Научная статья на тему 'Системотехническое исследование мультироторного летательного аппарата как перспективного технического средства изучения атмосферы и поверхности планеты Венера'

Системотехническое исследование мультироторного летательного аппарата как перспективного технического средства изучения атмосферы и поверхности планеты Венера Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

CC BY
55
11
Читать
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
Венера / мультироторный летательный аппарат / техническое средство / объект исследования / подсистема / надсистема / плотность атмосферы / эшелон высот / системотехническое исследование / множество альтернатив. / Venus / multirotor aircraft / technical means of research / object of research / subsystem / supersystem / atmospheric density / altitude level / systems engineering research / many alternatives.

Аннотация научной статьи по механике и машиностроению, автор научной работы — Яценко Михаил Юрьевич, Воронцов Виктор Александрович, Рыжков Владислав Валентинович

Сейчас исследование планеты Венера является очень актуальным и развивающимся направлением науки о космосе. Развитие ракетных и космических технологий расширило границы доступности космических аппаратов к объектам Солнечной системы, позволило осуществлять целые межпланетные экспедиции, в том числе полеты на планеты земной группы, на планеты-гиганты и на окраины Солнечной системы. В настоящее время формируется программа исследований планет на ближайшие десятилетия. При изучении истории экспедиций на Венеру и Марс появляется ясность о необходимости развивать и всячески улучшать способы исследования атмосферы ближайших к Земле планет, в частности Венеры, с помощью доступных технических средств, делать их как можно более эффективными. Исследовать Венеру в работе предлагается техническим средством – мультироторным летательным аппаратом. Данный объект выделен в виде системы, а также задана и описана его роль в составе надсистемы. В работе выделены сценарии функционирования летательного аппарата, описаны задачи его подсистем, а также их взаимодействие друг с другом. Приведены основные внешние факторы, влияющие на работу подсистем мультироторного летательного аппарата. Разработана функциональная схема системы, а также основные показатели, используемые для оценки эффективности выполнения целевой задачи. Данная работа является предварительным этапом перед построением математической модели.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по механике и машиностроению , автор научной работы — Яценко Михаил Юрьевич, Воронцов Виктор Александрович, Рыжков Владислав Валентинович

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
Предварительный просмотрDOI: 10.26732/j.st.2023.3.06
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

System engineering research of a multirotor aircraft as a prospective technical means of exploring the atmosphere and surface of the planet Venus

Currently, the exploration of the planet Venus is a very relevant and developing direction in space science. The development of rocket and space technologies has expanded the boundaries of accessibility of spacecraft to objects in the Solar System, allow for entire interplanetary expeditions, including flights to terrestrial planets, giant planets, and the outskirts of the Solar System. Currently, a program of planetary exploration for the next decades is being formed. Studying the history of expeditions to Venus and Mars clarifies the need to develop and improve methods for studying the atmosphere of the nearest planets to Earth, in particular, Venus, using vailable technical means, making them as efficient as possible. The exploration of Venus is proposed to be carried out using a technical means– a multirotor aircraft. This object is allocated as a system, and its role in the composition of the supersystem is also defined and described. The paper identifies scenarios for the functioning of the flying apparatus are highlighted, the tasks of its subsystems are described, as well as their interaction with each other. The main external factors affecting the work of the subsystems of the multirotor aircraft are presented. A functional scheme of the system is developed, as well as the main indicators used to assess the effectiveness of achieving the target task. This work is a preliminary stage before building a mathematical model.

Текст научной работы на тему «Системотехническое исследование мультироторного летательного аппарата как перспективного технического средства изучения атмосферы и поверхности планеты Венера»

ИННОВАЦИИ КОСМИЧЕСКОЙ ОТРАСЛИ

УДК 629.787

DOI 10.26732/^.2023.3.06

СИСТЕМОТЕХНИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ МУЛЬТИРОТОРНОГО ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА КАК ПЕРСПЕКТИВНОГО ТЕХНИЧЕСКОГО СРЕДСТВА ИЗУЧЕНИЯ АТМОСФЕРЫ И ПОВЕРХНОСТИ ПЛАНЕТЫ ВЕНЕРА

М. Ю. ЯценкоН, В. А. Воронцов, В. В. Рыжков

Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет), г. Москва, Российская Федерация

Сейчас исследование планеты Венера является очень актуальным и развивающимся направлением науки о космосе. Развитие ракетных и космических технологий расширило границы доступности космических аппаратов к объектам Солнечной системы, позволило осуществлять целые межпланетные экспедиции, в том числе полеты на планеты земной группы, на планеты-гиганты и на окраины Солнечной системы. В настоящее время формируется программа исследований планет на ближайшие десятилетия. При изучении истории экспедиций на Венеру и Марс появляется ясность о необходимости развивать и всячески улучшать способы исследования атмосферы ближайших к Земле планет, в частности Венеры, с помощью доступных технических средств, делать их как можно более эффективными. Исследовать Венеру в работе предлагается техническим средством - мультироторным летательным аппаратом. Данный объект выделен в виде системы, а также задана и описана его роль в составе надсистемы. В работе выделены сценарии функционирования летательного аппарата, описаны задачи его подсистем, а также их взаимодействие друг с другом. Приведены основные внешние факторы, влияющие на работу подсистем мультироторного летательного аппарата. Разработана функциональная схема системы, а также основные показатели, используемые для оценки эффективности выполнения целевой задачи. Данная работа является предварительным этапом перед построением математической модели.

Ключевые слова: Венера, мультироторный летательный аппарат, техническое средство, объект исследования, подсистема, надсистема, плотность атмосферы, эшелон высот, системотехническое исследование, множество альтернатив.

Введение

Достижения в области ракетно-космической техники расширили досягаемость космических аппаратов до небесных тел в Солнечной системе, что позволило осуществлять многие межпланетные полеты, включая полеты к планетам, подобным Земле, планетам-гигантам и внешним границам Солнечной системы. В настоящее время разрабатываются планы исследования планет на ближайшие десятилетия. Большую роль играют контактные методы исследования атмосферного и поверхностного пространства при помощи различной техники, такой как: десантные аппараты, автономные станции, аэростатные зонды, планетоходы.

Н misha-yacenko@mail.ru © Ассоциация «ТП «НИСС», 2023

В работе предлагается внедрение нового технического средства исследования Венеры - мультироторного летательного аппарата (МРЛА) [1].

История миссий на Венеру показывает необходимость разработки и совершенствования всех средств исследования атмосферы и поверхности ближайшей к Земле планеты и изучения ее наиболее эффективно.

На Венеру организовывалось множество исследовательских полетов. Там побывало порядка сорока аппаратов [2]. Большинство из этих аппаратов - отечественные. Результаты проведенных исследований позволяют наглядно оценить значимость влияния целой группы параметров, имеющих разную физическую основу, к которым в первую очередь относятся:

- химический состав атмосферы;

- основные параметры атмосферы планеты: плотность, температура, давление и т.п.

Авторами сформулированы следующие научные задачи исследования Венеры с помощью мультироторного летательного аппарата:

- изучение состава атмосферы (как горизонтального, так и вертикального профилей);

- изучение содержания газов в атмосфере и пр.;

- сбор венерианского грунта.

В качестве «базового» аппарата в исследовании принят спускаемый аппарат (СА) типа «Вега». Основными техническими средствами исследования Венеры в составе этого СА являются его подсистемы - посадочный аппарат (ПА) и аэростатный зонд (АЗ).

1. Постановка цели исследования

Цель настоящей работы состоит в проведении системотехнического исследования мультиротор-ного летательного аппарата как нового (дополнительного) технического средства изучения Венеры (рис. 1). Это исследование является начальным (подготовительным) этапом перед построением математической модели динамики МРЛА с дальнейшим анализом его движения в облачном слое атмосферы Венеры.

МРЛА планируется использовать в качестве средства для:

- фото-, видеосъемки;

- сбора проб атмосферы научной аппаратурой, например газоанализаторами;

- проведения эксперимента по определению сейсмической активности планеты (посредством группы таких МРЛА);

- сбора проб грунта.

Рис. 1. Модель мультироторного летательного аппарата: 1 - балка винтомоторной группы;

2 - винтомоторная группа; 3 - шасси; 4 - адаптер крепления полезной нагрузки; 5 - приборный отсек

Далее следует описать цели исследуемой системы.

2. Формулировка целей исследуемой системы. Показатели эффективности

Перед созданием любой системы необходимо «ввести» количественную меру степени достижения цели, стоящей перед этой самой системой -под этим подразумевается понятие показателя эффективности. То есть показатели эффективности - это параметры, в интересах которых создается система [3, 4].

Существует множество показателей эффективности. Как правило, показатели эффективности можно связать с целями (назначениями) исследования. В данной работе были выделены и описаны свои показатели эффективности.

К основным целям (задачам) технического средства исследования планеты Венера (МРЛА) относятся:

1) сбор проб атмосферы;

2) съемка поверхности;

3) сбор проб грунта поверхности.

Главным критерием эффективности для всех трех целей является время работы системы (время функционирования), т.е. время, необходимое на полную выработку функционального ресурса МРЛА. Поскольку данное исследование - это основополагающий этап для моделирования динамики МРЛА, рассматриваться будут первые две задачи, для выполнения которых необходимо выбрать высоту полета аппарата.

Для изучения газов в атмосфере необходимы соответствующие устройства - газоанализаторы. Важными показателями эффективности на данном этапе исследования являются:

- скорость обработки поступающего газа;

- объем поступающего газа.

При сборе венерианского грунта стоит сказать о таких показателях, как скорость сбора грунта и максимально допустимый объем собранного грунта.

При съемке должна использоваться камера высокого разрешения. Немаловажным является и процесс передачи полученных фото-, видеоизображений. При передаче записанной информации важны скорость и качество радиопередачи. Скорость полета аппарата тоже играет весомую роль. Например, во избежание смазывания изображения аппарат должен лететь с потребной скоростью, либо стоит обеспечить нужные параметры съемки.

Показатели эффективности можно сгруппировать следующим образом:

- функциональный. Данный показатель характеризует конечную цель исследования планеты,

221

№ 3 (45) 2023

222

такую как фото-, видеосъемка или же изучение состава атмосферы;

- затратный. На данном этапе стоит определиться с параметрами ЛА: массой, объемом и т.п. Определить затрачиваемую энергетику и конечную цену проекта;

- технологический. Он характеризует, как будет конструктивно выполнен аппарат. На данном этапе стоит определиться, какие материалы необходимо использовать и где их закупать.

3. Факторы внешней среды как неидеальные условия функционирования аппарата

Атмосферу Венеры считают крайне сложной для функционирования какой-либо аппаратуры. Внешние факторы оказывают значительное влияние на функционирование любой системы, оказавшейся на Венере, и МРЛА не исключение. К основным внешним факторам относятся:

- влияние ветра;

- влияние температуры;

- влияние химического (сернокислотного) состава атмосферы.

Параметры атмосферы сильно разнятся в зависимости от выбранной высоты [5]. В целях упорядочения условий атмосферы планеты на разных высотах стоит ввести понятие эшелона высот Эы (ЛЯ). Разделим атмосферу Венеры на три эшелона высот:

1) 0 ^ 4 км. Эшелон приповерхностного слоя. Экстремальные условия для функционирования МРЛА с точки зрения внешних факторов: температуры, плотности (или давления) атмосферы;

2) 28 ^ 32 км. Эшелон высот, оптимальный для съемки;

3) 46 ^ 60 км. Эшелон с условиями, близкими к земным. На данном эшелоне высот условия по температуре и давлению максимально приближены к земным. Этот эшелон высот считается наиболее благоприятным для функционирования МРЛА.

С увеличением высоты параметры атмосферы значительно изменяются. Поэтому, если заранее определиться с конечной целью, например съемки, можно выбрать подходящую высоту.

4. Формирование множества альтернатив рассматриваемой системы

В текущем десятилетии Россия планирует отправить на Венеру космический аппарат (КА), работы по этому проекту уже стартовали [6, 7]. Очевидно, что такой венерианский КА представляет собой сложную техническую систему (СТС). Он состоит из спускаемого аппарата (СА), кото-

Том 7

рый будет осуществлять вход в атмосферу планеты и орбитального аппарата (ОА), который выйдет на орбиту Венеры и будет использоваться на ней в качестве аппарата для приема и передачи цифровой информации [8].

Спускаемый аппарат также является СТС со своими подсистемами. В данном исследовании авторы в качестве прототипа спускаемого аппарата приняли советский аппарат из серии «Вега», имеющий сферическую форму конструкции. Этот СА состоит из двух подсистем:

- посадочного аппарата (ПА);

- системы аэростатного зонда (САЗ).

Рассматривается вопрос расширения схемы

эксперимента путем включения в состав спускаемого аппарата мультироторного летательного аппарата, а именно размещение МРЛА в СА [1].

То есть надсистемой для МРЛА является СА, который, в свою очередь, является подсистемой всего перспективного венерианского КА (рис. 2).

Таким образом, МРЛА является техническим средством исследования атмосферы и поверхности планеты Венера наряду с посадочным аппаратом и аэростатным зондом.

5. Функциональная схема мультироторного летательного аппарата

В исследовании принято, что изучаемое техническое средство (МРЛА) принадлежит к классу летательных аппаратов вертикального взлета и посадки (ЛАВВП), он сконструирован по схеме мультикоптера так, что несущие винты установлены по вертолетной схеме и жестко закреплены на балке.

Предполагается, что каждый такой ЛА имеет в наличии полезную нагрузку:

- камеру для фотосъемки и видеосъемки;

- средства для забора газов;

- оборудование для анализа полученных проб венерианской атмосферы;

- приборы для отслеживания смещений или колебаний венерианской поверхности в результате подземных толчков и остальную технику для исследований, необходимых для конкретно поставленных целей.

На рис. 3 представлена функциональная схема МРЛА, а также внешние факторы, влияющие на подсистемы аппарата [9].

Все элементы функциональной схемы системы взаимосвязаны друг с другом:

1) внешние факторы. Оказывают значимое влияние на работу системы отделения, например, замедляя или ускоряя процесс отделения, и на скорость вращения винтомоторной группы (ВМГ) (ускоряя или замедляя вращение винтов в зависимости от действующих возмущений);

223

Рис. 2. Место МРЛА в составе надсистемы (здесь i - уровень детализации в морфологической структуре)

Рис. 3. Функциональная схема МРЛА

2) система отделения. По окончании процедуры отделения начинает работу система, обеспечивающая функционирование установленной аппаратуры. Также в процессе отделения возникают колебания в установке ВМГ;

3) система накопления энергии. Осуществляет автономное питание электроэнергией системы обеспечения функционирования аппаратуры и прочих подсистем МРЛА;

4) система обеспечения функционирования аппаратуры. Запускает всю установленную на ЛА аппаратуру, а также обеспечивает электроэнергией систему управления (СУ) электродвигателями;

5) СУ электродвигателями. Приводит в действие силовую установку ВМГ;

6) силовая установка ВМГ. Как было сказано ранее, это устройство, создающее тягу и обеспечивающее движение МРЛА в заданном направлении.

Под МРЛА подразумевается система одноразового пользования с ограниченным (заданным) временем функционирования. Конструкция спускаемого аппарата типа «Вега» предполагает размещение в своей конструкции несколько таких аппаратов [1, 2]. В табл. представлены предварительные технические характеристики аппарата.

Список литературы

[1] Яценко М. Ю., Воронцов В. А. К вопросу о включении в программу исследования Венеры дополнительных технических средств // Космические аппараты и технологии. 2022. Т. 6, № 1. С. 5-13. DOI: 10.26732/j. st.2022.L01

[2] Автоматические космические аппараты для фундаментальных и прикладных научных исследований / Под общ. ред. д-ра техн. наук, проф. Г. М. Полищука и д-ра техн. наук, проф. К. М. Пичхадзе. М.: Изд-во МАИ-ПРИНТ, 2010. C. 17-306: ил.

[3] Бобронников В. Т. Системный анализ в инженерных исследованиях: учеб. пособие. М.: Изд-во МАИ, 2018. -143 с.

[4] Романов В. Н. Системный анализ для инженеров. СПб.: СЗГЗТУ 2006. 186 с.

[5] Строение атмосферы Венеры от поверхности до 100 км / Л. В. Засова, В. И. Мороз, В. М. Линкин и др.

// Космические исследования. 2006. Т. 44, № 4. С. 381-400. 225

[6] Завершен очередной этап разработки миссии на Венеру. Сайт Государственной корпорации по космической деятельности «Роскосмос». URL: https://www.roscosmos.ru/38180/ (дата обращения: 05.03.2023).

[7] Уникальные проекты коллектива НПО имени С. А. Лавочкина (к 85-й годовщине предприятия) /

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

A. Е. Ширшаков, В. В. Ефанов, А. А. Моишеев, С. В. Шостак // Вестник НПО им. С. А. Лавочкина. 2022. № 2. С. 8-22. DOI: 10.26162/LS.2022.56.2.001

[8] Любезный Б. В., Воронцов В. А., Хмель Д. С. Особенности разрабатываемых миссий по исследованию планеты Венера // 57-е Научные чтения, посвященные разработке научного наследия и развитию идей К. Э. Циолковского (Калуга, 20-22 сентября 2022 г.). Сборник тезисов: в 2 ч. Ч. 2: тезисы докл. М.: Изд-во «Эйдос», 2022. С. 88-90.

[9] Лебедев А. А. Курс системного анализа. М.: Машиностроение, 2010. 256 с.: ил.

[10] Баллистические ракеты и ракеты-носители: пособие для студентов вузов / О. М. Алифанов, А. Н. Андреев,

B. Н. Гущин и др.; Под ред. О. М. Алифанова. М.: Дрофа, 2004. 512 с.: ил.

SYSTEM ENGINEERING RESEARCH OF A MULTIROTOR AIRCRAFT AS A PROSPECTIVE TECHNICAL MEANS OF EXPLORING THE ATMOSPHERE AND SURFACE OF THE PLANET VENUS

M. Yu. Yatsenko, V. A. Vorontsov, V. V. Ryzhkov

Moscow Aviation Institute (National Research University),

Moscow, Russian Federation

Currently, the exploration of the planet Venus is a very relevant and developing direction in space science. The development of rocket and space technologies has expanded the boundaries of accessibility of spacecraft to objects in the Solar System, allow for entire interplanetary expeditions, including flights to terrestrial planets, giant planets, and the outskirts of the Solar System. Currently, a program of planetary exploration for the next decades is being formed. Studying the history of expeditions to Venus and Mars clarifies the need to develop and improve methods for studying the atmosphere of the nearest planets to Earth, in particular, Venus, using available technical means, making them as efficient as possible. The exploration of Venus is proposed to be carried out using a technical means - a multirotor aircraft. This object is allocated as a system, and its role in the composition of the supersystem is also defined and described. The paper identifies scenarios for the functioning of the flying apparatus are highlighted, the tasks of its subsystems are described, as well as their interaction with each other. The main external factors affecting the work of the subsystems of the multirotor aircraft are presented. A functional scheme of the system is developed, as well as the main indicators used to assess the

№ 3 (45) 2023

Том 7

effectiveness of achieving the target task. This work is a preliminary stage before building a

mathematical model.

Keywords: Venus, multirotor aircraft, technical means of research, object of research, subsystem, supersystem, atmospheric density, altitude level, systems engineering research,

many alternatives.

References

[1] Yatsenko M. Yu. and Vorontsov V. A. K voprosu o vklyuchenii v programmu issledovaniya Venery dopolnitelnykh tekhnicheskikh sredstv [To the question of including additional technical means in the Venus exploration program]

226 // Kosmicheskie apparaty i tekhnologii. 2022. Vol. 6, № 1. pp. 5-13. DOI: 10.26732/j.st.2022.1.01

[2] Avtomaticheskie kosmicheskie apparaty dlya fundamentalnykh i prikladnykh nauchnykh issledovanii [Automatic space vehicles for fundamental and applied scientific research] / Pod obshch. red. d-ra tekhn. nauk, prof. G. M. Polishchuka and d-ra tekhn. nauk, prof. K. M. Pichkhadze. M.: Izd-vo MAI-PRINT, 2010. pp.17-306: il.

[3] Bobronnikov V. T. Sistemnyi analiz v inzhenernykh issledovaniyakh [System analysis in engineering research]: Uchebnoe posobie. M.: Izd-vo MAI, 2018. 143 p.

[4] Romanov V. N. Sistemnyi analiz dlya inzhenerov [System analysis for engineers]. SPb.: SZGZTU, 2006. 186 p.

[5] Stroenie atmosfery Venery ot poverhnosti do 100 km [Structure of the atmosphere of Venus from the surface to 100 km] / L. V. Zasova, V. I. Moroz, V.M. Linkin, I. V. Khatuntsev, B. S. Mayorov. Kosmicheskie issledovaniya [Space research_], 2006, Vol. 44, № 4, pp. 381-400.

[6] Zavershen ocherednoi etap razrabotki missii na Veneru [Completion of the next stage of mission development to Venus]. Sait Gosudarstvennoi korporatsii po kosmicheskoi deyatelnosti «Roskosmos». URL: https://www.roscosmos. ru/38180/ (Accessed March 05, 2023).

[7] Unikalnye proekty kollektiva NPO imeni S. A. Lavochkina (k 85-y godovshchine predpriyatiya) [Unique Projects of Lavochkin Association (to the 85-th Anniversary of the Enterprise)] / A. E. Shirshakov, V. V. Efanov, A. A. Moisheev and S. V. Shostak // Vestnik NPO im. S. A. Lavochkina. 2022. № 2. pp.8-22. DOI: 10.26162/LS.2022.56.2.001

[8] Liubeznyi B. V., Vorontsov V. A. and Khmel D. S. Osobennosti razrabatyvaemykh missii po issledovaniyu planety Venery [Features of the developed missions to study the planet Venus] // 57-e Nauchnye chteniya, posvyashchennye razrabotke nauchnogo naslediya i razvitiyu idei K. E. Tsiolkovskogo (Kaluga, 20-22 sentyabrya 2022 g.). Sbornik tezisov: v 2 ch. Ch.2: tezisy dokl. M.: Izd-vo «Eidos», 2022. pp. 88-90.

[9] Lebedev A. A. Kurs sistemnogo analiza [Course of the system analysis]. M.: Mashinostroenie, 2010. 256 p.: il. [10] Ballisticheskie rakety i rakety-nositeli: Posobie dlya studentov vuzov [Ballistic Missiles and Launch Vehicles:

Handbook for University Students] / O. M. Alifanov, A. N. Andreev, V. N. Gushchin and dr.; Pod red. O. M. Alifanova. M.: Drofa, 2004. 512 p.: il.

Сведения об авторах

Яценко Михаил Юрьевич - аспирант Института № 6 «Аэрокосмический» МАИ. Окончил МАИ с отличием в 2021 году. Область научных интересов: проектирование и конструкция ракетно-космической техники.

Воронцов Виктор Александрович - профессор кафедры «Космические системы и ракетостроение» и кафедры «Системный анализ и управление» Института № 6 «Аэрокосмический» МАИ, доктор техн. наук. Окончил МАИ с отличием в 1975 году. Область научных интересов: проектирование автоматических космических аппаратов для исследования дальнего космоса.

Рыжков Владислав Валентинович - аспирант Института № 6 «Аэрокосмический» МАИ. Область научных интересов: системный анализ и специальные организационно-технические системы космического назначения.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.