Рассматривается метод оперативного определения координат места пробоя гермооболочки пилотируемого модуля высокоскоростной микрометеороидной или техногенной частицей. Метод основан на выявлении переднего фронта акустической волны, возникающей при пробое гермооболочки в воздушной среде модуля [1]. Передний фронт определяется с помощью микрофонов, определенным образом расположенных во внутреннем объеме модуля, и ¦ алгоритма, заложенного в вычислительную технику, позволяющего в реальном масштабе времени выделять полезный сигнал на фоне шумов бортовой аппаратуры и вычислять взаимные задержки^ прихода волны «пробоя» к микрофонам. По этим задержкам рассчитываются координаты точки пробоя с отображением найденной точки непосредственно, I на проекциях модуля.
Степень засоренности околоземного космического пространства постоянно возрастает [55], в связи с чем при проектировании новых пилотируемых космических модулей и эксплуатации уже существующих должна учитываться возможность пробоя гермооболочки в результате столкновения с техногенной частицей или микрометеороидом. Вероятность непробоя гермооболочки МКС даже при усиленной экранной защите модулей оценивается величиной на уровне 0,85 в течении 15 лет эксплуатации [35].
В настоящее время на Российском сегменте МКС имеются течеискатели, позволяющие определять точку пробоя лишь при сканировании всей поверхности пилотируемого модуля [28]. Опыт, полученный на станции «Мир» при разгерметизации модуля «Спектр», показал необходимость повышения эффективности способов обеспечения живучести станции при её разгерметизации. Особенно это касается оперативности определения места пробоя.
Актуальность работы состоит в практической важности разработки и внедрения метода оперативного определения координат точки пробоя на космических пилотируемых модулях.
Цель и задачи диссертационной работы.
При создании системы оперативного определения координат точки пробоя необходимо было определить минимальное число датчиков и их размещение внутри модуля, при котором обеспечивается однозначное и устойчивое определение координат места пробоя при равновероятном расположении источника звука на всей поверхности гермооболочки модуля, а также создать алгоритм обнаружения в реальном масштабе времени переднего фронта волны на фоне шумов работающего на борту оборудования.
В процессе достижения поставленной цели решены следующие задачи:
1. Проведение экспериментальных исследованийна стендах ЦНИИмаш по пробою фрагмента гермооболочки пилотируемого модуля высокоскоростной частицей для получения характеристик акустической волны, образующейся при пробое в воздушной среде модуля.
2. Проведение акустических испытаний на комплексном стенде Служебного модуля МКС с использованием различных имитаторов пробоя, имитирующих импульсную акустическую волну пробоя как по уровню сигнала, так и по спектру, с целью отработки метода определения координат точки пробоя в условиях реальных шумов, наблюдающихся на борту СМ. Задача осложняется тем, что внутренний объем пилотируемых модулей, как правило, разделен панелями интерьера на рабочее и запанельное пространства, последнее из которых сильно загромождено оборудованием и кабелями. К тому же комплексные модули состоят из нескольких отсеков, соединенными между собой узкими люковыми отверстиями.
3. Анализ результатов экспериментальных исследований с целью установления особенностей акустических процессов, наблюдающихся при пробое гермоболочки модуля, выявление влияния конструктивных особенностей ограждающих поверхностей на распространение звуковых волн, выработка рекомендаций по обработке наблюдающихся, кратковременных случайных процессов для получения результатов с минимальными погрешностями.
4. Разработка методики оптимального размещения микрофонов, внутри модуля для-определения источника импульсной звуковой волны с минимальной погрешностью.
5. Создание программы оперативного определения координат точки пробоя в реальном масштабе времени с использованием вейвлет-преобразования для оптимального обнаружения фронта звуковой волны на фоне шумов работающего на борту оборудования.
Методы исследований. Пробой фрагмента гермооболочки модуля производился на установке ЦИИИмаш с помощью газокумулятивной пушки, в" стволе которой снаряд из стали или алюминия массой до 0,2 г разгонялся до скоростей меньших или равных 5 км/с. На основе результатов этих исследований были подобраны имитаторы звуковой волны, возникающей в воздушной среде модуля при пробое гермооболочки. Эти имитаторы использовались в испытаниях на комплексном стенде Служебного модуля МКС для получения реальных характеристик акустических сигналов, которые следует ожидать при пробое гермооболочки модуля на фоне шумов работающего на борту оборудования. Полученные частотно-временные характеристики сигналов были использованы при разработке алгоритма обнаружения переднего фронта звуковой волны, являющегося методом фильтрации сигналов, основанной на ортогональном вейвлет-преобразовании, позволяющем реализовать предложенный алгоритм в реальном масштабе времени. Методика размещения микрофонов основана на теории оптимального планирования эксперимента, где в качестве критериев оптимальности используются как широко известный критерий I)-оптимальности, так и другие скалярные критерии (число обусловленности, норма* обратной матрицы). Оптимизация проводится на цилиндрической сеточной модели модуля как локально (методом Гаусса-Зейделя), так и глобально (методом сканирования).
Достоверность полученных результатов. Достоверность результатов: гарантирована корректностью выбора исходных ограничений и допущений при постановке задачи, приемлемой точностью припроведении экспериментальных исследований измеряемых и вычисляемых величин. Исследованы погрешности определения координат точки пробоя в условиях, наиболее приближенных к реальным. Предложены способы по увеличению достоверности получаемых результатов как с помощью методов обработки сигналов^ так и с помощью оптимального размещения микрофонов, во внутреннем объеме модуляПолученные оптимальные схемы проверялись на устойчивость как методом Монте-Карло, так и экспериментально на борту комплексного стенда Служебного модуля МКС. Экспериментальные исследования подтвердили выводы вероятностного метода и показали, что минимальная погрешность предложенных схем наблюдается в центральной зоне модуля и составляет — 0,1 м, а максимальная — вблизи торцов и составляет — 0,5 м, что является приемлемым с практической точки зрения.
Научная новизна исследования заключается в:
— обоснованном переходе от исходной системы нелинейных гиперболических уравнений распространения переднего фронта звуковой волны к линейным уравнениям для обеспечения однозначности решения;
— оптимизации размещения датчиков и нахождении минимального их числа, обеспечивающего устойчивое определение координат точки пробоя на всей поверхности цилиндрической модели пилотируемого модуля;
— обоснованном способе отсеивания заведомо неверных решений, основанном на критериях обусловленности системы линейных уравнений и невязки найденного решения с системой нелинейных уравнений.
Проведенная автором оптимизация отличается от других работ в этой области тем, что получен и обоснован локально-оптимальный план измерительной схемы для трехмерной задачи определения координат источника в ближнем поле источника сферической звуковой волны.
Областью применимости разработанного метода являются, в основном, пилотируемые космические объекты. Метод может применяться, в том числе, для оперативного определения мест пробоин в авиации и на флоте.
Практическая значимость исследований подтверждается использованием разработанной оптимальной схемы размещения датчиков при испытаниях образца системы оперативного определения координат точки пробоя в РКК «Энергия» на КС СМ и на стендах ЦНИИмаш.
Предложенная измерительная схема ранее в мировой практике не применялась. Устройство и способ определения координат источника импульсного звука оформлены в виде изобретения и получен патент РФ [32].
Совместно со специалистами ЦНИИмаш разработана программа по оперативному определению координат точки пробоя. Разработанная программа опубликована в бюллетене отраслевого фонда алгоритмов и программ [34]. В результате был создан технологический образец системы оперативного определения координат точки пробоя, который прошел успешные испытания по определению координат источника звука как на комплексном стенде Служебного модуля МКС с имитацией звуковой волны пробоя [30], так и на стендах ЦНИИмаш с осуществлением реального пробоя фрагмента гермооболочки частицей, разогнанной с помощью газодинамической пушки до скорости сравнимой с первой космической скоростью [31].
Применение разработанной оптимальной схемы размещения датчиков, предложенные алгоритмы отсеивания неверных решений сразу по двум критериям — скалярном критерии качества матрицы линейных алгебраических уравнений и величине функционала невязки, а также применение современных алгоритмов обработки сигналов, основанных на 8 вейвлет-преобразовании сигналов, для наиболее эффективного выделения полезного сигнала на фоне шумов работающего на борту оборудования, позволяют с достаточной для практики точностью определять координаты места пробоя.
В настоящее время ведутся работы по осуществлению космического эксперимента «Пробой» для подтверждения результатов разработанной методики и> исследования факторов, не воспроизводимых на Земле.
В работе автором использованы результаты экспериментов, проведенные совместно специалистами ЦНИИмаш и РКК «Энергия» с участием' автора на стендах ЦНИИмаш и РКК «Энергия». Для оценки уровней шума на борту Служебного модуля МКС и спектральной плотности сигнала «пробоя» использовалась программа спектрального и корреляционного анализа виброакустических процессов «LoadSignal» [52], разработанная автором.
На защиту выносятся:
1. Разработанные алгоритмы и программы оптимизации планирования экспериментов в задаче определения координат точки пробоя пилотируемого модуля;
2. Повышение точности определения моментов времени прихода переднего фронта звуковой волны на фоне шумов работающего на борту пилотируемого модуля оборудования за счет применения адаптивной вейвлет-фильтрации сигналов;
3. Оптимальный план размещения микрофонов во внутреннем объеме пилотируемого модуля и способ определения координат места пробоя гермооболочки пилотируемого модуля высокоскоростной микрометеороидной или техногенной частицей;
4. Повышение точности определения координат точки пробоя для модуля, состоящего из нескольких гермоотсеков, соединенных между собой люковыми отверстиями, за счет введения 2-х дополнительных точек измерений в малом отсеке, синхронизованных с базовой системой измерений.
Апробация. Основные результаты работы представлены в докладах на конференциях:
— 2-я Международная конференция ЦАГИ «Проблемы аэрокосмической науки и техники», 2002 г. (1 доклад).
— Научная конференция МФТИ «Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук» (3 доклада).
— Третья научно-техническая конференция «Перспективы использования новых технологий и научно-технических решений в изделиях ракетно-космической техники разработки ГКНПЦ им. М.В.Хруничева», Москва, 2003 г. (1 доклад).
— 8-я Международная конференция МАИ «Авиация и космонавтика» 26−29 октября, 2009 г. (1 доклад).
— Научная конференция «Современные проблемы газовой и волновой динамики», апрель 2009 г, Москва (1 доклад).
Внедрение результатов работы. Созданная автором программа «LoadSignal» помимо определения спектральных характеристик шумов в модулях МКС использовалась в экспериментальных исследованиях акустических полей (получение спектральных и корреляционных характеристики) при старте и полете различных РН (РКН «Эенит-38Ь», РКН «Зенит-ЗБЬБ», РН «Союз»). В настоящее время ~ данная программа используется на нескольких предприятиях отрасли.
Результаты работы по оптимальному размещению микрофонов внутри пилотируемого модуля, а также разработанный алгоритм по адаптивному определению переднего фронта звуковой волны, основанный на вейвлет-преобразовании сигналов, использованы при создании опытного образца системы по оперативному определению координат точки возможного пробоя гермооболочки модуля, которая прошла успешные испытания на комплексном стенде Служебного модуля МКС и реализуется в космическом эксперименте «Пробой», который планируется провести в 2012;2013гг.
Публикации, По теме работы опубликовано 12 работ, из них 2 в отечественных рецензируемых журналах, 7 в материалах российских и международных конференций, 2 патента РФ на изобретение и 1 программа в бюллетене ФАП ЦНИИмаш.
Структура и объем диссертации
Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, 1 приложения, содержащего программный код разработанного алгоритма по многомасштабной вейвлет-фильтрации сигнала с целью определения переднего фронта звуковой волны и списка литературы. Общий объем диссертации составляет 115 страниц, в том числе 113 страниц текста, 55 рисунков, 15 таблиц.
Список литературы
содержит 58 наименований.
4.5 Выводы к главе 4.
1. В результате проведения лабораторных испытаний показана на конкретном примере невозможность устранения двойственности решения в системе нелинейных уравнений, в то время как система линейных уравнений показала близкий к координатам источника результат.
2. Испытания на Комплексном стенде Служебного модуля МКС показали, что погрешность предложенной схемы измерений типа «крест» составляет в центральной зоне рабочего отсека модуля от 0,1 до 0,15 м и вблизи торцов отсека до 0,5 м, что согласуется с результатами расчетов.
3. В малых отсеках модулях было предложено использовать всего лишь две точки, дополнительные к основной схеме измерений, позволяющие значительно повысить устойчивость определения места пробоя в этих отсеках.
4. Создан образец системы, позволяющий в реальном масштабе времени определять координаты точки пробоя. В настоящее время ведутся работы по подготовке к осуществлению космического эксперимента «Пробой», в котором пройдут окончательно настройку и проверку все параметры системы в реальных космических условиях.
Заключение
.
На основании выполненного диссертационного исследования, носящего квалификационный характер, представляется возможным заключить, что на его основе решена актуальная физико-математическая задача, посвященная разработке методике оперативного определения координат места пробоя гермооболочки пилотируемого модуля высокоскоростной микрометеороидной или техногенной частицей. При решении поставленной задачи лично автором были получены следующие наиболее существенные научные результаты:
1 .Разработана математическая модель распространения переднего фронта звуковой волны пробоя относительно датчиков в линейной постановке задачи, что позволило однозначно определять координаты места пробоя.
2. На основании разработанной математической модели разработаны алгоритмы и программы по оптимизации плана измерений численными методами локальной оптимизации Гаусса-Зейделя и глобальной оптимизации сканирования.
3. Разработанные алгоритмы и программы позволили получить в дискретной постановке задачи две оптимальные схемы измерений по D-критерию и осредненным Си Zs-критериям, предложенных автором.
4. Аналитически доказана локальная ¿-^-оптимальность схемы «крест» в непрерывной постановке задачи на цилиндрической модели модуля.
5. Проведенные испытания .D-оптимальной схемы на Комплексном стенде Служебного модуля МКС показали приемлемые с практической точки зрения результаты. Погрешности определения координат мест пробоя составили ~ 0,1 м в центральной зоне модуля и ~ 0,5 м вблизи его торцов, что согласуется с результатами численных расчетов методом Монте-Карло.
6. Разработанный алгоритм автоматического распознавания переднего фронта звуковой волны на фоне шумов бортового оборудования, основанный на многомасштабном вейвлет-преобразовании сигналов, позволил создать образец системы оперативного определения координат места пробоя.
В настоящее время ведутся работы по подготовке к осуществлению космического эксперимента «Пробой» с использованием разработанной методики.
Основные работы, отражающие содержание диссертации:
1. Половнев A.JI. Определение координат точки пробоя высокоскоростной частицей на борту Служебного модуля МКС. Научный вестник МГТУ ГА. № 56, 2009 г. — С. 198 — 203.
2. Авершьев С. П., Будаев B.C., Макаревич Г. А. [и др. (Дементьев В.К., Половнев A.JI.)] Акустические волны в гермоотсеке космического аппарата при его пробое высокоскоростной частицей. Космонавтика и ракетостроение. ЦНИИмаш. № 1(62), 2011 г. — С. 12 — 17.
3. Патент 2 387 966 РФ. Устройство определения координат места пробоя гермоо бол очки пилотируемого космического объекта и способ определения координат места пробоя / Авершьев С. П. (RU) и др. (Дементьев В.К., Половнев А.Л.) — Заяв. 16.10.2008; Опубл. 27.04.2010 г.
4. Патент 2 387 965 РФ. Устройство определения координат места пробоя гермооболочки непилотируемого космического объекта и способ определения координат места пробоя / Болотин В.A. (RU) и др. (В.К.Дементьев, Половнев А.Л.) — Заяв. 16.10.2008; Опубл. 27.04.2010 г.
5. Авершьев С. П., Половнев А. Л. Компьютерная программа с организацией потокового ввода данных с АЦП с одновременным расчетом координат вероятного места пробоя корпуса гермоотсека и записью получаемых данных на диск компьютера в реальном масштабе времени. ЦНИИмаш, фонд алгоритмов и программ. № 851.7 553 682.4116−01.12, 2007.
6. Половнев А. Л. Особенности обработки кратковременных случайных процессов. // Труды XLII научной конференции МФТИ «Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук» — 1999., С. 115.
7. Сычев A.B., Половнев А. Л., Круглов В. И. Разработка, исследование и внедрение средств снижения шума на Служебном модуле Международной космической станции. // Труды XLV научной конференции МФТИ «Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук» — 2002. — Ч. З — С. 92.
8. Половнев А. Л. Программа-анализатор для определения спектральных и корреляционных характеристик случайных виброакустических процессов по данным телеметрических измерений. // Труды II Международной научно-технической конференции молодых ученых и специалистов «Современные проблемы аэрокосмической науки и техники» — 2002. — С. 159 — 160.
9. Половнев А. Л. Расчет доверительных интервалов оценок 1/3-октавных спектров, полученных на основании оценок узкополосных спектров. // Труды 3-й научно-технической конференции под эгидой ИПУ им. В. А. Трапезникова РАН и ГКНПЦ им. М. В. Хруничева «Перспективы использования новых технологий и научно-технических решений в изделиях ракетно-космической техники разработки ГКНПЦ им. М.В.Хруничева» — 2003. — С. 226 — 228.
10.Половнев А. Л. Применение вейвлет-преобразования для уменьшения влияния сбоев в сигналах на данные физических измерений. // Труды XL VII научной конференции МФТИ «Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук» — 2004. — Ч.З. — С. 11−12.
П.Лапыгин В. И., Тихомиров H.A., Макаревич Г. А. [и др. (Дементьев В.К., Половнев А.Л.)] Методика оперативного определения координат точки пробоя стенки гермоотсеков пилотируемых космических систем высокоскоростной микрометеороидной или техногенной частицей с регистрацией акустических волн в воздушной среде гермоотсеков // Труды 8-й Международной конференции МАИ «Авиация и комонавтика» — 2009. — С. 13−14.
12.Авершьев С. П., Лапыгин В. И., Макаревич Г. А. [и др. (Дементьев В.К., Половнев А.Л.)] Акустические волны в гермоотсеке космического аппарата при его пробое высокоскоростной частицей // Труды научной конференции МГУ «Современные проблемы газовой и волновой динамики» к 100-летию со дня рождения академика Х.А.Рахматулина-2009. — С. 12.
