Отдел системного анализа и проблем управления
Завотделом - член-корреспондент НАН Украины, д-р техн. наук, профессор А.П. Алпатов
Область исследований - системный анализ проблем космической отрасли; изучение свободных и управляемых режимов функционирования механических систем космического и наземного базирования в условиях широкого спектра воздействий; решение проблем создания биомеханических и медицинских информационных систем; динамика разреженного газа и молекулярной газовой динамики.
Разработана методология системного анализа космических систем, включающая теоретические модели и расчетные методики для многокритериального сравнительного анализа существующих и проектируемых космических систем, оценивания их конкурентоспособности и эффективности. Создано информационно-аналитическое обеспечение исследований спутниковых и транспортных космических систем.
Систематически проводится анализ мировых тенденций в ракетно-космической технике и перспективных направлений развития транспортных космических систем, состояния рынка спутниковых систем связи, навигации, дистанционного зондирования и транспортных космических услуг. На основе разработанных в отделе методик составляются сценарии развития спутниковых систем и прогнозные оценки спроса на услуги по выведению космических аппаратов на краткосрочный, среднесрочный и долгосрочный периоды.
Отдел выполняет большой объем работ, связанных с деятельностью НКАУ, по разработке масштабных директивных документов, в частности, концепции структурной перестройки и инновационного развития космической отрасли, концептуальных основ государственной политики в космической деятельности. Методические разработки отдела использованы при определении основных путей повышения конкурентоспособности украинских ракет-носителей.
На базе результатов системных исследований в ИТМ НАНУ и НКАУ выполнена разработка четырех Общегосударственных космических программ Украины, а также проводилось их научно-техническое сопровождение. Разработана и апробирована на проектах «Січ-1», «Океан-О», «Січ-1М», «Микроспутник», «Навигация» и «Циклон-4» методика оценки эффективности целевых проектов космической программы Украины.
Разработаны методические основы построения, сопровождения и развития информационно-аналитического обеспечения для системных исследований спутниковых и транспортных космических систем.
Результаты системных исследований отдела находят применение в Национальном космическом агентстве Украины, Государственном предприятии “Конструкторское бюро “Южное”, они были положены в основу всех Общегосударственных космических программ Украины. Разработана и поддерживается база данных, содержащая информацию о параметрах и характеристиках космических аппаратов и транспортных космических систем. База используется в Национальном космическом агентстве Украины при выработке управленческих решений.
![]() |
||
Несмотря на накопленный опыт проектирования ракет-носителей (РН) при разработке новых носителей, а также в процессе модернизации существующих продолжают оставаться актуальными задачи оптимизации проектных параметров таких объектов.
Сформулирована комплексная задача выбора облика, оптимизации основных проектных параметров и программ управления полетом жидкостных РН различных классов, предназначенных для выведения космических аппаратов (КА) в околоземное космическое пространство.
Применительно к комплексной задаче оптимизации проектных параметров и программ управления разработана математическая модель РН, которая позволяет в зависимости от исходных данных, значений структурных и основных проектных параметров определять габаритно-массовые, энергетические и баллистические характеристики РН различных классов. Разработан подход, позволяющий свести задачу теории оптимального управления к задаче нелинейного математического программирования с ограничениями в виде равенств, неравенств и дифференциальных связей.
С использованием предложенного подхода решены имеющие важное прикладное значение задачи начального этапа проектирования объектов ракетно-космической техники.
Космические тросовые системы (КТС) являются перспективным направлением развития космической техники и технологий. Проекты использования КТС разнообразны по назначению и направлены на улучшение работы как микроспутников и традиционных космических аппаратов, так и международной космической станции и космических кораблей для межпланетных перелетов.
Отдельным направлением в области КТС являются космические тросовые системы, стабилизированные вращением. Их использование позволяет получить дополнительные выгоды практически на всех направлениях использования КТС.
![]() |
||
В отделе выполнены работы по выявлению закономерностей динамики космических тросовых систем. Впервые в общем случае поступательно-вращательного движения исследовано влияние диссипации энергии в материале нити на эволюцию ротационного движения КТС. Развит метод оскулирующих элементов и дано обобщение этого метода как общего метода исследования нелинейной динамики.
Показана возможность случайной синхронизации движений под действием диссипативных сил, а также существование стохастических аттракторов для класса КТС. Построен новый механический образ хаотических режимов движения, на основе которого дано новое объяснение происхождения хаотических траекторий в детерминированных системах. Развиты новые методы и получены новые результаты по проблеме хаотических движений в детерминированных системах.
Определена схема натурных экспериментальных исследований и облик малой автономной КТС. Разработаны схемы и проведены наземные экспериментальные исследования отдельных узлов КТС, оказывающих влияние на ее динамику.
Получены вероятностные оценки времени выживания КТС в зависимости от параметров орбит и конструкционных параметров. Выработаны рекомендации по повышению надежности тросового соединения.
Выделен и исследован новый класс систем гравитационной стабилизации (СГС) спутников систем, использующих гибкие связи (тросы). Выполнен анализ динамики спутника с тросовой СГС. Разработана методика выбора конструктивных параметров тросовой СГС и определены условия, обеспечивающие скорейшее затухание переходных процессов в системе.
Исследована динамика космических аппаратов с СГС в виде жесткой штанги. Определены условия устойчивости режима гравитационной стабилизации КА, а также условия возникновения резонансов, обусловленных переменностью аэродинамического момента. Разработаны новые методики исследования малых колебаний КА, описываемых уравнением типа Хилла, в нерезонансных и резонансных случаях.
Электродинамические космические тросовые системы (ЭДКТС) перспективны для транспортных операций на околоземных орбитах и предоставляют один из наиболее экономичных способов решения проблемы увода космических объектов с низких околоземных орбит.
Изучение свойств ЭДКТС является сложной междисциплинарной проблемой связанной с решением многих тонких задач нелинейной динамики и взаимодействия системы с околоземной средой. Успешное развитие ЭДКТС связано с необходимостью получения достоверных экспериментальных данных функционирования систем в натурных условиях. В силу специфики космических тросовых систем, экспериментальные исследования целесообразно проводить на малых автономных ЭДКТС. В отделе предложен проект малой экспериментальной ЭДКТС для проведения натурных экспериментов, который победил в конкурсе работ Целевой комплексной программы НАН Украины по научным космическим исследованиям на 2012-2016 гг.
К настоящему времени разработаны методики расчета: взаимодействия ЭДКТС с ионосферной плазмой и магнитосферой; взаимодействия с нейтральной средой; влияния солнечного нагрева и затенения; вероятности разрушения троса космическими частицами; динамики относительного и орбитального движения с учетом возможных резонансов; динамики развертывания системы. Разработанные методики позволяют определить параметры малой экспериментальной ЭДКТС с учетом орбиты движения и времени запуска; выбрать положение измерительных приборов; определить минимальные требования к системам космического аппарата. Предложен способ развертывания ЭДКТС, обеспечивающий ее динамическую устойчивость.
Предложены новые формы уравнений возмущенного Кеплерова движения и показана эффективность их применения для задач динамики космического полета.
Предложены новые кинематические параметры движения твердого тела относительно центра масс, основанные на переводе опорной системы координат к исходной с помощью двух поворотов. На их основе предложен новый алгоритм управления ориентацией спутника магнитными исполняющими органами.
Предложены новые формы уравнений движения твердого тела относительно центра масс, описывающие в явном виде гироскопические моменты, возникающие при вращении тела. Эта форма уравнений удобна для разработки законов управления ориентацией твердого тела.
Разработаны новые формы уравнений движения двух взаимодействующих спутников на изменяющейся околоземной орбите, включающие в себя уравнения возмущенного Кеплерова движения, уравнения движения центра масс субспутника относительно центра масс основного спутника и уравнения движения спутников относительно собственных центров масс.
Разработаны методики исследований колебаний спутника относительно центра масс под действием периодических внешних возмущений. Данные методики включают в себя методы исследований резонансных и нерезонансных колебаний систем, описываемых уравнениями типа Хила.
На основе негалилеевой модели концептуального пространства-времени разработана новая теория движения деформируемых тел и созданы оригинальные математические модели, представляющие описание динамики механических и термомеханических процессов в виде единой системы уравнений. Предложен новый подход к математическому описанию динамики большой космической конструкции как деформируемого тела. В рамках этого подхода трехмерная модель динамики заменяется эквивалентной четырехмерной моделью статики, для которой получены уравнения равновесия сил и моментов. Разработан численно-аналитический метод, позволяющий определить смещение, деформацию и температуру во всех точках большой космической конструкции. Метод был использован при проведении исследований, связанных с разработкой в НПО ”Энергия” (Россия) и Институте космических сооружений (Грузия) крупногабаритных космических рефлекторов.
![]() |
||
Важнейшей из задач динамики космических систем является задача обеспечения устойчивости их движения. Упругие перемещения элементов конструкции могут оказывать существенное влияние на управляемое движение солнечных космических электростанций. В отделе разработана методика исследования влияния упругих деформаций конструкции антенны космической энергосистемы на работу ее привода с шаговым двигателем. Показано, что упругие колебания антенны могут оказать существенное влияние на работу привода, вплоть до потери устойчивости движения.
Реализация требуемой точности формы отражающей поверхности при создании больших (десятки метров диаметром) космических рефлекторов представляет сложную техническую проблему, актуальность которой обусловлена интенсивным развитием радиоастрономии, спутниковой связи, гелиоэнергетики. В отделе выполнен комплекс исследований процессов формообразования крупногабаритного космического рефлектора вантовой конструкции. Предложен метод выделения формообразующего элемента, его дискретная и континуальная расчетные схемы. Разработаны активные и пассивные алгоритмы управления формой отражающей поверхности.
На основе методов подвижного управления, ранее развитых в отделе, продолжены исследования проблемы подвижного управления большими космическими конструкциями с использованием давления солнечного излучения.
В настоящее время в отделе проводится исследование особенностей функционирования больших космических конструкций на окололунных орбитах.
Разработан комплекс методов и алгоритмов для исследования управляемых систем специального вида - систем подвижного управления. Для ряда объектов космического и наземного назначения проведен сравнительный анализ использования принципов традиционного и подвижного управления. Выявлены ситуации, для которых подвижное управление является предпочтительным, а в отдельных случаях - единственным вариантом построения автоматической системы. Теоретические результаты исследований были положены в основу алгоритмов системы управления промышленного робота ЮГ-1, разработанного в отделе по заказу НПО ”Южмаш”. Изготовленные образцы робота прошли успешную эксплуатацию у заказчика на участке горячей высадки болтов.
![]() |
||
Исследования динамики космического манипулятора были начаты в 80-е годы и затем продолжены по контрактам с ЦНИИ робототехники и технической кибернетики, который проектировал космический манипулятор для системы ”Буран”. Проведены комплексные исследования влияния конечной жесткости элементов конструкции на динамику манипулирования. Разработана совокупность математических моделей, базирующаяся на расчетных схемах различного уровня детализации, исследована задача выбора программных движений, выполнен синтез исполнительной системы управления. Результаты исследований были использованы при отработке изделий новой техники в объеме первичного внедрения в ЦНИИ робототехники и технической кибернетики. В настоящее время ведутся исследования по развитию методов эквивалентного конечномерного представления расчётных схем протяжённых упругих элементов механических систем при повышенных требованиях к условиям эквивалентности, учитывающих, в частности, динамику взаимодействия элемента с присоединёнными телами. Опыт, накопленный при исследовании динамики манипулятора космического корабля, позволил решить некоторые задачи функционирования манипулятора, работающего в нестандартных ситуациях, когда условия его движения могут быть заранее неизвестны и, более того, меняться в процессе движения.
В настоящее время проблемы предотвращения техногенного засорения околоземного космического пространства (ОКП) и обеспечения безопасности объектов ракетно-космической техники (РКТ) и их работоспособности в условиях роста популяции фрагментов космического мусора (КМ) становятся все более актуальными.
Выполнен комплекс работ по проблеме обеспечения безопасности космических летательных аппаратов, связанных с опасностью столкновения с фрагментами КМ, а также рассмотрены вопросы предотвращения роста облака фрагментов КМ. Исследован комплекс задач, связанных с уводом с рабочих орбит КА, которые прекратили функционирование. Исследована электродинамическая космическая тросовая система, использующая для торможения объектов РКТ явление электродинамического торможения с целью увода отработавшего КА с орбиты. Показано, что использование предлагаемой системы позволит проводить эффективную очистку ОКП на низких орбитах от КМ.
![]() |
||
Разработаны основные положения нормативных документов, которые обеспечивают повышение безопасности космических полетов и подготовлен отраслевой стандарт по ограничению загрязнения ОКП. В отделе проводятся работы по обеспечению научно-технического сопровождения взаимодействия Национального космического агентства Украины с Межагентским комитетом по космическому мусору (МККМ). Работа выполняется в рамках взаимодействия с Межагентским комитетом по космическому мусору, а руководитель отдела входит в состав МККМ и принимает непосредственное участие в работе регулярных сессий МККМ.
Биомеханические исследования, проводимые в отделе, направлены на создание технических и программных средств диагностики и коррекции функционального состояния опорно-двигательного аппарата человека.
![]() |
||
Работы по созданию медицинских технических средств относятся к области механотерапии (СВИНГ-машины, тракционные столы), программно-технических комплексов для мониторинга состояния организма человека (компьютеризированные динамометры, антропометрические сканеры, средства диагностики разрыва связок) и ортопедии (ортезы верхних конечностей, средства для измерения люфта эндопротеза при оценке степени износа шарнира, устройство для выполнения фиксации резьбовых стержней в костной ткани травмированных конечностей). Экспериментальные образцы различных медицинских устройств прошли испытания в условиях медицинских учреждений.
Важным направлением исследований отдела является создание медицинских информационных систем и интеллектуальных модулей. Разработана общая методология построения медицинских банков знаний широкого назначения, включая интеллектуальные системы мониторинга состояния человека. Предложен новый эффективный метод решения слабоформализованных задач диагностики заболеваний, прогнозирования состояния пациента и оценки эффективности медицинской помощи. Он получил название «Метод предельных обобщений». Созданы системные формальные схемы основных клинических и научных задач исследования состояния опорно-двигательного аппарата человека.
Результаты исследований используются в экспериментальной и практической медицине, информационные системы внедрены в Днепропетровском областном диагностическом центре, в поликлинике 2-й городской больницы города Днепропетровска, в Медицинском центре Никопольского ферросплавного завода.
Выполняются исследования по проекту LEOSWEEP "Повышение безопасности на низких околоземных орбитах с помощью современного электрического ракетного двигателя" ("Improving Low Earth Orbit Security With Enhanced Electric Propulsion" FP7-SPA 2013.3.2-01, EUROPEAN COMMISSION 7th Framework Programme for Research, technological, Development and Demonstration), который заключен по результатам победы в конкурсе FP7-SPACE-2013 Европейского Союза https://leosweep.upm.es/ru/). Проект посвящен развитию концепции КА-пастуха с ионным лучом для удаления больших объектов космического мусора из переполненных областей низких околоземных орбит.
Цель проекта LEOSWEEP достижение существенного прогресса в ключевых направлениях этой концепции путем создания завершенных и юридически обоснованных технологий для осуществления недорогой демонстрационной орбитальной миссии. LEOSWEEP - совместный проект специалистов ИТМ НАНУ и ГКАУ; ГП "КБ "Южное"; Universidad Politecnica de Madrid (Испания); TransMIT Gesellschaft fuer Technologietransfer mb (Германия); Deutsches Zentrum Fuer Luft - und Raumfahrt EV (Германия); Deimos Engenharia S.A. (Португалия), International Space Law Center (Украина), University of Southampton (Великобритания), Centre National de la Recherche Scientifique (Франция).
Международные проекты INTAS-94-0644 “Experimental and Computational Analysis of Tethered Space Systems”, INTAS-99-01096 “Theoretical and experimental investigation of multibody space systems connected by hinges and tethers” выполнялись в сотрудничестве с Институтом прикладной математики РАН (Россия) и Венским техническим университетом (Австрия).
Исследования, связанные с разработкой крупногабаритных космических рефлекторов, проводились в сотрудничестве с ЦНПО «Комета» (Россия) и Институтом космических сооружений (Грузия).
Исследования динамики космического манипулятора для системы ”Буран” проводились в сотрудничестве с ЦНИИ робототехники и технической кибернетики (Россия).
Работы по исследованию динамики космических тросовых систем проводятся в сотрудничестве с «Самарским государственным аэрокосмическим университетом имени академика С.П. Королева» (Россия).
Работы в области динамики разреженного газа и молекулярной газовой динамики были востребованы в связи с бурным развитием ракетно-космической техники и космических исследований в верхних слоях атмосферы Земли и планет Солнечной системы. Основная направленность исследований была связана с необходимостью аэрогазодинамического сопровождения проектно-конструкторских разработок в области создания космических аппаратов (КА) различного назначения.
Ретроспективный анализ работ и полученных при этом результатов коллектива отдела за период ~ 40 лет приведен в [14-16].
Численное моделирование обтекания КА сложной формы в свободномолекулярном режиме является традиционно одним из основных тематических направлений коллектива отдела. На протяжении ряда лет получены новые результаты по обобщению и совершенствованию предложенного полурегулярного метода, сочетающего основные преимущества методов прямого статистического моделирования, теории "локального взаимодействия" и регулярных методов решения задач внешнего обтекания КА. Приоритетное внимание уделено построению эффективных численных алгоритмов учета эффектов интерференции, взаимного затенения элементов конструкции и их программной реализации, позволивших проводить многопараметрические исследования аэродинамических характеристик КА различного назначения.
Большая часть разработанных методик вошла в состав первого в СССР “Руководства для конструкторов по аэродинамике и теплообмену изделий РКТ в верхних слоях атмосферы Земли”, созданного в 1982 году вместе с представителями ведущих научно-исследовательских и проектных организаций (ЦНИИМАШ, ЦАГИ, НПО “Энергия”, ГП “КБ “Южное”, ЦКБМ и др.).
Решен комплекс задач по аэрогазодинамическому обеспечению международного проекта “Венера-Галлей”. Впервые в расчетной практике исследованы газодинамические особенности гиперзвукового (V~80 км/с) обтекания КА газопылевым потоком при одновременном воздействии солнечной радиации. Выполненные исследования были использованы при выборе траектории полета КА в коме кометы Галлея, режимов работы систем ориентации и стабилизации, а также для обеспечения тепловой защиты комплекса научной аппаратуры.
Разработаны новые математические модели, построены эффективные алгоритмы и создано программное обеспечение для описания процессов массопереноса в окрестности КА, включая расчет трехмерных свободномолекулярных полей течений с учетом взаимодействия струй двигательных установок (ДУ) с элементами конструкций.
В 1988 г. при непосредственной финансовой поддержке НПО "Энергия" и ГП "КБ "Южное" в отделе была введена в эксплуатацию вакуумная аэродинамическая установка (ВАУ-2М) с системой криогенной откачки, не уступающая по своим параметрам лучшим зарубежным установкам замкнутого типа, работающим по рефрижераторному циклу.
Среди научных результатов последнего десятилетия можно выделить работы, связанные с разработкой и созданием новых численных алгоритмов реализации метода Монте-Карло “метода пробных частиц” (МПЧ) решения уравнения Больцмана при обтекании тел различной формы в широком диапазоне расчетных параметров.
Ученые отдела принимали участие в подготовке 8-го научно-информационного издания "Модель космоса" [16].
Работы отдела удостоены премии НАН Украины имени М.К. Янгеля (1994г.) и Государственной премии Украины в области науки и техники (1997).
СЛУЖЕБНЫЙ АДРЕС:
|
Институт технической механики, 15, ул.Лешко-Попеля, 49600, г.Днепр, Украина |
НОМЕР ТЕЛЕФОНА:
|
+38-056-372-06-58 |
E-MAIL:
|
Alpatov@osa.dp.ua Alpatov@itm.dp.ua depart15@osa.dp.ua |