CC BY
117
Кузьмин С.В. Kuzmin S. V.
аспирант Финансово-технологической академии, Россия, г. Королев
УДК 004.62
СРЕДСТВА СБОРА И ОБРАБОТКИ БЫСТРОМЕНЯЮЩИХСЯ ВИБРОАКУСТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ НА БОРТУ РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ
В данной статье рассматриваются вопросы, связанные с обработкой быстроменяющихся параметров (БМП) на борту изделия ракетно-космической техники (РКТ). Показана важность виброакустических параметров и их характеристики. Приводится историческая справка о ключевых этапах в решении задачи получения данных о процессах, протекающих на борту изделия РКТ во время его эксплуатации. Выделены основные конструктивные параметры и требования к аппаратуре по обработке БМП.
Ключевые слова: быстроменяющиеся виброакустические параметры, космический аппарат, изделия ракетно-космической техники.
MEANS OF COLLECTING AND PROCESSING OF THE FAST-CHANGING VIBROACOUSTIC CHARACTERISTIC ONBOARD MISSILE AND SPACE EQUIPMENT
In this article the questions connected with processing of fast-changing parameters (FCP) onboard a product of the missile and space equipment (MSE) are considered. Importance of vibroacoustic parameters and their characteristic is shown. Historical information about key stages is given in the solution of a problem of data acquisition on processes proceeding onboard product MSE during its operation. The key design data and requirements to the equipment on FCP processing are allocated.
Key words: fast-changing vibroacoustic parameters, the spacecraft, missile and space equipment products.
Понятие вибрации и акустики пришло в космическую технику с моментов первых испытаний. Тогда же появилась необходимость получать данные о состоянии изделия и его отдельных элементах в части виброакустических процессов. В особенности из-за того, что данные параметры сопровождают РКТ в течение всего времени эксплуатации [1-4]. Основными и в то же время критическими источниками вибрации являются: двигательная арматура; средний переходник; нижний переходник; арматура конструкции.
При трансляции информации с борта ракетоносителя (РН) и разгонного блока (РБ) имеется два обстоятельства, затрудняющих получение досто-
верной информации:
1) потеря радиосвязи в некоторые моменты разделения ступеней;
2) резкое сокращение пропускной способности радиоканалов во время полета РБ, которое в начале в лучшем случае достигает нескольких сот кбит, а к моменту отделения космического аппарата (КА) пропускная способность вообще падает до нескольких десятков кбит.
На рис. 1 представлена схема ракетного разгонного блока.
Особенно обостряется положение при возникновении нештатной ситуации, когда необходимо решать две задачи:
Electrical and data processing facilities and systems. № 1, v. 9, 2013 = - 93
Рис. 1. Схема ракетного разгонного блока: 1 - бак окислителя; 2 - бак горючего; 3 - маршевый двигатель; 4 - межбаковый отсек; 5 - средний переходник; 6 - нижний переходник; 7 - двигательная установка средств обеспечения запуска (ДУ СОЗ); 8 - блок сопел; 9 - приборный отсек; 10 - неподвижное крепление; 11 - трубопроводы
1. Принять срочные меры по возможности устранить или хотя бы парировать возникшее нештатное развитие событий.
2. Передать на землю по возможности максимальное количество измеренной информации для анализа и определения причины возникновения нештатной ситуации. При этом особое место отводится БМП, которые в силу своей специфики первыми откликаются на неблагоприятное развитие событий.
Виброакустические параметры относятся к группе быстроменяющихся параметров, для сбора которых требуется частота опроса от 8 до 20 кГц. Для сравнения, у медленноменяющихся параметров, таких как давление и температура, частота опроса составляет около 10 Гц. В период первых разработок РКТ было предложено проводить обработку информации на борту, так как виброакустические параметры обладают большой информативностью.
В начале 60-х годов были изготовлены экспериментальные приборы на основе LC-фильтров, позволяющие обработать данный поток информации. Но в результате от них пришлось отказаться, так как на тот момент элементная база была достаточно крупных размеров, и прибор получился больших габаритов. Обработку было решено производить на земле, передавая все данные по радиоканалу. Внимание было переведено в сторону направления расширения канала передачи данных. Позднее, в 70-х годах,
удалось произвести обработку данных на борту. В качестве борта были использованы тяжелые военные самолеты. Для обработки использовались барбитов-ские фильтры (квадратурные фильтры). В начале 80-х годов была разработана аппаратура на основе активных фильтров, но ее не смогли применить на борту из-за большого уровня потребления электроэнергии. В итоге данная разработка применялась на земле. В конце 80-х годов была разработана аппаратура бортовой обработки на основе аналого-дискретных фильтров (операционные усилители с конденсаторами в качестве памяти). Снята с изделий из-за неустойчивой работы в температурном диапазоне.
В настоящее время в связи с развитием элементной базы появилась возможность решить данную задачу. В частности, речь идет о быстродействующих и малопотребляющих процессорах. Однако данная бортовая аппаратура отсутствует либо представлена с характеристиками, не удовлетворяющими современные требования.
В последнее время произошло резкое увеличение числа измеряемых вибропараметров, которые необходимо передавать на землю. При этом возможностей расширенного канала недостаточно, особенно на большой высоте. В связи с этим вновь возникла необходимость в обработке вибрационных параметров на борту КА.
В настоящее время существует аппаратура на
отечественной элементной базе, но с малой разрядностью и с большими габаритами. Одно из таких устройств разработано ФГУП «ГНПРКЦ «ЦСКБ-ПРОГРЕСС» и представляет собой систему мониторинга большого количества датчиков. Система фильтрует сигналы и передает их на землю без бортового анализа.
Исходя из ситуации на сегодняшний день можно сформировать необходимые требования для реализации бортовой обработки:
- возможность многоканальной обработки, 24 канала;
- высокое быстродействие;
- большая разрядность, 16 разрядов;
- малые габариты;
- малый вес;
- малое энергопотребление, до 10 Вт.
В связи с вышеизложенным был выработан следующий принцип построения бортовых аппаратно-программных средств по сбору, преобразованию, обработке, анализу и передаче информации по БМП:
1. По всем процессам БМП вычисляются характеристики, необходимые для оперативной оценки. Вычисленные характеристики передаются на землю. По возможности также передается непосредственная запись.
2. Одновременно с процедурой вычисления используется устройство для обнаружения всех штатных и нештатных ситуаций на борту изделия.
К штатным ситуациям можно отнести: разделение ступеней, сброс переходников, запуск двигателей. Все штатные воздействия обрабатываются и сравниваются с заданными нормами. При превышении норм устройство действует следующим образом:
- определяет место, где появилось первым нештатное воздействие;
- передает предупреждающий сигнал;
- формирует поток процессов БМП с нештатным воздействием для передачи на землю.
Для оперативной оценки вибрационного состояния отдельных узлов необходимо непрерывно вычислять следующие характеристики измеряемого параметра х:
- среднее значение т£
, (1)
где Хп - отсчет измеренного сигнала Х(ф) в точке п; N - количество отсчетов.
С помощью среднего значения Хп можно выделить различные воздействия, значительно превышающие диапазон измерения;
- среднеквадратичное отклонение а :
ах — _ тх)2
(2)
Среднеквадратичное отклонение ох позволяет оценивать колебательную составляющую измеренного сигнала, что особенно важно при появлении тренда или скачкообразного изменения характера сигнала;
- максимальное Max и минимальное Min зна-
■Г .г
чения:
Maxx = max {(x - mx ).. ,(xn - mx)} (3)
при n = 0...N - 1;
Minx = min {(x - mx).(Xn- mx)} (4)
при n = 0...N - 1.
С помощью Max и Min значений оцениваются пиковые вибронагрузки на тот или иной агрегат или узел;
- амплитудные или спектральные характеристики.
Для вычисления спектральных характеристик виброакустических процессов используются два метода:
1) метод БПФ;
2) метод фильтрации.
При использовании метода БПФ прежде всего определяются коэффициенты Фурье:
(5)
А(к) = jjln=QXn cos-27rkn
N 2пкп
В(к) = ^^Хп sin N
(6)
где X = X - т .
п п X
Спектр мощности:
СсМ=^У=Л_А2{к) + В\к)\ (7)
где М - частота реализаций. Спектральная плотность мощности:
СспмОО = ^^ (8) где А/- полоса частот.
Спектр мощности: _
А(Х) = у/ЩМ. (9)
При использовании метода фильтрации прежде всего реализуется цифровая рекурсивная фильтрация в заданных полосах частот с помощью полосовых фильтров Баттерворда второго порядка:
Ук(п) = АоХп-2 + А2кХп-1 + А2кХп + В0к Уп-2 + В1кУ^ (10) где Хп - входной массив данных; уп - выходной
массив данных; А0к, А1к, А2к, В0к, В1к - коэффициенты фильтра, рассчитанные в соответствии с заданными характеристиками к-го фильтра; к - номер фильтра.
Далее на базе полученных массивов отфильтрованных данных производится вычисление следующих характеристик:
Electrical and data processing facilities and systems. № 1, v. 9, 2013
95
амплитудный спектр:
А(к)=^-1Ук(п), (11)
амплитудный спектр максимальных значений: А(к) тах
спектр мощности:
СсМ=^-1Ук(п) , (13)
спектральная плотность мощности:
(14)
Для улучшения анализа данных были продуманы дополнительные возможности, предоставляемые работой системы:
- обработка данных в реальном масштабе времени для принятия оперативных мер по предотвращению последствий нештатных ситуаций (в ручном и автоматическом режимах);
- одновременный опрос датчиков с привязкой по времени (позволяет сравнивать показания датчиков в одном промежутке времени, для более точного определения места нештатного воздействия);
- одновременный расчет порядка в двух областях (положительной и отрицательной) в случае несимметричного сигнала (относительно нулевого уровня);
- предсказание развития сигнала на основании его производной;
- дополнительное сокращение передаваемых данных достигается за счет передачи данных в виде экспоненциальной формы, что позволяет сократить объем в два раза. В этом случае передаваемые данные несут информацию о максимальных значениях спектра, что позволяет получить необходимое понимание о происходящих процессах.
Результаты обработки и передачи получаемых данных позволяют использовать бортовую обработку для решения нескольких задач:
- вибромониторинг - передача данных для анализа;
- вибродиагностика - расчет параметров и анализ на предмет выхода за пределы допустимых значений;
- аварийная защита двигателя КА - предотвращение возможных неисправностей за счет перевода работы двигателя в другой режим или полного от-
ключения в случае наличия резервного двигателя.
Совокупность применяемых способов для получения и обработки данных представляет собой интеллектуальную систему анализа состояния виброакустической устойчивости объекта.
Создание подобной интеллектуальной бортовой системы позволит перейти на более качественный уровень в оценке состояния объекта и принятии оперативных мер при возникновении нештатных ситуаций. Отличительной особенностью системы является то, что она должна производить анализ не только БМП, но и медленно меняющихся параметров (ММП). Увеличение количества обрабатываемых данных позволит соотносить изменение одних параметров одновременно с изменениями других, что дает наиболее точное понимание протекающих процессов. Применение данной системы не ограничивается лишь космическими технологиями, она может быть применена в любых системах, обладающих вибрацией при работе.
Список литературы:
1. Артюшенко В.М. Анализ систем управления космическим летательным аппаратом [Текст] / В.М. Артюшенко, М.И. Видов // Информационные технологии. Радиоэлектроника. Телекоммуникации (ITRT-2011): сб. статей II Международной заочной научно-технической конференции / Поволжский гос. ун-т сервиса. - Тольятти: Изд-во ПВГУС, 2011. - С. 18-29.
2. Филин В.М. Оптимизация диагностики космического разгонного блока [Текст] / В.М. Филин, Л.А. Пчелинцев, В.Н. Денчик, В.А. Задеба, В.П. Клиппа, А.С. Ершов, И.И. Кузнецов. - М.: Едитори-ал УРСС, 2004. - 184 с.
3. Калошин А.М. Наземная отработка космических аппаратов [Текст] / А.М. Калошин, Л.А. Пчелинцев, И.И. Кузнецов, А.С. Ершов. - М.: КомКни-га, 2005. - 176 с.
4. Евдокименков В.Н. Инженерные методы вероятностного анализа авиационных и космических систем [Текст] / В.Н. Евдокименков, В.Г. Динеев, К.А. Карп. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2010. - 320 с.
