CC BY
77УДК 629.78.048 DOI 10.33950/spacetech-2308-7625-2019-3-109-120
жизнеобеспечение экипажа пилотируемого космического объекта, проблемы управления
© 2019 г. Зарецкий Б.ф.1, Гузенберг А.С.2, Шангин и.А.1
Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет) (МАИ) Волоколамское шоссе, 4, г. Москва, Российская Федерация, 125993, e-mail: [email protected]
2Ракетно-космическая корпорация «Энергия» имени С.П. Королёва (РКК «Энергия») Ул. Ленина, 4А, г. Королёв, Московская обл., Российская Федерация, 141070, e-mail: [email protected]
В первых полетах человека в космос использовались системы жизнеобеспечения на запасах веществ. Системы жизнеобеспечения экипажей (СЖО), основанные на запасах воды и кислорода, несмотря на простоту, крайне неэкономичны при орбитальных космических полетах и не реализуемы при дальних космических миссиях из-за массовых и объемных ограничений. Поэтому в настоящее время разработаны и в ближайшей перспективе будут использоваться на космических станциях комплексы ре генерационных физико-химических СЖО на основе извлечения воды и кислорода из продуктов жизнедеятельности человека. В связи с дальнейшим совершенствованием долговременных орбитальных станций, перспективой создания планетных баз и освоения дальнего космоса становится актуальной проблема построения автоматизированной системы управления комплексом ре генерационных СЖО. Сложность решения проблемы построения эффективной системы управления в данном случае связана с наличием большего количества критериев эффективности.
Предложена система обобщенных глобальных критериев эффективности, позволившая разделить эту задачу на ряд подзадач оптимизации для решения этой проблемы. Предлагаемые критерии — живучесть, себестоимость, комфортность. Приведен ряд конкретных примеров использования предлагаемых принципов с необходимыми обобщениями.
Ключевые слова: космические системы жизнеобеспечения, средства обеспечения газового состава, автоматизированная система управления, глобальные обобщенные критерии эффективности, живучесть, себестоимость, комфортность.
life support for the crew of a manned space vehicle, problems of control
Zaretskiy B.F.1, Guzenberg A.S.2, Shangin I.A.1
Moscow Aviation Institute (National Research University) (MAI) 4 Volokolamskoye sh., Moscow, 125993, Russian Federation, e-mail: [email protected]
2S.P. Korolev Rocket and Space Public Corporation Energia (RSC Energia) 4A Lenin str., Korolev, Moscow region, 141070, Russian Federation, e-mail:[email protected]
Life support for first manned spaceflights was based on supplies of consumables. Crew life support systems based on supplies of water and oxygen, in spite of their simplicity, are extremely inefficient in orbital space missions and are unfeasible in deep space missions because of mass and volume constraints. Therefore, there are currently developed and are to be used on space stations the life support systems (LSS) that are
based on chemical and physical regeneration of water and oxygen extracted from human waste. In view of further advances in long-duration orbital stations, and the prospects of establishment of planetary outposts and deep space exploration, the problem of constructing an automated system for controlling a suite of regenerative LSS becomes urgent. The complexity of solving the problem of constructing an efficient control system in this case owes to the existence of a large number of effectiveness criteria.
The paper proposes a system of consolidated global efficiency criteria, which allows to break up this problem into a series of sub-problems of optimization in order to solve this problem. The proposed criteria are longevity, cost, comfort. The paper presents a series of specific examples of using the proposed principles with necessary generalizations.
Key words: space life support systems, atmosphere revitalization equipment, automated control system, global generalized efficiency criteria, longevity, cost, comfort.
ЗАРЕЦКИЙ Б.ф. ГУЗЕНБЕРГ А.С. ШАНГИН И.А.
ЗАРЕЦКИЙ Борис Фишерович — кандидат технических наук, заместитель начальника общественной организации «Научный центр» кафедры 607(614) факультета 6 МАИ, e-mail: [email protected]
ZARETSKIY Boris Fisherovich — Candidate of Science (Engineering), Deputy Chief of Public Organization «Centre of Science» of Department 607(614), Faculty 6 at MAI, e-mail: [email protected]
ГУЗЕНБЕРГ Аркадий Самуилович — кандидат технических наук, старший научный сотрудник РКК «Энергия», e-mail: [email protected]
GUZENBERG Arkadiy Samuilovich — Candidate of Science (Engineering), Senior research scientist at RSC Energia, e-mail: [email protected]
ШАНГИН Игорь Александрович — старший преподаватель кафедры 614 МАИ, e-mail: [email protected]
SHANGIN Igor Aleksandrovich — Senior lecturer of Department 614 at MAI, e-mail: [email protected]
Введение
Проблемы управления системами жизнеобеспечения (СЖО) возникли при длительных космических полетах, когда из-за массовых и объемных ограничений возникла необходимость перехода от СЖО на запасах веществ к СЖО на основе регенерации воды и кислорода из продуктов жизнедеятельности человека. И, если на околоземных космических станциях используется частичная регенерация этих продуктов
и доставка воды и кислорода грузовыми кораблями, то уход с орбиты Земли требует создания связанных между собой потоками продуктов и управлением этими потоками комплексов регенераци-онных СЖО, которые обеспечат в условиях космического полета получение воды и поддержание атмосферы, удовлетворяющие медико-биологическим требованиям [1-3].
Важным в ближайшей перспективе является введение в состав комплексов СЖО (КСЖО) отдельных биологических
звеньев (например, витаминной оранжереи [4]). Широкое же использование биологических процессов в СЖО является более отдаленным перспективным направлением при построении долговременных баз на Луне и планетах [1, 3].
Поскольку КСЖО становится более сложным и многоэлементным, актуальна проблема создания эффективной автоматизированной системы управления (АСУ) этим комплексом. При выполнении программ дальних космических экспедиций на планетных станциях, межпланетных космических кораблях и др. существенно ужесточаются технические требования к автономности и живучести СЖО, соответственно, повышаются требования и к АСУ КСЖО.
В работе предпринята попытка создания теоретических положений для построения подобной АСУ. Возникающие затруднения при решении этой задачи связаны со сложностью объекта управления с участием человека, сложностью функций АСУ КСЖО и отсутствием в настоящее время математического описания большинства систем КСЖО.
функции АСУ КСЖО и критерии эффективности
Системы жизнеобеспечения экипажей космических экспедиций как объекты управления имеют отличительные особенности. Прежде всего, эти системы действуют в условиях замкнутого герметичного объема. Определенные ограничения накладывает невесомость или уменьшенная относительно земной гравитация в области тепломассопереноса. Наличие радиации требует соответствующих защитных мероприятий. При создании планетных баз с большой длительностью пребывания рассматривается способ организации баз с заглублением в тело планеты как один из способов защиты от радиации [3, 5, 6].
Особенностью КСЖО является отсутствие при штатной работе динамических быстродействующих процессов, наличие значительных постоянных времени, что особенно важно для систем обеспечения газового состава атмосферы. На отладку алгоритмов управления при физическом моделировании систем затрачивается большое количество времени и средств, поэтому в этом случае весьма эффективным является применение имитационного моделирования.
Большое значение для пилотируемых космических объектов имеет возможность прогнозирования АСУ КСЖО момента возникновения нештатной ситуации (НШС), постоянные времени которой малы. Это позволяет экипажу подготовиться к необходимости парирования возникающих НШС.
АСУ КСЖО входит в бортовой комплекс управления (БКУ) и через телеметрическую систему связана с наземным комплексом управления (НКУ) [6].
АСУ КСЖО реализует следующие функции:
• контроль и прогнозирование технического состояния КСЖО и параметров среды обитания;
• управление оборудованием КСЖО с целью поддержания параметров среды обитания на заданном уровне;
• работа в диалоговом режиме с членами экипажа в соответствии с их уровнем доступа;
• информирование о случившихся или прогнозируемых НШС с рекомендациями по их компенсации или устранению;
• постоянная связь с БКУ и периодическая — с НКУ;
• реализация программ, заданных системами верхнего уровня управления, с подтвержденным приемом.
Для построения эффективной АСУ КСЖО необходимо сформировать систему критериев эффективности. Имеющееся множество критериев эффективности весьма затруднительно использовать в рамках поставленной задачи. Поэтому было предложено разделить это множество критериев на три группы таким образом, чтобы критерии одной группы не противоречили друг другу. В результате сформулированы три обобщенных глобальных критерия: живучесть, себестоимость и комфортность.
Для каждого глобального критерия сформирована задача поиска технического решения, обеспечивающего его экстремум. При этом на остальные два критерия накладываются ограничения.
С = Е g. ^ тах
С = Е с. ^ тт
= Е /к ^ тах
СсЯ
С
ГсЯ
СсК§ ГсЯ
I
СсЯ
(1)
(2) (3)
где О, g — живучесть; С, с — себестоимость;
/ — комфортность; Я — область ограничений.
При создании АСУ КСЖО целесообразно разделить процесс на три этапа:
1. Определение оптимальной структуры согласно уравнению (1).
2. Определение оптимального технического обеспечения согласно уравнению (2).
3. Разработка программного обеспечения согласно уравнению (3).
критерий живучести. определение оптимальной структуры АСу кСжо
Этот обобщенный глобальный критерий включает в свой состав такую группу критериев, как ресурс, надежность, ремонтопригодность и др. Под живучестью понимается способность КСЖО совместно с АСУ обеспечивать поддержание жизни, здоровья и работоспособности экипажа пилотируемого космического объекта.
Структуры АСУ КСЖО. Возможных структур АСУ КСЖО может быть две: централизованная и распределенная.
Централизованная структура предполагает прямую передачу всех информационных сигналов подсистемы управления КСЖО в БЦВМ (бортовая центральная вычислительная машина) с реализацией в ней всех алгоритмов управления. Такая структура имеет следующие недостатки:
• отказ БЦВМ приводит к отказу всей КСЖО;
• объединение в одной БЦВМ множества разнородных задач управления вызывает различные взаимные помехи и нестыковки в работе;
• большая общая протяженность сети связей представляет собой серьезный источник помех;
• существенное время реакции АСУ на отклонения от требуемых уровней параметров из-за существенного времени опроса БЦВМ;
• необходимость создания блока согласования сигналов и команд для системы управления КСЖО;
• повышенные массовые характеристики сети.
Распределенная структура АСУ КСЖО. При этой структуре оперативное управление системами КСЖО осуществляется локальными блоками управления (БУ). Бортовой интерфейс на базе
оптоволоконного кабеля объединяет сеть локальных БУ и БВМ (бортовая вычислительная машина) в БКУ (БЦВМ, подключенная к этому же интерфейсу, получает необходимую информацию и может осуществлять оптимальное взаимодействие в системе человек - машина). Здесь БУ является неотъемлемой частью подсистемы КСЖО. Такая структура АСУ КСЖО обеспечивает следующие преимущества:
• отказ БЦВМ или БВМ КСЖО не приводит к отказу всей КСЖО. Согласование работы систем экипаж должен осуществлять в ручном режиме управления. Теряется связь с НКУ. Экипаж получает время на восстановление штатной работы БЦВМ (БВМ);
• поскольку в этой структуре имеется возможность создания интерфейса на базе оптоволоконного кабеля, то можно избежать возникновения помех;
• такая структура позволяет минимизировать массогабаритные характеристики АСУ КСЖО;
• время реакции БУ меньше времени реакции БЦВМ (БВМ);
• при отказе БУ на время его замены управление может быть передано БВМ;
• имеется возможность в максимальной степени унифицировать конструкцию БУ и снизить массу запасных блоков.
Возможно, такая структура будет несколько дороже, но повышенная живучесть оправдывает это.
Благодаря этим преимуществам авторы предлагают считать оптимальным решением распределенную систему управления, структура которой приведена на рис. 1.
Рис. 1. Структура распределенной АСУ комплекса систем жизнеобеспечения (КСЖО) бортового комплекса управления: БИС — бортовая информационная сеть; БУ С. — локальный блок управления системой С. КСЖО (контроллер); БВМ — бортовой компьютер КСЖО
Распределенная система управления реализует следующую идеологию:
• оперативное управление системами КСЖО осуществляется локальными контроллерами;
• БВМ КСЖО обеспечивает решение задач второго уровня;
• обеспечивается функциональное дублирование с существенным повышением живучести системы в целом (в штатном режиме общее управление КСЖО осуществляет БВМ КСЖО, дисплей на локальном БУ отключен; при нештатном режиме БВМ КСЖО управление передается на локальный БУ, и включается его дисплей; при нештатном режиме на локальном БУ все управление может быть передано БВМ КСЖО на время замены БУ на резервный).
На втором уровне АСУ КСЖО могут решаться следующие задачи:
• согласование работы отдельных систем КСЖО между собой;
• функциональное дублирование локальных контроллеров на время замены вышедших из строя;
• обеспечение максимально комфортных условий жизнеобеспечения экипажа (например, оптимального состава атмосферы и пр.);
• идентификация НШС;
• выдача рекомендаций экипажу на основе диагностики и прогнозирования технического состояния КСЖО, имитационных моделей, накопленного опыта, методов искусственного интеллекта.
Для решения задач второго уровня необходима вычислительная мощность, сосредоточенная в БВМ КСЖО. При отказе БВМ КСЖО не происходит потеря живучести АСУ КСЖО, поскольку АСУ не теряет оперативного управления. Контроллер надежнее БВМ по конструкции и программному обеспечению.
Дополнительные факторы обеспечения живучести. Помимо структуры, живучесть обеспечивается следующими факторами:
1. Элементная база.
Элементная база для построения АСУ развивается параллельно мировым информационным системам, которые за последнее время пережили несколько технических революций. В данном случае желательно располагать элементами с надежностью порядка 0,999 с запасом по ресурсу, превышающим заданную продолжительность эксплуатации. Весьма перспективным является использование опыта ряда мировых фирм в создании микродатчиков, т. е. чувствительных элементов малых габаритов.
2. Максимальная унификация.
3. Выбор наиболее простых решений из множества возможных.
4. Резервирование.
4.1. Троирование.
Троирование — установка трех одинаковых датчиков для контроля требуемого технологического параметра. При троировании имеется проблема мажоритарного модуля, который определяет выбор истинного решения по принципу «два из трех». Отказ одного элемента этого модуля равнозначен отказу всего модуля, что снижает вероятность безотказной работы до 0,8 вместо требуемых 0,999 [7, 8].
В этом случае имеет место очень низкий объем получаемой информации.
4.2. Функциональное дублирование.
Функциональное дублирование — это
установка двух и более датчиков разного принципа в различных точках технологической схемы. При этом контролируемые датчиками параметры связаны между собой через технологический процесс. В качестве примера можно привести контроль технологического состояния шестеренчатого насоса в системе обеспечения кислородом на основе электролиза воды (рис. 2). Стрелками на рисунке указано направление движения транспортируемой среды.
Рис. 2. Насос генератора кислорода: I — ток электродвигателя насоса; Р — давление на выходе насоса
I = kP + k2M ,
1 2 тр'
(4)
где Мтр — момент трения на валу насоса; к1 и — коэффициенты пропорциональности.
Работу насоса контролируют датчики давления Р и тока I (4). Если показания датчиков постоянные или изменяются согласованно — датчики работают нормально. Рассогласование показаний датчиков говорит об отказе одного из них (например, падение давления при неизменных показаниях датчика тока с большой вероятностью свидетельствует об отказе датчика давления), в частности:
• согласованное падение давления и тока ниже минимальных допустимых значений — НШС в работе насоса, отказ в работе магнитной муфты;
• давление и ток превысили максимально допустимые значения — НШС, связанная с нештатным повышением сопротивления гидравлической системы;
• плавное повышение тока при неизменном давлении — повышение момента трения в двигателе;
• падение давления без изменения показаний по току — НШС с отказом датчика давления;
• падение тока без изменения показаний по давлению — НШС с отказом датчика тока.
При функциональном дублировании АСУ получает существенно больший объем информации по сравнению с троированием с большими возможностями по идентификации технического состояния объекта и выдаче более точной информации по предсказанию НШС во времени, ее локализации и выдаче рекомендаций по ее нейтрализации.
Критерий себестоимости. Определение оптимального технического обеспечения
Этот обобщенный глобальный критерий включает в свой состав такую группу критериев, как стоимость разработки и изготовления, массу, энергопотребление, необходимые запасные части, затраты времени экипажа на обслуживание, занимаемый АСУ объем космического объекта и т. д. Решение задачи себестоимости используется для выбора технического обеспечения АСУ. Ранее для этого предлагалось использовать такой частный критерий, как «приведенная масса» [9]. Глобальный критерий «себестоимость» является более общим и позволяет дополнительно учесть еще целый ряд других параметров, например: стоимость разработки и изготовления данного агрегата, затраты времени экипажа на облуживание, занимаемый агрегатом объем космического объекта.
При поиске оптимального значения критерия «себестоимость» обязательно необходимо учитывать взаимодействие как отдельных систем КСЖО, так и взаимодействие КСЖО в целом с другими системами на борту космической станции. Анализ проблемы показывает необходимость создания адекватной элементной базы для АСУ КСЖО, использования универсальных контроллеров для распределенной системы управления с интерфейсом на базе оптоволоконного кабеля.
Решение задачи достигается путем использования следующих принципов:
• максимально унифицированная конструкция контроллера для большинства систем КСЖО;
• применение блоков и устройств, изготовленных с использованием технологии серийного производства, минимизирующей человеческий фактор;
• применение современных средств и методов диагностики, включая методы прогнозирования;
• создание бортовой информационной системы на основе современных интерфейсов. Одной из важных задач на этом этапе является обеспечение помехозащищенности — наиболее перспективным для этого представляется использование оптоволоконного кабеля;
• максимальное использование унифицированных изделий серийного производства, секционно-модульных конструктивов КСЖО с обеспечением связи системы КСЖО с бортом в пределах двух кабелей (силового питания и информационного), что обеспечит минимизацию массогабаритных характеристик;
• создание контроллера универсальной конструкции для всех систем КСЖО на основе современной микроэлектронной элементной базы, что в конечном счете может привести к минимизации массогабаритных характеристик АСУ за счет снижения необходимого количества резервных контроллеров.
Критерий комфортности среды обитания экипажа. Разработка программного обеспечения
Решение задачи комфортности обеспечивается путем разработки программного обеспечения АСУ КСЖО. Этот показатель выбран в качестве главного обобщенного критерия для определения алгоритмов управления, обеспечивающих максимально комфортную среду обитания экипажа. В качестве примера разработан алгоритм управления, обеспечивающий оптимальный газовый состав атмосферы обитаемого гермомоду-ля космической станции по следующим параметрам: общее давление атмосферы, парциальные давления кислорода и диоксида углерода, относительная влажность воздуха и концентрация микропримесей в атмосфере. При этом работа систем КСЖО управляется локальными
БУ, а управление параметрами среды обитания обеспечивается БВМ путем воздействия на задания этих БУ.
Объект управления. Для анализа особенностей сложного объекта управления предложено его обобщенное математическое описание в виде функционала:
Y = Y(X, Z, A, V, и, N Яв), (5)
где Y — множество параметров среды обитания экипажа; X — множество технических параметров КСЖО; Z - множество структур АСУ КСЖО; А множество целевых параметров КСЖО; V — множество возмущающих воздействий; и — множество управляющих воздействий; N — энергопотребление; Яв — множество ресурсов, потребляемых КСЖО.
На элементы всех этих множеств накладываются определенные ограничения. Главным возмущающим воздействием в комплексе СЖО является численный состав экипажа [9].
Разработка программного обеспечения. При анализе ограничений на параметры среды обитания предлагается выделить три области состояния таких параметров (рис. 3).
2 1
Рис. 3. Области параметров среды обитания экипажа:
1 — область комфорта; 2 — область жизни экипажа [10]; 3 — область, несовместимая с пребыванием экипажа на космическом объекте (область аварии)
Область комфорта ограничивается оптимальными значениями параметров, а область жизни — их предельно допустимыми значениями, которые зависят от времени их действия на экипаж. Подобный подход является особенно актуальным при создании планетных баз в связи с более долговременным пребыванием космонавтов в искусственно созданной среде обитания. Выход параметра за допустимые пределы фиксируется как НШС.
Разработка программного обеспечения для АСУ носит индивидуальный характер для каждой системы КСЖО. В результате подробного рассмотрения по глобальному критерию комфортности работы АСУ для управления газовым составом атмосферы обитаемого отсека
был получен комбинированный алгоритм управления по рассогласованию и по возмущению. В среде Lab View проведено математическое моделирование данного алгоритма применительно к управлению работой системы электролизного получения кислорода из воды [11]. Отработка АСУ КСЖО с распределенной структурой и глобальными критериями частично проводилась с положительными результатами на имитационной модели и на стенде системы электролиза [11, 12]. При моделировании такой алгоритм управления обеспечил поддержание парциального давления кислорода в гермо-модуле с незначительным отклонением от оптимального.
Наблюдаемость и управляемость. Эти понятия введены Рудольфом Калма-ном [13] и могут быть применены в управлении КСЖО. При анализе технологии и конструкции соответствующей системы КСЖО устанавливается минимальное необходимое количество контролируемых параметров, определяющих работоспособность и ресурс систем КСЖО. АСУ КСЖО должна обеспечивать непрерывный контроль и прогнозирование состояния этих параметров с целью управления и поддержания их в заданных пределах. Главная задача АСУ КСЖО — поддержание параметров среды обитания экипажа в комфортных или допустимых пределах путем управления работой всех систем КСЖО. При этом важен выбор методики эффективного контроля параметров, из которой следует необходимость применения аналоговых датчиков контроля взамен широко применяемых в настоящее время дискретных датчиков. Только такая техника обеспечивает главные цели АСУ КСЖО. В качестве примера эффективности указанного подхода выше было рассмотрено управление типовым побудителем расхода, у которого контролируются два параметра: создаваемое давление рабочей среды и ток, потребляемый электродвигателем.
С точки зрения управляемости рассмотрена система управления для электромагнитных клапанов с применением «моторного автомата». Эти клапаны стоят в СЖО экипажа на космических объектах [9]. На клапане имеются две электромагнитные катушки: на открытие и на закрытие. Фиксация положения штока клапана осуществляется за счет намагничивания катушками магнитных
фиксаторов. Сигнал на закрытие или открытие клапана подается строго по рабочему алгоритму управления. Имеются задержки и фильтры, исключающие случайные срабатывания. Положение клапана контролируется герконами. Случайные срабатывания клапана полностью исключены. Выпадение срабатывания из заданного алгоритма фиксируется как нештатная ситуация.
критерии оценки эффективности АСу при возникновении нештатных ситуаций
Для оценки эффективности и выбора способа резервирования предложены два критерия: предельно допустимое время восстановления функции (ПДВвф) и предельно допустимое время реакции (ПДВр). Эти критерии оценивают эффективность работы АСУ при возникновении НШС. Например, при оценке способа резервирования БЦВМ системы управления полетом космического аппарата на стадии активного управления при старте с Земли. Возникновение НШС в этой ситуации может привести к катастрофе, поэтому ПДВвф должно быть менее 1 с. В этом случае необходимо троирование при работе всех трех компьютеров в режиме горячего резервирования при переключении выходов из компьютеров при возникновении НШС, что обеспечит минимальное время восстановления функции управления. Что касается АСУ КСЖО, то здесь мы имеем дело с объектом управления с большими постоянными времени. ПДВвф здесь может измеряться часами и иногда сутками (за исключением аварийных ситуаций, связанных с разгерметизацией модуля станции или выбросом токсических примесей в атмосферу модуля при пожаре или разгерметизации оборудования, сигналы о которых должны поступать в БЦВМ).
В отдельных случаях бывает важным ПДВр. Например, в процессе работы системы генерации кислорода может возникнуть нарушение соотношения концентраций кислорода и водорода. В этом случае имеется опасность возникновения пожара на борту. При возникновении такой НШС необходимо отключить электропитание электролизной системы. ПДВр может составлять десятки секунд, поскольку задание по концентрации выполнено с запасом. Это обеспечивается
локальным блоком управления (ПДВр — порядка секунды). Что касается восстановления функции АСУ КСЖО, то эта функция вполне может быть выполнена экипажем в связи с наличием допустимого времени.
Из этого анализа ситуации следует целесообразность разделения систем управления полетом и АСУ КСЖО.
управление средствами обеспечения газового состава атмосферы
В качестве примера можно привести предлагаемое управление средствами обеспечения газового состава, которые представлены на рис. 4 [11]:
Рис. 4. Средства обеспечения газового состава: СМП —
система мониторинга парциальных давлений составляющих атмосферы и ее влажности; СПД — система поддержания общего давления атмосферы; СОА-УГ — система очистки атмосферы от диоксида углерода и его переработки; СОА-В — система очистки атмосферы от избыточной влаги на основе ее конденсации; СГК — система генерации кислорода; СОА-МП — система очистки атмосферы от вредных микропримесей
Целью управления каждой из систем является поддержание заданного парциального давления соответствующей составляющей воздуха, определяемой системой мониторинга, путем воздействия на производительность каждой из систем. Кроме того, на верхнем уровне АСУ формируются команды на включение и выключение каждой из систем. На рис. 5 приведена структурная схема взаимодействия управляющей БВМ с блоками управления систем.
Блоки управления систем обеспечивают их функционирование на нижнем уровне АСУ. Система поддержания давления СПД работает на запасах воздуха (управление ею нами не рассматривается). Управление газовым составом относится
к постановке задачи этапа 3 ния комфортности.
обеспече-
Производительность б)
Рис. 5. Структурная схема части АСУ, обеспечивающей управление газовым составом атмосферы: а — структура АСУ; б — управление со 11-го уровня АСУ в систему 1-го уровня Примечание. Обозначения см. рис. 4.
Проблемы управления газовым составом атмосферы в обитаемом гермомодуле рассмотрим на базовой системе генерации кислорода [11], в которую входят:
• генератор кислорода — блок электролиза;
• стабилизатор тока;
• датчики концентрации газов (водорода — в кислороде и кислорода — в водороде);
• система коммутации электропитания.
Система электролиза воды в описанной комплектации представляет собой открытую систему, поскольку для своего функционирования она требует подачи извне электроэнергии и воды, а также выдает кислород, водород, тепло и имеет информационную связь с БЦВМ. Эта система должна содержать необходимый набор элементов, взаимодействие между которыми обеспечивает ее функционирование с выдачей кислорода необходимого качества с заданной производительностью. Целесообразно, чтобы в набор элементов системы входил локальный БУ, обеспечивающий нормальное ее функционирование, управление связями между элементами, защиту от НШС. Этот БУ входит в состав необходимых и достаточных элементов системы и представляет собой первый уровень АСУ.
Второй уровень, реализуемый на бортовой управляющей БЦВМ, обеспечивает управление подачей электроэнергии в систему электролиза воды в соответствии с локальным критерием эффективности:
| ра(02) - р(02)| < е,
(6)
где р(О2) — текущее значение парциального давления кислорода в кабине; р0(О2) — заданное значение этого параметра; е — допустимое отклонение текущего значения от заданного.
Задачей второго уровня АСУ в этом случае является обеспечение требуемого состава атмосферы в кабине. Помимо этого, второй уровень АСУ, решая задачи общего управления космическим объектом, выдает команды локальным блокам управления на пуск и останов соответствующих систем.
Уравнение (6) в общем виде выглядит следующим образом:
\Ро(х) - Р(х) < ^ (7)
где х — составляющая атмосферы, на которую направлено действие соответствующей подсистемы СЖО (см. рис. 4); I = 1 — кислород; 1 = 2 — диоксид углерода; I = 3 — микропримеси; I = 4 -влагосодержание.
Наряду с управлением по отклонению перспективно рассмотреть управление по возмущению. Всякое изменение количественного состава экипажа является таким возмущением. При таком изменении целесообразно пропорционально изменить производительность средств обеспечения газового состава. Такая стратегия существенно улучшит работу системы управления по отклонению, повысит качество работы системы управления за счет снижения отклонения текущих значений параметров атмосферы от заданных и существенно повысит динамические характеристики системы.
& = п
Я(х) = £ Як(х) + Яс(х)
& = 1
(8)
где д(х.) — производительность СЖО по ¿-му компоненту в данный момент времени; п — состав экипажа в данный момент времени; дс(х) — постоянные составляющие потерь или выделений соответствующих компонентов атмосферы.
Уравнение (8) является основой для построения алгоритма управления по возмущению.
Создание алгоритма управления в соответствии с критерием (7) связано со значительными трудностями, поскольку объект управления отличается очень большой постоянной времени. Например, для повышения на 1% концентрации кислорода на станции объемом
гермоотсека 800 м3 упомянутый генератор кислорода должен работать с максимальной производительностью в течение 2 сут. Система управления газовым составом атмосферы воздействует на каждую составляющую атмосферы отдельно, контролируя ее концентрацию по парциальному давлению. Объем ¿-го газа в обитаемом гермомодуле определяется уравнением Дальтона:
V. = (р1 /Р)У, (9)
где vi — содержание ¿-го газа в атмосфере обитаемого гермомодуля в объемных единицах; V — общий объем гермомо-дуля (атмосферы); Р — давление атмосферы в обитаемом гермомодуле; р1 — парциальное давление ¿-го газа. Для кислорода i = 1; для диоксида углерода i = 2; для микропримесей i = 3; для содержания влаги в атмосфере i = 4.
Обеспечение цели управления (5) предлагается осуществить путем отслеживания материального баланса по каждому компоненту атмосферы.
йю.(х) ¿т
= ^(т) -
(10)
где qi1 — расход поступающего в атмосферу компонента; — расход потребляемого или удаляемого из атмосферы компонента; т — время.
Поскольку АСУ контролирует парциальное давление составляющих атмосферы и управляет расходом поступающей или удаляемой компоненты, из уравнений (9) и (10) получим:
Р г
Pi(т) = Pi(0) + - ql2(т)]dт. (11)
У 0
Уравнение (11) представляет собой математическую модель объекта управления. Согласно этой модели, объект управления не обладает самовыравниванием. При снятии возмущения, т. е. при восстановлении баланса между расходами поступающего и удаляемого компонентов, концентрация контролируемого компонента не восстанавливается до первоначального значения. В этом случае невозможно поддержание заданной концентрации без управления по отклонению (7). Поэтому целесообразно использовать комбинированное управление по отклонению и возмущению. С учетом большой инерции объекта управления перейдем к более удобным уравнениям в конечных разностях:
^(т2) - vi(тl) = ^2 - ql)(т2 - т1).
(12)
На основании этого уравнения можно построить управления, которые должна вырабатывать АСУ для поддержания каждого из компонентов атмосферы на заданном уровне без автоколебаний.
Для генератора кислорода:
q = q к Р1 (Т2) - Р 1(Т1) V
qy1 = Чц - К1 — У •
Т2 - Т
(13)
Для газовых примесей атмосферы: ^ Р 1(Т2) - Р!(Т!) X
qy2 = qi2 + К1 т2 - Т1 Р ■
(14)
В уравнениях (13) и (14) коэффициент К обеспечивает компенсацию отклонения парциального давления от
заданного значения; q
управление,
т. е. управляемая производительность соответствующей СЖО.
Возможные автоколебания устраняются подбором коэффициента К и периодов усреднения (т2 - т1). Этот подбор параметров целесообразно выполнять путем имитационного моделирования. При изменении состава экипажа меняют базовую производительность (первый член в выражениях (13) и (14)) соответствующей системы.
Уравнения (7)-(14) являются теоретической базой для построения и отработки алгоритмов управления составом атмосферы на имитационных моделях [9].
Для отработки электролизной системы генерации кислорода с АСУ был создан стенд, результаты отработки изложены в работах [11, 12].
Быводы
1. Для долговременных орбитальных и межпланетных полетов, лунной и планетной баз потребуется создание АСУ для управления большим количеством объектов в составе комплекса регенера-ционных СЖО с высокой производительностью систем, непрерывным циклом работы и разнообразными принципами действия. При этом КСЖО будет непрерывно развиваться и модернизироваться.
2. Для обеспечения создания и оптимизации подобного АСУ предложены для использования глобальные обобщенные критерии: живучесть, себестоимость и комфортность.
3. Целесообразно для создаваемой АСУ КСЖО использовать гибкую систему с распределенной структурой, обеспечивающую высокую степень наблюдаемости и прогноза технического состояния объектов управления.
4. Отработка АСУ КСЖО с распределенной структурой и глобальными критериями частично проводилась с положительным результатами на имитационной модели комплекса и на стенде системы электролиза. Требуется продолжение исследований и отработки предлагаемых принципов создания АСУ КСЖО для долговременных орбитальных и межпланетных полетов, лунной и планетной баз.
Список литературы
1. Гузенберг А.С., Железняков А.Г., Романов С.Ю., Телегин А.А., Юргин А.В. Выбор комплекса жизнеобеспечения для экипажей долговременных космических станций // Космическая техника и технологии. 2015. № 1(8). С. 67-80.
2. Микрин Е.А. Перспективы развития отечественной пилотируемой космонавтики (к 110-летию со дня рождения С.П. Королёва) // Космическая техника и технологии. 2017. №1(16). С. 5-11.
3. Луна — шаг к технологиям освоения Солнечной системы / Под ред. Легостае-ва В.П., Лопоты В.А. М.: РКК «Энергия», 2011. 550 с.
4. Беркович Ю.А., Смолянина С.О., Железняков А.Г., Гузенберг А.С. Перспективы применения космических оранжерей в комплексе систем жизнеобеспечения космонавтов в условиях лунной орбитальной станции, лунной базы и межпланетных транспортных кораблей // Космическая техника и технологии. 2019. № 2(25). С. 37-54. DOI 10.33950/ spacetech-2308-7625-2019-2-37-54.
5. Крикалев С.К., Крючков Б.И., Курицын А.А. Пилотируемые полеты: от Ю.А. Гагарина к МКС и полетам в дальний космос // Пилотируемые полеты в космос. 2011. № 2(2). С. 6-20.
6. Соловьев В.А., Лысенко Л.Н., Любин-ский В.Е. Управление космическими полетами. В 2-х ч. М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2009. 902 с.
7. Jiang H., Rodriguez L.F., Bell S, Kortenkamp D. Redundancy. Testing and cost assessment for environmental control and Life Support Systems // 39th International Conference on Environmental Systems, July 13-16, 2009, Savannah, Georgia. SAE Publication. № 2009-01-2495. P. 1-13.
8. Jones H. Ultra Reliable Space Life Support Systems. // 38th International Conference on Environmental Systems, June 29-July 2, 2008, San Francisco, CA, USA. SAE Publication. № 2008-1-2160. P. 1-17.
9. Зарецкий Б.Ф., Морозов Г.И., Курма-зенко Э.А., Прошкин В.Ю. Система управления средствами жизнеобеспечения экипажа космической станции // Пилотируемые полеты в космос. 2015. № 2(15). С. 49-66.
10. ГОСТ Р 50804-95 Среда обитания космонавта в пилотируемом космическом аппарате. Общие медико-технические требования. М.: Госстандарт России, 1995. 118 с.
11. Zaretskiy B.F., Gavrilov L.I., Kurmazenko E.A. Crew life support system control for interplanetary vechicles // SAE Technical Paper Series. 2009-01-2464. 2009. 5 p.
12. Камалетдинова Г.Р., Курмазен-ко Э.А., Хабаровский Н.Н., Кочетков А.А., Демин Е.П., Моруков Б.В. Модельные исследования этапов длительных космических экспедиций в 3-стадийных (14-, 105- и 520-суточных) экспериментах с целью оценки автономного функционирования организма членов экипажей и работоспособности бортовых систем жизнеобеспечения // Инженерная экология. 2013. № 2. С. 16-33.
13. Калман Р., Фалб П., Арбиб М. Очерки по математической теории систем. М.: Едиториал УРСС, 2004. 400 с.
Статья поступила в редакцию 02.08.2018 г.
Reference
1. Guzenberg A.S., Zheleznyakov A.G., Romanov S.Yu., Telegin A.A., Yurgin A.V. Vybor kompleksa zhizneobespecheniya dlya ekipazhey dolgovremennykh kosmicheskikh stantsiy [Selecting life support system for the crews of long duration space stations]. Kosmicheskaya tekhnika i tekhnologii, 2015, no. 1(8), pp. 67-80.
2. Mikrin E.A. Perspektivy razvitiya otechestvennoy pilotiruemoy kosmonavtiki (k 110-letiyu so dnya rozhdeniya S.P. Koroleva) [Outlook for our country's manned spaceflight development (to mark the 110th anniversary of S.P. Korolev]. Kosmicheskaya tekhnika i tekhnologii, 2017, no. 1(16), pp. 5-11.
3. Luna — shag k tekhnologiyam osvoeniya Solnechnoy sistemy [The Moon — a step towards technologies of the solar system development]. Ed. by Legostaev V.P., Lopota V.A. Moscow, RKK «Energiya» publ., 2011. 550 p.
4. Berkovich Yu.A., Smolyanina S.O., Zheleznyakov A.G., Guzenberg A.S. Perspektivy primeneniya kosmicheskikh oranzherey v komplekse sistem zhizneobespecheniya kosmonavtov v usloviyakh lunnoy orbital'noy stantsii, lunnoy bazy i mezhplanetnykh transportnykh korabley [Prospects for using space greenhouses as a part of a suite of crew life support systems of a lunar orbital station, a lunar base and interplanetary transfer vehicles]. Kosmicheskaya tekhnika i tekhnologii, 2019, no. 2(25), pp. 37-54. DOI 10.33950/spacetech-2308-7625-2019-2-37-54.
5. Krikalev S.K., Kryuchkov B.I., Kuritsyn A.A. Pilotiruemye polety: ot Yu.A. Gagarina k MKS i poletam v dal'niy kosmos [Manned flights: from Yu.A. Gagarin to the ISS and flights into deep space]. Pilotiruemye polety v kosmos, 2011, no. 2(2), pp. 6-20.
6. Solov'ev V.A., Lysenko L.N., Lyubinskiy V.E. Upravlenie kosmicheskimi poletami. V 2-kh ch. [Space flight control. In 2 parts]. Moscow, MGTU im. N.E. Baumana publ., 2009. 902 p.
7. Jiang H., Rodriguez L.F., Bell S., Kortenkamp D. Redundancy. Testing and cost assessment for environmental control and Life Support Systems. 39th International Conference on Environmental Systems, July 13-16, 2009, Savannah, Georgia. SAE Publication, no. 2009-01-2495, pp. 1-13.
8. Jones H. Ultra Reliable Space Life Support Systems. 38th International Conference on Environmental Systems, June 29-July 2, 2008, San Francisco, CA, USA. SAE Publication, no. 2008-1-2160, pp. 1-17.
9. Zaretskiy B.F., Morozov G.I., Kurmazenko E.A., Proshkin V.Yu. Sistema upravleniya sredstvami zhizneobespecheniya ekipazha kosmicheskoy stantsii [Control system of life support of the space station crew]. Pilotiruemye polety v kosmos, 2015, no. 2(15), pp. 49-66.
10. GO ST R 50804-95 Sreda obitaniya kosmonavta v pilotiruemom kosmicheskom apparate. Obshchie mediko-tekhnicheskie trebovaniya [Cosmonaut's habitable environments on board of manned spacecraft. General medicotechnical requirements]. Moscow, Gosstandart Rossii publ, 1995. 118 p.
11. Zaretskiy B.F., Gavrilov L.I., Kurmazenko E.A. Crew life support system control for interplanetary vehicles. SAE Technical Paper Series, 2009-01-2464. 2009, 5 p.
12. Kamaletdinova G.R., Kurmazenko E.A., KHabarovskiy N.N., Kochetkov A.A., Demin E.P., Morukov B.V. Model'nye issledovaniya etapov dlitel'nykh kosmicheskikh ekspeditsiy v 3-stadiynykh (14-, 105- i 520-sutochnykh) eksperimentakh s tsel'yu otsenki avtonomnogo funktsionirovaniya organizma chlenov ekipazhey i rabotosposobnosti bortovykh sistem zhizneobespecheniya [Model studies of phases of long-duration space expeditions in 3-stage (14-, 105- and 520-day) experiments to assess the autonomous functioning of the body of the crewmembers and the effectiveness of onboard life-support systems]. Inzhenernaya ekologiya, 2013, no. 2, pp. 16-33.
13. Kalman R., Falb P., Arbib M. Ocherki po matematicheskoy teorii system [Essays on the mathematical theory of systems]. Moscow, Editorial URSSpubl., 2004. 400p.
