Информационные
технологии в радиационных
испытаниях и прогнозировании
свойств материалов
космической техники
А.С.Смолянский,
О.Ю.Проскуряков, Ю.Я.Шаварин,
А.В.Лунин,
Филиал
ГНЦ РФ ФГУП “НИФХИ
им. Л.Я. Карпова” (Обнинск)
Эффективность
научно-исследовательских и испытательных
работ в области радиационно-космического
материаловедения определяется скоростью
обмена информацией между исследователем,
проводящим испытания и потребителями
– конструкторами, технологами, бизнесменами
и проч. Создание глобальной информационной
сети Internet, бурное развитие информационных
технологий, вызывают необходимость
разработки новых подходов в области
информационно-аналитического обеспечения
радиационных испытаний и прогнозирования
свойств материалов космического назначения.
В
настоящее время широкое распространение
получает тенденция создания и разработки
баз данных (БД), содержащих накопленную
экспериментальную информацию об изменениях
различных свойств материалов космической
техники при воздействии факторов
космического пространства (ФКП). Как
правило, информация о БД размещается
на сайтах сети Internet как в России,
так и за рубежом. Так реализуется
«пассивный» режим взаимодействия
между поставщиком информации и
потребителем. Потребитель получает
информацию, содержащуюся в БД, не имея
возможности влиять на её параметры,
произвести оценку степени достоверности.
Однако,
назревает необходимость реализации
«интерактивного» режима во взаимодействии
«поставщик информации – потребитель»,
когда потребитель получает возможность
влиять на все стадии получения и
анализа экспериментальных данных
- от постановки эксперимента до его
проведения и математической обработки.
Широкое обсуждение результатов
испытаний материалов космической
техники в сети Internet в «режиме
реального времени» позволит резко
повысить качество обработки и осмысления
получаемой экспериментальной информации,
разрабатывать модели поведения
материалов в условиях воздействия
ФКП и получать прогнозные оценки
непосредственно в ходе испытаний.
Внедрение
информационных технологий вызывает существенное
изменение методологии радиационных
испытаний. Вместо традиционного «статического»
режима - когда потребитель получает
информацию о конечных характеристиках
материала или изделия, подвергнутого
воздействию ФКП, реализуется «динамический»
режим - когда с помощью сети Internet
потребитель может отслеживать
динамику изменения свойств испытуемого
материала, а также параметры
работы испытательного оборудования (температура,
вакуум, химический состав окружающей
среды и проч.). Более того, у
потребителя появляется возможность
дистанционного управления ходом испытаний,
обсуждения полученных экспериментальных
данных с коллегами во всём мире.
Применение для математической обработки
получаемых данных и для получения
прогнозных оценок методологии «искусственных
нейронных сетей» и «wave-let» анализа
позволяет производить экспресс-анализ
поступающей экспериментальной
информации и осуществить выделение
критических режимов, соответствующих
изменениям свойств исследуемых
материалов космического назначения.
Таким
образом, практическая реализация достоинств
информационных технологий:
а)
оперативность, широта и гибкость связей,
б)
минимизация сроков обработки и
анализа экспериментальных данных,
в)
возможность всемирного обсуждения
полученных результатов,
г)
целенаправленность распределения
и поступления информации,
- позволит
резко удешевить испытания, сократить
сроки и количество необходимых
испытаний, прекратить дублирование
исследовательских и испытательных
работ, обеспечить обоснованный
выбор оптимальных характеристик
и режимов эксплуатации материалов
космического назначения.
Развитие
информационных технологий
и систем управления
при создании сети
сверхточных телескопов
и средств космической
техники для решения
фундаментальных
и прикладных проблем
астрофизики и
космонавтики
В.
Ф. Рухлев, к. т. н.,
В. В. Сычев, д. т. н.,
В. П. Михайлов, д. т. н.,
О. В Кривошеев,
Б.
М Ермаков, В. В
Митрохина, Ю. М. Маметьев,
А. И Сорока, к. ф. -м.
н. Л.И. Снежко, Д. Ю. Борин,
А. Ф. Назаренко,
ООО
МП «Антрел», ГУП
«НПО Астрофизика»,
ВВИА им. Проф. Н. Е. Жуковского,
ГТУ им. Н. Э. Баумана,
ЦНИИТОЧМАШ, Специальная
Астрофизическая
обсерватория РАН
Поиск
и развитие новых методов, а также
информационных технологий для решения
кометно-астероидной проблемы мирным
(гражданским вариантом) весьма актуально
для мировой науки и практического
обеспечения Международной безопасности
и безопасности России. В настоящее
время в мире не разработаны эффективные
методы решения кометно-астероидной
проблемы и человеческая цивилизация
находится в роли заложников. Авторами
предлагается решать данную проблему
для определенного класса опасных
космических объектов (ОКО) мирным вариантом
путем коррекции и стабилизации
орбит с безопасным и контролируемым
пролетом относительно Земли с помощью
сети сверхточных телескопов. В рамках
этой концепции выявлен потенциальный
метод коррекции и последующей
стабилизации орбиты ОКО, заключающийся
в изменении с помощью силовых
энергетических установок углового
положения ОКО относительно орбитальной
плоскости его движения. Приведено
математическое обоснование предлагаемого
метода с оценкой эффективности
применительно к четырем опасным
астероидам диаметром 0,4-2км, движущихся
с скоростями около 30 км/сек. Практическое
применение этого метода в свою очередь
требует развития информационных технологий
и решения на новом уровне целого
комплекса задач:
-
разработки путей повышение точности
управления крупными оптическими
и радио -телескопами и модернизации
существующих систем управления
с целью повышения эффективности
их работы при мониторинге
ОКО на максимально возможных
дальностях;
-
создания сети сверхточных телескопов
для получения максимально возможной
информации о характеристиках
ОКО с обеспечением необходимых
зон слежения при мониторинге
характеристик опасных космических
объектов;
-
разработки новых методов и
аппаратуры наблюдения в интересах
обеспечения максимально возможной
информацией о ОКО;
-
создания новых астрономических
инструментов и средств космической
техники, с помощью которых
можно было бы осуществлять
мониторинг ОКО и управлять
их орбитальным движением.
В
докладе этим задачам и поиску
методов их решения отводится
ключевая роль с учетом получения
и повышения качества информации
о опасных космических объектах.
Предлагается
создать сеть сверхточных оптических
и радиотелескопов наземного
и космического базирования с
объединением их в Международную
виртуальную обсерваторию. Сетевой
обмен информацией между телескопами
предлагается организовать с помощью
современной аппаратуры фирмы Сisco
System, обеспечивающей быстродействие свыше1,28
Гбит/с с использованием оптоволоконных
линий связи, а также аппаратуры лазерных
линий связи разработки ЦНИИТОЧМАШ.
Отметим,
что развитие современной теории
и практики инвариантных высокоточных
систем управления объектами, подверженным
случайным возмущениям, идет по пути
создания самоорганизующихся оптимальных
регуляторов (СОРЭ, см. работы академика
А. А. Красовского.), а также по пути
усложнения и совершенствования
регуляторов.
В
данной работе создание высокоточных
систем управления объектами осуществляется
методом, в котором применяется
ограниченное количество первичных
датчиков и реализуемым путем
введения к контуры автоматического
регулирования специальных наблюдающих
следящих моделирующих контуров с нейроподобными
переключаемыми алгоритмами, вырабатываемыми
по несмещенным оценкам фазовых
координат объекта управления. Для
большинства практических задач
построение высокоточных систем автоматического
управления объектами таким методом
является достаточным при оценке
ограниченного количества несмещенных
фазовых координат объекта (до трех
– по положению, скорости и ускорению).
Нейроподобные алгоритмы, реализуемые
структурно в цифровом виде, в качестве
специальных модулей, подключаемых
входами к выходам моделирующих
контуров, строятся в зависимости
от задач путем введения нелинейных
вычислителей и переключаемых фильтров
в контуры демпфирования и
стабилизации динамического следящего
контура, управляющего объектом.
С разработкой и появлением
современных средств цифровой
вычислительной техники и модульного
программного обеспечения типа
«ДИАНА» (см. статью авторов в
журнале ВОТ №4 за 1999г), практическая
реализация высокоточных систем
управления с предлагаемым принципом
построения является успешной
после проведения и выполнения
этапов идентификации динамических
характеристик объектов управления
и тщательного моделирования
и синтеза в целом системы
управления.
Идентификация динамических характеристик
объектов осуществляется известными
классическими способами и дальнейший
модельный синтез высокоточной
системы управления выполняется
с применением современных цифровых
средств диалогового проектирования
автоматических систем типа ДИСПАСС,
ДИАНА и др.
Отметим, что практическая реализация
таких систем в промышленности
может дать значительный экономический
эффект, поскольку, в настоящее
время, в основном в практике
автоматизации технологических
процессов применяются классические
регуляторы с далеко не оптимальным
законом ПИД-регулирования, как
правило «оптимально» не настроенного
(до 90% по исследованиям, проведенным
в промышленности США, приведенные
цифры в отечественной промышленности
могут быть и большими). Экономический
эффект от внедрения предлагаемого
автором метода построения высокоточных
систем управления также может
быть весьма высок в наукоемких
объектах, к каковым можно отнести
оптические и радиотелескопы, авиационную
технику и навигационные системы.
Построение
высокоточных систем управления с применением
ограниченного количества датчиков
с нетрадиционными наблюдающими
устройствами несмещенных координат
по положению, скорости и ускорению, а
также специальных модифицированных и
адаптированных модельных структур недостающих
координат управления с нейроподобными
переключающимися алгоритмами для демпфирования
и стабилизации позволяет существенно
повысить качество управления объектами.
Это проявляется прежде всего в точности
и быстродействии системы с одновременным
снижением затрат и стоимости, а также
массогабаритных характеристик высокоточных
систем управления, за счет минимизации
количества первичных датчиков и применения
современных цифровых малогабаритных
вычислительных средств.
В докладе представлены
результаты исследований и разработок
высокоточных систем управления по этим
направлениям на примерах действующих
крупных астрономических инструментов
России (Большой азимутальный оптический
телескоп с 6-метровым зеркалом БТА, Крупнейший
в Мире рефлекторный радиотелескоп
России РАТАН-600, Радиотелескопы сети КВАЗАР,
быстрый оптический малый телескоп
АТТ-600, оптический телескоп ЦЕЙСС-1000 и
создаваемый крупнейший в России
оптический адаптивный телескоп с составным
главным зеркалом диаметром 25м (супертелескоп
АСТ-25). Приведены результаты исследований
и разработок гироскопических и
других высокоточных первичных датчиков,
которые предлагаются для использования
в высокоточных системах управления
телескопами и в навигационных
системах. Приведен вариант построения
автономной инерциальной высокоточной
системы управления малогабаритным
дистанционно управляемым летательным
аппаратом. Приведены варианты и
рекомендации по применению специальных
серийных контроллеров, а также модульного
программного обеспечения для реализации
высокоточных систем контроля и управления
в высокоточных системах программного,
полуавтоматического и автоматического
слежения телескопов. Приводятся рекомендации
по применению специальных высокоточных
приводов с цифровым частотным управлением
лидирующих в мире фирм применительно
к задачам управления оптическими
и радиотелескопами.
В качестве примера
приведен вариант построения высокоточных
систем управления для малого космического
аппарата (высокоточная автономная навигационная
система для малого космического
аппарата, аппаратура высокоточной системы
управления малым аппаратом в
луче лазера).
Отметим, что некоторые
разработки в области высокоточных
систем управления (например, адаптивный
контур полуавтоматического слежения)
дает возможности реализации новых
принципов наблюдений ОКО на оптических
телескопах, например, с помощью
узкопольного координатометра, работающего
в сканирующем режиме в различных
частях спектрального диапазона, в
том числе в ИК области. Предложен
вариант реализации высокоточного
полуавтоматического контура управления
для управления телескопом БТА.
Использование
новых научно-технических достижений
применяемых первичных датчиков,
в технологиях построения алгоритмов,
подсистем и систем позволяет
получить уникальные технические характеристики
высокоточных систем управления телескопами
и малыми космическими аппаратами.