Разработка систем управления и энергоснабжения устройств корректировки формы рефлектора крупногабаритных трансформируемых космических конструкций с использованием активной части сетеполотна, позволяющих минимизировать энергетические затраты

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 22-79-10112

НазваниеРазработка систем управления и энергоснабжения устройств корректировки формы рефлектора крупногабаритных трансформируемых космических конструкций с использованием активной части сетеполотна, позволяющих минимизировать энергетические затраты

Руководитель Митин Фёдор Васильевич, Кандидат технических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Балтийский государственный технический университет "ВОЕНМЕХ" им. Д.Ф. Устинова" , г Санкт-Петербург

Конкурс №71 - Конкурс 2022 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-604 - Проблемы теории управления техническими системами

Ключевые слова Крупногабаритный трансформируемый рефлектор, оптимальное управление, алгоритм, корректировка формы радиоотражающей поверхности, исполнительное устройство, математическое моделирование, минимизация энергетических затрат.

Код ГРНТИ89.25.21

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Рассматривается задача разработки системы активного регулирования формы радиоотражающего сетеполотна крупногабаритных трансформируемых космических конструкций, обеспеченного применением исполнительных устройств, реализующих решение задачи в режиме реального времени на всем периоде эксплуатации системы, при учёте внешних возмущающих факторов (оказываемых на конструкцию антенны в процессе её эксплуатации), ограничений по массе и точности. Развитие современных телекоммуникационных систем задает вектор совершенствования космических спутниковых систем связи, позволяющих с высокой точностью принимать и передавать информационные сигналы. Наилучшие характеристики информационного канала могут обеспечить рефлекторы с апертурой до 50 м и более. Одни из наиболее перспективных конструкций таких антенн подразумевают раскрывающийся каркас зонтичного типа с радиоотражающим сетеполотном. Однако, подобного рода конструкции при работе могут быть подвержены температурным деформациям и отклонениям радиоотражающего сетеполотна от требуемой формы, что, как следствие, приводит к ухудшению характеристик канала связи. Разработка централизованной системы управления формой фронтальной сети и организация оптимального энергоснабжения актуаторов, располагаемых под радиоотражающим сетеполотном, позволят удовлетворить требования по качеству и надежности передаваемого сигнала. Проектирование и изготовление подобных систем является одним из перспективных направлений в космической отрасли при производстве рефлекторов. Для обеспечения поддержания заданной формы крупногабаритного рефлектора космического базирования с минимизацией затрат электроэнергии предлагается использовать алгоритм коррекции параметров структуры управления, позволяющий в режиме реального времени решать задачу оптимального управления. Проработанный авторами проекта для решения поставленной задачи алгоритм оптимальной коррекции параметров структуры управления способен выполнять поточечную настройку фасеты (фрагмента рефлектора) в детерминированной постановке. Однако, также важной является задача возможности применения алгоритма и при воздействии внешних возмущений. Отдельной проблемой также является поддержание формы при одновременном управлении несколькими исполнительными устройствами и оценивание разности хода в пространстве устройств актуации. Разработка алгоритмов синтеза оптимального управления в реальном времени при наличии ограничений, накладываемых на вектора состояния и управления, является актуальной научно-технической проблемой. Чтобы обеспечить оптимальное управление, необходимо в реальном времени получать данные о параметрах движения. Использование прогнозирующей модели для расчёта оптимальной траектории становится особенно актуальным, поскольку позволяет сократить вычислительные затраты при управлении, в том числе при сокращении объёма данных о текущем положении. Решение задач оптимизации сложных систем по классическим критериям оптимальности, в частности, с использованием прогнозирующих моделей, на сегодняшний день не имеет широкого применения. Это объясняется отсутствием чётких методик и рекомендаций к реализации численных методов решения, а также нарастающей сложностью решения при увеличении порядка рассматриваемых систем. При управлении в космическом пространстве, одной из важных проблем является проблема энергоэффективности, так как запас энергии на рефлекторе ограничен, необходимо минимизировать энергетические затраты на управление. Запланирован широкий спектр работ, базирующийся на создании структур устройств корректировки формы рефлектора и синтезе системы управления при стохастической постановке задачи. Существующие способы управления радиоотражающей поверхностью рефлектора предполагают управление каждой точкой корректировки формы рефлектора с помощью отдельного исполнительного устройства. Учитывая, что количество таких точек может достигать нескольких сотен на крупных рефлекторах, применение такого способа не является оптимальным и ведет к дополнительным массогабаритным затратам. Предлагается разработка конструкции устройства актуации, расположенного на спице рефлектора и способного к управлению переключением вектора усилия между несколькими отдельными точками корректировки формы. Данное устройство является переключаемым редуктором с программным управлением. Применение такого подхода позволит снизить массогабаритные характеристики всей системы. Энергоснабжение актуаторов, а также прием–передача информационного сигнала в настоящий момент реализовывается с помощью проводов и кабелей, или посредством работы открытого оптического канала в виде направленного лазерного излучения. Однако, применение первого способа ведет к избыточному увеличению массогабаритных характеристик и вероятности запутывания проводников рефлектора при раскрытии, а передача энергии с помощью лазерного пучка обладает чрезмерно низким КПД (коэффициентом полезного действия) и не позволяет в полной мере обеспечивать исполнительные устройства энергией, достаточной для работы в реальном времени. Будет исследован способ передачи энергии и информации с применением имеющихся токопроводящих элементов конструкции рефлектора (сетеполотно вольфрамового плетения). Вольфрам обладает низкой электропроводностью, однако КПД такого способа передачи энергии выше, а система надежнее, чем при использовании направленного лазерного пучка.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Митин Ф.В., Кривушов А.И. Optimal Control of the DC Motor in the Tuning of the Space-Based Reflector of the Radar-Reflecting Netting Published by DAAAM International, Proceedings of the 33rd DAAAM International Symposium, pp.0247-0253 (год публикации - 2022)
10.2507/33rd.daaam.proceedings.034

2. Митин Ф.В., Кривушов А.И. Повышение эффективности управления двигателем постоянного тока для настройки отражающей поверхности рефлектора космического базирования Изв. вузов. Авиационная техника., №1 (год публикации - 2023)

3. Коноплев Ю.В., Ширшов А.Д., Юев А.А. Модернизация системы управления формой радиоотражающей поверхности трансформируемой космической антенны Изв. вузов. Авиационная техника., №2 (год публикации - 2023)

4. Коноплев Ю.В., Ширшов А.Д., Юев А.А. Исследование и перспективы применения токопроводящих конструкционных частей рефлектора в целях оптимизирования энерго-информационного обеспечения системы управления формой радиоотражающей поверхности Изв. вузов. Авиационная техника. (год публикации - 2023)

5. Митин Ф.В., Ширшов А.Д., Коноплев Ю.В., Кривушов А.И. Разработка способа настройки радиоотражающей поверхности крупногабаритного космического рефлектора 22-я Международная конференция «Авиация и космонавтика». 20-24 ноября 2023 года. Москва. Тезисы., c. 157 (год публикации - 2023)

6. Митин Ф.В., Ширшов А.Д., Коноплев Ю.В., Юев А.А., Кривушов А.И. Control system of the radio-reflective surface shape of a large-size space reflector using its current-conducting structural parts Acta Astronautica, том 224, выпуск -, страницы 592-602 (год публикации - 2024)
10.1016/j.actaastro.2024.03.061

7. Зимин Б. А., Кабанов Д. С., Кабанов С. А., Митин Ф. В., Никулин Е. Н. Оптимизация раскрытия трансформируемого рефлектора космического базирования Аэрокосмическая техника и технологии, Т. 2, № 1. С. 158–169. (год публикации - 2024)
10.52467/2949-401X-2024-2-1-158-169

8. Коноплев Ю.В., Кривушов А.И., Митин Ф.В., Юев А.А. Construction of The Mathematical Model of The Structure of The Actuator and Design of Control System DAAAM International, pp.0183-0192 (год публикации - 2023)
10.2507/34th.daaam.proceedings.024

9. Коноплев Ю.В., Митин Ф.В., Юев А.А. The Study of The Effectiveness of Energy and Information Transfer Through a Large Reflector Using Its Conductive Materials B. Katalinic (Ed.), Published by DAAAM International, Proceedings of the 35th DAAAM International Symposium, pp.0150-0156, B. Katalinic (Ed.), Published by DAAAM International, ISBN 978-3-902734-44-0, ISSN 1726-9679, Vienna, Austria. DOI: 10.2507/35th.daaam.proceedings.019 (год публикации - 2024)
10.2507/35th.daaam.proceedings.019

10. Разработка системы передачи энергии и информации с использованием токопроводящих элементов трансформируемых космических антенн The Development of an Energy and Information Transmission System Utilizing the Conductive Elements of Transformable Space Antennas GLEX 2025 conference proceedings, IAF Global Space Exploration Conference 2025, New Delhi, India (год публикации - 2025)

11. Митин Ф.В., Кривушов А.И. Моделирование управления мотор-редуктором постоянного тока на основе алгоритма с коррекцией параметров структуры управления заявка на государственную регистрацию программы для ЭВМ, Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ 2025611896. Российская Федерация. Моделирование управления мотор-редуктором постоянного тока на основе алгоритма с коррекцией параметров структуры управления / Митин Ф.В., Кривушов А.И.; заявитель и правообладатель Кривушов А.И. – No 2025610470; заявл. 11.01.2025; опубл. 23.01.2025. – 1 с. (год публикации - 2025)

12. Митин Ф.В., Кривушов А.И. Моделирование управления микромотором постоянного тока на основе алгоритма с иерархией целевых критериев заявка на государственную регистрацию программы для ЭВМ, Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ 2025611002. Российская Федерация. Моделирование управления микромотором постоянного тока на основе алгоритма с иерархией целевых критериев / Митин Ф.В., Кривушов А.И.; заявитель и правообладатель Митин Ф.В. – No 2025610082; заявл. 09.01.2025; опубл. 16.01.2025. – 1 с. (год публикации - 2025)

13. Юев А.А., Коноплев Ю.В. ПО для расчета уровня напряжения в различных точках вольфрамового сетеполотна заявка на государственную регистрацию программы для ЭВМ, Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ 2024692351. Российская Федерация. МПО для расчета уровня напряжения в различных точках вольфрамового сетеполотна / Юев А.А., Коноплев Ю.В.; заявитель и правообладатель Юев А.А. – No 22024692009; заявл. 19.12.2024; опубл. 27.12.2024. – 1 с. (год публикации - 2024)

14. Митин Ф.В., Ширшов А.Д., Кривушов А.И., Юев А.А., Коноплев Ю.В. Анализ применения методов оптимального управления и способов энергоинформационного обмена с использованием токопроводящих частей конструкции радиоотражающей поверхности крупногабаритного рефлектора космической антенны Издательство «Перо», Москва (год публикации - 2024)

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
В рамках исследования была разработана конструкция приводов исполнительных устройств, обеспечивающих выборочное управление областью точек подстройки формы рефлектора. Приводы спроектированы с учетом необходимости минимизации массы и энергопотребления, а также обеспечения высокой точности позиционирования при управлении несколькими точками корректировки через единое устройство. Конструкция включает компактный электромеханический модуль с системой зубчатых передач, позволяющий перераспределять усилие между выбранными вантами рефлектора. Эффективность применения приводов исследовалась путем моделирования динамических нагрузок и проведения натурных испытаний макета, которые подтвердили возможность точечной корректировки формы рефлектора с погрешностью не более 3 мм. Полученные результаты демонстрируют перспективность разработанной конструкции для задач выборочного управления формой радиоотражающей поверхности, а также ее адаптивность для интеграции с системами передачи сигналов через полотно антенны, что открывает возможности для дальнейшей оптимизации в реальных космических условиях. Передача энергии алгоритмически напрямую связана с передачей информации, поскольку именно информационный обмен задает принцип формирования напряжения на элементах сети. Одной из проблем использования UART в такой системе является то, что управляющее воздействие передается от ведущего (системы управления формой) сразу всем ведомым (исполнительное устройство), поскольку они подключены к одной шине. Для решения этой проблемы требуется предусмотреть механизм адресации. Самым простым механизмом является назначение каждому устройству номера, который передается в начале сообщения. Таким образом, если сообщение получается всеми ведомыми, его игнорируют все, кроме того, которому это назначается. Простота реализации требует увеличение длины сообщения, что увеличивает время передачи сообщения и вероятность ошибки. Для оценки работоспособности системы корректировки и поддержания формы фронтальной сети рефлектора было проведено математическое и имитационное моделирование. Математическая модель описывает кинематику исполнительного устройства с подвижной кареткой, обеспечивающего выборочную регулировку длины ванты, а также динамику деформации вольфрамовой сетки с шагом ячейки 5 см. Модель учитывает передачу энергии и управляющих сигналов через проводящее сетеполотно, включая параметры удельного сопротивления и емкости материала. Имитационное моделирование выполнено в специализированном программном обеспечении, где воспроизводились сценарии работы системы при различных конфигурациях точек корректировки и нагрузочных условиях. Результаты показали, что система способна поддерживать форму рефлектора с точностью до 3 мм, а время отклика на управляющий сигнал не превышает 0,2 с. Моделирование также подтвердило эффективность предложенного алгоритма управления, обеспечивающего синхронизацию одного привода с несколькими точками регулирования. Полученные данные использованы для оптимизации конструкции привода и алгоритмов передачи сигналов. Лабораторно-отработочные испытания (ЛОИ) макетного образца системы управления формой радиоотражающего сетеполотна фрагмента рефлектора (фасеты) были проведены для оценки работоспособности предложенной концепции передачи энергии и информации через полотно, а также управления исполнительными устройствами корректировки формы. Макет включал фрагмент сетеполотна с интегрированными элементами передачи сигналов и энергии, а также исполнительное устройство с приводами для регулировки длины ванты. Испытания проводились в условиях, имитирующих реальные эксплуатационные нагрузки, с целью проверки точности управления формой фасеты и стабильности работы системы. В ходе экспериментов подтверждена возможность выборочной корректировки формы рефлектора с использованием единого управляющего устройства, обеспечивающего синхронизированное воздействие на несколько точек подстройки. Измерения деформаций фасеты показали, что отклонения от заданной формы не превышают 3 мм, что соответствует требованиям к точности для антенн космического базирования. Полученные данные легли в основу дальнейшей оптимизации конструкции приводов и алгоритмов управления, а также подтвердили применимость разработанной системы для задач формирования высокоточной радиоотражающей поверхности. На макетном образце были проведены ЛОИ системы передачи энергии и информации. Проводились испытания передачи информации без тестирования передачи энергии. Для подтверждения работоспособности системы передавался пакет, размером 8 байт с повторением 10000 раз. Ведомый контроллер регистрировал отличия от тестового пакета, ошибок обнаружено не было. Тогда была совершена передача управляющего сигнала, который был принят, исполнен и отработан. Это позволяет сделать вывод о том, что предложенная система передачи информации работоспособна и достигает поставленных задач. Для оценки влияния возмущений на систему были определены величины внешних возмущений и шумов измерений. Помимо внешних возмущений может наблюдаться изменение начального и конечного состояния, вызванное воздействиями на конструкцию при доставке рефлектора на орбиту. При выбранных возмущениях и шумах измерений алгоритмы оптимальной фильтрации и управления успешно решают поставленную задачу. Отклонения начальных значений переменных величин допустимо выбирать из диапазона ±20 % от максимальных значений соответствующих величин, в противном случае требуется корректировка весовых коэффициентов. Настолько большое отклонение начальных значений обусловлено тем, что выбрано заведомо большее время регулирование. Во-первых, переходный процесс идёт полностью заданное время, но так как в критерии поставлена задача минимизации энергетических затрат, то алгоритм переводит систему близко к заданным граничным значениям, а затем плавно выходит на выполнение терминальных условий. Во-вторых, выбор заведомо большего времени регулирования предпочтителен при решении стохастических задач управления, так как заложенный запас по времени позволяет системе отрабатывать внешние возмущающие воздействия. Что является важным при решении задач в режиме реального времени. Энергоэффиктивность предложенных алгоритмов составила порядка 13% по сравнению с использующимися в настоящее время алгоритмами.

Публикации

Возможность практического использования результатов
В результаты выполнения проекта было получено 3 свидетельства о ргеистрации программы для ЭВМ, которые могут быть применены при изготовлении крупногабаритных трансформируемых рефлекторах космического базирования, в частности фирмой АО «Информационные спутниковые системы» имени академика М.Ф. Решетнева» (АО «РЕШЕТНЁВ»)