiom and a hypothesis were defined, which are the newly introduced methodological foundations for variable flight control of a spacecraft. The proposed hypothesis was confirmed based on the results of its verification during a spacecraft maneuvering using a system of electric thrusters.

Key words: variable control method, variable analysis method, variable synthesis method, axiom, hypothesis, complex control process, process cluster, complex process aggregate, system of electric thrusters, stationary plasma thrusters, thrust module, discharge current, discharge voltage, propellant.

В основе методологии вариабельного управления полетом космических аппаратов (КА) лежит концепция исследования и изучения различных вариантов процессов, протекающих в работающих бортовых системах, обеспечивающих достижение одних и тех же главных полетных целей с учетом текущего состояния КА и его взаимодействия с внешней средой при разных затратных показателях бортовых ресурсов и времени, а также надежности и живучести аппаратов. Методология вариабельного управления — это набор методик управления полетными операциями автоматических КА, применяемых к различным бортовым системам через методы вариабельного управления сложными процессами, при общей схеме проводимых исследований, представляющей собой единый комплекс общих принципов и методов, понятийного аппарата, терминологии, а также показателей и критериев оценки

результатов, используемых для различных вариантов управления с учетом текущего состояния КА с целью выбора варианта, обеспечивающего наиболее эффективное выполнение программы полета КА [1].

Методика вариабельного управления полетными операциями автоматических КА рассматривается как определенная совокупность методов вариабельного управления сложными процессами, происходящими в физических системах КА. Метод вариабельного управления сложным процессом — это способ выбора путем исследования одного из множества возможных вариантов управления сложным процессом, достигающих одной главной полетной цели, реализуемых через физические системы (устройства) КА. Неотъемлемыми свойствами таких систем являются неповторяемость (неклонируемость), изменчивость (разнообразие, переменчивость) некоторых их функций, а также

характеристик либо параметров происходящих процессов как внутри одной системы, так и при взаимодействии систем между собой и внешней средой.

Для раскрытия методологических принципов исследуем вариабельными методами анализа и синтеза одну из наиболее типовых полетных операций (ПО) — выполнение орбитального маневра аппарата с использованием электроракетных двигателей. При этом проведем общее аналитическое представление методов, выбрав в качестве примера управление системой электроракетных двигателей (СЭРД).

Аналитическое представление бортовых процессов космического аппарата методом вариабельного анализа

Для анализа осуществим декомпозицию сложного процесса управления полетом КА по четырем уровням членения на: базовые процессы (БП), происходящие на уровне КА (1-й); процессы, происходящие на системных (2-й), элементных (3-й) и внутриэлементных (4-й) уровнях [1]. При исследовании и изучении процессов применим как вертикальную, так и горизонтальную членимость и вложенность (инвестицию) процессов. Для этого используем новый методический прием — стратификацию сложного процесса управления полетом КА [1]. Таким образом, в методологии вариабельного управления осуществляется переход от управления КА как материальным объектом к управлению сложными процессами, происходящими на борту КА. Регуляторами этих процессов являются: на первом уровне страт — КА, взаимодействующий с внешней средой; на втором — системы КА; на третьем — элементы систем и на четвертом уровне страт — внутриэлементные устройства. Переход позволяет расширить круг проводимых исследований как для физических процессов, протекающих в проводных интерфейсах регуляторов процессов и в соединениях их конструктивных элементов (при вертикальной членимости), так и для процессов в объектах, не имеющих контакта от прикосновения (взаимодействующих на физическом уровне при горизонтальной членимости).

Анализ процессов, протекающих в бортовых регуляторах, производится в течение всего жизненного цикла КА, включающего летные испытания и весь полет. Каждый процесс на борту КА описывается (характеризуется) с использованием информации оперативного контроля (ИОК), представленной множествами значений аналоговых, температурных

и дискретных телеметрических параметров, а также параметров-сообщений, формируемых алгоритмами бортовых вычислительных средств. В результате для описания явлений, происходящих во всех регуляторах, в каждой страте создаются (путем параметрического описания свойств процессов) и пополняются множества ) простых процессов (П), для которых введем обозначения:

1-я страта, базовые процессы:

МС1 = КП.) = {П. // = 1, 2, ..., /}, (1)

где / — обозначение БП;

2-я страта, системные процессы:

Мс2 = КП*) = {Пр/ = 1, 2, ..., /; 5 = 1, 2, ..., 5; £ = 1, 2, ..., К},

где 5 — обозначение системного процесса при £-м варианте реализации [2];

3-я страта, элементные процессы:

МС3 = = {П* // = 1 2 . /; (3)

5 = 1, 2, ..., 5; £ = 1, 2, ..., К; р = 1, 2, ..., Р},

где р — обозначение системного элемента;

4-я страта, внутриэлементные процессы:

(2)

МС4 = КПр = {П* / / = 1 2 .. /; 5 = 1, 2, ..., 5; £ = 1, 2, ..., К; р = 1, 2, ..., Р; 2 = 1, 2, ..., 7}

(4)

где 2 — обозначение внутриэлементного процесса.

При этом процесс называют простым, если для него можно разработать одну знаковую (математическую) модель, описывающую изменение различных параметров процесса во времени. Сложный процесс рассматривается как совокупность простых процессов [1]. Таким образом, каждый процесс аналитически представлен своим множеством, описывающим показатели процесса, определенные параметрами ИОК, получаемыми с борта КА, а также параметрами, получаемыми при проведении исследований на этапах технического генеза объектов-регуляторов процессов и дальнейшего их стендового сопровождения на материальном заменителе (модели) оригинала. При этом в описании множеств процессов, регуляторами которых являются материальные объекты, используются понятия членимости и вложенности (инвестиции) из общей теории систем [3]. По этой теории каждый материальный объект на борту КА есть система (сложный процесс), далее каждый ее элемент (в общем случае) также является системой (сложным процессом), а с позиции рассматриваемой системы — подсистемой (сложным процессом), которая, в свою очередь, состоит из своих элементов и т. д.

В множествах (1-3) процессы рассматриваются одновременно как простые и сложные. Существующий дуализм не противоречит логике управления полетом КА, так как простые процессы страт первого-третьего уровней одновременно являются сложными, содержащими в себе процессы более низкого уровня. В принятой иерархии процессы четвертого уровня — простейшие, т. е. условно они не содержат в себе процессов еще более низкого уровня [1].

Поскольку каждый из сложных процессов определен множеством параметров, на них распространяются все операции математической логики над множествами, а также понятия отображения и мощности множеств.

Метод вариабельного анализа — это способ разложения сложных процессов, протекающих в физических системах (устройствах) КА, на первичные (простые) и распределения их по определенным вариантам множеств, находящихся на стратах одного уровня. Основное его отличие от существующего метода анализа, заключающегося в исследовании и изучении отдельных сторон, свойств и составных частей объектов, состоит в том, что при вариабельном анализе для исследования и изучения производится мысленное или фактическое разложение целого на варианты составных частей как при вертикальном, так и горизонтальном членении процессов.

применение методов вариабельного анализа бортовых процессов при управлении полетом космического аппарата

Сложный процесс управления КА при проведении маневра включает в себя множество БП (1) ц(И.) = {П1, П2, П3, П4, П5}:

• управление движением центра масс (П1);

• управление движением относительно центра масс (П2);

• энергообеспечение (П3);

• терморегулирование (П4);

• управление бортовым комплексом служебных систем (П5).

Системные процессы (2), происходящие в СЭРД, в соответствии с принципами вариабельного управления инвестируются в БП (П1) «управление движением центра масс», так как по своему функциональному предназначению основным выходным параметром системы в целом является тяговое усилие, создаваемое электроракетными двигателями в составе тяговых модулей (ТМ).

СЭРД, как объект управления, обладает функциональной избыточностью структурного построения (рис. 1) [2, 4], направленной на обеспечение общего полетного ресурса КА «Ямал» с учетом отказа в системе одной из линеек управления в блоке электропитания (БЭП) или в блоке автоматики тяговых модулей (БАТМ) на начальной стадии полета аппарата. Из ранее проведенного описания [4] следует, что в состав БЭП входят два независимых устройства управления (по первому и второму каналам), а в составе БАТМ выделены две линейки для работы с ТМ первой (1, 3, 5, 7) и второй групп (2, 4, 6, 8). При этом каждый тяговый модуль состоит из стационарного плазменного двигателя (СПД) и блока газораспределения (БГР)

[2]. С учетом того, что каждый из восьми СПД может работать на одном из двух катодов, по одному из двух каналов БЭП, в изначально исправном состоянии СЭРД обеспечивает 32 варианта протекания системных процессов для решения одной функциональной задачи — создания тягового усилия на КА. Наличие указанных вариантов достижения одной главной полетной цели определяет признак вариабельности управления СЭРД, а применяемый далее способ выбора варианта назовем «вариабельным методом управления СЭРД» [2].

Каждый из указанных системных процессов может протекать в k-м элементном

(3) варианте где & = 1, 2, ..., 32. При этом первый вариант рассматривает работу СЭРД с использованием ТМ1 на первом катоде, второй вариант — ТМ1 на втором катоде, третий вариант — ТМ2 на первом катоде и т. д. до шестнадцатого варианта — ТМ8 на втором катоде. В свою очередь, каждый из указанных вариантов может быть реализован с использованием первого или второго каналов управления блока электропитания (рис. 1).

Системные процессы СЭРД формируются из процессов, происходящих в ее р-х элементах П(к), где р = 1, 2, ..., 10 являются элементами-регуляторами процессов в выражении (3). При этом вводятся обозначения: для ТМ1-ТМ8 — с первого по восьмой элементы, соответственно; БЭП — девятый элемент; БАТМ — десятый.

Внутриэлементное деление 2-х процессов ПЭД (4), происходящих в БГР каждого ТМ, р = 1, 2, ..., 8 и подвергаемых анализу, представлено в табл. 1.

Рис. 1. Структурная схема системы электроракетных двигателей: БЭП — блок электропитания; БАТМ — блок автоматики тяговых модулей; ИА — измерительная аппаратура; ИУ - исполнительные устройства; ЭПК — электропневмоклапан; БГР — блок газораспределения; СХП — средства хранения и подачи рабочего тела; ОДУ — объединенная двигательная установка; ТМ1, 2, ..., 8 — тяговые модули [2]

Таблица 1

процессы, анализируемые в блоке газораспределения тягового модуля

Название процесса по обозначению индекса г Регулятор процесса Обозначение процесса (П)

Подача Хе через входной клапан основной линии подачи ЭПК1 1

Расход Хе через входной жиклер основной линии подачи Ж1 2

Термодросселирование Хе в основной линии подачи ТД1 3

Расход Хе через жиклер основной линии подачи в катод Ж3 4

Подача Хе в катод через клапан основной линии подачи ЭПК3, ТП 5

Фильтрация Хе на входе в катод по основной линии подачи Ф3 6

Расход Хе через жиклер основной линии подачи в анод Ж5 7

Подача Хе в анод через клапан основной линии подачи ЭПК5, ТП 8

Фильтрация Хе на входе в анод по основной линии подачи Ф1 9

Подача Хе через входной клапан резервной линии подачи ЭПК2, ТП 10

Расход Хе через предварительный жиклер резервной линии Ж2 11

Термодросселирование Хе в резервной линии подачи ТД2 12

Расход Хе через жиклер резервной линии подачи в катод Ж6 13

Подача Хе в катод через клапан резервной линии подачи ЭПК6, ТП 14

Фильтрация Хе на входе в катод по резервной линии подачи Ф4 15

Расход Хе через жиклер резервной линии подачи на анод Ж4 16

Подача Хе в анод через клапан резервной линии подачи ЭПК4, ТП 17

Фильтрация Хе на входе в анод по резервной линии подачи Ф2 18

Примечание. ЭПК1...6 — электропневмоклапаны линий подачи ксенона (Хе); Ж1...6 — жиклеры линий подачи Хе; ТД1, 2 — термодроссели основной и резервной линий подачи Хе; ТП — трубопроводы; Ф1...4 — фильтры основной и резервной линий подачи Хе.

Внутриэлементное деление 2-х процессов П^ (4) для р = 1, 2, ..., 8, происходящих в СПД каждого ТМ и подвергаемых анализу, представлено в табл.2.

Внутриэлементное деление 2-х процессов П^ (4) для р = 9, происходящих в БЭП

и подвергаемых анализу, представлено в табл. 3.

Внутриэлементное деление 2-х процессов (4) для р = 10, происходящих в БАТМ и подвергаемых анализу, представлено в табл.4.

Таблица 2

процессы, анализируемые в стационарном плазменном двигателе тягового модуля

Название процесса по обозначению индекса г Регулятор процесса Обозначение процесса (П)

Накал первого катода ЭК1, КАТ1 19

Поджиг разрядной дуги на первом катоде ПЭ1, КАБ 20

Накал второго катода ЭК2, КАТ2 21

Поджиг разрядной дуги на втором катоде ПЭ2, КАБ 22

Создание квазирадиального магнитного поля МС, КАБ 23

Создание продольного электрического поля между анодом и первым катодом АНОД-КАТ1, ВВ 24

Создание продольного электрического поля между анодом и вторым катодом АНОД-КАТ2, ВВ 25

Примечание. ЭК1, 2 — электронагреватель накала катода первого, второго; КАТ1, 2 — катод первый, второй; ВВ — высоковольтный ввод; КАБ — низковольтный электрический кабель; МС — магнитная система; ПЭ1, 2 — поджигной электрод первый, второй.

Таблица 3

процессы, анализируемые в блоке электропитания

Название процесса по обозначению индекса 2 Регулятор процесса Обозначение процесса (П)

Формирование переменного напряжения 28 ±0,5 В, 10 кГц по первой линейке ЗГ1 1

Предварительное усиление по мощности переменного напряжения на первой линейке ПУМ1 2

Подключение к УМ первой линейки УУ1 с подключенными шинами питания СЭС АРК СЭС*, БФК ДУ*, К1 3

Формирование переменного напряжения 28 ±0,5 В, 10 кГц по второй линейке ЗГ2 4

Предварительное усиление по мощности переменного напряжения на второй линейке ПУМ2 5

Подключение к УМ второй линейки УУ2 с подключенными шинами питания СЭС АРК СЭС*, БФК ДУ*, К2 6

Усиление мощности под номинальную нагрузку УМ 7

Силовая трансформация напряжения до 300±15 В ТР 8

Выпрямления двух переменных напряжений 300±15 В в постоянное напряжение ВП 9

Электропитание БАТМ от переменного напряжения УМ 10

Электропитание БАТМ от высоковольтного напряжения ВП 11

Примечание. ЗГ1, 2 — задающий генератор первый, второй; ПУМ1, 2 — предварительный усилитель мощности первый, второй; К1, 2 — коммутатор первый, второй; АК СЭС* — автоматика регулирования и контроля системы электроснабжения КА; БФК ДУ* — блок формирования команд двигательной установки; УУ1, 2 — устройство управления первое, второе; * — обозначение смежных систем; УМ — усилитель мощности; ТР — трансформатор; ВП — выпрямитель.

Таблица 4

процессы, анализируемые в блоке автоматики тягового модуля (БАтм)

Название процесса по обозначению индекса г Регулятор процесса Обозначение процесса (П)

Преобразование переменного напряжения в напряжение питания устройств в составе БАТМ ТРБ 1

Выбор цепи накала катода УКБ1, 2 2

Формирование тока накала катода РТН1, 2 3

Измерение тока накала катода УТ1, 2 4

Формирование тока накала термодросселя в «дежурном режиме» РТТ1, 2 5

Измерение тока накала термодросселя в «дежурном режиме» РТТ1, 2 6

Продувка пневмотрактов ТМ ВРБ1, 2 7

Измерение тока в ЭПК ИА УЗЗ1, 2 8

Открытие и удержание ЭПК в рабочем положении ТРБ, УЗЗ1, 2 9

Подключение анода выбранного ТМ к источнику высокоразрядного напряжения УЗЗ1, 2; ИРТ 10

Подключение термодросселя в «рабочий режим» ТРБ, УЗЗ1, 2, ТД 1, 2 11

Формирование импульсов высоковольтного напряжения на поджигной электрод ГИП1,2; УЗЗ1, 2 12

Формирование импульсов низковольтного напряжения на поджигной электрод ГИП1, 2; УЗЗ1, 2 13

Формирование разрядного анодно-катодного тока РРТ1, 2; ИРТ 14

Формирование разрядного высоковольтного напряжения УЗЗ1, 2 15

Примечание. ТРБ — трансформатор БАТМ; УКБ1, 2 — устройство коммутации БАТМ первое, второе; РТН1, 2 — регулятор тока накала катода первый, второй; УТ1, 2 — устройство телеметрии первое, второе; РТТ1, 2 — регулятор тока ТД1, 2; ВРБ1, 2 — внутренний релейный блок первый, второй; ИА — измеритель тока анода; ИРТ — измеритель разрядного тока анода; УЗЗ1, 2 — устройство запуска и защиты первое, второе; ТД1, 2 — термодроссели основной и резервной линий подачи Хе; ГИП1, 2 — генератор импульсов поджига первый, второй; РРТ1, 2 — регулятор разрядного тока первый, второй.

аналитическое представление метода вариабельного синтеза бортовых процессов космического аппарата

При вариабельном управлении синтез сложных процессов производится путем объединения первичных процессов на разных уровнях страт в кластеры и агрегаты [1]. Кластер процессов — объединение нескольких процессов по формальному критерию наличия пересекающихся параметров множеств простых процессов. Типичным примером номинального кластера при синтезе внутриэлементных процессов в элементах СЭРД является объединение разрядного процесса в СПД (Пр) с процессами в термодросселе БГР (П ) и магнитном регуляторе (МР) в БАТМ (ПМр) [2].

Для обеспечения стабильной работы ТМ в БАТМ функционирует подсистема стабилизации тока разряда 1р током термодросселя 1ТД, реализующая линейную зависимость I = /(1ТД) [2]. Аппаратно эта задача реализуется в БаТМ через МР, на один вход которого с датчика тока разряда поступает текущее значение I, а на другой вход

подается прецизионная токовая установка 1ОП, соответствующая на выходе системы номинальному току разряда 1р = 2,23±0,1 А. Исполнительными устройствами (регуляторами процессов) системы стабилизации являются термодроссели ТД1 и ТД2 (рис. 1), которые работают по принципу изменения расхода ксенона в капиллярной трубке за счет нагрева ее током, подаваемым от МР. При этом за счет нагрева изменяется вязкость ксенона, и тем самым изменяется его расход. В свою очередь, от количества поданного в разрядную зону ксенона зависит величина сопротивления разрядной дуги, определяющего, при номинальном разрядном напряжении, величину разрядного тока. От разрядного тока напрямую зависит величина тягового усилия, создаваемого СПД. Расходная характеристика ТД при изменении тока нагрева капилляра имеет нелинейный вид [2]. Из указанного взаимодействия образуется номинальный токовый кластер К = П пПТ.пПМР = {1, 1ТД, 1ОП}, являю-

I р ТД МР ^ р ТД' ОШ '

щийся одним из основных при управлении СЭРД.

Агрегировать процессы — значит объединять их с целью получения обобщенных совокупных параметров более сложных процессов [1]. Агрегаты процессов объединяют в себе как кластеры, так и простые процессы. Агрегат сложного процесса обладает свойством эмерджентности при внутренней своей целостности, что передается от эмерджентных свойств регуляторов процессов. При этом агрегаты сложных процессов страт более низкого уровня инвестируются в агрегаты страт сложных процессов более высокого уровня.

Например, агрегат сложного процесса СЭРД «Формирование тягового усилия в ТМ» объединяет в себе агрегаты элементных сложных процессов в следующих устройствах:

• БЭП «Обеспечение работы системы при низковольтной нагрузке переменного и высоковольтной нагрузке постоянного токов»;

• БАТМ «Формирование разрядного напряжения и разрядного тока»;

• БГР ТМ «Дросселирование подачи рабочего тела»;

• СПД ТМ «Обеспечение анод-катодного разряда».

В свою очередь, каждый из агрегатов элементных процессов содержит в себе кластеры из внутриэлементных и простых процессов [1, 2].

Фрагмент структуры программы полета (ПП) КА на п-м полетном интервале (витке) содержит множество ) 1-х ПО [5]:

ПОЕп = ц(ПО. / = 1, 2, ..., Г)п. (5)

Агрегат ЛС1,п сложного процесса управления полетом КА (П ), обеспечивающий реализацию ПП через выполнение множества ПОЕп, объединяет в себе БП (Пп), составленные из элементов множества (1) по одному из вариантов объединения в подмножества це(П.) с ц(П.), где С = 1, 2, ..., 2:

, .. (6)

\къ

А^ = Ц(П).

ьЪп уп

Следовательно, агрегат Арассматрива-ется как один из элементов множества возможных вариантов сложного процесса управления полетом КА на п-м интервале, определенном по выбору состава БП:

МА = Ц(АСТ)П = |(ЛС2)П /п = 1, 2, ..., N

ОЕп

С = 1, 2, ..., 2}.

(7)

При штатном управлении полетом КА «Ямал» характерным для выполнения ПП является использование трех следующих агрегатных состояний сложного процесса управления полетом КА (^ = 1, 2, 3) (6), определенных подмножествами БП:

• управление КА после выведения на орбиту ракетой-носителем и перелета в точку стояния на ГСО объединяет в себе процессы подмножества ц1(П.)

а1ет = У^(п,); 1^(П.) = {пр ^ п^ п^ П5}; ^(П.) с КП.);

• управление КА при поддержании заданной орбитальной ориентации в точке стояния на ГСО и работающем бортовом радиотехническом комплексе (БРК) (П6) объединяет в себе процессы подмножества ц2(П.)

а2ет = 7^2(П); '

^(П) = {П2, П3, П4, П5, П6}; Ц2(П.) с ц(П.);

• управление КА при поддержании заданной орбитальной ориентации в точке стояния и работающем БРК с проведением маневра объединяет в себе все перечисленные процессы А3СХ = ^(П).

В свою очередь, агрегат Лд.п сложного БП (Пп) объединяет в себе системные процессы (Пук), составленные из элементов множества (2) по одному из £-х вариантов объединения в по где £ = 1, 2, ..., Е:

объединения в подмножество ц^ПУ4) с |а(Пк)

Ап = ^ у. (8)

кеК

При этом агрегат А^п рассматривается как

один из элементов множества М^ возможных

А

С]п

£-х вариантов каждого сложного БП на п-м интервале, определенном по выбору состава системных процессов

МА = КАс,)п = {(Ас) /п = 1 2, . N

С]п

а^ п

С]/п ■

(9)

£ = 1, 2, ..., Е; ] = 1, 2, ..., /}.

Продолжим рассмотрение примера. БП движения центра масс (П1) включает в себя системные процессы, происходящие в системе управления движением и навигацией (СУДН) (П1; ] = 1; 5 = 1); СЭРД (П2; ] = 1; 5 = 2); СХП (П3; ] = 1; 5 = 3). В свою очередь, каждый системный процесс имеет варианты своей реализации [2]. Выберем, например, для каждого первый вариант (& = 1), для которого (П11, ] = 1; 5 = 1; & = 1); (П?1, ] = 1; 5 = 2; & = 1); (П11, ] = 1; 5 = 3; & = 1).

Таким образом, получаем первое подмножество БП движения центра масс КА

^(П?) = {П?1, П21, П?1};

А% = 5и Ц1(П^к); ц^) с КП/).

кеК

При изменении варианта управления процессами в СУДН и сохранении первых вариантов СЭРД и СХП получим второе подмножество БП движения центра масс КА (п;2, ] = 1; 5 = 1; к = 2)

) = {п;2, п;;, };

АС = и ^(п?);

кеК

^(п?) С ц(П;к).

Далее, рассматривая все рабочие варианты процессов в СУДН при к = 1, ..., К (2), получим соответствующее число подмножеств, связанных с возможностью многовариантного применения СУДН на маневре. Аналогично, рассматривая число подмножеств для процессов, происходящих в СЭРД и СХП, получим также агрегаты процессов многовариантного применения указанных систем на маневре.

Агрегат А^* сложного системного процесса (П^) объединяет в себе элементные процессы (Пр), выбранные из множества (3) по одному из х-х вариантов объединения в подмножество ^(Пр с ц(П|к), где х = 1, 2, ..., X:

A j = Un (П5*>.

Gjn peP v jp'n

(10)

При этом агрегат А^П рассматривается как один из элементов множества Мх, возможных

ас

Суп

Х-х вариантов каждого сложного системного процесса на п-м интервале, определенном по выбору состава элементных процессов

M, = ^(AGk>n = {(AGk)n / n = 1, 2

AG

Gjn

Gjn '

- ' ••• 1 -L ' >

N;

X = 1, 2, ..., X; j = 1, 2, ..., J; s = 1, 2, ..., 5; k = 1, 2, ..., K}.

(11)

Например, вариант СЭРД (П1, j = 1; s = 2; k = 1) может включать в себя вышерас-смотренные процессы, протекающие в p-х элементах-регуляторах. Тогда первое подмножество из указанных элементов образует агрегат рассмотренного системного процесса

*(П£) = те, П19, ЧУ; AGI1 = ¡jp ^1(П-);

^(Ш) С ц(П^),

включающий процессы, протекающие в ТМ1, работающем на первом катоде СПД при задействованных первом канале БЭП1 и первой линейке БАТМ1. При работе СЭРД на первом катоде ТМ2 на тех же канале и линейке процессы второго подмножества объединятся в новый агрегат

= № ЧУ; AG12 = k ^(П;р); ^(Пр) С Kj.

По такому же принципу формируются ранее рассмотренные 32 варианта агрегатов системных процессов в СЭРД из элементных процессов.

Агрегат Ак сложного элементного про-К-п к \ £№п '

цесса (П|П) объединяет в себе внутриэлемент-

ные процессы (Пр), выбранные из множества (4) по одному из v-х вариантов объединения в подмножество ^(П^) с ц(П^), где V = 1, 2, ..., К:

А1Ь = Ц(т*У. (12)

При этом агрегат А^н рассматривается как один из элементов множества М\ возможных

ас

Сурп

v-х вариантов каждого сложного элементного процесса на п-м интервале, определенном по выбору состава внутриэлементных процессов

MA;k = ^Юп = {(AU / n = 1, 2 N;

Gjpn

V = 1, 2, ..., N ] = 1, 2, ..., /;

5 = 1, 2, ..., 5; к = 1, 2, ..., К; (13) Р = 1, 2, ..., Р}.

Например, для элементного процесса СПД, работающего на первом катоде, подмножество внутриэлементных процессов, представленное в табличном виде (см. табл. 1), имеет вид

^(пр) = п?* п2;;,з, п;;м};

]рг

а2,;; = и ц/ш).

с;; 1у Р'

Выражения (9-13) базируются на принципе инвестиций (вложений) множеств агрегатов процессов более низких уровней страт во множества агрегатов процессов более высоких уровней страт

МС4 с М* с Мх с М\ с М\ с МПП , (14)

С4 А'к. Ак АГ. Аг. ППП у у

Сурп Суп Суп Суп

где МС4 — множество внутриэлементных процессов четвертой страты; М — множество

ППп

вариантов синтезированных агрегатов сложного процесса управления полетом КА, обеспечивающих выполнение программы полета на п-м полетном интервале. При этом элемент (вариант выполнения ПП (5)) множества МПП в выражении (14) определяется фиксированным значением индексов Х, V, устанавливающих вариабельную мощность множеств агрегатов БП, системных, элементных и внутриэлементных процессов, соответственно. Изменение одного индекса элемента множества

и более рассматривается как изменение варианта выполнения ПП. В свою очередь, необходимые условия изменения индексов £, х, V заключаются в изменении выбранного процесса (обозначенного соответствующими индексами) в соответствующих стратах:

С ^]; £ ^ 5, &; х ^ р; V ^ 2.

Множество М конечно, что следует

п

из конечного количества процессов, рассматриваемых на уровнях четырех страт.

Метод вариабельного синтеза сложных процессов — это способ образования из множеств простых процессов разных страт вариантов агрегатов (объединений) для выполнения полетных операций автоматических КА, каждый из которых обеспечивает достижение одной и той же главной полетной цели с учетом текущего состояния КА и его взаимодействия с внешней средой при разных затратных показателях бортовых ресурсов и времени, а также — разных оценках надежности и живучести аппаратов.

Перед началом проведения исследований осуществляется скоординированный выбор вариантов сложных процессов для синтеза, т. е. выбираются только те варианты прохождения процессов, которые определяются этапами главной полетной цели КА.

Агрегирование сложных процессов в элементах системы электроракетных двигателей

В качестве примера применения метода синтеза процессов при вариабельном управлении рассматривается агрегирование состояний сложных процессов, происходящих в отдельных элементах СЭРД (8) в соответствии с этапами (циклограммой) работы системы [2]. Агрегаты процессов, происходящих в элементах СЭРД, инвестируются в уровень страты агрегатов системных процессов (7).

Каждый агрегат элементного процесса представлен множеством первичных пересекающихся наблюдаемых и управляемых процессов [1]. При этом определены и показаны номинальные пересечения процессов, которые изучались по параметрам контроля в полете на борту КА и исследовались в наземных стендовых комплексах, осуществляющих сопровождение полета КА. Наземные исследования позволяли осуществлять детальную диагностику работы каждого регулятора внутриэлемент-ного процесса. Для этого, после наработки

системой определенного ресурса, производился частичный разбор элементов с визуальным осмотром и измерением характеристик всего состава электрорадио-изделий в приборах питания и управления для определения их технического состояния.

В ТМ определялась степень износа разрядной камеры, разрушения анода и катода после определенной огневой наработки модулей [2, 4]. От указанных изменений напрямую зависят изменения тяги ТМ и расход рабочего тела (РТ). Важным является не только определение состояния элементов СЭРД, но и причина произошедших изменений. Таким образом, агрегирование сложных процессов, происходящих в элементах СЭРД, являлось неотъемлемой предпосылкой для решения задач технической генетики [6] — определения путем изучения и исследования возможных или вероятностных предысторий изменений в системе, ведущих в настоящее (терминальное) ее состояние (в т. ч. влияющих на расход РТ в ТМ и возможные аномальные ситуации).

Агрегат сложного процесса в блоке электропитания. В соответствии с циклограммой работы СЭРД [2] рассмотрены четыре возможных состояния агрегата сложного процесса (1. 4) А9, протекающего в БЭП (табл. 5).

В агрегатном представлении сложных процессов рассмотрены как сами процессы, так и обусловленные их взаимозависимостями явления, которые проявлялись и изучались во время полета КА и на стендовых испытаниях. При этом в табл. 5 не указаны процессы и параметры контроля релейных команд блока формирования команд двигательной установки.

Агрегат сложного процесса в блоке автоматики тяговых модулей. В соответствии с циклограммой работы СЭРД (2) рассмотрены четыре возможных состояния агрегата сложного процесса (1.4) А10, протекающего в БАТМ (табл. 6).

Агрегаты сложных процессов в тяговых модулях. Агрегаты сложных процессов ТМ, сформированные на базе первичных процессов для элементов р = 1, 2, . , 8 (см. табл. 1, 2), представлены в табл. 7. Аналогичным является построение агрегатов 16-ти возможных вариантов, при этом каждый из них имеет отличия (в пределах допуска) в выходных параметрах контроля.

Таблица 5

агрегирование сложных процессов в блоке электропитания

Индекс (интервал) Название агрегата Агрегатное представление процессов Параметры контроля

1А9(ТО — ДТ1) Включение БЭП П9(3) V П9(6) Выбор ЗГ1(2)

( П9(3)

2А9(То — Дт2) Включение ЗГ1(ЗГ2) V V П9(6) /П9(1) V V П9(4) П9(7) П9(2) V П9(5) П9(8) П9(9) Вкл. ЗГ1(2) НР1(2) ПН

П9(3)

3Ад(То<Т< Т) Подключение и работа под низковольтной нагрузкой переменного тока V \П961/ /Пр)у V Л П9(4) ( П9(10) П9(2) V {] П9(7) П9(5) П9(9) П9(8) Выбор ТМ ТН1(2) ТТ1(2) ТЭПК1(2)

^(Т^К Гуд) Подключение высоковольтной нагрузки и работа под низковольтной нагрузкой переменного и высоковольтной нагрузкой постоянного тока /П9(1)ДП9(2)Ху^ — V 1 V | П9(7) ( ) П9(8) V П9(4) Уп9(5) у, у Вкл. ЭПК ТЭПК1(2) НР1(2) ПН ТА1(2)А,Б,В ТТ1(2)

Примечание. В таблице указаны моменты времени: Т0 — включение в выбранном ТМ трактов накала катода и термодросселя (в дежурном режиме) и ЭПК выбранного ТМ и катода; Т1 — включение разрядного напряжения и тока выбранного ТМ, включение двух ЭПК в БГР для выбранного катода; Ат1 — временной интервал, определяющий включение ПУМ1 (ПУМ2), выбор ЗГ1 (ЗГ2); Дт2 — временной интервал, определяющий включение ЗГ1 (ЗГ2); Дт1 > Дт2; Тс — приведение СЭРД в исходное состояние, выключение системы. параметры контроля процессов: НР1(2) — напряжение разряда на первом (втором) выходе БЭП (и ); ПН — переменное напряжение на выходе БЭП; ТН1(2) — ток накала первого (второго) катода (1Н); ТТ1(2) — ток термодросселя первой (второй) линии подачи ксенона (1ТД); ТЭПКА — ток в ЭПК при подаче Хе в анод СПД ТМ; ТЭПК1(2) — ток в ЭПК для включения ЭПК первой (второй) линии подачи ксенона; ТА1(2) А, Б, В — ток разряда (анода) первой (второй) группы ТМ по трем измерительным каналам А, Б, В датчика (1р). индексы агрегатного представления процессов соответствуют обозначениям в табл. 3.

Таблица 6

Агрегирование сложных процессов в блоке автоматики тягового модуля

Индекс (интервал) Название агрегата Агрегатное представление процессов Параметры контроля

1АМ(Г0<Г< Т) Включение тока накала катода, дежурного режима ТД, ЭПК выбранного ТМ и катода /—^ П10(7) ) П10(1) | П10(3) ) П10(4) ) ( П10(8) -^-^ ^ П10(20 Выбор ТМ ТН1(2) ТТ1(2) ТЭПК1(2) Вкл. ЭПК

2Аю(Г1<Г< Тг) Включение разрядного напряжения и тока выбранного ТМ, двух ЭПК в БГР выбранного катода ^ШкПЩ14)()П10(11)Л П10(1) | П 10(3Ш П10(4) ) ТЭПК1(2) НР1(2) ПН ТН1(2) ТТ1(2)

3Аю(Г2<Г< Т3) Поджиг разрядной дуги (П10(13) ] /^~Чп10(14^П10(11)(] П10(1) | П10(3) А П10(4) ) ТН1(2) ТТ1(2) ТЭПК1(2) ПН НР1(2) ТА1(2) А,Б,В

4А1о(Гз<Г< Гуд) Анодно-катодный разряд Вкл. ЭПК ТЭПК1(2) НР1(2) ПН ТА1(2) А,Б,В ТТ1(2)

Примечание. См. примечание к табл. 5. В табл. 6 дополнительно рассмотрены в циклограмме моменты времени: Т2 — включение ГИП; Т3 — выключение тока накала катода и ГИП. индексы агрегатного представления процессов соответствуют обозначениям в табл. 4.

агрегирование сложных процессов в тяговом модуле

вариабельные методы управления полетом космического аппарата

Из результатов синтеза сложных процессов в СЭРД следует, что для этапного достижения главной полетной цели, заключающейся в формировании номинальных параметров орбиты, существует множество из 32-х вариантов работы движителя, из которых необходимо через исследования каждого варианта выбрать один.

Для выбора варианта управления СЭРД помимо главной была сформулирована опосредованная полетная цель «минимизация расхода РТ» при проведении маневров с использованием электроракетных двигателей. Указанная цель достигается каждый раз выбором варианта управления СЭРД,

Таблица 7

при котором в СПД формируется максимальное значение удельного импульса тяги [7]. В основу получения положительного результирующего эффекта положено наблюдение за происходящими процессами. Высокая точность определения секундного массового расхода в СПД в каждом варианте функционирования СЭРД позволяла производить обобщенную оценку работы (и определенной степени деградации) по указанному показателю всей системы.

Кроме того, была сформулирована опосредованная полетная цель «повышение живучести СЭРД» методом разъединения анормальных кластерных процессов, приводящих к преждевременной выработке ресурса и отказу элементов системы.

Индекс (интервал)

Название агрегата

Агрегатное представление процессов

Параметры контроля

1А1(То«Т< Т)

Выбор ТМ и катода, включение тока накала катода, включения дежурного режима ТД, ЭПК для выбранного ТМ и катода

Выбор ТМ Выбор катода

2А1(Т1<Т< Т2)

Включение разрядного напряжения

и тока, включение двух ЭПК для выбранного ТМ и катода

Вкл. ЗГ1(2) НР1(2) ПН ТЭПК1(2)

3А1(Т,<Т< Т3)

Поджиг разрядной дуги

Выбор ТМ ТН1(2) ТТ1(2) ТЭПК1(2) ТА1(2)А,Б,В

4А1(Т;«Т<Г)

Анодно-катодный разряд

Вкл. ЭПК ТЭПК1(2) НР1(2), ПН ТА1(2)А,Б,В ТТ1(2)

Примечание. См. примечания к табл. 5 и 6.

Для минимизации расхода РТ проведено исследование с использованием вариабельного анализа и синтеза агрегатов сложных процессов по двум основным системным параметрам — тяге ТМ (Г) и секундному расходу массы (т) РТ [7].

С учетом зависимостей, представленных в работе [7], секундный расход массы РТ в одном рабочем варианте СЭРД определяется по выражению

т = 1,1Я/2апсо82Р( и - ик)1р, (15)

где Г — модуль вектора тяги, направленного вдоль оси СПД; п — тяговый КПД ТМ; созр — косинус угла расходимости ионного потока из анодного пространства, определяющий качество фокусировки ионного пучка; ир — разрядное напряжение; ик — прика-тодное падение напряжения; I — разрядный ток; а — коэффициент, определяющий степень ионизации атомов Хе

а = 1 - [ф /Ш - ЦУ

(16)

где ф; — потенциал ионизации атома Хе (12,4 В).

Произведем оценку вариабельности системы при формировании вектора тяги в пределах допустимых изменений величин, входящих в выражение (15), определяемых в результате изучения и исследования агрегатов процессов, протекающих в БЭП (см. табл. 5), БАТМ (см. табл. 6) и ТМ (см. табл. 7).

Величина разрядного напряжения ир напрямую зависит от процессов, протекающих в двух независимых устройствах управления БЭП, образующих два канала управления, обеспечивающих допустимые значения

и = 300 ± 15 В.

р

Прикатодное падение напряжения измеряется отдельно в каждом ТМ для каждого катода. Исследования ТМ по изменению этого параметра в процессе выработки ресурса установили примерный диапазон изменения ик ~ 14.18 В. Значения разрядного тока 1р = 2,23 ± 0,1 А зависят от работы конкретного ТД (всего два в ТМ, для каждого катода [2]) и работы магнитных регуляторов тока, установленных по одному в каждой рабочей линейке БАТМ (см. рис. 1). Изменение угла расходимости ионного потока в основном зависит от эрозионных процессов, происходящих в разрядной камере, при этом экспериментально установлено изменение коэффициента созр от 0,98 в начале выработки ресурса ТМ до 0,95 в конце его выработки. Тяговый КПД ТМ п также изменяется в процессе выработки ресурса и составляет 0,51.0,50. Исходя из предельных значений и и и , по выражению (16)

определены максимальное атах ~ 0,96 и минимальное ат.п ~ 0,95 значения коэффициента а.

Указанные цифры получены по результатам исследований и испытаний ТМ, поставляемых на КА1, 2 «Ямал-100» и КА1, 2 «Ямал-200», где использовались СПД-70. При этом наблюдение за измеряемыми значениями параметров и и I выполнялось

рр

на всем протяжении функционирования ТМ в полете [2, 4], а определение изменений остальных параметров производилось при наземных стендовых испытаниях.

Номинальные оцениваемые характеристики каждого ТМ имеют значения:

• по вектору тяги Г = 40-10-3 Н;

• по секундному массовому расходу РТ т = 2,7-10-6 кг/с.

Оценим указанный расход по выражению (15) в начале эксплуатации ТМ при наилучших показателях в работе СЭРД

в обеспечении номинальной тяги: и = 315 В;

р

ик = 14 В; 1р = 2,33 А; а = 0,96; созр = 0,98; П = 0,51. В результате получим т1 = 2,67-10 -6 кг/с.

Проведем аналогичную оценку для СЭРД в конце выработки ресурса ТМ при наихудших показателях: и = 285 В; и = 18 В;

р 7 к '

I = 2,13 А; а = 0,95; созр = 0,95; п = 0,50.

В результате получим т2= 3,6г10-6 кг/с.

Указанные оценки определяют отрезок массового расхода РТ, в пределах которого находятся расходные показатели каждого варианта работы СЭРД до окончательной выработки ресурса по каждому ТМ. Как видно из приведенных оценок, к моменту завершения выработки расход может увеличиться примерно на треть (на ~33,7%) по отношению к номинальному значению.

Для оптимального (минимального) расхода РТ проводились постоянные определения параметров СЭРД в каждом рабочем варианте и выбирались для управления варианты с наименьшим секундным массовым расходом РТ [2, 7]. Для этого проводились постоянные изучения и исследования рассмотренных процессов, влияющих на расход РТ, происходящих как внутри элементов системы, так и процессов в агрегатном состоянии элементов.

При изначальном выборе оптимальных вариантов СЭРД по расходу РТ происходит увеличение ресурсной нагрузки на выбранные устройства, что приводит со временем к ухудшению выбранных показателей. Поэтому происходит постепенное выравнивание параметрических показателей устройств выбранного варианта с вариантами более низкого приоритета. Для работы каждый раз выбирается вариант работы СЭРД с наилучшим показателем по расходу РТ.

Воспроизводимость основной функциональной характеристики СЭРД (номинального тягового усилия) при постепенном ухудшении показателей элементов всей системы производится фактически одним способом — увеличением расхода РТ. При этом автоматика БАТМ за счет регулировочных характеристик поддерживает номинальное значение тяги ТМ в допустимом диапазоне (до 11% в сторону уменьшения) при увеличении секундного массового расхода РТ [2, 4]. За счет решения задачи по вариабельному управлению СЭРД можно сэкономить до 2-3 г РТ на выполнение одного маневра КА — спутника-ретранслятора, находящегося на геостационарной орбите. Дальнейшую экономию РТ определяет число проводимых маневров, составляющее в среднем 250 в год. Таким образом, за счет вариабельного управления СЭРД за семь лет полета можно сэкономить годовую потребную норму РТ, обеспечивающую выполнение маневров на ТМ (~5 кг).

Аналитическое представление анализа процессов в элементах СЭРД при вариабельном управлении с последующим их синтезом в агрегаты для изучения и исследования позволяет обнаружить и парировать аппаратно-программным способом аномальные ситуации. При этом аномальная ситуация рассматривается как объединение процессов в анормальный кластер. Целью вариабельного управления является обнаружение процессов в кластерах анормального развития и разъединения анормальных кластеров до наступления критической фазы.

При проведении маневров КА осуществлялся постоянный контроль электродинамических процессов в СЭРД. При рабочем режиме системы контролируются следующие допустимые значения параметров: НР1(2) = 300 ±15 В, (и ); ПН = 28,0 ± 0,5 В; ТН1(2) < 0,5 А, (/); ТТ1(2) = 0.4 А, (/ ); ТЭПКА = 0,14.0,20 А; ТЭПК1(2) = 0,14.0,20 А; ТА1(2) А, Б, В = 1,93.2,53 А, (/). Косвенным параметром для контроля является величина тяги ТМ. Пример внешнего проявления аномальной ситуации показан на графиках телеметрической информации, полученной с борта КА (рис. 2). Как видно из графиков, СЭРД находится в рабочем режиме, чему соответствуют значения разрядного тока, тока ТД ТМ и тока включенных электро-пневмоклапанов ТМ. При этом ток накала катода 2 должен иметь значение, не превышающее 0,01 А, так как по началу рабочего режима СЭРД БАТМ отключает накал катода СПД [2]. Вместо этого наблюдается указанный сложный аномальный электродинамический

процесс, проявляющийся наличием тока накала катода в рабочем режиме СЭРД. При этом значение разрядного напряжения и величина вектора тяги находятся в пределах контролируемых допусков.

В результате анализа ранее рассмотренного агрегатного представления процессов в БАТМ образовался анормальный кластер из двух сложных процессов «Включение тока накала катода» 1А1(Т0 < Т< Т1) (см. табл. 7) и «Анодно-катодный разряд» 4А1(Т3 < Т < Тсуд).

Рис. 2. Графики токов в рабочем режиме системы электроракетных двигателей: — — ток разряда; — — ток накала катода; — — ток термодросселя; — — ток поддержания электропневмоклапана в открытом положении

Характерное проявление этого — наличие тока накала катода при разрядном токе в анод-катодном тракте СПД. В результате анормального пересечения указанных процессов образовался аномальный электродинамический процесс в контактах реле тока накала катода СПД. Предпосылкой явилось изначально некорректное представление электрической схемы ТМ при проведении отработочных испытаний БЭП, БАТМ и ТМ в составе стенда СЭРД. Для объяснения возникшей аномальной ситуации представлена электрическая схема на рис. 3.

Аномальная ситуация в цепи включения тока накала катода возникла в результате работы магнитного коммутатора тока накала (МКН) в режиме повышающего трансформатора при работающем СПД. Проявлению аномального процесса способствовали два фактора: наличие сопротивления (Роу) между

трактами накала катода и разрядного тока, а также — колебание разрядного тока.

Рис. 3. Электрическая схема включения накала катода:

1-3 — обмотки магнитного коммутатора тока накала (МКН);

4 — контакт;------> — электрическая схема ТМ в составе

стенда; Яу — сопротивление между трактами накала катода ЭПТ-Н и разрядного тока ЭПТ-Р в СПД; Ян — сопротивление ЭПТ-Н при выключенном накале катода; I — ток между ЭПТ-Н и ЭПТ-Р; 12 — ток в тракте накала катода при работающем СПД; Тр1 — питающий трансформатор; МС — магнитная система ТМ; А — анод; К1 — катод; К2 — точка определения сопротивления Яоу

Для объяснения технической сути происходящих процессов рассмотрим три режима, в которых находились цепи накала катода СПД: исходный (дежурный), номинально рабочий, аномальный.

Исходный режим формируется до включения накала путем подачи от БЭП на первичную обмотку силового трансформатора питания Т цепи накала переменного тока напряжением в 28 В, 10 кГц (рис. 3). На вторичной обмотке Тр1, к которой подключена нагрузка, формируется переменный ток напряжением 8 В. Из-за большого индуктивного сопротивления обмоток 1 и 2 МКН протекающий ток в цепи равен ~10 мА.

Номинально рабочий режим формируется по началу включения накала путем замыкания реле накала 4. В результате питания обмотки управления 3 МКН от источника постоянного тока за счет электромагнитной связи между обмотками происходит уменьшение индуктивного сопротивления в обмотках 1 и 2 МКН (значение индуктивного сопротивления стремится к нулю). Тем самым в электронагревателе катода (Ян) создается ток накала ~12 А, обеспечивающий нагрев катода мощностью ~96 Вт. Перед включением СПД размыкают контакт 4, в результате прекращается намагничивание обмотки 3, увеличивается индуктивное сопротивление обмоток 1 и 2, и ток в цепи опять становится равным ~10 мА.

Анормальный кластер, в котором находятся цепи накала катода, образуется сразу после начала работы двигателя, которому соответствует формирование номинального

значения разрядного тока 1р = 2,23±0,1 А. Проявляется анормальность наличием тока 1р2, величину которого можно определить по правилам Кирхгофа: 1р = 1р1 + 1р2 ; 1в1Яои = 1р2Я откуда

р2 : р1 оу

р2 н:

Т _ Р оУ

р2 = я~Тя"

оу

Если величина Я изначально известна

оу

трудно про-

(Ян ~0,7 Ом), то значение Я гнозируемый параметр, который можно определить лишь косвенным путем, используя измеренные датчиком тока накала катода значения. На рис. 2 зеленым показаны значения 1р2, измеренные датчиком тока накала катода при работе двигателя. Преобразовав относительно Яоу и подставив полученные измеренные значения I , получим изменения Я ~0,06...0,60 Ом только за

оу

время работы одного из двигателей. При этом величина тока 1р2 с максимальным значением 1 А на два порядка больше номинальной величины тока дежурного режима (10 мА).

Одновременно происходят изменения как постоянной величины тока, так и пульсирующей его составляющей, характеризующей высокочастотный колебательный процесс, определяемый через (¿1р2/¿Ь) (см. рис. 2). В результате обмотки 1 и 2 МКН начинают исполнять роль первичной обмотки повышающего трансформатора, а обмотка 3 — вторичной его обмотки. При этом коэффициент трансформации ~ 100 единиц. Наведенная в обмотке 3 МКН электродвижущая сила индукции приводит к образованию на контакте 4 высоковольтного напряжения (до 300 В). В результате возникает дуговой разряд, который приводит к потере работоспособности контакта (происходит его «выгорание»).

Как видно из рис. 3, при наземных испытаниях в стендовой аппаратуре СЭРД не учитывалось влияние электрического сопротивления Яоу на реально протекающие в цепи накала катода ТМ физические процессы. Изначально наличие указанного явления не было учтено при разработке БАТМ, что и явилось причиной дополнительной электродинамической нагрузки на реле тока накала катода, приведшей к его отказу.

После обнаружения отклонения от нормы работы регуляторов процессов в виде нерасчетных амплитудных изменений тока накала катода необходимо было разработать варианты аппаратно-программных способов устранения аномалии путем разъединения образовавшегося анормального

кластера. Причем, необходимо было это сделать как на КА, находящемся в полете (на резервных реле), так и для КА «Ямал-200», которые на момент обнаружения рассмотренных аномалий проходили предполетные испытания.

Для БАТМ, находящихся на Земле, выполнено структурное преобразование приборов, при этом проведено разъединение анормальных кластеров методом шунтирования обмотки 3 МКН диодом (рис. 4). Испытания доработанной схемы на стенде подтвердили правильность принятого технического решения — напряжение в контактной группе при разомкнутом контакте 4 и работающем ТМ не превышало 5 В.

+300 В Вкл. какала

о—»-'

Рис. 4. Электрическая схема включения накала катода с диодным шунтированием обмотки магнитного коммутатора тока накала

Примечание. См. рис. 3.

Для КА «Ямал-100», совершающего полет, после дополнительных наземных испытаний был предложен аппаратно-программный метод решения, заключающийся в удержании оставшихся (резервных) контактных групп 4 (см. рис. 3) в постоянно замкнутом состоянии после выключения тока накала катода (см. циклограммы управления СЭРД в работе [2]).

В таком состоянии МКН и нагреватель катода находились постоянно под номинальной токовой нагрузкой 12 А при работающем СПД, что приводило к дополнительным тепловым нагрузкам на элементы и не позволяло гарантировать выработку заявленного номинального ресурса БАТМ по числу включений.

Таким образом, в полной мере устранить аномальную ситуацию в цепи накала катода не удалось. Однако было уменьшено негативное влияние происходящих процессов на развитие ситуации в БАТМ, что позволило увеличить живучесть СЭРД в условиях воздействия среды катастрофического характера и продолжить эксплуатацию СЭРД с пониженными ресурсными показателями системы.

подтверждение методологической основы вариабельного управления полетом космического аппарата

Накопление фактического материала по управлению полетом автоматических КА позволило сформировать исходные положения для дальнейшего определения методологии вариабельного управления полетом автоматических КА, в основу которой положены:

• аксиома о взаимосвязи всех происходящих на борту явлений в материальных объектах и с материальными объектами, приводящих к их изменению во времени (постулат о «взаимосвязи всех протекающих на борту процессов»);

• гипотеза об уникальности (неповторяемости, неклонируемости) происходящих на борту КА процессов: отсутствие на борту КА двух и более абсолютно одинаковых процессов и их объединений, а также изменение всего сложного процесса управления полетом КА при изменениях в работе каждого отдельного регулятора процессов, которым является материальный объект, находящийся на борту КА.

Далее рассмотрим, каким образом выбор каждого варианта управления СЭРД оказывает влияние на остальные БП на борту КА. Прежде всего, выбор варианта определяет местоположение ТМ в конструкции КА и значение его тяги.

Поскольку в КА векторы тяг ТМ расположены под углом к осям связанного базиса, то выбор варианта оказывает непосредственное существенное влияние на процессы в СУДН, связанные с угловой стабилизацией КА. Это касается использования при маневре системы (подсистемы в составе СУДН) одностепенных силовых гироскопов — маховиков. Выбор маховика для работы будет определяться направлением действующего управляющего момента, создаваемого вектором тяги ТМ. Продолжительность накопления кинетического момента в системе зависит от величины момента, следовательно, и от величины вектора тяги ТМ. Сложный процесс управления системой маховиков требует отдельного описания, аналогичного описанию вариантов работы СЭРД. Ограничимся лишь пониманием того, что вариант работы всех элементов системы маховиков и внутренних устройств ее элементов будет зависеть от выбранного рабочего варианта СЭРД. Аналогично можно говорить об уникальности динамических процессов, происходящих с КА в целом, в плане частот собственных колебаний корпуса и других

элементов конструкции (антенн, солнечных батарей и т. д). Проявляются особенности в работе датчиков измерителей угловых ускорений и датчиков внешней информации. И поскольку изменяется работа регуляторов процессов, то и сами процессы на всех уровнях страт будут по-своему уникальны. Таким образом, можно утверждать, что особенности в работе всех элементов СУДН и входящих в них устройств, а, следовательно, и протекающих в них процессов, напрямую зависят от выбора варианта СЭРД для маневра.

Процессы, происходящие в системе обеспечения терморегулирования (СОТР), при вариабельном анализе наиболее целесообразно рассматривать в составе базового процесса терморегулирования КА, учитывающего работу системы при взаимодействии аппарата с внешней средой — тепловыми потоками от Солнца и Земли.

Выбор варианта работы СЭРД определяет выбор места, величины и направления внутренних тепловых потоков от работающей аппаратуры БЭП и БАТМ, установленной на приборных панелях-радиаторах КА, а также от ТМ, установленных на специальных кронштейнах. Таким образом, выбор варианта СЭРД в целом определяет протекание тепловых процессов (внешних и внутренних) на борту КА, управление которыми производится средствами терморегулирования в составе СОТР.

Работа системы энергоснабжения (СЭС) также в значительной степени зависит от выбора варианта работы СЭРД, поскольку указанная система является основной по энергопотреблению. Работа автоматики регулирования контроля СЭС нацелена на обеспечение системы необходимой мощностью при ее номинальной работе. При этом разброс мощности потребления СЭРД для различных вариантов составлял 5-7% от номинального значения. Указанную особенность необходимо учитывать при расчете общего баланса энергопотребления на борту КА и определении резервного времени энергообеспечения КА.

Процесс управления бортовым комплексом также будет зависеть от выбора варианта работы СЭРД. Программно-технические средства БКУ построены на базе сетевых бортовых вычислительных систем. Основными способами управления служебными бортовыми системами (БС) КА (СЭС, СОТР и ДУ) являются: коммутация фидеров питания, выдача дискретных команд управления в автоматику БС и ввод сигналов обратной

связи. При неизменности заранее разработанных алгоритмов управления БС в целом каждый вариант работы СЭРД приведет к различным вариантам построения интерфейсов БКУ, что обеспечит работающим приборам варианты различных комбинаций протекающих в них процессов.

Таким образом, выбор варианта для сложного процесса управления СЭРД приводит к выбору варианта протекания сложного процесса управления полетом КА, охватывающего процессы во всех бортовых системах, что подтверждает принятый постулат «взаимосвязи всех протекающих на борту процессов». При этом указанные взаимосвязи могут быть информационными, управляющими и информационно-управляющими. Если определить взаимосвязи между процессами не удается, то это лишь частные случаи, которые не опровергают постулат, а лишь связаны с недостаточной чувствительностью средств наблюдения, используемых субъектом в своих целенаправленных специализированных действиях, и несовершенством разработанных им методов исследования протекающих процессов, отражающих действительность.

Далее для подтверждения выдвинутой гипотезы выведем следствие из сделанного предположения. Для этого рассмотрим не-клонируемость СПД как устройства [2].

Свойство неклонируемости (неповторяемости) устройства СПД характеризуется невозможностью изготовления абсолютной копии СПД и чрезвычайно сложным проведением математического моделирования его работы [2]. Каждый СПД, как элемент ТМ, является уникальным устройством. В состав конструкции СПД входят основные элементы [8]:

• разрядная камера;

• анод-газораспределитель;

• магнитная система;

• высоковольтный ввод;

• полый катод;

• поджигающий электрод.

Из-за расфокусировки ионного потока в работающем СПД часть ускоренных ионов выпадает на стенки разрядной камеры, вызывая их эрозию. Вблизи стенок, из-за наличия скрещенных электрических полей, протекает электронный пристеночный ток, который влияет на фокусировку ионного потока и вызывает разрушение разрядной камеры. Наличие указанных процессов приводит к аномальной эрозии изоляторов разрядной камеры с появлением структуры в виде «муарового» рисунка [8]. При этом

от продолжительности работы СПД зависит степень (глубина) стачивания изолятора по площади на определенную глубину, а также изменение его профиля, который «подстраивается» под профиль ионного потока.

Особенностью анода-газораспределителя, влияющей на продолжительность его работы, величину тяги СПД и расход ксенона, является наличие прианодных слоев, возникающих при контакте положительных столбцов разряда (с замкнутым дрейфом электронов) с токоприемным металлическим анодом [8]. Характерное проявление данных слоев — анодное падение потенциала, на которое влияют материал, геометрия электродов и давление рабочего тела. Из-за анодного падения потенциала на самом аноде образуется покрывающая его яркая пленка. С увеличением давления пленка становится неоднородной и распадается на отдельные пятна — перлы. Появление пятен приводит к потере пленкой устойчивости к электродинамическим процессам и механическому разрушению анода. Подобные процессы, как показали исследования, выполненные ОКБ «Факел» и НИИПМЭ МАИ, являются результатом осаждения на аноде пленок из распыленного материала керамических стенок канала двигателя. Осажденный материал меняет электрическую проводимость поверхности анода, при этом в процессе работы двигателя происходит неравномерное отслоение подобных пленок и формирование неравномерностей, приводящих к прикатодному падению потенциала. В итоге это оказывает отрицательное влияние на величину тяги двигателя и на продолжительность его работы.

Высокий уровень выделения энергии в работающем СПД приводит к разрушению катода, а также вызывает интенсивные термоэлектрохимические реакции. Основной механизм разрушения катода — ионное распыление. На разрушение катода влияют также его плавление и испарение, воздействие которых многократно ниже, чем ионного распыления. Плавление элементов катода в штатных режимах исключено, кроме краткосрочных пусковых процессов, когда на эмиттере могут наблюдаться микропятна с расплавленным материалом. В большей степени плавление катода происходит при аномальных проявлениях (бросках) разрядного (анодного) тока (БТА) [2]. Из-за неизбежных примесей в практически используемых электродных материалах и наличия возможных окружающих газов на конце катода образуются многослойные структуры.

В этом же месте катода наблюдается рост монокристаллов, ориентированных вдоль направления текущего тока [8]. Внешние проявления происходящих в СПД процессов видны при осмотре конструкции двигателя после определенного количества часов его работы.

При соблюдении одинаковых условий испытаний двигателей, изготавливаемых по одной технологии, внешние проявления имеют следующие отличия:

• в степени стачивания изолятора по площади и на определенную глубину;

• по «муаровому» рисунку на разрядной камере;

• в рисунках пятен — перлов на аноде;

• в имеющихся изменениях изначальной формы катода.

Все проявления влияют на изменение номинальных характеристик двигателя и, прежде всего, на его тягу, БТА и расход РТ.

Таким образом, на протекание всех бортовых процессов непосредственно оказывают влияние:

• изменения протекания внутриэлемент-ных процессов в СПД, связанные с изменением «муарового» рисунка, со «стачиванием изолятора»;

• и/или «анодное падение потенциала»;

• и/или появление перлов на аноде;

• имеющиеся изменения изначальной формы катода [2, 8].

Связано это с тем, что указанные отрицательные явления в СПД приводят к изменению физических процессов, связанных с изменением величины силы и направления вектора тяги, токопотребления, температурных режимов и других физических параметров процессов (бародинамических, электродинамических и др.). Указанные изменения приводят к изменению процессов в остальных бортовых регуляторах процессов, поскольку взаимодействуют с ними при тактильном контакте и на бесконтактном физическом уровне.

Уникальность (неповторяемость, неклони-руемость) процессов, происходящих в СПД, приводит к изменению всего сложного процесса управления полетом КА, что является доказательством гипотезы на практике.

При этом признак вариабельности протекания сложных процессов в СЭРД распространяется на сложный процесс управления полетом КА в целом. В результате формируется методика вариабельного управления полетом КА при выполнении ПО «маневр КА», представляющая собой определенный набор методов вариабельного управления каждой бортовой системой при выполнении маневра.

Набор методик вариабельного управления полетом автоматических КА, разработанных для всех полетных операций, определяет методологию вариабельного управления полетом КА.

Быводы

Даны определения методам вариабельного анализа и синтеза сложных процессов с проведением их общего аналитического представления. В качестве примера рассмотрено применение методов для вариабельного управления системой электроракетных двигателей, имеющего целью оптимизировать расход рабочего тела при выполнении маневров КА с использованием тяговых модулей. Представлен пример использования методов вариабельного анализа и синтеза сложных процессов для определения сложных, завуалированных, развивающихся аномальных ситуаций в элементах системы, приводящих к отказам.

Определены аксиома и гипотеза, являющиеся вновь введенной методологической основой для вариабельного управления полетом КА. Проведено подтверждение выдвинутой гипотезы на основе результатов ее проверки при проведении маневра КА с использованием системы электроракетных двигателей.

Список литературы

1. Ковтун В.С. Стратификация сложного процесса управления полетом космического аппарата // Космонавтика и ракетостроение. 2012. № 4. С. 60-68.

2. Ковтун В.С., Фролов И.В., Ганз-бург М.Ф., Пищулин В.А. Обеспечение функционирования электроракетных двигателей в условиях аномального проявления разрядного тока // Известия РАН. Энергетика. 2016. № 5. С. 98-111.

3. Охтилев М.Ю., Соколов Б.В., Юсупов Р.М. Интеллектуальные технологии мониторинга и управления структурной динамикой сложных технических объектов. М.: Наука, 2006. 410 с.

4. Ганзбург М.Ф., Кропотин С.А., Му-рашко В.М., Попов А.Н., Севастьянов Н.Н., Смоленцев А.А., Соколов А.В., Соколов Б.А., Сухов Ю.И. Итоги десятилетней эксплуатации электроракетных двигательных установок в составе двух телекоммуникационных космических аппаратов «Ямал 200» на геостационарной орбите // Космическая техника и технологии. 2015. № 4(11). C. 25-39.

5. Соловьев В.А., Лысенко Л.Н., Любин-ский В.Е. Управление космическими полетами. М.: Изд. МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2009. Ч. 1. 478 с.

6. Технические средства диагностирования. Справочник. Под общей редакцией чл.-корр. АН СССР Клюева В.В. М.: Машиностроение, 1989. 672 с.

7. Ковтун В.С., Севастьянов Д.Н., Пищулин В.А., Фомин Л.В., Бедин Б.И. Определение расхода ксенона в электроракетных плазменных двигателях при эксплуатации космического аппарата «Ямал» // Известия РАН. Энергетика. 2009. № 1. С. 43-49.

8. Морозов А.И. Введение в плазмодина-мику. М.: Физматлит, 2006. 576 с.

Статья поступила в редакцию 24.08.2016 г.

Reference

1. Kovtun V.S. Stratifikatsiya slozhnogo protsessa upravleniya poletom kosmicheskogo apparata [Stratification of the spacecraft flight complex control process]. Kosmonavtika i raketostroenie, 2012, no. 4, pp. 60-68.

2. Kovtun V.S., Frolov I.V., Ganzburg M.F., Pishchulin V.A. Obespechenie funktsionirovaniya elektroraketnykh dvigatelei v usloviyakh anomal'nogo proyavleniya razryadnogo toka [Ensuring operation of electrorocket engines in conditions of the abnormal discharge current]. Izvestiya RAN. Energetika, 2016, no. 5, pp. 98-111.

3. Okhtilev M.Yu, Sokolov B.V., Yusupov R.M. Intellektual'nye tekhnologii monitoringa i upravleniya strukturnoi dinamikoi slozhnykh tekhnicheskikh ob"ektov [Intelligent monitoring and control technologies of structural dynamics of complex technical objects]. Moscow, Nauka publ., 2006. 410p.

4. Ganzburg M.F., Kropotin S.A., Murashko V.M., Popov A.N., Sevast'yanov N.N., Smolentsev A.A., Sokolov A.V., Sokolov B.A., Sukhov Yu.I. Itogi desyatiletnei ekspluatatsii elektroraketnykh dvigatel'nykh ustanovok v sostave dvukh telekommunikatsionnykh kosmicheskikh apparatov «Yamal-200» na geostatsionarnoi orbite [Results of ten years of operation of electric thrusters within two telecommunication spacecrafts Yamal-200 in geostationary orbit]. Kosmicheskaya tekhnika i tekhnologii, 2015, no. 4(11), pp. 25-39.

5. Solov'ev V.A., Lysenko L.N., Lyubinskii V.E. Upravlenie kosmicheskimi poletami [Space flight control], Moscow, MGTUim. N.E. Baumanapubl., 2009. Part 1, 478p.

6. Tekhnicheskie sredstva diagnostirovaniya. Spravochnik [Technical diagnostics tools. Handbook], Ed. RAS corr.-member Klyuev V.V. Moscow, Mashinostroeniepubl., 1989. 672p.

7. Kovtun V.S., Sevast'yanov D.N., Pishchulin V.A., Fomin L.V., Bedin B.I. Opredelenie raskhoda ksenona v elektroraketnykhplazmennykh dvigatelyakhpri ekspluatatsii kosmicheskogo apparata «Yamal» [Determination of xenon flow rate in electrorocket plasma engines during operation of the Yamal spacecraft], Izvestiya RAN. Energetika, 2009, no. 1, pp. 43-49.

8. Morozov A.I. Vvedenie v plazmodinamiku [Introduction into plasma dynamics]. Moscow, Fizmatlitpubl., 2006. 576 p.