РОСКОСМОС-СПОРТ

Новости

19.04.2009 00:07

«Идентификация» и ресурс МКС

О космическом эксперименте «Идентификация», связанным с анализом телеметрической информации по ускорениям, замеряемым на МКС, рассказывает начальник отдела Центра прикладных исследований ЦНИИмаша, доктор технических наук, профессор А.И. Лиходед.
   
— Анатолий Иванович, идея эксперимента «Идентификация» имеет связь с нештатными ситуациями, возникавшими ещё на станции «Мир»?

— В значительной мере. Это и тот случай, когда грузовой корабль «Прогресс» задел модуль «Спектр» орбитальной станции «Мир», и удары по шпангоутам стыковочных узлов при нештатных стыковках — всё это заставило задуматься об оценке последствий таких ударов для конструкции. Дело в том, что для всех элементов орбитальной станции существуют определённые ограничения по допускаемым нагрузкам, и поэтому в своё время для станции «Мир» специалистами РКК «Энергия» и ЦНИИмаша впервые была сделана попытка реконструкции ударного воздействия и динамических нагрузок при нештатной ситуации. К сожалению, телеметрическая информация была достаточно ограниченной, в основном тогда ориентировались на показания датчиков угловых скоростей. С большим трудом, восстанавливая по ним динамику движения, удалось оценить силовые факторы в элементах конструкции. Когда составлялась программа эксперимента «Идентификация» для Международной космической станции (МКС), основной задачей являлась разработка методологии оценки условий нагружения, главным образом, с использованием данных по параметрам ускорений, несущим наиболее полную информацию об ударных воздействиях и их спектральному составу. Наряду с указанной задачей по оценке нештатных ситуаций была и другая — контроль уровня микрогравитации на борту МКС. Первоначально речь шла даже об ускорениях порядка 10 в 6й степени g. К сожалению, динамические перегрузки, создаваемые бортовыми системами станции, оказались значительно больше квазистатических перегрузок, обусловленных неоднородностями гравитационного поля и остаточным аэродинамическим торможением.

— С нештатными ситуациями на МКС пока обходилось?

— Пока обходилось, хотя в космосе всё возможно, включая и человеческий фактор. Нештатных ситуаций, подобных имевшим место на «Мире», хотелось бы принципиально избежать, хотя мелкие неприятности типа автоколебаний на МКС уже имели место. Чтобы оценивать степень опасности для орбитальной станции тех или иных динамических воздействий, необходимо иметь надёжную и достаточно полную информацию по ускорениям. К сожалению, анализ телеметрии по ускорениям показал, что действующая на станции измерительная система не полностью отвечает современным требованиям. За годы со времени запуска первого модуля МКС «Заря» произошёл огромный скачок в развитии информационных, регистрирующих и телекоммуникационных систем. Поэтому измерительную систему по ускорениям необходимо существенно модернизировать. Современные запоминающие устройства с большими объёмами памяти очень компактны, что даёт реальную возможность вести постоянный мониторинг ускорений. Возможен также вариант использования систем, срабатывающих по пороговому уровню (аналогично известной всем сигнализации на автомобиле). То есть указанная система должна фактически играть роль «чёрного» ящика, фиксирующего все заметные динамические возмущения, которые происходят на станции. Наличие надёжной системы измерений полей ускорений, а также разрабатываемой в рамках эксперимента «Идентификация» методологии позволит объективно оценивать степень опасности возможных нештатных ситуаций на МКС, связанных с динамическими воздействиями. А на первое место по актуальности в настоящее время выходят возлагаемые на КЭ «Идентификация» задачи по контролю расходования ресурса конструкции. — Что вы имеете в виду? — МКС уже достаточно долго эксплуатируется на орбите, в частности, её первый модуль «Заря» — функциональный грузовой блок (ФГБ) — проработал более 10 лет. Модули находятся под давлением, подвержены регулярным динамическим воздействиям — от работы будет означать выход из строя всей МКС. Так что вопрос прочностного ресурса является очень острым. Надо также иметь в виду, что ресурсные характеристики — это не показатели статической прочности, здесь сложная конструкция с многометровыми сварными швами, большое количество приваренных к несущему корпусу кронштейнов и прочих элементов, а усталостные характеристики имеют достаточно большой разброс. Поэтому необходимо страховаться во избежание сюрпризов в части ресурса. системы управления, стыковок-расстыковок, внутри- и внекорабельной деятельности космонавтов и т.п. Система управления работает в автоматическом режиме, и станция регулярно получает серии импульсов. Это означает, что элементы конструкции МКС подвергаются регулярным циклическим нагрузкам, действие которых усугубляется наличием постоянного внутреннего давления в гермообъёмах модулей. В связи с этим существует проблема прочностного ресурса конструкции МКС, обостряющаяся по мере эксплуатации станции. Очевидно, что силовой корпус станции — незаменяем...

- В чём вы видите надёжную страховку?

— Надо идти с двух сторон. С одной стороны, в наземных условиях отрабатывать фактический ресурс, что и делается. Все модули проходят наземные циклические испытания. Однако они, как правило, проводятся на некоторые эквивалентные нагрузки — изгибающий момент или момент с осевой силой. С другой стороны, необходимо учитывать, что на орбите действует широчайший диапазон знакопеременных внешних воздействий от всевозможных динамических операций — по амплитудному уровню и спектральному составу. Поэтому необходимо сводить эти реальные воздействия к экспериментальным, на которых отрабатывались модули конструкции. И ключевая задача состоит в том, чтобы при расчётах нагрузок мы не ошиблись в значениях их уровней. А экспериментально уровни нагрузок можно проконтролировать только на основе телеметрических данных по ускорениям, которые мы замеряем на станции. В этом плане выходит, что сейчас акцент эксперимента «Идентификация» смещается — его проведение даёт единственную возможность контролировать расходование ресурса.

— Как проводится оценка ресурса?

— Это отдельная большая работа, которая ведётся при совместном взаимодействии специалистов космической отрасли. Для определения динамических нагрузок отечественными и зарубежными организациями и фирмами-создателями модулей МКС была разработана конечноэлементная расчётная модель МКС в формате системы NASTRAN. На основе телеметрических данных и результатов моделирования, получаемых в процессе эксплуатации МКС, определяются фактические внешние силовые функции от стыковок орбитальных кораблей «Прогресс», «Союз» и «Шаттл», от работы управляющих органов в различных режимах и т.д., действующих на МКС. С использованием исходных данных по внешним воздействиям и конечноэлементной модели МКС проводится расчёт временных зависимостей силовых факторов во всех критических элементах модулей российского сегмента МКС. При этом необходимо учитывать, что напряжённое состояние в каждой критической зоне модуля формируется от совокупности всех интерфейсных силовых факторов. Поэтому через тензоры напряжений от всех усилий и моментов определяются эквивалентные скалярные величины в виде интенсивностей напряжений, которые сначала симметризуются по определённым критериям, а затем, с использованием усталостных кривых, сводятся к испытательным значениям. Для проведения вышеуказанных работ создан мощный программный комплекс, выполняющий всю последовательность расчётов и позволяющий сводить всё многообразие спектров орбитального циклического нагружения МКС через напряжённое состояние к испытательным нагрузкам, на которых отрабатывался ресурс модулей. Важным звеном в этой работе является контроль достоверности расчётов временных зависимостей силовых факторов.

— Как осуществляется этот контроль?

— В ходе сеансов связи записываются уровни ускорений, а при расчёте динамических нагрузок параллельно проводятся расчёты полей ускорений. Смотрим, чтобы расчётные уровни ускорений не были ниже замеренных. Замеряемые ускорения, используемые в рамках нашего эксперимента, оказываются ключевыми для контроля расходования ресурса, поскольку они подтверждают степень достоверности всех получаемых силовых факторов.

— Известно, что в рамках эксперимента «Идентификация» решается обратная задача. Можно рассказать об этом подробнее?

— В ряде случаев при расчёте нагрузок от стыковочных силовых функций обнаруживалась неудовлетворительная корреляция между расчётными и замеренными ускорениями. Поэтому появилась мысль — решать обратную задачу, то есть по записи реальных ускорений использованием телеметрии по ускорениям было обнаружено, что реальные силовые воздействия были ниже. А это фактически экономия расходования ресурса и продление сроков эксплуатации станции. восстанавливать внешние усилия. Вообще-то, восстановление внешних усилий, действующих на деформируемую динамическую систему, при наличии ограниченной информации по ускорениям только в отдельных точках — задача нестандартная и, строго говоря, неоднозначная. Мы провели такой расчётный эксперимент: берём некую функцию внешней силы в виде треугольного или синусоидального импульса, воздействуем на какой-либо стыковочный узел станции, решаем прямую задачу в традиционном стиле, разлагая по тонам колебаний, находим поля ускорений. Затем берём в качестве исходных данных для решения обратной задачи ускорения в нескольких точках конструкции, полученные расчётом при решении прямой задачи, и по этим ускорениям, с использованием разработанной в рамках КЭ «Идентификация» методики, пытаемся восстановить исходное импульсное воздействие. Мы сами были удивлены, насколько точно это воздействие удаётся восстановить. Эта методика позволила нам уточнить силовые функции для ряда проведённых стыковок. Потом мы таким образом восстановили усилия при расстыковках. Дело в том, что при решении прямой задачи в ряде стыковок завышались уровни усилий, а благодаря решению обратной задачи с использованием телеметрии по ускорениям было обнаружено, что реальные силовые воздействия были ниже. А это фактически экономия расходования ресурса и продление сроков эксплуатации станции.

— Получается, что «Идентификация» — это способ контролировать надёжность оценки ресурса станции?

— Причём наиболее эффективный. В настоящее время мы убедились, что упомянутая выше расчётная модель МКС имеет некоторые недостатки и упрощения. Дело в том, что станция — объект грандиозный по масштабам и разнообразию элементов, сложный в конструктивном и динамическом плане. Её конструкция имеет большое количество разнородных и разножёстких составных элементов. Это гибкие солнечные батареи, стыковочные узлы, оболочечные модули, ферменные конструкции и т.п. Поэтому одной из основных задач, обеспечивающих надёжность определения нагрузок и расходования ресурса, которые должны решаться в рамках КЭ «Идентификация», является уточнение расчётной динамической модели МКС. Особенно это важно для решения обратной задачи — восстановления внешних сил по замерам ускорений. Работы в рамках данного КЭ позволяют проводить идентификацию собственных тонов колебаний конструкции МКС и её диссипативных свойств, то есть базовых характеристик для мониторинга динамических нагрузок и оценки расходования ресурса. Кроме того, наличие достаточно полной и надёжной информации по полям ускорений даст возможность путём прямого сравнения расчётных и замеренных ускорений контролировать достоверность расчётного мониторинга нагрузок и расходования ресурса. Вместе с тем наличие сфазированной информации по полям ускорений всей станции с учётом возможностей решения обратных задач позволит разработать альтернативную методику оценки расходования ресурса конструкции МКС непосредственно по записям временных процессов по ускорениям. Если бы при этом удалось договориться с зарубежными партнёрами о единой системе измерения ускорений по всей международной станции, то в результате была бы получена более полная информация по динамике конструкции МКС и существенно повысились бы возможности и точность контроля спектров нагружения, а соответственно и расходования ресурса. А эти знания предопределяют сроки безопасной эксплуатации конструкции МКС. Поэтому работы в рамках космического эксперимента «Идентификация» позволяют гарантировать фактический спектр нагружения, а в ряде случаев и выявить резерв ресурса. Где-то в начале девяностых годов были проведены испытания базового блока орбитальной станции «Мир» до его разрушения, то есть был определён фактический ресурс конструкции на определённый тип нагружения. По проектным материалам с учётом результатов испытаний ресурс станции оказался уже исчерпанным. Но, с большими сложностями восстанавливая историю нагружения, выяснили, что реальная ситуация более благоприятная, и станция может ещё работать. Срок службы «Мира» был продлён лет на восемь, но в принципе она могла эксплуатироваться и дольше. Поэтому в случае с МКС стало ясно, что мониторинг нагружения и фактического расходования ресурса нужно вести постоянно в процессе её эксплуатации. При этом категорически необходимо иметь на станции современную систему измерения ускорений, работающую в постоянном режиме либо по пороговому уровню — то есть при превышении заданного значения ускорений. Для этого и предназначен наш совместный с разработчиками модулей российского сегмента МКС космический эксперимент «Идентификация».
Беседовал Николай Дорожкин (“Калининградская правда”)

http://knts.rsa.ru/pls/htmldb/f?p=106:30:17281544195766852051

Сообщить об ошибке в тексте

Фрагмент текста с ошибкой:

Правильный вариант:

При обнаружении ошибки в тексте Вы можете оповестить нас о ней. Для этого нужно выделить мышкой часть текста с ошибкой и нажать комбинацию клавиш "Ctrl+Enter".