ВЫСОТНЫЙ ДИРИЖАБЛЬ БЕЗ ДВИЖИТЕЛЕЙ — СТРАТОСФЕРНЫЙ НОСИТЕЛЬ АППАРАТУРЫ РАДИОРЕЛЕЙНОЙ СВЯЗИ И БАЗОВЫХ СТАНЦИЙ В СИСТЕМЕ СЕТИ ДОСТУПА К МОБИЛЬНОМУ ИНТЕРНЕТУ Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

A UNIVERSUM:

№11(128)_ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ_ноябрь. 2024 г.

DOI - 10.32743/UniTech.2024.128.11.18639

ВЫСОТНЫЙ ДИРИЖАБЛЬ БЕЗ ДВИЖИТЕЛЕЙ — СТРАТОСФЕРНЫЙ НОСИТЕЛЬ АППАРАТУРЫ РАДИОРЕЛЕЙНОЙ СВЯЗИ И БАЗОВЫХ СТАНЦИЙ В СИСТЕМЕ СЕТИ ДОСТУПА К МОБИЛЬНОМУ ИНТЕРНЕТУ

Жиляков Евгений Георгиевич

д-р техн. наук, профессор, Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования Белгородский Государственный национальный исследовательский университет,

РФ, г. Белгород E -mail: zhilyakov@bsu. edu.ru

Олейник Иван Иванович

канд. техн. наук, Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования Белгородский Государственный национальный исследовательский университет,

РФ, г. Белгород E -mail: [email protected]

Федоров Павел Александрович

аспирант

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования Белгородский Государственный национальный исследовательский университет,

генеральный директор ООО «СНОиИТ»,

РФ, г. Обнинск E-mail: [email protected]

Бердюгин Павел Сергеевич

аспирант

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования Белгородский Государственный национальный исследовательский университет, заведующий сектором цифровых систем управления ФГБНУ ФНАЦ ВИМ,

РФ, г. Москва E -mail: berduginps@gmail. com

HIGH-ALTITUDE AIRSHIP WITHOUT PROPULSION — STRATOSPHERIC CARRIER OF RADIO RELAY COMMUNICATION AND BASE STATIONS EQUIPMENT IN THE SYSTEM OF ACCESS NETWORK TO THE MOBILE INTERNET

Evgeny Zhilyakov

Doctor of Engineering Sciences, Professor, Federal State Autonomous Educational Institution of Higher Education Belgorod State National Research University,

Russia, Belgorod

Ivan Oleynik

PhD. sciences,

Federal State Autonomous Educational Institution of Higher Education Belgorod State National Research University,

Russia, Belgorod

Библиографическое описание: ВЫСОТНЫЙ ДИРИЖАБЛЬ БЕЗ ДВИЖИТЕЛЕЙ — СТРАТОСФЕРНЫЙ НОСИТЕЛЬ АППАРАТУРЫ РАДИОРЕЛЕЙНОЙ СВЯЗИ И БАЗОВЫХ СТАНЦИЙ В СИСТЕМЕ СЕТИ ДОСТУПА К МОБИЛЬНОМУ ИНТЕРНЕТУ // Universum: технические науки : электрон. научн. журн. Жиляков Е.Г. [и др.]. 2024. 11(128). URL: https://7universum.com/ru/tech/archive/item/18639

Pavel Fedorov

Postgraduate student

Federal State Autonomous Educational Institution of Higher Education Belgorod State National Research University, General Director of LLC "SNOiIT", Russia, Obninsk

Pavel Berdyugin

Postgraduate student

Federal State Autonomous Educational Institution of Higher Education Belgorod State National Research University, Head of the Digital Control Systems Sector of the Federal State Budgetary Scientific Institution FNAC VIM,

Russia, Moscow

АННОТАЦИЯ

ВОЛС-интернет поэтапно приходит в порты Северного морского пути, в то время как континентальные районы Сибири Дальнего Востока и Российской Арктики пользуются дорогим космическим интернетом.

Задачу распространения интернета на материке решает высотная сеть «Доступ» — система радиорелейной связи с базированием радиоэлектронной аппаратуры на стратосферных дирижаблях, предложенная ООО СНОиИТ.

В статье описаны высотный дирижабль-носитель и его конструкция; способы управляемого полета дирижабля, источники энергии движения и управляющие силы полета; полезная нагрузка и ее энергообеспечение.

Подробно рассмотрено происхождение энергии и сил управляемого перемещения носителя и принцип работы автоматизированной системы управления полетом. Описана работа автоматизированной информационной системы и бортового компьютера носителя. Рассмотрен анализ управляющей аэродинамической силы на примере проведения исследования оболочки носителя в аэродинамической трубе. Заявлена перспектива проекта, в котором высотная сеть играет роль распределенного по площади покрытия «интерфейса» — системы взаимодействия космической лазерной сети связи и наземного интернета.

ABSTRACT

Fiber-optic Internet is coming to the ports of the Northern Sea Route, while the continental regions of Siberia, the Far East and the Russian Arctic use expensive space communications.

The problem of Internet distribution on the continent is solved by the high-altitude network "Access" - a radio relay communication system with the basing of electronic equipment on stratospheric airships.

The article describes the high-altitude airship carrier and its design; methods of controlled flight of the airship, sources of propulsion energy and the flight control forces; payload and its energy supply. The origin of the energy and forces of controlled movement of the carrier and the operating principle of the automated flight control system are considered in detail. The prospect of the project is declared, in which the high-altitude network plays the role of an "interface" distributed over the coverage area of the interaction of the space laser communication network and the terrestrial Internet.

Ключевые слова: воздухоплавательные носители; стратосферные дирижабли; высотные платформы; ВОЛС; лазерный луч; проект доступ; удаленные, труднодоступные, малонаселенные территории.

Keywords: aeronautical carriers; stratospheric airships; high-altitude platforms; fiber-optic communication lines; laser beam; access project; remote, hard-to-reach, sparsely populated areas.

Одно из главных условий развития Арктики и Сибири — это стабильные коммуникации бизнеса и свободное общение индивидуальных абонентов, — уверенный доступ всех пользователей к мобильной связи и скоростному интернету.

В порты Севморпути поэтапно приходит волоконно-оптический кабель глобальной сети — высокоскоростной ВОЛС-интернет, в то время как абоненты труднодоступных удаленных районов пользуются дорогостоящей космической связью: прокладка кабеля на сотни километров вглубь континента технически затруднена и в ближайшее время исключающе нецелесообразна экономически.

Доступ к скоростному интернету в континентальных регионах остро необходим. Устойчивая связь

обеспечит эффективную работу предприятий и горнодобывающих объектов; работу медицинских и образовательных учреждений; развитие сферы обслуживания и досуга, — и все это существенно повысит уровень жизни, создаст условия притока трудовых ресурсов в удаленные регионы.

Предприятием СНОиИТ предложен проект «Доступ» для малонаселенных регионов с низкой стоимостью широкополосного интернета на уровне цен Европейской части России.

Сеть «Доступ» — это высотная радиорелейная связь с базированием аппаратуры радиорелейной связи (РРС) и базовых станций (БС) мобильной связи на высотных дирижаблях.

Система связи Loon — аналог проекта «Доступ»

Разработка предприятия СНОиИТ может рассматриваться как антитеза проекта Loon — сети мобильной связи корпорации Google *_X, США [2].

Испытания американского проекта проводились в 2012-20 годах.

Базовые станции Loon устанавливались на воздушных шарах — дрейфующих стратостатах с высотой полета ~18 000 м.

Перемещение стратостатов происходило за счет естественного сноса платформ. Выбор воздушного потока, заданного направлении осуществлялся поиском по вертикали — изменением высоты полета стратостата-носителя.

Управление маневрами группы стратостатов-носителей велось наземной автоматизированной информационной системой (АИС).

АИС получала информацию о высотных платформах: высота, скорость, направление перемещения стратостата; скорость воздушного потока, температура, давление... — и решала задачу равномерной расстановки БС в потоке (в движении сноса носителей) над районом покрытия.

В зависимости от площади территории над зоной покрытия пролетали десятки или сотни стратостатов.

Бортовые БС в полете, запрограммированным по принципу «птичьей стаи», должны были находиться на равных расстояниях друг от друга.

Платформы пересекали зону покрытия и приземлялись в местах подбора.

Мобильные группы доставляли севшие комплексы в мастерские технического обслуживания (ТО) и в точки повторных стартов.

Во время землетрясения в Пуэрто-Рико с помощью системы Loon был обеспечен доступ к интернету на площади в 11 000 кв км.

В 2019 году реализован пилотный коммерческий проект в Кении, где в предместьях Найроби связь обеспечили несколько сотен высотных платформ.

Проект Loon закрыт в 2021 г. в связи с коммерческой несостоятельностью.

Причина — нестабильное обеспечение упорядоченного полета платформ.

Задача управления дрейфом стратостатов-носителей в атмосферных потоках для равноудаленной расстановки БС оказалась невыполнимой.

АИС справилась со своевременным формированием управляющих команд, что разработчики считали ключевой позицией управления, но природа не дала возможности удерживать носители на расчетных траекториях.

По команде АИС стратостат своевременно начинал маневр изменения высоты, но... или время поиска воздушного эшелона оказывалось чрезмерным, или поиск не давал результата, когда в интервале высот спуска-подъема просто не оказывалось высотного потока нужного направления.

Платформы сбивались с курса и пролетали над зоной покрытия или поодиночке или плотными группами. В итоге равномерное распределение БС по площади покрытия не обеспечивалось.

Расстановка носителей и основная информация о проекте

Анализ системы Loon предприятием СНОиИТ определил главное условие управляемости воздухоплавательных аппаратов без движителей. По командам АИС носителями необходимо эффективно и быстро, в гарантированно короткое время выполнять маневры, обеспечивающие расчетное перемещение.

В итоге была выбрана схема расстановки высотных платформ с удержанием позиций над расчетными позициями связи на территории покрытия: над населенными пунктами, рудниками и приисками, стоянками оленеводов и т. п.

Носитель «Доступ» выполнен на основе концепт-проекта «Неофрон» [1], СНОиИТ, 2015.

Рисунок 1. Чукотский АО

* По требованию Роскомнадзора информируем, что иностранное лицо, владеющее информационными ресурсами Google является нарушителем законодательства Российской Федерации — прим. ред.

Проект территориально привязан к Чукотскому АО (площадь 720 кв. км; население 50 тыс. чел..; ок. 50 населенных пунктов с населением в основном до 1 000 чел.) Карта Чукотки представлена на рисунке 1.

Ретрансляторы РРС и БС сотовой связи (бортовые и наземные), разрабатываются на основе адаптивных цифровых антенных решеток (АЦАР) коллективом Института инженерных и цифровых технологий (ИИЦТ) НИУ БелГУ, Белгород при участии ООО СНОиИТ, Обнинск.

Анализ состоятельности проекта в целом, как научно-исследовательской и опытно-конструкторской работы (НИОКР) проведен РНИРТИ, Ростов-на-Дону.

Аванпроект НИОКР «Доступ» рассмотрен Минцифры РФ; получены рекомендации по организационным вопросам построения и внедрения системы.

Выполнение НИОКР «Доступ» согласовано с Минобороны РФ.

Преимущества система «Доступ» в сравнении с проектом Loon

Чукотский АО — малонаселенный регион. Всего в нескольких поселках население превышает 1000 человек. Это порты Севморпути (СМП), районные центры, столица АО — город Анадырь (15 000 человек).

Поселки отстоят друг от друга на сотни километров.

Для установления стабильного доступа к интернету 99-ти процентов населения Чукотки гипотетическое число «блуждающих шаров» Loon составило бы более 450 единиц. С учетом резервного фонда число ЛА возрастет на 100%, что составит ~1000 единиц на 720 тыс. кв. км площади покрытия.

Номинальное количество рабочих стратосферных платформ «Доступ» на этой территории — 25 - 30 единиц.

Технические сбои, атмосферные аномалии и другие непредвиденные и случайные события, — все это добавит 25% платформ.

Запас территориального перекрытия рабочих зон — + 25%.

Резервный технический ресурс носителей добавит 25%.

Потери в автономном полете (франшиза страхования) — 10%.

Стоимость производства платформы «Доступ» в России — 70% экономии по сравнению со стоимостью носителя Loon.

Подъемная сила платформ при необходимости усиления мощности связи, повлечет увеличение веса бортовой аппаратуры, и может быть увеличена в два и более раз без существенного увеличения стоимости носителя.

Страхование летно-подъемных аппаратов — 10% в год стоимости ЛА.

При этом с учетом всех затрат по максимуму в пересчете на количества платформ связь в Чукотском АО гарантировано обеспечат 75 платформ на базе летательных аппарата (ЛА) «Доступ» (ср. с 1000 единиц платформ Loon).

Схемы связи

Бортовые ретрансляторы РРС на высоте 18 - 24 тыс. м сохраняют позиции в рабочих зонах связи с наземными БС и обеспечивают работу системы «Доступ».

Базовые платформы сети имеют связь с узлами ВОЛС-интернета и вместе с другими ретрансляторами образует высотную систему прямой РРС-видимости на территории покрытия — пространстве доступа к мобильной связи (рисунок 2).

Базовые платформы в портах Севморпути (СМП) «привязаны» к узлам ВОЛС-кабеля. Платформы сети РРС обмениваются сигналом на частоте диапазона EHF на расстоянии ~ 300 км, имеют связь с наземными БС, рисунок 3.

Рисунок 2. Узел и платформа

Рисунок 3. Схема связи с БС

Каждый населенный пункт зоны покрытия имеет как минимум одну БС «вещающую» в абонентских форматах интернета и мобильной связи.

Это более эффективное распространение сигнала, нежели обмен информационными потоками с теми же узлами ВОЛС-интернета по спутниковым каналам (системы SCPC и другие).

Рисунок 4. Работа бортовой БС

Система связи на адаптивных цифровых антенных решетках (АЦАР)

Высотные платформы имеют многолучевые (до пяти лучей связи) антенные системы приема-передачи АЦАР.

Определение направления лучей связи осуществляется сканированием нижней и боковой части сферы пространства (~3п стерадиан = ~75% сферы) и рассчитывается АИС и корректируется бортовым компьютером платформы.

Лучи ориентируются в направлениях ближайшей наземной БС и окружающих четырех ретрансляторов соседних платформ.

В системе нисходящий трафик традиционно превосходит восходящий. Задачу увеличения восходящего трафика решают дополнительные платформы с усилителями при одной локацией связи.

Автоматизированная информационная система

АИС обеспечивает управление полетом платформы, контроль режимов и ориентацию лучей РРС связи, и маршрутизацию информационных потоков. Таким образом, система интегрирует все позиции мобильной связи региона.

АИС полностью работоспособна в процессе масштабирования системы: как при охвате новых территорий и увеличением числа абонентов сети, так и с повышением качества и расширением спектра услуг, — вплоть до соответствия параметров сети универсальной матрице «Интернета вещей» — 1оТ.

По мере возникновения новых поселков и развития предпринимательства на Чукотке (например, Баимское месторождение) развитие системы «Доступ» обеспечивается простым добавлением платформ, — масштабированием, при котором новые носители займут новые заданные позиции, и АИС автоматически «пропишет» новые позиции в системе связи.

Ресурс АИС расходуется в основном на маршрутизацию информационных потоков и только небольшая часть — на навигацию и пилотирование носителей.

Носители осуществляют выход модулей в расчетные координаты, сохранение позиций для устойчивой связи с БС и возвращение на аэродром.

Масштабирование системы «Доступ» вызовет увеличение относительно небольшой области оперативного ресурса АИС, отвечающей за управление полетом носителей.

Конструкция дирижабля

Платформа способна к маневрам за счет собственных систем в автономном режиме и имеет рабочий интервал высот 18 000 - 24 000 м.

Дирижабль не имеет движителей. Управляемый полет и маневры ЛА обеспечиваются скороподъемностью и направляемым снижением, что является своего рода «ноу-хау» проекта, «прорывной» технологией — способом движения дирижаблей в новом воздухоплавании.

Форма оболочки кардинально изменена по сравнению с традиционной.

Профиль «крыло» (показан на рисунке 5) — еще одно новое слово в построении дирижаблей.

Общими позициями с концептом «Неофрон» (см. сайт СНОиИТ) носителя «Доступ» остаются:

• единый корпус РЭА, энергетики и силового блока в полости оболочки;

• управление полетом посредством пространственной ориентации ЛА.

Рисунок 5. Форма об

Траектория движения носителя определяется и контролируется АИС. Бортовой компьютер осуществляет текущую коррекцию полета и связи.

Координаты и высота движения определяются средствами:

а) системы ГЛОНАСС и GPS;

б) сигналы наземных БС;

в) наземные авиационные объекты, определение координат по спутникам.

Температура воздуха на высоте 18 000 - 24 000 м примерно постоянна в течение года и составляет -52°C--56°C.

Габаритные и тяжеловесные электродвигатель (ЭД) и насос газового регулирования (ГН) с опорами вращения, и все системы и устройства носителя: аккумуляторные батареи (АкБ), бортовой компьютер и блок радиоэлектронной аппаратуры (РЭА), — всё, за исключением солнечных батарей и антенн, находится в едином термозащищённом корпусе.

Солнечные батареи (СБ), антенны, датчики состояния среды и манипуляторы управления воздушно-газовым балансом подключены к управляющим контроллерам внутри единого термоблока через контактные группы линий Ethernet с уплотнениями, исключающими «мостики холода».

носителя «Доступ»

Энергопитание платформы — комбинированное:

• традиционное: солнечные батареи и АкБ;

• «сбор» с поверхности оболочки носителя электромагнитной энергии;

• «прямое» использование световой энергии (нагрев единого корпуса).

Потребление энергии на борту платформы (максимальные значения):

• компрессор газового баланса и циркуляции — 350 Вт;

• радиолокатор и аппаратура радиорелейной связи воздуха — 350 Вт;

• аппаратура GPS/ГЛОНАСС - 20 Вт;

• бортовой компьютер и система обогрева единого блока — 300 Вт.

Потребляемая мощность, общая — ~ 1 кВт.

Оптимизация циклограммы потребления, АкБ и СБ новых технологий, — все это позволит снизить вес системы энергоснабжения ~60%.

Источник энергии движения платформы

В полете платформа всегда стремится набрать максимальную высоту, постоянно увеличивать

потенциальную энергию как источник направленного перемещения относительно земли по команде АИС.

Расход энергии на поступательное движение к заданной точке, в том числе, для сохранения позиции платформы в зоне связи, должен быть управляемым.

Роль управляющей силы движения платформы выполняет аэродинамическая сила. На профиле оболочки в форме «крыло» по всей ее площади возникают распределенные по площади силы с равнодействующей, направленной под углом к траектории полета, близком к 90°, которая вместе с силой тяжести, силой Архимеда, центробежной силой и силой Кориолиса, управляет вектором скорости и обеспечивает остойчивость платформы в полете.

Бортовой компьютер фиксирует и учитывает ориентацию дирижабля, текущие направление и модуль вектора скорости платформы и вносит коррекцию, изменяя углы тангажа и крена дирижабля-носителя.

В полете с оптимальным интервалом коррекции (~5 с) АИС практически каждый раз заново рассчитывает траекторию движения ЛА к Ц.К. — точке отсчета всех вычислений в зоне устойчивой связи платформы с наземной БС.

Теоретически — это траектория спуска платформы в Ц.К., в точку на вертикальной оси над БС (в пределе — на минимальной рабочей высоте платформы 18 000 м).

То есть, движение под действием силы тяжести по оптимальной направляющей — кривой брахистохрона, где роль силы тяжести играет проекция равнодействующей F£, действующей на платформу, на вертикаль (вектор mg) — FvERт, а роль реакции опоры — векторная разность FsuppoRт = F2 — FvERт.

Способы реализации собственного хода платформы

Система собственного хода платформ имеет три режима перемещения.

А. Поступательное перемещение выхода в точку связи с наземной БС как движение в попутном потоке.

Носитель осуществляет подъем до уровня воздушного потока, направленного в сторону БС в диапазоне 18 000 - 24 000 м. При сносе потоком конструкция оболочки всегда обеспечивает ориентацию платформы «носом к ветру».

Платформа выходит в заданную рабочую точку системы «Доступ».

В рабочей точке платформа осуществляет подъем до максимальной рабочей высоты 24 000 м (набор максимальной потенциальной энергии), «прописывается» в АИС и включается в процессы:

• связи с наземной БС или напрямую с абонентами;

• ретрансляции сигнала мобильной связи и интернета по сети;

• сохранения своей позиции в области устойчивой связи с БС.

В основе направленного движения платформы при отсутствии в интервале высот 18 - 24 тыс. м попутных воздушных потоков для полета потребуется «расходование» потенциальной энергии высоты над уровнем земли.

Б. Смещение (снос) платформы из области стояния случайным потоком.

Исходное положение платформы, прибывшей в рабочую точку и включенной в рабочие процессы, -точка с максимальной энергией на высоте 18 000 м над БС.

Любой случайный поток смещает платформу от исходной точки.

В итоге платформа оказывается на границе рабочей зоны — области связи, ограниченной окружностью радиусом 3 000 м от вертикальной оси БС.

Возврат в точку происходит по алгоритму движения во встречном потоке.

При сносе носитель в силу конструкции ориентирован носом к центру рабочей зоны. Дирижабль уменьшает подъемную силу и по криволинейной глиссаде возвращается на вертикальную ось центра рабочей зоны (в пределе — на минимальную высоту 18 000 м). При подруливании плоская кривая брахистохрона может быть скручена в спираль для точности спуска.

В. Движение во встречном потоке

Если при взлете носителя в процессе подъема до высотного потолка попутного потока к БС «прописки» не найдено, платформа, управляемая АИС, на отметке 24 000 м с расчетным отрицательным углом тангажа и выбранным креном сбрасывает подъемную силу и начинает движение вниз по нисходящей спирали до выхода на направление в сторону БС.

Далее, убрав крен, происходит пикирование в вертикальной плоскости во встречном потоке, или, как минимум, — снижение скорости сноса.

При высокой скорости встречного потока угол тангажа увеличивается вплоть до максимального (75°), что в итоге обеспечит выход ЛА в рабочую зону.

В этом случае подъемная сила на профиле «крыло», разложенная по осям 0X (в направлении БС) и 0Z (вертикаль) работает

• на движение к центру (ось 0Х);

• на подъем носителя (ось 0 2) (увеличение потенциальной энергии);

• на остойчивость носителя (оси 0Х, 02).

На отметке 18 000 м начинается новый цикл коррекции рабочей точки: подъем — снос — движение по спирали / пикирование в сторону БС.

Постоянное движение коррекции позиции платформы проходит в границах воображаемого цилиндра радиусом 3 км и высотой 6 км относительно отметки 18 000 м над БС поселка — центра координат (Ц. К,), точка (0, 0, 18000).

Нештатные ситуации движения платформ

В атмосфере случаются непредсказуемые возмущения, что может вызвать прецеденты неуправляемых смещений носителей на значительные расстояния, и одни платформы могут оказаться на позициях соседних зон связи (БС) сети, другие — вне территории покрытия.

По ситуации АИС оценит «трудозатраты» системы и предложит варианты:

• мобилизует энергетический ресурс для противостояния аномальным смещениям и вернет смещенные платформы в места исходной «прописки»;

• «оформит» реконфигурацию позиций платформ сети по новым «адресам» (с учетом плановых замен платформ);

• включит режим возврата платформы на аэродром или произведёт посадку в оптимальном для текущей позиции платформы месте.

Рабочий цикл платформы

Предполетная сборка носителей, монтаж блоков управления и полезной нагрузки, тестирование, заправка гелием (водородом), взлет и посадка носителей производятся с аэродромов, расположенных в равнинной местности региона вблизи транспортных артерий и рабочих зон.

После взлета платформа в течение нескольких часов занимает назначенную позицию и включается в общую систему ретрансляции высотной сети РРС.

Отработавшая платформа, смененная новой, — возвращается на аэродром.

Сменившийся дирижабль осуществит штатную посадку закачкой воздушного балласта с уменьшение объема (свертыванием) оболочки.

В нестандартных условиях может производиться экстренная нештатная: газ частично стравливается, и платформа совершает неуправляемое приземление.

При отказе систем или другой аварийной ситуации, или в режиме ЧС предусмотрен сброс всего объема газа и падение блока внутри оболочки.

Возможен вариант приводнения с длительным сохранением наводного состояния и восстановлением всех функций платформы после проведении технического обслуживания (ТО).

Группа подбора определит место посадки и осуществит доставку платформы, для чего в едином блоке РЭА платформы предусмотрен аварийный передатчик с автономным питанием.

По выполнении подбора и проверки носителя: тестирования приборов, ремонта/замены аппаратуры, оболочки, механизмов; и полного предполетного ТО платформы и тестирования приборов для работы в очередном цикле.

Координаты в проекте

Минимальный полнофункциональный модуль системы «Доступ» — это фрагмент связи с удаленным объектом от узла ВОЛС-интернета через привязанную платформу на удаленную платформу и БС отстоящего поселка и на платформу с бортовой БС над скоплением индивидуальных пользователей со стандартными гаджетами мобильной связи, — всего три платформы.

За центр координат модуля принимается точка рабочей зоны высотной платформы с координатами (Ц.К.) = (0, 0, 0), позиция на высоте над уровнем земли (AGL) — hagl = 18 000 м над БС, как показано на рисунке 6.

Рисунок 6. Платформа в зоне БС

Высота над уровнем моря (ASL) — hasl = (0-1500м) + hagl.

Центр координат платформы — геометрический центр оболочки, ее центр тяжести с координатами (ц.т.) = (0, 0, 0).

Конструкция платформы

В едином корпусе аппаратуры, систем и механизмов платформы скомпонованы полезная нагрузка (ПН): блок РЭА управления РРС; блок РЭА управления полетом; АкБ, компрессор (Ко), генератор (ЭГ) и другие устройства.

Солнечные батареи на поверхности оболочки (как вариант — внутри оболочки на кожухе единого корпуса аппаратуры и механизмов платформы) устанавливаются симметрично относительно продольной оси 0Х и поперечной 0У так, что позиция (ц.т.) платформы по этим осям не смещается.

Точка (ц.т.) может сместиться по вертикальной оси 02.

Внешние антенны, также как и солнечные батареи не нарушают равновесия по осям 0Х и 0Y; но могут сместить точку (ц.т.) платформы по оси 02.

Монтаж единого корпуса ПН и РЭА на оси 02 производится таким образом, что (ц.т.) платформы, смещенный при установке солнечных батарей и антенн, возвращается обратно в геометрический центр — (ц.т.) оболочки.

Кожух единого корпуса в форме многогранника с гранями различных цветов и фактур имеет три собственных степени свободы вращения (+/- 90°).

Повороты кожуха относительно трех осей происходят независимо от ориентации корпуса, находящегося внутри кожуха, и не вызывают смещения (ц.т.) платформы. Это — ориентация отражающих и поглощающих граней кожуха относительно направлений на источники изучения: электромагнитных волн различных диапазонов частот и солнечного света.

Корпус ПН внутри кожуха имеет свою, независимую степень свободы, — вращение относительно продольной оси 0Х — (+/- 90°).

Поворот корпуса не изменяет ориентации кожуха. Поворот смещает (ц.т.) относительно оси 0Х и создает угол крена платформы (+/-45°).

Корпус в кожухе со степенью свободы смещения по оси 0Х в направлении носовой части обеспечивает установку угла тангажа платформы (0° — -75°) перед снижением (пикированием) платформы при «сбросе» подъемной силы.

Заданные тангаж и крен в сочетании со «сбросом» подъемной силы обусловливают снижение по линии брахистохрона или по спиральной траектории, что является основными способами движения платформы

в рабочей зоне при сохранении позиции в области устойчивой связи между высотными ретрансляторами, с наземными БС и индивидуальными абонентами.

Аэродинамическая сила

Система скороподъемности носителя обеспечивает энергию, необходимую для поступательного движения платформы и сохранения ее местоположения в рабочих координатах.

Покажем механизмы возникновения сил и моментов сил, управляющих полетом по командам АИС, на примере процесса исследования носителя в аэродинамической трубе (АДТ).

Рисунок 7. Система координат модели

При движении потока воздуха вдоль поверхности оболочки на профиле образуются зоны уплотнений и разряжений — источники «тяговых» и «поддерживающих» усилий, формирующих подъемную силу носителя.

На поверхности оболочки создается распределённая нагрузка, зависящая от скорости потока, как показано на рисунке 7.

Распределенная по поверхности оболочки сила представляется дискретными силами. Силы находятся в равноудаленных узлах поверхности.

На рисунке 8 показана элементарная сила f 1 j ир — нормаль к поверхности оболочки по направлению, по величине пропорциональная показанию датчика, установленного в узле на (верхней)поверхности up_nod (1 j ир) = Бешог_ир (1 j ир).

Рисунок 8. Разложение сил

Датчик может определить силу f 8ешог_ир, отличную от нормали

fN вычисляется по углу f 8ешог_ир с поверхностью (рисунок 9, слева). f sensor_up, раскладывается на касательную ^ и нормаль fN к поверхности оболочки.

^ компенсируется растяжением оболочки; не является составляющей равнодействующей силы, определяющей движение платформы.

Разложение f s

производится по поверхно-

сти; разложение f 1 j ир = fN — по координатным осям

оболочки (модели). В опытах f ¡!

>--fN

Координаты платформы

Перед проведением эксперимента в АДТ устанавливается собственная система координат оболочки (дирижабля, платформы) с центром в точке (ц.т.).

В статье 3Б-модель оболочки упрощенно разработана и представлена программным обеспечением 8кеЛир, позволяющим получать проекции, ракурсы и анимацию изображений; объемы и площади поверхности носителя.

Оболочка имеет продольную вертикальную плоскость симметрии — Х02.

Вводится ось 0У*, перпендикулярная Х'02', такая что ее направление совпадает с вертикальным габаритом изо оболочки.

В этом положении оболочка помещается в систему координат Х'У'2'0 так, что касается своими крайними точками координатных плоскостей, как это показано на Рисунке 9.

Рисунок 9. Позиция оболочки в системе X'Y'Z'0

Программа определяет координаты геометрического центра — центра тяжести оболочки (ц.т.) [3].

Координаты центра тяжести в системе Х'У'2'0 — точка (ц.т.) = (14.41176255, 12.80385869, 5.72605952); — скриншот показан на рисунке 10.

In [4]: geometric_median(points)

0ut[4]: array([14.41176255, 12.80385869, 5.72605952]) Рисунок 10. Координаты центра тяжести оболочки

Далее производятся действия по нанесению проекций узлов с плоскости Х'У^'0 на поверхность оболочки [4]. Скриншоты показаны на рисунках 11, 12.

In [2]: points = loadtxt("points.txt", comments="#", delimiter=" ", unpack=Fa

Рисунок 11. Вызов библиотеки

1л [}): Jit {tMttr!cjK6Un(X, у ■ np.BpjntX, 8)

"hi 1» Trin:

0 • fillttlX, [у]) nonzerot • (D 1« ft)[:, 9]

Dim • 1 / D[noo:trci j Dlnv» * np.Mi"(0inv) U • Plrtv / Dl*vl

1 ■ np.tua(M ■ <[?i0rt:«ri>i), 0)

nu«_:tre« ■ l*n(X) ■ пр.яя(лоплг<и) if nu«_ioros »« 9; уГ. Г

tlif №*_:<rcs ii l«i(X):

rttUPft у «lit;

It « (Г • y) • Oinvi

г « np.lin«lE.iKT*{H)

rlnv « А И p и 0 tli« n«_:*roi/r yi • l-rinv)'T ♦ »in(l, rinv)'y

if tuclidt*n{y, yl) < tps-; r*t«rn yl

У ■ yi

1п [4]: georetгic_lгedian(points)

0и1[4]: аггау([14.41176255, 12.80385869, 5.72665952])

Рисунок 12. Вызов точек; функций обработки и аргумента-точки

Вертикаль, проходящая через т. (ц.т.) платформы определит ось 02.

Ось 0Х — продольная ось оболочки. Она проходит в плоскости Х02 через т. (ц.т.) оболочки перпендикулярно оси 02.

Ось 0У составляет «правую тройку» с осями 0Х и 02.

Переход к рабочей системе координат Система Х'У'2'0 переводится в рабочую систему координат платформы ХУ20, начало координат в т. (ц.т.) = (0,0,0). Код перехода показан на рисунке 13.

Система координат модели в плоскости Х0У и ее проекции на верхнюю и нижнюю полуповерхности оболочки для проведения эксперимента в виртуальной АЛД показана на рисунке 14.

Ш [4] : ро1п1Б

0и1:[4]: аггау([[16. 8 , 6. .6 , 1.83252035],

[17. 1 , 9. , 2.09392452],

[17. 1 , 2. ,4 , 1.40068392],

3 , 6. , 11.15054508],

[15. 3 , 4. ,5 , 10.88669545],

[15. 3 , 24. ,9 , 6.14720585]])

1п [5]: БГи^ро:!^ = роз.^ + [-14.41176255, -12.80385869, -5.72605952]

1п [б]: БЫ-ПфоЛггЬБ

0и1:[б]: аггау( [ [ 2.38823745, -6.20385869,

[ 2.68823745, -3.80385869,

[ 2.68823745, -10.40385869,

-3.89353917], -3.632135 ], -4.3253756 ],

[ 0.88823745, -6.80385869, [ 0.88823745, -8.30385869, [ 0.88823745, 12.09614131,

5.42448556], 5.16063593], 0.42114633]])

Рисунок 13. Код перехода

Рисунке 14. Установка системы координат

Рисунок 15. Проекция изображения оболочки на пл. X0Y

Рисунок 17. Векторы — границы ячеек

По предварительным расчетам принимается габаритный размер платформы по оси 0X — 30 м. Тогда другие габаритные размеры примут следующие значения: по оси 0Y, ширина — 30 м; по оси 0Z, высота--11 м.

На координатную плоскость X0Y (для наглядности вынесенную наверх, как показано на рисунке 16), наносится сетка в габаритах, с размерами ячеек равными, например, le x wd = 100 мм x 100 мм, состоящая из узлов и векторов.

Количество ячеек по длине оболочки — m = (length / le; и; по ширине оболочки — n = (width / wd);

Рисунок 16. Разметка плоскости X0Y

Сетка проецируется на верхнюю и нижнюю полуповерхности оболочки, условно разделенные плоскостью X0Y в габаритах (length x width).

Узлы сетки на поверхности оболочки — точки приложения элементарных сил при опытах в АДТ.

Размеры ячеек (1е х wd) регулируются через интерфейс (для установки точности расчетов).

Узлы координатной сетки в плоскости Х0У соединяются векторами, как показано на рисунке 17.

Плоские контуры — параллелограммы, построенные на векторах, проецируются на полуповерхности оболочки как криволинейные сегменты с опорой на проекции узлов координатной сетки в плоскости Х0У, рисунок 18.

Рисунок 18. Фрагменты и векторы модели

Криволинейный сегмент поверхности оболочки представляется плоскими фрагментами - двумя треугольниками, ограниченными проекциями векторов, составляющих параллелограмм в плоскости Х0У.

Диагональ фрагмента — вектор V, ^ * = V 1, j+l, * — Ум, j, *

Один узел в плоскости Х0У — xoy_node (1, j, к) проецируется в два узда на полуповерхностях оболочки, где (1, j, ир), (1, j, 1о); — индексы.

Значения индексов 1, j одинаковые для узлов в плоскости X0Y и их проекций на оболочку. Значения индексов к, ир, k одинаковые для плоскости X0Y и полуповерхностей оболочки.

Целые числа к, ир, 1о — индексы узлов на плоскости X0Y и на двух полуповерхностей, соответственно.

Оцифровка изображения 3Б-модели

Введена система координат и размерность координатной плоскости X0Y.

Вычисляются координаты проекций узлов на верхней и нижней полуповерхностях оболочки [5], по схеме, показанной на рисунке 19.

Рисунок 19. Данные вычисления координат

xoy_nod (1, .ь к) = (XI j к у! j к г j к)

Up_nod (1, j, ир) = (X! j ир у1 j ир j ир)

lo_nod (1, j, 1о) = (XI, j, 1о у1, j, 1о ц, j, 1о)

По координатам узлов сетки в плоскости X0Y программой определяются координаты их проекций на верхней и нижней полуповерхностях оболочки., как показано на рисунке 20 и рисунке 21.

Рисунок 20. Проекции узлов. Проекции узлов на нижнюю поверхность

Рисунок. 21. Точки на поверхности оболочки

Экспорт координат точек показан на рисунке 22.

Рисунок 22. Экспорт координат точек

По координатам — генерирование модели. Код и изо — на рисунке 23.

Рисунок 23. Изображение модели оболочки

Математическая модель поверхности оболочки

Для обследования в АДТ поверхность оболочки представляется моделью.

Рабочая модель — ломаная поверхность, составленная из плоских фрагментов, треугольников, ограниченных парами векторов, исходящих из узлов (и далее, — от узла к узлу, по проекциям узлов координатной плоскости Х0У на обе полуповерхности оболочки), по схеме, представленной выше на рисунке 18.

Векторы представляющих собой «скелет» модели оболочки — рисунке 23.

Геометрический центр тяжести оболочки (дирижабля, носителя, платформы, ЛА) — точка (ц.т.) с координатами (0,0,0). Это начало координат ЛА.

Точка начала координат платформы может корректироваться в ходе опытов, оптимальная позиции фиксируется по завершении летных испытаний.

Узлы плоскости Х0У и их проекции на полуповерхностях оболочки определяются координатами, как показано ниже:

xoy_nod (1 j к) = (х1 j к У1 j к г1 j к); (в координатной плоскости Х0У ц j к = 0);

up_nod (1 ] ир) = (х1 j ир У1 j ир и j ир);

1o_nod (1 ) 1o) = (х1 j lo У1 j lo и j lo); — где 1, ^ к, ир, 1o — целочисленные индексы (положительные, отрицательные и 0). Индексы 1, ) — общие для узлов координатной плоскости и их соответствующих проекций на полуповерхностях.

Каждая координата — переменная и может быть вызвана программой.

Координаты каждого узла на оболочке (модели) однозначно определяют радиус-вектор этого узла:

V j к = {х1 j к, У1 j к, г1 j к}; — запись вектора в декартовой системе координат.

Общее обозначение вектора, соединяющего два узла, отстоящих друг от друга на М, N и К ячеек:

У1+М +N1 к+К = {(х1+М j к-х1 j к),

(У1 j+N к —У1 j к), (и j к+К —г! ! к)};

Каждая ячейка ломаной поверхности модели — плоский фрагмент, параллелограмм, построенный на двух векторов, проекциях векторов Vxoy1+1 j к и Vxoy1, ^ к — сторон ячейки в плоскости Х0У.

Векторы сторон квадрата ячейки в плоскости Х0У:

Вектор по оси 0Х —

Vxoy 1+1 ! к = {(хм! к — х lj к), У1 j к, г1 j к};

Вектор по оси 0У —

Vxoy 1 j+l к = {х 1 j к, (У1 j+l к - У1 j к), г1 j к};

Два вектора в пл. Х0У образуют по два вектора:

Vup 1+1 j ир = {хм j ир - х1 j ир, У1+1 j ир - У1 j ир, И+1 j ир - и j ир}; Vup 1 j+1 ир {х1 j+1 ир х1 j up, У1 j+1 ир У1 j up, г1 !+1 ир г1 j ир};

верхняя полуповерхность.

Vlo 1+1 j lo = {х1+1 j lo - х1! lo, У1+1 j lo - У1 j lo, г1+1! lo - ц j lo}; Vlo 1, j+l lo = {х j+l lo - х1 j lo, У1 j+l lo - У1 j lo, и j+l lo - и j lo}; — нижняя полуповерхность.

Числовые значения индексов к, ир, ^ равны между собой.

В то же время значения координат векторов Vxoy 1+1 ! к, Vup 1+1 j ир и Vlo 1+1 j ь с численно равными индексами — различны.

Пары векторов определяют треугольные фрагменты, составляющие ломаную поверхность модели оболочки. как показано на Рисунке 1.22.

Единичная нормаль N к поверхности (плоскости треугольного фрагмента) в точке up_node (1 ) ир) = (х1 j ир У1 j ир и j ир) определится из векторного произведения [Vup 1+1 j ир х Vup 1 j+l ир] как отношение его вектора к скалярной величине.

Скалярная (численная) величина векторного произволения — площадь параллелограмма, построенная на векторах. Для вычисления скалярного значения по координатам программа обратится в библиотеку программ.

Вектор единичной нормали к поверхности фрагменты модели оболочки в точке (! ) ир) = j up у! j ир j up) вычисляется как отношение векторного значения произведения к скалярному:

Единичная нормаль Векторное произведения Модуль векторн произвед

N ! j ир (х ] ир у ] ир zi ] ир) = ( [Уир ,+1 j ир х Уир, j+l ир] /; | [Уир !+1 j ир X Уир , j+l ир] |

Определив вектор единичной нормали в произвольно взятом узле, записывается его разложение Шо осям 0Х, 0У, 02:

№ !] ир = {X!] ир 0 0}, N !] ир {0 у, ] ир 0}, К2 , ; ир = {0 0 Zi ] ир};

Коды вычисления векторов модели и визуализация — рисунок 23.

Рисунок 23. Код визуализации и изображение участка оболочки

Поверхность модели оболочки состоит из плоских фрагментов — пар треугольников при двух векторах, выходящих из одного узла. Узел на поверхности — точка единичной нормали к модели (плоскости треугольника).

Модель используется для расчетов сил и моментов на основании данных эксперимента в АДТ.

Схема модели дает достоверные результаты достаточной точности при габаритном параметре размера 30 м и параметра ячейки 100 мм.

Применение модели оболочки для обработки данных

Модель используется для обработки данных, полученных при обследовании поверхности оболочки в АДТ.

Элементарная аэродинамическая сила й j ир имеет точку приложения в точке датчика Бешог_ир 1 j ир, — на верхней полуповерхности оболочки, и, аналогично, Бешог_1о 1 j 1о — на нижней полуповерхности.

Проекции элементарных и результирующих сил на оси 0Х, 0Y, 02 в системе модели и на оси в системе АДТ вычисляются операциями над векторами Р j ир и Р j 1о и единичных векторами осей.

В стандартных экспериментах в АДТ и расчетах координаты точек монтажа датчиков на оболочке (модели) совпадают с координатами проекций узлов:

Бешог_ир 1 j ир = ир_по4 j ир = (Х1 j ир, у1 j ир, г1 j ир);

8ешог_1о 1 j 1о = 1о_по4 j 1о = (Х1 j 1о, у1 j 1о, г1 j 1о);

Точки на поверхности оболочки имею два имени: узла (up_nodl j ир — для обозначения точки виртуального датчика), и датчика (Бешог_ир 1 j ир - обозначающего размещение в узле реального прибора при эксперименте в реальной АДТ)).

Силы fN = fl j ир, перпендикулярная к верхней полуповерхности модели оболочки$ fN = f1 j 1о, — к нижней. Силы fN = f1 j ир в общем случае, — неперпендикулярны к координатной плоскости X0Yплатформы.

Скалярное произведение силы на датчике оболочки на проекцию единичной нормали на координатную ось дает разложение векторов элементарных сил Р j ир, и f 1 j 1о по осям координат:

Р 1 j ир ( f1 j ир х N 1 j ир ); Р 1 j ир ( f1 j ир х КУ 1 j ир );

Р I j ир = ( Р j ир х К2 1 j ир ); — на верхней полуповерхности; и

Р 1 j 1о = ( й j 1о х № 1 j 1о ); Р 1 j 1о = ( й j 1о х N 1 j 1о ); Р 1 j 1о = ( fl j 1о х К2 1 j 1о ); — на нижней полуповерхности оболочки.

(Не путать это разложение по осям с разложением Р 8ешог на нормаль -к и касательную по поверхности фрагмента оболочки, рисунок 9, выше).

После каждого эксперимента (продувки) в АДТ проекции элементарных сил, выраженные в условных (относительных) единицах, — в делениях датчиков зешог_рош1 1, j, ир и зешог_рош1 1, j, 1о суммируются для получения результирующих сил, действующие по осям:

Рх = ljир + Р и 1о;

Ру = ЩР ир + Р ч 1о;

Рг = j ир, + Р 1 j 1о; — выраженные

также как и элементарные силы в делениях датчиков (пунктов).

Абсолютные значения Бх, Бу, Бг, выраженные в ньютонах [Н] или килограммах силы [кгс], действующие на дирижабль, известны по показаниям динамометров, установленных в растяжках подвеса платформы в АДТ.

Таким образом, программа обратным пересчетом может определять абсолютные значения элементарных сил на датчиках.

При этом практически в каждом опыте есть возможность осуществлять тарирование приборов (датчиков давления) в связанных единицах: давление на датчике [Па] — величина элементарной силы [Н], [кгс].

Векторная сумма сил на датчиках — аэродинамическая сила, действующая на оболочку.

Раб = Рх + Ру+ Р2, — зависит от плотности и скорости воздуха и 3Б-ориентации оболочки в пространстве (относительно потока).

Вместе с другими внешними силами, действующими на высотную платформу: силой тяжести — mg, подъемной силой — Раясшмебез, центробежной силой — Рср и силой Кориолиса Рсоиоьк; — сила Раб создает результирующую силу, равную векторной сумме: Рх = Раб + mg + Рашсшмебез + Рсб + Рсжшш; — под действием которой происходит движение платформы в реальном полете.

Моменты сил, действующие на платформу

Распределенная аэродинамическая нагрузка помимо вектора аэродинамической силой Раб создает распределенный крутящий момент, стремящийся повернуть, наклонить, перевернуть дирижабль.

Зная абсолютные значения разложения по осям всех элементарных сил для каждого режима эксперимента в АД, зависящего от скорости и плотности воздуха, и 3Б ориентация оболочки в АДТ по отношению к потоку и точки приложения этих элементарных составляющих, определяются все элементарные крутящие моменты относительно осей 0X, 0Y, 02 оболочки как произведения проекций элементарных сил на расстояния до соответствующих осей, рисунок 24.

Рх = ! ; ир, + р ! ^ 1о;

Ру = £^*р, ^ ир, +££=1* г ! ^ 1о;

Fz = Е^р, J ир, +££=1* Р , ] ю;

xoy_node (!, к) = (х, j к у, j к Zi j к)

ир_поае (!, j, ир) = (х, j ир у! j ир ^ j ир)

1o_node (!, j,1o) = (х,, j, ь у,, j, 1о zi, j, 1о)

Рисунок 24. Момент элементарной силы

Моменты определяются как произведение значения проекции элементарной силы на ее расстояние (плечо) от точки приложения проекции до соответствующей оси (на примере проекции Р, j ир). Проекция Р, j ир имеет плечо относительно двух осей: 0Х, 0У.

Таким образом, каждая элементарная сила создает моменты относительно двух осей координат. При этом в создании моментов участвуют силы, имеющие приложения к точкам оболочки в верхней и нижней полуповерхностях, имеющие одинаковое плечо (равные координаты) относительно соответствующих осей.

Моменты проекций элементарных сил £ j ир и f , j 1о относительно осей платформы 0Х, 0У, 02:

тот0Х! j ир1о = Р, j ир * х, j ир + Р ! j 1о * х, j ир + Р, j 1о * х, j 1о + Р ! j 1о * х, j 1о; тот0У! j ир1о = Р, j ир * у, j ир + Р ! j 1о * у, j ир + fzi j 1о * у, j 1о + fz ! j 1о * у, j 1о; тот ! j ир1о j ир * Тл j ир + ^ ! j 1о * zi j ир + ^^ j 1о * zi j 1о + ^ ! j 1о * ^ j 1о;

Суммарные моменты элементарных сил относительно осей 0Х, 0У, 02:

^^ ! j ир1о £1 ^ = j ир * х! j ир + ^ 1 j 1о * х! j ир + ^ j 1о * х! j 1о + ^ 1 j 1о * х! j 1о); М0У, j ир1о = ££=1(Р! j ир * У, j ир + Р ! j 1о * У, j ир + Р j 1о * У, j 1о + Р ! j 1о * У, j 1о); ^^ ! j ир1о £1 = j ир * ^ j ир + Р ! j 1о * ^ j ир + Р, j 1о * zi j 1о + Р ! j 1о * zi j 1о);

Моменты сил влияют на динамическое изменение величин углов тангажа и крена в реальном полете платформы, и, как следствие, — угла рыскания, что учитываются при расчёте траектории полета платформы.

Координаты узлов и векторов модели вычисляются в цилиндрической У,+1 j+l к+1 = У (г, ф, z) и сферической У,+1 j+l к+1 = У (г, ф, 0) системах координат.

Рисунок 25. Объем и площадь поверхности модели оболочки

Расчет в SketchUp объема (2815,2 куб. м); и площади поверхности оболочки (1556,3 кв. м.), — скрин-шоты показаны на рисунке 25.

В случае изменения размеров оболочки с изменением атмосферного давления (снижение с высотой) координаты узлов изменяются. Программой предусмотрен алгоритм коррекции координат.

Новые значения использоваться в расчетах до очередного изменения.

Этот алгоритм в настоящей работе с виртуальной АДТ не используется.

Алгоритм может быть востребован при экспериментах в реальной АДТ, в комбинированных опытах и в реальном полете дирижабля.

Обзор эксперимента в виртуальной АДТ

В ходе эксперимента определятся зависимость аэродинамической силы Fad, вызываемой потоком, от скорости потока воздуха Vflow, действующего на оболочку при любой 3D-ориентации и различных условиях внешней среды (в основном, — давлении. Интенсивность потока варьируется. в максимальном интервале значений скорости полета дирижабля.

При опытах в АДТ (и настройках средств управления при первичных летных испытаниях платформы) применяются очевидные допущения:

1) датчики определяют силу fi j sensor (fi j up, fi j lo) равную нормали fN = ~ fi j *;

2) влияние всех факторов, кроме скорости потока и атмосферного давления, на формирование аэродинамической силы, не учитываются. В реальном полете влияние этих факторов: температура, состав и влажность воздуха, проч.; — незначительно. При их незначительном проявлении коррекции движения осуществляется оперативно, срабатывает автоматическая система управления.

Аэродинамическая сила Fad в реальной АДТ может быть получена как векторная сумма сил натяжения нитей подвеса, разложенных по осям оболочки. В вириальной АДТ — это данные из таблицы опыта, а датчики сил натяжения в «растяжках» — также виртуальные приборы.

Синтез вектора Fad в ходе эксперимента представлен суммой элементарных сил распределенной нагрузки на поверхности оболочки. Такой подход позволяет вычислить элементарные и суммарные крутящие моменты относительно осей оболочки, даёт возможность обратного вычисления элементарных сил по значению силы Fad (проекций силы — FxAD, FyAD, Fxad).

Главное внешнее воздействие на платформу в полете — скорость потока относительно поверхности оболочки при определенной плотности воздуха. (плотность практически линейно связана с атмосферным давлением).

Сочетание скорость-плотность определяет силу разряжения (тяги) или уплотнения (давления) на поверхность оболочки и является основным фактором, который учитывается при моделировании полета — эксперимента в АДТ.

Незначительное влияние температуры, состава воздуха, влажности и других параметров не учитываются, но эти величины фиксируются. При необходимости проявление этих параметров учитывается коэффициентами, коррекцией собственных координат оболочки и/или другими способами.

В полете интересует не (мгновенная) скорость ЛА и/или скорость ветра, а скорость движение количества вещества воздуха относительно поверхности.

В виртуальной АДТ давление и скорость относительно поверхности модели учитываются программным комплексом САПР SolidWorks.

В реальной ситуации оценка скорости количества вещества определяется уровнем давления на датчики оболочки, по которым определяются суммарные осевые силы и моменты сил, действующие на дирижабль в полете.

Плотность воздуха на высоте 18 000 — 24 000 м составляет 0,12 — 0,06 кг/м3, (давление: 7 500 — 2 900 Па), что значительно (в 10 — 20 раз) ниже плотности воздуха вблизи земли — 1,2 кг/м3 (давление — 101 325 Па).

Поток разреженного воздуха (на высоте) в реальной установке (при нормальных условиях) моделируется скоростью продувки.

Для моделирования воздушного потока в полете (скорость в нижней точке пикирования 300 км/час), скорость «продувки» в АДТ устанавливается в интервале 2 - 24 км/час (0,5 — 5,5 м/с). На общей поверхности ~1800 м2 аэродинамическая силы составит ~5000 Н (500 кгс), — что сравнимо в весом ЛА, и гарантированно достаточно для управления полетом платформы.

Параметры, обеспечение и процедура эксперимента АДТ

Эксперимент в виртуальной АДТ проводится по следующим параметрам:

• ЗБ-ориентация оболочки: рыскание, 7 позиций; крен, 7 позиций; тангаж, 6 позиций; — итого 294 позиции;

• в 15 уровнях скорости потока воздуха;

• направления продувки по трем осям, связанным с системой координат АДТ, в прямом и обратном направлении (при необходимости и дополнительных настройках, — поворотом модели в АДТ на 90° вокруг осей 0Y или 0Z, При этом все имена констант, переменных и их координат остаются неизменными,, а результаты переименовываются непосредственно перед выводом на печать.

В общем случае «продувка» производится в одном, прямом направлении, по оси 0X системы координат АДТ с началом координат, совпадающим с началом координат оболочки (модели) только оси от «+» к «—».

Количество виртуальных датчиков в проекциях узлов координатной сетки в плоскости X0Y при габаритных размерах оболочки — length = width = 30 м и размерах ячейки shell_length x shell_length = 100 мм х 100 мм составит (m x n х 2) = ~180 000 позиций в нижней и верхней полуповерхностях оболочки.

Результаты в ходе проведения обследования оболочки — давление на датчиках (соответствующее значениям элементарныу сил), выраженные в делениях — пунктах шкалы датчика (целые числа со знаком, СИ — формат long).

Производные величины: векторные элементарные и суммарные силы и их разложения по осям; моменты элементарных сил и суммарные моменты относительно осей модели (действительные числа, формат СИ float); — все эити и др. позиции также заносятся в соответствующие таблицы БД.

В результате комплексного эксперимента в виртуальной АДТ производится по ~300 опытов по трем осям, что дает 900 3D файлов и 270 000 сечений, параллельных координатным плоскостям; — для определения значений сил и моментов; — по 600 3D элементарных сил и проекций в срезе в размерности системы координат, в пунктах и абсолютных величинах — [Н] и в [Н*].

На стадии проектирования оболочки изо моделей и оболочек для исследования в АДТ компилируются по экспериментальным данным обследования аэродинамических профилей — опыта работы и аэродинамических исследований ЛА многих лет, — и собственных разработок.

В ходе работы через интерфейс БД возможно внесение поправок в математическую модель, — вносится коррекция координат векторов «скелета» профиля поверхности для достижения максимально эффективной и оптимальной формы оболочки дирижабля.

В реальном полете аэродинамическая сила, действующая на платформу, определяется совокупностью осевых сил, полученных по показаниям небольшого количества внешних датчиков (~50 ед.) на поверхности оболочки. Эти силы платформы проецируются на координатные оси платформы для получения суммарных осевых сил.

Вычисление суммарных моментов сил по элементарным силам в конкретной (мгновенной) позиции оболочки и совокупности осевых сил занимает минимально 30 минут машинного времени, что исключает расчеты в процессе оперативного управления полетом платформы.

Мгновенные значения суммарных осевых моментов в текущей 3D ориентации оболочки при известном давления и текущей скорости потока вызываются по трем контрольным сумма. — осевым аэродинамическим силам, выраженным в пунктах. Вызов данных из БД составит несколько миллисекунд.

Контрольные суммы мгновенного состояния платформы — результат простого суммирования величин осевых проекций элементарных сил в текущей точке полета (опыта), полученных из показаний всех датчиков, — в делениях датчиков (пунктах) — от -50 до +50 делений. При 300 опытах в 15 градациях скорости и 13 — давления поиск одной из 6000 контрольных сил (СИ, формата^^) составит менее 1 мс.

Вероятность совпадения двух из трех результатов ~11%. При совпадении двух контрольных сумм

поиск повторяется. В полете исходные внешние данные могут запрашиваться практически мгновенно; например, — каждую 1 мс.

Практическая необходимость — 5 с.

Вероятностью повторного совпадения двух контрольных сумм--1%. Вероятность ошибки в однозначности третьего поиска — практически нулевая.

Оперативная коррекция траектории полета — управление пикированием стратосферного дирижабля по направлению к центру координат (Ц.К) — в точку 18 000 м над БС объекта производится каждые 5 — 19 с.

Таким образом, способ управлении реальным полетом с использованием данных по запросам в БД: осевых моментов и сил, действующих на платформу, является состоятельным.

Опыты проводятся

• во всех вариантах 3D ориентации;

• о трем осям в двух направлениях;

• во всех режимах скорости потока и

• давления воздуха.

Реальные датчики регистрации аэродинамического эффекта представляют собой МЭМС-приборы, совмещающие в своей конструкции следующее:

• механический элемент — измеритель величины воздействия на мембрану (давления) с линейной шкалой на ~100 (-50 — +50) пунктов индикации;

• контроллер обработки показаний: кодирование показаний измерителя;

• wi-fi передатчик с физическим, МАС адресом устройства-участника локальной сети комплексного эксперимента АДТ.

В эксперименте в виртуальной АДТ ~180 000 виртуальных датчиков на оболочке и в растяжках подвеса составляют виртуальную локальную сеть.

МАС-адреса датчиков (СИ. long) и IT-адреса (СИ, int) занимают незначительную часть памяти БД -~5,0 Мбайт.

Обработка данных эксперимента в виртуальной АДТ

Эксперимент является первичным этапом полномасштабного обследования оболочки стратосферного дирижабля, этапом создания математической модели и проведение полнофункционального эксперимента в виртуальной АДТ.

Одна из задач проекта — определение средствами IT-технологий схемы и материальной базы эксперимента в реальной аэродинамической установке [5].

В то же время проект является постановкой задачи для комплексного обследования полномасштабной рабочей оболочки дирижабля в реальной АДТ.

Эксперимент в АДТ может проводится как

• единичный опыт,

• частичное или как

• комплексное обследование по всем вариантам.

Время проведения и расчетов комплексного

эксперимента (полного обследования--300 опытов)

в виртуальной АДТ--150 часов.

Установка параметров отдельных опытов и режима эксперимента: 3Б ориентации оболочки, оси и направления «продувки»; давления и градации скорости потока осуществляется через простой графический интерфейс.

В виртуальной АДТ датчики с условными МАС-номерами и локальная сеть с 1Т-адресами суть виртуальные объекты.

Набор опытов в одной 3Б ориентацией модели — это шесть «продувок» по трем осям в двух направлениях, что является полнофункциональной частью полного процесса АДТ, достоверно представляющий комплексный эксперимент.

При «продувке» по осям 0Х, 0Y, 02 во встречных направлениях в системе координат, связанной с АДТ, создаётся 6 фалов 8ке1сШр, которые служат для получения сечений 3Б модели и изменений формы потока у ее поверхностей.

Далее рассмотрен пример — :Е^_1_07(30,15,45): поток (flow_) во встречном (£_) направлении, с силой потока 07 в 3Б ориентации в системе АДТ 0XY2 — (30°, 15°, 45°) — рыскание, тангаж, крен, — соответственно.

Результаты опыта — это файл анализа 3D модели оболочки и картины изменений потока для получения сечений и формирования данных опыта; 2D сечения, полученные с помощью этого файла — статичные изо; и таблицы данных; — все это показано на рисунке 26.

Рисунок 26. Таблица и изо опыта в виртуальной АДТ

Распределённая нагрузка представляется элементарными силами в числовых значениях (СИ, формат Аоа1) и абсолютных дискретных единицах (пунктах) в пределах шкалы измерений датчика давления (- 50 — +50 делений).

Контрольная сумма опыта определяются как суммы значений всех элементарных сил (в пунктах), -всего 3 суммы, — и используются для идентификации конкретного опыта в БД.

Абсолютные показания суммарной аэродинамической силы в ньютонах [Н] берется из таблицы опыта программы 8ке1сШр.

Показания датчиков в пунктах (по данным «опроса» локальной сети) используются для определения значений цены деления пункта, абсолютных элементарных сил [Н] и элементарных и суммарных моментов сил [Н*м].

Оценка аэродинамической силы в числовом формате производится по степени разрежения («+») или сжатия («—») изо потока; — цветом или изменениями «линий» («геометрии») потока.

Визуальная индикация растяжения (сжатия) потока в АДТ оценивается

• по цвету кодом насыщенности тона;

• по линейным размерам — длиной отрезков нормалей от поверхности оболочки до точки на границе индикации потока — рисунок 27.

Минимальному изменению в точке начала аэродинамического возмущения потока присваивается значение «0»; максимальному растяжению (сжатию) присваиваются значения +50 (- 50) пунктов (делений), соответственно.

Виртуальному датчику присваивается показание, рассчитанное как отношение длины нормали к длине нормали максимальной длины (при разрежении — со знаком «+»).

Рисунок 27. Нормали разрежения

— показание датчика при сжатии («—») — это отношение разности длин текущей и минимальной длин нормалей к длине минимальной нормали.

Объем внутри границы возмущения потока АДТ (вокруг оболочки) также, как сама оболочка, оцифровывается аналогично пункту 2.6. настоявшей работы (рисунки 19 — 22) в тех же координатах, связанных с (ц.т.) оболочки.

На рисунке 28 показан способ получения набора сечений для расчета элементарных аэродинамических сил по координатам узлов в плоскости X0Y на поверхностях оболочки и на границе возмущения потока.

ДВИЖ СЕКУЩЕЙ ГШ ВДОЛЬ ОСИ 0Y

Рисунок 28. Получение сечении для расчета элементарных сил

Пример каталога индексов цвета показан на рисунке 29.

Рисунок 29. Пример индексов цветовой насыщенности

Определение по цвету трудоемко и применяется большей частью при турбулентных потоках, где геометрическая оценка аэродинамических сил невозможна.

Расчет по цветовым индексам — это отношение значения индекса насыщенности тона цвета в сечении к максимальному значению индекса насыщенности на интервале со знаком «плюс» при разрежении потока, и знаком «минус» — при сжатии.

В настоящем проекте турбулентные потоки не рассматривается.

Код расчета элементарных сил

На практике ограничиваются оценкой сил по геометрическим размерам.

Во всех расчетах (по размерам и по цвету) полученные значения элементарных сил на датчиках

в числах, десятичные дроби, доли максимальной элементарной силы (СИ, формат float);

Если показание датчика определено обоими способами, берется среднеарифметическое значение показаний по «геометрии» и по цвету.

Для получения показания датчика в пунктах числовое значение вектора элементарной силы (СИ, формат float) умножается на количество делений датчика (50) и присваивается датчику (СИ, формат long); вектор направлен по единичной нормали к поверхности в точке датчика.

Сумма значений всех элементарных сил при «продувке» под одной оси в системе АДТ — одна из трех контрольных сумм опыта (в пунктах).

Проекции вектора элементарной аэродинамической силы (в пунктах) на оси в системе модели — скалярные произведения элементарных на единичные векторы осей в системе модели.

i* [*]-

llj№I fiiт&р Ы ир

tafMrt pi->J*i «S pd

ll|Wt Hdt^ltftLLb.pyplot » pJt

fM» ipl toaiuts.^lùc» i^-ч-Т AKÙiïJ

оболочка и поток

*■ вйчки ОЫбЧШ

13300.. -ш»., iïï»., i33**., з¿-5-4«., азь».. is»., 1зь».. 1зьее_]

y_ïlMll - [ia«i.„ 34**.. ¿Ив., 33«., 32«., 32«., 33«., 35**., il«., 14«.. il»., i£».. i»., 33».. Î4»., il».. itti., 35«.. 32«.. зз»., 34».. as»., зз»_. ï2». r 3iee.] Z_SIM11 - [16334. , 1*479.. 1MJ5., 1ÉWÏ4.. -.ЫЬ?., »341., l»i**., 1Î4N., 1*2».. 1*435 . j 16Ï05. , 1МЭ5., 103» ES. , 1*4«.. IMS«., 1ЙЭ20-. 1Й46Б.. 1КП., 1*1:72. r 1 LWa'H. , 16493., ВЙ53?.. 16443.., 1в4в1.. 1*34$.]

ta [î]ï

Ш iLxr.u ЯЖйСД

ïJTIùb - [134№. , 134**.. 134**., 134».. 134»., 131*».. 131**. , 131«., 13168.. 131». , 1326*.,. 132«., 13263., 132».. liJOô. P 133».. 1ззбв.. 133»., им*.r аззйй., 135бй., вз5вв.. îss»., 135».. 13B**.]

y_f LLM - [ 2E60.„ VïÔU. , 26«-, 2?вв., Ï460., ¿3»., 2tM., 2S». , 24».. 2766.. 26»., 23».. 24»., 2B».. 27». r 2566.. Ш., 23».. 2766.. 24»., 26».. 24»., 25».. Î7»., 23».] i_fion - [ nas., 9Й46.. umï., 1B116.. nu., оавв.

9669-. 1MM., 16626., 961Й., 9Й»., 9955.. 1* i»ÎS_. «31., 166S5.. , «*1., 30664. , МЭЙ.. К »661.]

. i»ee., »ïs.,

ВМЧ.Г 9976.. «J». , 16125..

ta [♦]: Ла - [в..

Ù.J

Лу - [1«-. 1«., -.**., 16*.. 1»., 1».. 1»., 1*6., 1«., 1»., 1»..

1».. 1ЙЙ. . 1**., 100., 1»., 160.. 1»., 1».. 166., 1**., 1*6.. 1».. 1». , 1«. j

fczjthtll - [Si., 44., 45.. 45.. 47., 46.. 45.., 4S., 53.. 44., Si., 45.. 44.., 44.. 45., 5J., 44.. 45.., 4*., 4S-. +4., 45., 45.. 47., 52.J

t>. , 7*.. «1., 61., 70., . 7*., 54.. »., tiy.J

Оболочка (синий, зелёный). поток (серый) и сетка (чёрный)

1л [11]: flg. - )

j.4 - flg . *M_i«jbpL«Î pi-ù1*--: t iu-ii-' îd ' }

r ri-th {YllMllij, JCV.TWyij.j

iii.i)ulwS!r(jc_ih*LLr ji_ib*ll, z_ih*ll, Ах. A&z_ihÉll. ;o3j>*- - 'Ыи'] j^.qulvÉr-(jc_ih*iiP ji_ïb*ll. z_ih*ll, Bjc. fcyr Bz_*h*ll. îùIû^ - ')

f г. л и К ( 1 j

Jta.qiiiVtrCKjFlite-, !_fLûer A«, Jty. A2_flùH, Lùlâr- - 'gf*/')

JBt.qiilvÉPÎï flcw, y_flùe. ï_flûer В*. Йу. ■ijf'lùt, cùIùp ■ rgT*y'>

f ïîmkij {чИрНщ}}

i:4.LjuivL.-M>._sK*I.I.r Ji_ib*ll, ï_£rLd, ÂJÎ, Ay„ ÀijJftld, iùlùP - 'blàilt:') JBt. qulv*r(«:_ih*Il!P y_ih*ll. zj^id, B*. fcy. Bzjfid, color - 'bluck:']

r £fMHU4ir М40р&лп№

JUI.MC itall)-1йв„ пр.ù*K(!C_ih*LLMuni)

¿л. 4*t_viiM( [ыеа, 2Уйй j ) Jj.Miilli([-/:Wr 1*2*6]]

ж пйчасяЛй алййеажлыий

fi(.»t_flfaltfth[ ¡10)

f Lg.4ÉÇ fIghfrlfchtÎ3*>

ж улал ùfiдодо HïtMÉiair U.Ml*B_lAlt(lS. 7)

pLt.ihù^O

ta [12]:

r iTùlyHÉHirf АЙТДОМы yiiM-B

f con^unue п^шбю яассива гю&тммй u нйожииО

погшмШ . [] unlt narMUs - [] for 1 ln

« ЛрИиЛбФ^Чи- Bé-nmjùùe yjuK6 гЬЭбСЛкнйСаи

г.йгча] ■ пр.сго»((Вк[1]. Ву[1|, Bz_sb*ll[J]), |iuc[l]. Ay[i], A2_sb*ll[l]]>

9 ЛобоЭ/мm^uwiiwj x массиву нирмотй ПйПй1.*£ . lpp«nd< MCimÉl )

9 вкчииимл rduHuWiù вольера

unls_«tter - mmUVKtjln

9 бйиимна к НЗССиОг rïliHuwK

unli_mrulH. apfMrid(uftlt_tf*ciEûr)

ni^fUlAl - ne.)IT))<tlû(4i]tS)

ta [13 Jl

Г сОининн-ЛЧ M&Hi/m né МММ ии ОиМрЛпт, rt ^ûi^-^ J Mti. Г гбЫиЧйШ A> Я ля-unït_narMl*i - unlc_nmal.«iï * вй

ta [14] 1

ип_погш_х " R«It_nora«tas[:. ù]

иП _П11Г-в_¥ " «JflltjlCJI4âl*s[ ¡, 1]

ип_1ЮРЯ_1 - uftlt_nûMâl*s[ J. 2]

Рисунок 30. Код ра

Алгебраические суммы проекций элементарных сил по осям в системе модели (в пунктах) — осевые составляющие суммарной аэродинамической силы, координаты вектора суммарной аэродинамической силы в системе модели.

Скалярные произведения суммарной аэродинамической силы (в пунктах) в системе модели

элементарных сил

и единичных векторов осей в системе АДТ — осевые значения суммарной аэродинамической силы в системе АДТ.

Изображение генерируется САПР SOLIDWORKS показано на рисунке 31.

№ 11 (128)

UNIVERSUM:

ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

ноябрь, 2024 г.

Рисунок 31. Изображение фрагмента модели, нормалей и элементарных сил

Показания датчиков в «растяжках подвеса» модели в виртуальной АДТ берутся из таблиц опыта («продувки» по оси) в ньютонах [Н]}.

Эти силы соответствует скорости «продувки» [м/с].

В таблицах суммарная подъемная сила дается двумя составляющими по одной оси — 0Z: поддерживающая (lift, от повышенного давления под профилем оболочки) и тяговая (drag, от пониженного давления над профилем).

Суммарная подъемная сила в виртуальной АДТ (например, по оси 0Z) осевой аэродинамической силе.

В реальной АДТ и в полете расчет соответствия внешней силы и аэродинамической силы, — несколько сложнее: учитываются сила тяжести, сила Архимеда; реже — силы, возникающие при криволинейном движении: центробежная сила, сила Кориолиса.

Отношение табличного значения суммарной осевой силы в ньютонах к значению этой силы в пунктах дает цену пункта с(деления датчика илы каждого конкретного опыта.

По цене пункта вычисляются все значения сил.

Осевые суммарные моменты опыта вычисляются как суммы элементарных моментов (моментов элементарных сил) для всех узлов оболочки (произведение проекции элементарной силы по оси в системе модели на плечо).

Пример. Формулы определения суммарных осевых моментов сил относительно оси 0Z:

M0X = (0 0 z ij up) * y ij Up}; M0Y =

=£y=l{f (0 0 z ij up) * x ij upb

В результате комплексного эксперимента в виртуальной АДТ составляется БД с показаниями всех опытов и всеми рассчитанными величинами, включая элементарные силы, моменты элементарных сил, суммарные осевые силы и моменты осевых сил.

В БД вносятся 3Б файлы изображений оболочки и потока и сечений параллельных координатным плоскостям АДТ.

Для демонстрации результата комплексного эксперимента в АДТ с помощью БД производится определение результирующих сил, действующих на модель (платформу) по ее осям в Зб ориентация в системе АДТ.

По контрольным суммам опыта осуществляется поиск в БД трех наборов данных — результирующих аэродинамических сил по осям и суммарных моментов относительно осей в системе модели, действующих на объект в трубе.

В реальном полете каждые 500 м производится опрос датчиков на оболочке и получение новых данных БД для расчета траектории движения к заданной точке для принятия решения о ближайшей необходимой управляющей команде.

Интерфейс и схема эксперимента в виртуальной АДТ

Для управление комплексным экспериментом в АДТ создается. простой графический интерфейс. Интерфейс представлены на рисунке 32.

Рисунок 32. Интерфейс эксперимента в АДТ

Интерфейс выполняет запросы на загрузку и выгрузку изображений и данных (наборов координат), из набора, составленного с помощью библиотеки аэродинамических профилей, собственных разработок и заготовок, и редакций вариантов оболочки для эксперимента настоящего проекта.

Ввод параметров ячейки разбиения координатной плоскости X0Y.

Выбор 3Б ориентация по трем параметрам для проведения опыта.

Определение направления «продувки» по трем осям в системе координат АДТ и двум направлениям.

Установка уровня скорости потока в АДТ.

Включение режима «продувки»: разового, единичного; частичного автоматического; полного комплексного обследования по всем параметрам.

Регистрации данных в виде двух массивов для каждого опыта.

Вызов исходных данных, расчетных констант, рассчитанных констант, переменных, массивов.

Пример работы с интерфейсом. Фрагмент интерфейса, функция «Вызов данных из...». Продемонстрирован вызов из БД координат и названия узла модели, и основных векторов, как показано на рисунке 33.

Рисунок 33. Пример работы интерфейса АДТ

Вводятся координаты узла в X0Y. Устанавливается полуповерхность.

Программа выдает координату узла верхней поверхности на оси 02 и выводит координаты основных

векторов модели (границы треугольного фрагмента плоско-кусочной поверхности модели), исходящие из узла; и единичную нормаль к фрагменту в узле модели.

№ 11 (128)

UNIVERSUM:

ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

ноябрь, 2024 г.

НАЧАЛО PYTHON NUMPY: ОПЕРАЦИИ С ВЕКТОРАМИ

объявление переменных, констант, массивов

8КЕТСНЦР — оцифровка изо модели,

обращение в хранилище профилей БД вычисление координат, площадей, объемов

ИМПОРТ: загрузка оболочки из хранилища (изо, координат)

ВВОД: параметры ячеек в плоскости X0Y ВИРТУАЛЬНАЯ АДТ

вычисление координат узлов в пл. X0Y

БАЗА ДАННЫХ — БД

ЭКСПОРТ: изо профиля и координат узлов в 8КЕТСНПР >>> SKETCHUP

ИМПОРТ: <<< SKETCHUP, проекции коорд узлов на профиль

Вычисл радиус-векторов узлов. ЭКСПОРТ: выгрузка БД >>> БД

ЭКСПОРТ координат узлов в ХОУ и на поверхн оболочки: >>> NUMPY

ИМПОРТ: <<< расчет векторов «скелета» >>> ЭКСПОРТ :БД

ИМПОРТ: <<< расч площ фрагм оболочки >>> ЭКСПОРТ:БД

ИМПОРТ: <<< расчет единичных нормалей>>> ЭКСПОРТ: БД

ИМПОРТ: <<< расч ц.т., объема, пл поверхн >>> ЭКСПОРТ БД

ВВОД МАС-адреса датчиков (в узлы оболочки, растяжки)

присвоение МАС-адресам 1Т-адресов локальной сети

ЭКСПОТ: выгрузка МАС и 1Т-адресов сети >>> БД

ВВОД ЧЕРЕЗ ИНТЕРФЕЙС. ВЕТВЛЕНИЕ: 1. 2. 3. 2. ЧАСТИЧНОЕ ОБСЛЕДОВАНИЕ

ВЫБОР И ВВОД: 1. ЕДИНИЧНЫЙ ОПЫТ 3. КОМПЛЕКСНОЕ ОБСЛЕДОВАНИЕ

ВВОД: комплекс данных проведения опыта

ЭКСПОРТ изо и данных опыта "продувки" >>> АДТ

ВВОД: запуск режима единичной "продувки" АДТ АДТ единичная продувка

ИМПОРТ изо (анимации) результата "продувки" <<< АДТ

вычисление эл сил — условных значений — в числах >>> БД

вычисление эл силы на датчиках — в пунктах >>> БД

вычисление осев знач эл сил (проекций) — в пунктах >>> БД

вычисление осев знач эл сил (проекций) — в пунктах >>> БД

вычисление трех контрольных сумм опыта — в пунктах >>> БД

ИМПОРТ: суммарные осевые силы в ньютонах <<< БД

вычисление суммарных осевых сил в пунктах

вычисление моментов элементарных сил относ осей >>> БД

вычисление суммарных моментов относительно осей >>> БД

ВВОД три суммарные осевые силы в пунктах

формир запроса на импорт набора данных опыта из БД >>> БД

ИМПОРТ комплекс данных опыта по трем внешним силам <<< БД

проверка импорта на однозначность

КОНЕЦ

Рисунок 34. Схема-алгоритм эксперимента в виртуальной АДТ

В автоматическом режиме программа расчета векторов дает картину модели. Изображение на рисунке 23.

Остальные функции интерфейса, необходимые для полнофункциональной работы с АДТ находятся в разработке и будут полностью представлены в аван-проекте НИОКР «Доступ».

Схема-алгоритм эксперимента в АДТ представлен на рисунке 34.

Построение базы данных эксперимента

Содержание БД — данные оцифровки оболочки, результаты опытов в, адреса локальной сети, роутера и хостов WLAN установки АДТ, файлы (изображения, таблицы...) [6].

Схема получения данных эксперимента представлена на рисунке 35.

Рисунок 35. Пояснения опыта в АДТ для внесения данных в БД

При «продувке» модели получены все возможные наборы распределенной нагрузки на поверхности оболочки. Описание БД проекта производится

с помощью опыта («продувки») в 3Б ориентации модели. — :^Х07(30,15,45).

Структура идентификации опыта показана на рисунке 36.

flow_ p04_ f07 (30,15,-45)

«продувка» давление фронтальная сила потока 3D ориентация

(30°, рыскание 15°, крен -45°, тангаж

Рисунок 36. Пояснения к имени опыта в АДТ

В результате продувки получаются следующие данные:

• таблицы с показаниями суммарных сил, действующих на оболочку, данных опыта и более специфичной информацией;

• файл с возможностью анализа 3Б изо потока сечениями, параллельными оси 02, проходящими по границам ячеек в плоскости X0Y для получения линий контуров изменения потока у поверхности изо оболочки для оценки уровня давления на датчики в узлах поверхности модели.

• общие статичные изображения опыта -сечения оболочки и потока с цветовой индикацией растяжения-сжатия.

300 сечений, параллельных X0Z и 300 — Y0Z дадут 180 000 показаний давления на датчиках. Данные обрабатываются по алгоритму (выше) и заносятся в БД, как относительные значения (СИ, формат float), в условных величинах — делениях датчика (пунктах) и в единицах давления — ньютонах [Н].

Разделы, состав, константы и переменные БД показаны в таблицах БД на примере единичного опыта flow_p04_f07(30,15,45) показаны на рисунках 37 — 40.

Общие данные комплексного эксперимента

30 изображение оболочки image 3d shell

Сечения оболочки, паралл пл Х0г image 2d shell(j)

Вес оболочки shell_gross_weight

Длина платформы, 30 м shell length

Ширина платформы, 30 м shell width

Размеры ячейки, длина length cell

Размеры ячейки, ширина width cell

Источник: собственная разработка

Рисунок 37. Содержание БД опыта. Общие данные

Локальная сеть

МАС-адреса датчиков в узлах верхние MAC address sensor up(¡,j,up) = (x(¡,j,up), y(¡,j,up), z(¡,j,up))

МАС-адреса датчиков в узлах нижние MAC address sensor lo(i,j,lo) = (x(¡,j,lo), y(i,j,lo, z(¡,j,lo))

ГГ-адреса в узлах модели, верхние IT_address_sensor_up(ij,up) = (x(ij,up), y(i,j,up), z(i,j,up))

ГГ-адреса в узлах модели, нижние IT address sensor lo(i,j,lo) = (x(i,j,lo), y(i,j,lo, z(i,j,lo))

МАС-адреса датчиков в «растяжках» MAC address sensor stretches(str)

1Т-адреса датчиков в «растяжках» IT_address_sensor_stretches(str)

МАС-адреса роутера, компов, хостов. ... MAC_address_local{local)

1Т- адреса роутера, компов, хостов, ... IT_address_local(local)

Рисунок 38. Содержание БД. Локальная сеть

Математическая модель оболочки

Узлы в пл X0Y, координаты xOy_ nod (ij,k) = (x(i,j,k), y(i,j,k), z(i,j,k))

Узлы на верхней поверхности up nod(ij,up) = sensor up(i,j;up) = (x(ij,up), y(ij,up), z(ij,up))

Узлы на нижней поверхности lo nod(ij.lo) = sensor lo(ijjo) = (x(ij,k>), y(iJ,lo, z(i,j;lo))

Радиус-вектор узла в пл X0Y xOy nod rad vector(l j k) = {x(ij, k), y(i,j k), z(ij,k)}

Радиус-вектор узла верхн поверхн up nod rad vector(ij,up) = {x(ij up),y(ij,up),z(ij,up}}

Радиус-вектор узла нижн поверхн lo nod rad vectoi(ij,lo) = {x(i.j.lo), y(ij;lo). z(i.j.lo)}

Вектор границы ячейки в X0Y по ОХ cell_border_vector_xOy_Ox(i j,k) = {xc (i,j,k), yc(i,j;k), zc(i j,k)}

Вектор границы ячейки в X0Y по 0Y cell_border_vector_xOy_Oy(i j,k)

Вектор границы верхн фрагм по ОХ cell_border_vector_up_Ox(ij,up)={xcup(i,j,up) ycup(irj,up) zcup(i j,up)}

Вектор границы верхн фрагм по 0Y cell border vector up Oy(ij,up) xcup(ij,up) ycup(i,j,up) zcup (i,jrup)}

Вектор границы нижн фрагм по ОХ cell border vector lo Ox(ijJo)

Вектор границы нижн фрагм по 0Y cell border vector lo 0y( i;j;lo)

Вект произвед в sensor up(i j,up) vector product up(ij up)

Модуль вект гроизв в sensor up(i jFup) vector product module up(i,jFup)

Единичн нормали в sensor_up(i,j,up) unit_normal_up(ij,up)

Вект произвед в sensor_lb(i,j;ulo) vector_product_lo(i j, lo)

Модуль вект гроизв в sensor_up(ij;lo) ve c to r_p ro d u ct_m od u 1 ej o(i j, 1 o)

Единичн нормали в sensor_lo(ijrlo) unit_noimal_lo(ij,lo)

Рисунок 39. Содержание. Математическая модель оболочки

Внешние условия эксперимента

Атмосферн давление 24— 18 тыс м; 13 зна air_pressure_18000=; air_pressure_18500=; ...

Сила Архимеда— 13 значений f archimed 18000=: f archimed 18500=: ...

Скорость потока. 15 уровней 0-300 км/час f01=20; f02=40; ... f15=300

Рисунок 40. Содержание БД. Внешние условия

Обозначения переменных опыта flow_p04_f07(30, Результат опыта — проекции элементарной

15, 45), рисунок 41. силы на ось 0Z — f2 i j up и f2 ij io. Суммарная элементар-

Справка к таблице — рисунку 41. ная сила f и проекции f и f рассчитываются

mom0Xi,j,up_io=fyi,j,up*Xi,j,up+fyi,j,up*Xi,j, lo+f2 io+f2 i,j,lolo xi,j,lo

mom0Yi,j,up_lo=fXi,j,up*yii,j,up+fXi,j,up*y i,j,up+f^i j lo*Yi j lo+f2 i j lo*yi j lo

mom i,j,up_lo fxi,j,up*zi,j,up+f^i,j,up*zi,j,up+f^i,j,up*zi,j,up+fyi,j,up*zi,j,up

^^ i j uplo S j j = 1 (fi j up * xi j up + fy i j lo * xi j up + fi j lo * xi j lo + f i j lo * xi j lo);

M0Yi j uplo = Sl^}'21(fxi j up * yi j up + fx i j lo * yi j up + f2ij lo * yi j lo + f2 i j lo * yi j lo);

^^ i j uplo ^ i j — i j up * Zi j up + f i j lo * Zi j up + fyi j lo * Zi j lo + f i j lo * zi j lo);

fx, f fj [Н] = Pjup[пункты] * point_value_0x_long_ newton _f_07(30,15,45)

Рисунок 41. Содержание БД опыта. Имена констант, переменных, координат

С помощью графического интерфейса из БД вызывается изо, вводятся давление, скорость, размеры ячейки, 3Б- параметры модели в канале АДТ; могут быть вызваны любые данные (в т. ч., координаты);

производится вход в САПР АДТ, выбор режима эксперимента, активизируется процесс.

Эскиз и схема SQL и показаны на рисунках 42.

□Еи н l: да п j п и р и кчтд

Я нибдч^ю _

Са и I а с [■: га ■■:■)! rLipj rci m ИI

&г с о fo jHjtjj

П.тиа nruniL'.-1.-

HlupiKJ НРЭП<МртЫ. -3D

PjlL-jifrd Rh til r i i J.il i :h j

C'.Jj!L<f"p;J WJ141СII I.IJir-:>1

БАЗА ДАННЫХ КОМПЛЕКСНОГО ЭКСПЕРИМЕНТА В АЭРОДИНАМИЧЕСКОМ ТРУЁЕ

Гредэцнн рыскажя ГрАлгцш гргня Гршл^н lmruta

-> □шшшЕга | [щ гсшш

МSTC.'Jи 3 Н Ч ц ¿«й fl LTJ^'JI- ■>:-., ■■ - -:И У;пы в пп I: M i'. [гсрл_11К5П>1

V".:. L.. с • . .I д ги. ЕДУ

РДДиуС-агеЮЗ '■■ •!.1 HliVH HMflJH

feengp rpjuii^j г?лЧин g i'flY np lj>;

Barren rpJKiuM truiini а ИУ no GV

facnqp rpjmifti KFH<tpjnu n? №.

Б-а гт-: ti rfrjKiuM t.-^H'-.H-it-jrrJ re DY facrpp fpjwgf ww t'Jg'HngQit

Barren кI>IH по О У

Bet г проняса и иггавцдЛ j

Ej-IIHI'-H нормдпнв 5gn5pr_M^ij.uj;

ЕЧ;гг npaioflt-д. fl i ■j г г« и to 11 ■ J oi

1-Удупь С FT п:-гч:с i;

Еднщщ вадмапид ммрг bin to]

iPbtCm^ET^

о

I k'=H Fit*

I ТДЧ~АЫ TV

a**

l.'elCIWH.IEI-i?

/

I К'ЭН I -i?

I ТДЯ-ДН MT

|рысш.Ч.1ЕГ5г

(

I TF

I ТДЧ~АЫ Tip'

ПР'рпьнри rerc-

I.TAC-j.atmj дд1<1гм в узгчх

t-lfiC-Mpf f-8 JgmiEM С y:ri.?>: HIKKII.

[Г-адс^сад '.-^i а.', ьхмптп fli-i-^iw ~ aofflfresB yaw "«hah. нк*ш»

¡■TAC L| ¿1 I г И Е срЛСЛКтгДйэ.

~ мяса длмндав и ■ 'зспн-'дх»

1ДАСjgj'j: i f':v.■^¡под IT- ллюмл dotjtipm. ciwjrnn жив

\ i

\

+

t +

t +

t

НИЖИ

I ТДЯ-ДН

I TiF

I 1АЧГК* T^

--.:■. ::;•-•:•-■! .'■•JL-.-i L- * ¡j VP i. U.u; ! I' -.2.'. С ■ j-1 j

1.=асшн.1Е1 iF

' 4

ЗИЕПНШЖ

I ТЛ^ГДН | -75

hln X X

t T t КЯИ1 Ю71ЯИ5 Л1

1 tOl т^^пы )D ewrop

7 cm T Сачгкш паапгйгы«»лп

Рк t Ок^р;^« jMi-inH-ju cms

т >1 IKU -* 4- T ■: l -.-j .i. kj r аэеешми ста

1- Б pJi t C/W pini n;. fti

т s ССП 4- T Of ltj шги n:- Dw

г у Р37 ■ir r CVv«J [imj nj iff

т 5 (ЛЕ + T L-yL-J UpSAiM Ciiru n:- [ft

t 9 [09 d. r Ofw язр;д1я сiiГц n:- Or

т 1П f)1H + T Су Ltj иозАы ckiu n:- [и

+■ 11 С-П d. t Узгея Ирн rp.ih=iLpJ

т 1? № + T У1Ы ГС^ншы OOjJ'.-ш

t 13 pij ■ir t n^fts ЭТ ГЧП-J.

т 4. T Па [Г( >1 OIIU.

t <1 t эт кпусг lalii.taK

т 4. T ПэВи сиги ¡агг:и te|ii to;.

t •L t П? 1>|Г ЗП tiin-J.

т 1 4- T П.- ли сиги

+■ 2 Ю2 i t ГЪОуЭП WI4.

т 4- T П:- [',■ l 1:Г|а s^rrtw toli 1.kit.

t rot ■ir r П:- ftj sn win.

т s те + T П&Ва >1 LIITJ

t а d. r Hsfe эп rum. wn5w_isli!.to!-.

т т гаг 4 -t T Э.1 mu u^i |.ий.

т t т й «8 Sh runs. W!П5w uplij.upi.

ш МО in wm. sensw to hi. to!.

12 Н12 П:- {*f Fffwrai с ^з.

мз Пэ [и cvltjj:« j Ягодин ста

N fit CfW прштгннч с

Kwrpww no

КМГ|Ж1Ш CVLTia jr cut №

П-^IJ nr. СП" Й£. |H)

Йцчк-и ПУмЛйЛйШН |Н]

Оц!жа ir^wasnciccu ft:. |ri)

Sh сипе, кптг, tolij.tol'.. |н]

MawHibt pi«5curOV

i."<jL:-iн1ы jH Li.l uluKiir QZ

PJ^Jt^rflWKtfl

Cy l~j a :+=j M rjtrjii-нг сгикгп

Рисунки 42. Эскиз и схема БД на примере опыта flow_p04_f07(30,15,45)

Фрагмент кода БД показан на рисунке 43.

Рисунки 43. Фрагмент кода к схеме БД на примере опыта flow_p04_f07(30,15,45)

В реальном полете текущие данные (атмосферного давления, скорость) дают датчики платформы.

По данным 3D ориентация определяется ориентирами и программой навигации.

По этим данным и по соответствующей контрольной сумме в БД, составленной в ходе комплексного эксперимента в АДТ, практически мгновенно выгружаются значение вектора суммарной аэродинамической силы, действующей на дирижабль в полете, и величины моментов относительно осей дирижабля, -данные для вычисления траектории движения и очередной команды с АИС средствам пилотирования.

Локальная сеть сбора опытных данных эксперимента АДТ

В виртуальной LAN эксперимента уздам «скелета» (виртуальным «датчикам» на поверхности модели), «растяжкам» подвеса и серверу присваиваются условные МАС- и IT-адреса.

Датчики в узлах модели «измеряют» и «передают» значения элементарных сил; датчики в виртуальных вертикальных растяжках «измеряют» drag (верхнюю) и lift (нижнюю) суммарные аэродинамические силы.

Роутер в эксперименте — реальный прибор и работает как в виртуальной сети, так и для связи реального ПК с интернетом.

Сервер LAN — виртуальная машина в ПК.

В ходе эксперимента виртуальная сеть выдает данные на сервер, данные заносятся в таблицу БД «Локальная сеть».

Параллельно данные обрабатываются для получения элементарных и суммарных сил и моментов и, в свою очередь, заносятся в БД по адресам узлов модели и «растяжек» таблицу «Данные «продувки» эксперимента в АДТ».

В реальном эксперименте работает та же схема.

Через интерфейс загружается изо оболочки с координатными метками для привязки точки начала координат процесса «оцифровки» в САПР SKETCHUP, SOLIDWORKS или ANSYS для получения «скелета» и единичных нормалей математической модели оболочки.

Интересующие фрагменты реального объекта определены в ходе чисто виртуального комплексного эксперимента. В границах фрагмента устанавливается оптимальный параметр ячейки — расстояния между узлами, — и этим узлам «скелета» фрагмента ставятся в соответствие МАС-адреса реальных датчиков, установленных на оболочке в реальной АДТ,

Таким образом, виртуальная АДТ работает вместе с реальной.

Показания реальных датчиков принимаются за основу, сравниваются с виртуальными данными, и производится коррекция всей картины единичного опыта в АДТ.

Локальная сеть LAN эксперимента показана на рисунке 45.

Рисунок 44. Схема локальной сети эксперимента в АДТ

В реальном эксперименте комбинированная виртуально-реальная сеть имитирует работу реальной сети в «полном составе», что упрощает подготовку к эксперименту, экономит ресурс дорогостоящей установки и позволяет качественно оценивать наиболее активные зоны поверхности при «продувке».

В результате работы по описанию сил, управляющих полетом, создана эффективная математическая модель, которая в общих чертах раскрывает способ управления платформы

Задана ее опорная координатная сетка с изменяемым параметром ячейки в плоскости Х0У, выходящей за габаритные размеры дирижабля.

Проекции узлов сетки на верхнюю и нижнюю полуповерхности оболочки дают позиции и координаты датчиков давления потока в АДТ. Окраинные точки сетки находятся вне проекции оболочки на плоскость Х0У и проецируются «сами в себя». Данные и расчетные величины в этих точках имеют нулевые значения.

В случает возможного изменения размеров оболочки под действием внутреннего и внешнего давления координаты датчиков изменяются.

Часть окраинных точек спроецируются на поверхность оболочки; появятся новые активные узлы, которые примут участие в передаче данных и расчетах.

ПО при циклической обработке новых данных выдаст ненулевые значения расчетов и поместит экспериментальные данные и рассчитанные величины в БД.

Эффективным подходом к построению математической модели и созданию ПО является использование векторного анализа, позволяющего значительно упростить построение модели и расчеты. Фактически, в ходе вычислений используются только координаты узлов и их проекций на поверхность оболочки, то есть, наборы чисел разных форматов, что обеспечивает быстродействие и простоту коррекции конфигурации элементов схемы экспериментов.

Практически все языки программирования имеют отработанные средства работы с векторами: стандартные функции, программы и библиотеки.

Простота и однозначность подхода, как основной принцип построения математической модели и ПО обеспечит (при необходимости) удобный переход к углубленному исследованию данных и рассчитанных величин с помощью тензорному анализу (например, при решении задачи расчета ориентации и траектории полета дирижабля в турбулентных потоках).

Построение модели и ПО эксперимента позволяет использовать все данные и величины, работающие в виртуальной АДТ, — реальной АДТ, в комплексном эксперименте и в полете дирижабля (рисунок 45).

Датчики на оболочке дают значение скорости встречного потока и ветра, а система ориентации — пространственный 3D ракурс платформы; — всё в системе координат с началом в т. Ц.К. (над БС, в области покрытия).

Программа АИС примет поток как «продувку» по оси 0Х в координатах оболочки, (ц.т). Текущие данные (давление, скорость, проч.), задаваемые в виртуальном эксперименте, в полете и реальной АДТ дают датчики платформы.

Рисунок 45. Разложение сил в полете дирижабля и связь координат

По 3D ориентации и скорости потока из БД выгружаются значение вектора аэродинамической силы, и моментов относительно осей оболочки.

Для расчета траектории движения производится перечет силы и моментов в зональную систему координат, — делением на синус угла тангажа (/sin у).

Через 5 - 10 с производится полный новый расчет, и выбор очередной управляющей команды пилотирования для коррекции траектории.

Последовательность событий настоящего пункта представляет собой основные шаги управления полетом дирижабля.

Практическая значимость методики заключается в высокой эффективности использования капитальных аэродинамических устройств, экономии энергоресурсов, рабочего времени квалифицированного персонала, в замене части оборудования эксперимента параллельной работой виртуальной модели.

Экономический эффект использования разработки составит 50-70% стоимости традиционного эксперимента АДТ.

Стратосферная сеть — «интерфейс» связи Земли и космоса

Наиболее эффективные сети интернета — наземные волоконно-оптические линии связи, ВОЛС-кабели с частотой передачи порядка терабит в секунду.

В свою очередь спутниковые группировки образуют сеть орбитальную связь, лазерный интернет с эффективностью уровня ВОЛС-коммуникаций.

Для связи лазерной системы космоса с наземной ВОЛС-сетью оптический поток неприменим: луч лазера затухает в атмосфере на высоте ~15 000 м над землей.

Но это не помешает оптическому лучу стать источником инфопотока для высотных платформ проекта «Доступ» на высоте 18 000 - 24 000 м.

Таким образом, лазерный сигнал космической сети придет в стратосферу, а платформы «Доступ» конвертируют оптический поток в электромагнитный и «раздадут» мобильную связь наземным БС и другим пользователям (Рисунок 46)

Рисунок 46. Сеть «Доступ» как распределенный интерфейс связи наземного и космического интернета

И — ГЛАВНОЕ...

Второй этап проекта «Доступ» — «Доступ-интерфейс» явится принципиальным, качественным прорывом в развитии сети интернет и радиосвязи в целом.

В недалеком будущем высотная сеть дирижаблей может стать «пространственным интерфейсом» космической лазерной системы связи и наземной ВОЛС-сетью

При этом межплатформенная тяжеловесная РРС-система станет бесполезной, платформы легче, связь проще, а сеть в целом эффективнее, — функционально и экономически.

В последнее время часто говорят о возрождении воздухоплавания

Но «возращение дирижабля» при реализации в лучшем случае оказывается тривиальным привязным аэростатом с ПН в виде локатора или БС.

На Западе и в КНР испытания дирижаблей дальнейшего развития не нашли ввиду недостаточной эффективности их применения в традиционных схемах связи.

Проект «Доступ» с инновациями в области связи (АЦАР) и прогрессивным способом автономии и перемещения может стать первой практической реализацией принципиально нового воздухоплавания.

Список литературы:

1. Сайт ООО СНОиИТ, www.snoiit.ru

2. https://x.company/projects/loon/

3. Статья Центр тяжести, https://www.pnas.Org/doi/pdf/10.1073/pnas.97.4.1423

4. https://stackoverflow.com/questions/30299267/geometric-median-of-multidimensional-points

5. Engineering Simulation Software, https://www.ansys.com

6. Электронный ресурс https://www.postgresql.org/POSTGESQL