Введение к работе
Рассматривается метод оперативного определения координат точки пробоя гермооболочки пилотируемого аппарата (модуля) высокоскоростной микрометеороидной или техногенной частицей. Метод основан на выявлении переднего фронта акустической волны, возникающей при пробое гермооболочки в воздушной среде модуля. 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 на проекциях модуля.
Степень засоренности околоземного космического пространства постоянно возрастает, 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.
В настоящее время на Российском сегменте МКС имеются течеискатели, позволяющие определять точку пробоя лишь при сканировании всей поверхности пилотируемого модуля. 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.
Объектом исследования является звуковая волна, возникающая в воздушной среде пилотируемого модуля при пробое гермооболочки высокоскоростной частицей.
Предметом исследования является математическая модель распространения переднего фронта звуковой волны в воздушной среде модуля, на основании которой решается обратная задача нахождения источника звука в 3-хмерной постановке в ближнем поле источника методами оптимального планирования эксперимента. При этом используется модель сферической звуковой волны.
Устойчивость решения обратной задачи может быть существенно повышена за счет оптимального расположения датчиков во внутреннем пространстве модуля. Понятно, что чем больше датчиков будет размещено в гермоотсеке модуля, тем точнее будут определяться координаты точки
пробоя. Ограничение сверху на число размещаемых датчиков накладывают реальные условия на борту действующего пилотируемого модуля и процедура сбора и обработки информации, которая должна осуществляться в реальном масштабе времени.
Основной целью исследования является разработка метода определения координат точки пробоя, позволяющего однозначно и устойчиво определять место пробоя на всей гермооболочке пилотируемого модуля с использованием минимального количества датчиков.
Актуальность работы состоит в важной практической потребности оперативного определения координат места пробоя в случае возникновения нештатной ситуации пробоя гермооболочки станции. В связи с постоянным ростом космического мусора участились случаи его столкновения с космическими аппаратами, в частности, беспилотный американский аппарат Х-37В получил семь повреждений обшивки в результате столкновения с космическим мусором во время пребывания на орбите в течение 224 дней по программе OTV-1 в апреле - декабре 2010 года. В настоящее время на МКС при пробое за короткое время невозможно определить не только место пробоя, но и отсек, в котором произошел пробой. При наличии на борту каждого модуля разработанной оптимизированной схемы измерений, подключенных к автономным системам сбора и обработки информации, возможно по имеющейся на борту беспроводной сети WiFi оперативно передавать предварительно обработанную информацию на центральный компьютер, который в течение нескольких секунд определит, в каком отсеке и в какой зоне искать негерметичность обшивки станции с помощью имеющихся на борту течеискателей. Оперативность определения координат точки пробоя становится особенно актуальной при диаметре отверстия больше или равном 5 мм. За интервал времени ~ 30 минут падение давления в гермоотсеке объемом 80 м составит 10 %, что является критическим порогом для ухудшения самочувствия и потери сознания экипажем станции. Особенно ситуация становится критичной при пробое гермооболочки Служебного модуля (СМ) МКС, так как он является базовым модулем по жизнеобеспечению экипажа и управлению МКС. Если в результате внезапной разгерметизации придется покинуть СМ, то переданные на центральный компьютер данные могут быть использованы для поиска пробоины с внешней стороны обшивки. Вероятность нахождения точки пробоя на гермооболочке модуля не может быть вычислена заранее, так как даже при известных параметрах метеороидных потоков станция может внезапно потерять ориентацию, что приведет к значительному повышению вероятности пробоя гермооболочки там, где до этого она была минимальна. Поэтому при создании системы оперативного определения координат точки пробоя важно 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. Научная новизна исследования заключается в:
обоснованном переходе от исходной системы нелинейных гиперболических алгебраических уравнений распространения переднего фронта звуковой волны к линейным алгебраическим 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 с аналитическим доказательством существования локального D-оптимального плана эксперимента в непрерывной постановке задачи;
введении и успешном использовании в исследованиях устойчивости измерительных планов нового С-критерия качества матрицы: осредненного числа обусловленности по линейным комбинациям строк матриц, обладающего большей избирательной способностью по отделению более устойчивых схем измерений от менее устойчивых по сравнению с обычным числом обусловленности;
обоснованном способе отсеивания заведомо неверных решений, основанном на двухпараметрическом критерии, включающем в себя критерий качества матрицы системы линейных уравнений и величину невязки найденного решения с исходной 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 пилотируемые и непилотируемые космические объекты, имеющие на борту газовую среду с постоянным давлением > 0,1 атм. Метод может применяться, в том числе, для оперативного определения мест пробоя обшивки корпусов кораблей на флоте и в авиации.
Практическая значимость исследований подтверждается
использованием разработанной оптимизированной схемы размещения датчиков при испытании 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.
Совместно со специалистами ЦНИИмаш разработана программа по оперативному определению координат точки пробоя. Разработанная программа опубликована в бюллетене отраслевого фонда алгоритмов и программ. 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, так и на стендах ЦНИИмаш с осуществлением реального пробоя фрагмента гермооболочки частицей, разогнанной с помощью газодинамической пушки до скорости сравнимой с первой космической скоростью.
Применение разработанной оптимизированной схемы размещения датчиков, предложенные алгоритмы отсеивания неверных решений по критериям осредненной обусловленности системы линейных уравнений и минимальной невязки с исходными нелинейными уравнениями, а также применение современных алгоритмов обработки сигналов, основанных на вейвлет-преобразовании сигналов для наиболее эффективного выделения полезного сигнала на фоне шумов работающего на борту оборудования, позволяют с достаточной для практики точностью определять координаты точки пробоя.
В настоящее время ведутся подготовительные работы по осуществлению космического эксперимента «Пробой» в 2012 - 2013гг. 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 использовалась программа спектрального и корреляционного анализа виброакустических процессов LoadSignal, разработанная автором.
Достоверность результатов диссертации обеспечивается
использованием фундаментальных принципов механики сплошной среды, корректной постановкой краевых задач, теоретическим обоснованием корректности перехода от нелинейных алгебраических уравнений распространения переднего фронта звуковой волны к линейным, доказательством локальной оптимальности экспериментального плана в непрерывной постановке задачи, использованием нескольких критериев оптимальности для поиска оптимального плана эксперимента и метода Монте-Карло для оценки реальной устойчивости найденных локально-оптимальных планов экспериментов, сопоставлением с результатами экспериментальных исследований.
Апробация. Основные результаты работы представлены в докладах на конференциях:
2-я Международная конференция ЦАГИ «Проблемы аэрокосмической науки и техники», 2002г. (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, 2003г. (1 доклад).
8-я Международная конференция МАИ «Авиация и космонавтика» 26-29 октября, 2009г. (1 доклад).
Научная конференция МГУ «Современные проблемы газовой и волновой динамики», апрель 2009г, Москва (1 доклад).
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 ФАП ЦНИИмаш.
Автор выносит на защиту:
Разработанные алгоритмы и программы оптимизации планирования экспериментов в задаче определения координат точки пробоя пилотируемого модуля;
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;
Оптимизированный план размещения микрофонов во внутреннем объеме пилотируемого модуля и способ определения координат места пробоя гермооболочки пилотируемого модуля высокоскоростной микрометеороидной или техногенной частицей;
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.
Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 115 страницах, содержит 55 рисунков, 15 таблиц и состоит из введения, четырёх глав, заключения, одного приложения, списка литературы из 58 наименований.
