Відділ системного аналізу та проблем керування

Заввідділу – член-кореспондент НАН України, професор А.П. Алпатов

Заввідділу д-р техн. наук, професор Алпатов А.П. Область досліджень - системний аналіз проблем космічної галузі; вивчення вільних і керованих режимів функціонування механічних систем космічного і наземного базування в умовах широкого спектру дій; вирішення проблем створення біомеханічних і медичних інформаційних систем.

Системний аналіз проблем космічної галузі

Вивчення вільних і керованих режимів функціонування механічних систем космічного і наземного базування

Оптимізація керованого руху і основних проектних параметрів ракет-носіїв. Не дивлячись на накопичений досвід проектування ракет-носіїв (РН) при розробці нових носіїв, а також в процесі модернізації існуючих, продовжують залишатися актуальними задачі оптимізації проектних параметрів таких об'єктів.

Сформульовано комплексне завдання вибору зовнішнього вигляду, оптимізації основних проектних параметрів і програм керування польотом рідинних і твердопаливних РН різних класів, призначених для виведення космічних апаратів (КА) в навколоземний космічний простір.

Стосовно комплексної задачі оптимізації проектних параметрів і програм керування розроблено математичні моделі рідинних і твердопаливних РН, які дозволяють залежно від початкових даних, значень структурних і основних проектних параметрів визначати габаритно-масові, енергетичні та балістичні характеристики РН різних класів. Розроблено підхід, що дозволяє звести задачі теорії оптимального керування до задачі нелінійного математичного програмування з обмеженнями у вигляді рівностей, нерівностей і диференціальних зв'язків.

У роботах беруть участь канд. техн. наук, Сєнькін В. С., молодший науковий співробітник Сюткіна-Дороніна С. В.

З використанням запропонованого підходу вирішено важливі прикладні задачі початкового етапу проектування об'єктів ракетно-космічної техніки.

Динаміка космічних тросових систем. Космічні тросові системи (КТС) є перспективним напрямом розвитку космічної техніки і технологій. Проекти використання КТС є різноманітними за призначенням і направлені на поліпшення роботи як мікросупутників і традиційних космічних апаратів, так і міжнародної космічної станції і космічних кораблів для міжпланетних перельотів. Окремим напрямом в галузі КТС є космічні тросові системи, що стабілізовані обертанням. Їх використання дозволяє отримати додаткові вигоди практично на всіх напрямах використання КТС.

У відділі виконано роботи по виявленню закономірностей динаміки космічних тросових систем. Вперше для загального випадку поступально-обертального руху досліджено вплив дисипації енергії в матеріалі тросу (нитки) на еволюцію ротаційного руху КТС. Розвинено метод оскулюючих елементів і дано узагальнення цього методу як загального методу дослідження нелінійної динаміки.

Показано можливість випадкової синхронізації рухів під дією дисипативних сил, а також існування стохастичних атракторів для класу КТС. Побудовано новий механічний образ хаотичних режимів руху, на основі якого дано нове пояснення походження хаотичних траєкторій у детермінованих системах. Розвинено нові методи і отримано нові результати з проблеми хаотичних рухів у детермінованих системах.

Визначено схему натурних експериментальних досліджень і зовнішній вигляд малої автономної КТС. Розроблено схеми і проведено наземні експериментальні дослідження окремих вузлів КТС, що впливають на її динаміку.

Отримано імовірнісні оцінки часу виживання КТС залежно від параметрів орбіт і конструкційних параметрів. Вироблено рекомендації щодо підвищення надійності тросового з'єднання.

Виділено та досліджено новий клас систем гравітаційної стабілізації (СГС) супутників, що використовують гнучкі зв'язки (троси). Виконано аналіз динаміки супутника з тросовою СГС. Розроблено методику вибору конструктивних параметрів тросової СГС і визначено умови, що забезпечують швидке загасання перехідних процесів в системі.

Досліджено динаміку космічних апаратів з СГС у вигляді жорсткої штанги. Визначено умови стійкості режиму гравітаційної стабілізації КА, а також умови виникнення резонансів, обумовлених змінністю аеродинамічного моменту. Розроблено нові методики дослідження малих коливань КА, які описуються рівнянням типу Хілла, у нерезонансних та резонансних випадках.

Електродинамічні космічні тросові системи (ЕДКТС) перспективні для транспортних операцій на навколоземних орбітах і представляють один з найбільш економічних способів вирішення проблеми відведення космічних об'єктів з низьких навколоземних орбіт.

Вивчення властивостей ЕДКТС є складною міждисциплінарною проблемою, що пов'язана з вирішенням багатьох тонких задач нелінійної динаміки та взаємодії системи з навколоземним середовищем. Успішний розвиток ЕДКТС зв'язаний з необхідністю отримання достовірних експериментальних даних функціонування системи в натурних умовах. В силу специфіки космічних тросових систем, експериментальні дослідження доцільно проводити на малих автономних ЕДКТС. У відділі запропоновано проект малої експериментальної ЕДКТС для проведення натурних експериментів, який переміг в конкурсі робіт Цільової комплексної програми НАН України з наукових космічних досліджень на 2012-2016 рр.

На даний час розроблено методики розрахунку: взаємодії ЕДКТС з іоносферною плазмою і магнітосферою; взаємодії з нейтральним середовищем; впливу сонячного нагріву і затінення; ймовірності руйнування троса космічними частинками; динаміки відносного і орбітального руху з урахуванням можливих резонансів; динаміки розгортання системи. Розроблені методики дозволяють визначити параметри малої експериментальної ЕДКТС з урахуванням орбіти руху і часу запуску; вибрати положення вимірювальних приладів; визначити мінімальні вимоги до систем космічного апарату. Запропоновано спосіб розгортання ЕДКТС, що забезпечує її динамічну стійкість.

У роботах беруть участь член-кор. НАНУ, професор Алпатов А. П., д-р фіз.-мат. наук Пироженко О. В., канд. техн. наук Храмов Д. О., канд. техн. наук, Маслова А. І., молодші наукові співробітники Волошенюк О. Л. і Міщенко О. В.

Загальні питання динаміки космічного польоту. Запропоновано нові форми рівнянь збуреного Кеплерового руху і показано ефективність їх застосування для задач динаміки космічного польоту.

Запропоновано нові кінематичні параметри руху твердого тіла відносно центру мас, що основані на приведенні опорної системи координат до вихідної за допомогою двох поворотів. На їх основі запропоновано новий алгоритм керування орієнтацією супутника магнітними виконуючими органами.

Запропоновано нові форми рівнянь руху твердого тіла відносно центру мас, що описують в явному вигляді гіроскопічні моменти, що виникають при обертанні тіла. Ця форма рівнянь зручна для розробки законів керування орієнтацією твердого тіла.

Розроблено нові форми рівнянь руху двох взаємодіючих супутників на змінюваній навколоземній орбіті, які включають в себе рівняння збуреного Кеплерового руху, рівняння руху центру мас субсупутника відносно центру мас основного супутника і рівняння руху супутників відносно власних центрів мас.

Розроблено методики досліджень коливань супутника відносно центру мас під дією періодичних зовнішніх збурень. Дані методики включають в себе методи досліджень резонансних і нерезонансних коливань систем, що описуються рівняннями типу Хілла.

У роботах беруть участь д-р фіз.-мат. наук Пироженко О. В., канд. техн. наук Маслова А. І.

Великогабаритні трансформовні космічні конструкції. На основі негалілеївої моделі концептуального простору-часу розроблено нову теорію руху тіл, що деформуються, і створено оригінальні математичні моделі, що представляють опис динаміки механічних і термомеханічних процесів у вигляді єдиної системи рівнянь. Запропоновано новий підхід до математичного опису динаміки великої космічної конструкції як тіла, що деформується. В рамках цього підходу тривимірна модель динаміки замінюється еквівалентною чотиривимірною моделлю статики, для якої отримано рівняння рівноваги сил і моментів. Розроблений чисельно-аналітичний метод дозволяє визначити зсув, деформацію і температуру в усіх точках великої космічної конструкції. Метод було використано при проведенні досліджень, пов'язаних з розробкою в НВО ”Енергія” (Росія) і Інституті космічних споруд (Грузія) великогабаритних космічних рефлекторів.

Розроблено методологічні основи адаптивно-робастного керування орієнтацією сонячних космічних електростанцій - нового класу об'єктів керування, які істотно відрізняються від КА, що використовувалися раніше і експлуатуються в даний час на орбітах. Створення таких електростанцій є одним з перспективних шляхів розвитку енергетики.

Реалізація необхідної точності форми відбивної поверхні при створенні великих (десятки метрів діаметром) космічних рефлекторів представляє складну технічну проблему, актуальність якої обумовлено інтенсивним розвитком радіоастрономії, супутникового зв'язку, геліоенергетики. У відділі виконано комплекс досліджень процесів формоутворення великогабаритного космічного рефлектора вантової конструкції. Запропоновано метод виділення формоутворювального елементу, його дискретна і континуальна розрахункові схеми. Розроблено активні і пасивні алгоритми керування формою відбивної поверхні.

На основі методів рухомого керування, раніше розвинених у відділі, продовжено дослідження проблеми рухомого керування великими космічними конструкціями з використанням тиску сонячного випромінювання.

У роботах брали участь член-кор. НАНУ, професор Алпатов А. П., д-р техн. наук Хорошилов С. В., канд. техн. наук Шичянін В. М., канд. техн. наук Делямуре В. П, канд. техн. наук Білоножко П. О. та ін.

Динаміка маніпулятора. Розроблено комплекс методів і алгоритмів для дослідження керованих систем спеціального вигляду - систем рухомого керування. Для ряду об'єктів космічного і наземного призначення проведено порівняльний аналіз використання принципів традиційного і рухомого керування. Виявлено ситуації, для яких рухоме керування є переважним, а в окремих випадках - єдиним варіантом побудови автоматичної системи. Теоретичні результати досліджень було покладено в основу алгоритмів системи керування промислового робота ПІВДЕНЬ-1, розробленого у відділі за замовленням НВО ”Південмаш”. Виготовлені зразки робота пройшли успішну експлуатацію у замовника на ділянці гарячої висадки болтів.

Дослідження динаміки космічного маніпулятора було почато в 80-і роки і потім продовжено за контрактами з ЦНДІ робототехніки і технічної кібернетики, який проектував космічний маніпулятор для системи ”Буран”. Проведено комплексні дослідження впливу скінченної жорсткості елементів конструкції на динаміку маніпулювання. Розроблено сукупність математичних моделей, що базуються на розрахункових схемах різного рівня деталізації, досліджено задачу вибору програмних рухів, виконано синтез виконавської системи керування. Результати досліджень були використані при відпрацюванні виробів нової техніки в обсязі первинного впровадження в ЦНДІ робототехніки і технічної кібернетики. В результаті дослідження динаміки бортових маніпуляторів виділено клас систем взаємного позиціонування космічного апарата і корисного навантаження, до якого можуть бути віднесені як існуючі транспортні системи переміщення корисного вантажу щодо орбітального корабля за допомогою антропоморфного маніпулятора (механізму послідовної кінематики), так і перспективні системи високоточного позиціонування корисного навантаження з використанням маніпуляційного механізму паралельної кінематики. Для даного класу систем розроблено модельні задачі, призначені для вибору і відпрацювання алгоритмів керування. Досвід, накопичений при дослідженні динаміки маніпулятора космічного корабля, дозволив вирішити деякі завдання функціонування маніпулятора, що працює в нестандартних ситуаціях, коли умови його руху можуть бути заздалегідь невідомі і, більш того, мінятися в процесі руху.

У роботах беруть участь член-кор. НАНУ, професор Алпатов А. П., д-р техн. наук Хорошилов С. В., канд. техн. наук Фоков О. А., науковий співробітник Григор'єв С. В.

Проблема космічного сміття. В даний час проблеми запобігання техногенному засміченню навколоземного космічного простору (НКП) і забезпечення безпеки об'єктів ракетно-космічної техніки (РКТ) і їх працездатності в умовах зростання популяції фрагментів космічного сміття (КС) стають все більш актуальними.

Виконано комплекс робіт з проблеми забезпечення безпеки космічних літальних апаратів, пов'язаних з небезпекою зіткнення з фрагментами КС, а також розглянуто питання запобігання зростанню хмари фрагментів КС. Досліджено комплекс задач, пов'язаних з відведенням з робочих орбіт КА, які припинили функціонування. Досліджено електродинамічну космічну тросову систему, що використовує для гальмування об'єктів РКТ явище електродинамічного гальмування з метою відведення відпрацьованого КА з орбіти. Показано, що використання пропонованої системи дозволить проводити ефективне очищення НКП на низьких орбітах від КС.

Проведено дослідження, що необхідні для реалізації концепції безконтактного видалення космічного сміття, що отримала назву "Пастух з іонним променем". Розроблено спрощені аналітичні моделі для розрахунку дії, що передається об'єкту космічного сміття за допомогою іонного променя електрореактивного двигуна сервісного космічного апарата (пастуха). Запропоновано метод визначення сили дії іонного променя на орбітальний об'єкт за відомою центральною проекцією об'єкта на картинну площину відеокамери пастуха. Виконано розрахунок сил і моментів, що передаються іонним променем таким об'єктам космічного сміття, як верхні ступені ракет-носіїв. Синтезовано керування для підтримки необхідного відносного положення "пастуха". Досліджено доцільність використання керуючих дій для збільшення ексцентриситету орбіти.

Розроблено основні положення нормативних документів, які забезпечують підвищення безпеки космічних польотів і підготовлено галузевий стандарт з обмеження забруднення НКП. У відділі проводяться роботи щодо забезпечення науково-технічного супроводження взаємодії Державного космічного агентства України з Міжагентським комітетом з космічного сміття (МККС). Робота виконується в рамках взаємодії з Міжагентським комітетом з космічного сміття. Керівник відділу Алпатов А. П. і провідний науковий співробітник Хорошилов С. В. входять до складу МККС і беруть безпосередню участь у роботі регулярних сесій МККС. Алпатов А. П. працює в складі керівної групи МККС та робочої групи 4, Хорошилов С. В. член робочої групи 3, що спеціалізується на питаннях по захисту космічної техніки від космічного сміття.

У роботах беруть участь член-кор. НАНУ, професор Алпатов А. П., д-р техн. наук Хорошилов С. В., д-р фіз.-мат. наук Пироженко О. В., д-р техн. наук Саричев О. П., д-р техн. наук. Прокопчук Ю. О., канд. техн. наук Фоков А. А., канд. техн. наук Гольдштейн Ю. М., канд. техн. наук Маслова А. І., канд. техн. наук Храмов Д. О., канд. техн. наук Печериця Л. Л., науковий співробітник Сміла Т. Г., молодший науковий співробітник Палій О. С. та ін.

Створення біомеханічних і медичних інформаційних систем. Біомеханічні дослідження, які проведені у відділі, були спрямовані на створення технічних і програмних засобів діагностики і корекції функціонального стану опорно-рухового апарату людини.

Роботи зі створення медичних технічних засобів відносяться до області механотерапії (СВІНГ-МАШИНИ, тракційні столи, біо-резонансні стимулятори), програмно-технічних комплексів для моніторингу стану організму людини (комп'ютеризовані динамометри, антропометричні сканери, засоби діагностики розриву зв'язок) і ортопедії (ортези верхніх кінцівок, засоби для вимірювання люфту ендопротеза при оцінці міри зносу шарніра, пристрій для виконання фіксації різьбових стрижнів в кістковій тканині травмованих кінцівок). Експериментальні зразки різних медичних пристроїв пройшли випробування в умовах медичних установ.

Важливим напрямом досліджень відділу є створення медичних інформаційних систем різних типів. Розроблено загальну методологію побудови медичних банків знань широкого призначення, включаючи інтелектуальні системи моніторингу стану людини. Запропоновано новий ефективний метод вирішення слабоформалізованих завдань діагностики захворювань, прогнозування стану пацієнта і оцінки ефективності медичної допомоги. Він отримав назву «Метод граничних узагальнень». Створено системні формальні схеми основних клінічних і наукових завдань дослідження стану опорно-рухового апарату людини.

Результати досліджень використовуються в експериментальній і практичній медицині, інформаційні системи упроваджено в: Дніпропетровському обласному центрі кардіології та кардіохірургії, УкрДержНДІ медико-соціальних проблем інвалідності МОЗ України, поліклініці 2-ї міської лікарні міста Дніпра, Медичному центрі Нікопольського феросплавного заводу.

У роботах брали участь д-р техн. наук. Прокопчук Ю. О., наукові співробітники Кулик А. Д. і Григор'єв С. В., провідні інженери Авдєєв А. М. і Бражникова Г. Є.

Розвиток когнітивних технологій аналізу, управління та проектування складної техніки. Аналіз технологічних трендів в космічній галузі показує, що останнім часом сформувалися тенденції різкого підвищення складності завдань управління, інтенсивної інтелектуалізації систем управління, формування і розвитку глобальних інфотелекомунікаційних мереж і розподілених систем управління, диверсифікації інтелектуальних систем, що визначає їх гетерогенний характер, прискореного розвитку теорії та практики систем штучного інтелекту, багатоагентних, робототехнічних та кіборг-систем. Подібні тенденції зумовлюють необхідність залучення активної уваги дослідників до когнітивних моделей аналізу, прогнозування та управління складними системами в контексті розвитку космічних технологій.

До швидкого прогресу когнітивних технологій, до перетворення цієї області в потужну індустрію примушує об'єктивна потреба швидкого досягнення нової якості управління складними системами, до числа яких належить і ракетно-космічна техніка. У відділі розробляється цілий клас штучних когнітивних систем, нова парадигма обчислювальної архітектури з численними практичними додатками в різних областях людської діяльності. Запропоновано спосіб побудови перспективних розподілених (мережевих) систем контролю і діагностики космічних апаратів на основі реконфігуруємих вимірювально-керуючих систем, що самонастроюються.

У роботах бере участь д-р техн. наук. Прокопчук Ю. О.

Міжнародна співпраця, зарубіжні партнери. Виконувались дослідження за проектом LEOSWEEP "Підвищення безпеки на низьких околоземних орбітах за допомогою сучасних електричних реактивних двигунів" ("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), що укладений за результатами перемоги у конкурсі FP7-SPACE-2013 Європейського Союзу https://leosweep.upm.es/ru/).

Проект присвячений розвитку концепции КА-пастуха з іонним променем для видалення великих об'єктів космічного сміття з переповнених областей низьких навколоземних орбіт. Проект LEOSWEEP мав на меті досягти істотного просування в ключових напрямках цієї концепції, створивши завершену і юридично обґрунтовану технологію для здійснення недорогої демонстраційної орбітальної місії. "LEOSWEEP" - спільний проект фахівців ІТМ НАНУ і ДКАУ; ДП "КБ "Південне"; Universidad Politecnica de Madrid (Іспанія); TransMIT Gesellschaft fuer Technologietransfer mbH (Германія); Deutsches Zentrum Fuer Luft - und Raumfahrt EV (Германія); Deimos Engenharia S.A. (Португалія), International Space Law Center (Україна), University of Southampton (Великобританія), Centre National de la Recherche Scientifique (Франція).

Міжнародні проекти 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” виконувалися в співпраці з Інститутом прикладної математики РАН (Росія) і Віденським технічним університетом (Австрія).

Дослідження, пов'язані з розробкою великогабаритних космічних рефлекторів, проводилися в співпраці з ЦНВО «Комета» (Росія) і Інститутом космічних споруд (Грузія).

Дослідження динаміки космічного маніпулятора для системи ”Буран” проводилися в співпраці з ЦНДІ робототехніки і технічної кібернетики (Росія).

Роботи з дослідження динаміки космічних тросових систем проводяться в співпраці з Самарським державним аерокосмічним університетом імені академіка С.П. Корольова (Росія).

У роботах беруть участь член-кор. НАНУ, професор Алпатов А. П., д-р техн. наук Хорошилов С. В., д-р фіз.-мат. наук Пироженко О. В., канд. техн. наук Фоков О. А., канд. техн. наук Маслова А. І. та ін.

Динаміка розрідженого газу і молекулярної газової динаміки

Серед наукових результатів останнього десятиріччя треба виділити роботи, пов'язані з розробкою і створенням нових чисельних алгоритмів реалізації методу Монте-Карло "методу пробних частинок" (МПЧ) вирішення рівняння Больцмана при обтіканні тіл різної форми в широкому діапазоні розрахункових параметрів.

Вчені відділу приймали участь у підготовці 8-го науково-інформаційного видання "Модель космосу.

Роботи відділу удостоєні премії НАН України імені М.К. Янгеля (1994 р.) і Державної премії України в галузі науки і техніки (1997 р.).

У роботах беруть участь канд. техн. наук Печериця Л. Л, науч. сотр. Аксютенко А. М., на-уч. сотр. Сміла Т. Г. та ін.

Напрямки подальших досліджень відділу. У найближчій перспективі зусилля науковців відділу будуть спрямовані на дослідження двох актуальних проблем розвитку космічної галузі - вирішення задач орбітального сервісу і проблем реалізації промислового виробництва на орбіті.

По першому з названих напрямів відділ має значний доробок наукових досліджень. Це перш за все описані вище задачі відведення об'єктів космічного сміття з робочих орбіт, задача опису динаміки і керування відносним рухом сервісного космічного апарата і об'єкта сервісу. Передбачається розвиток методів дослідження, пов'язаних з задачами близького зближення і безконтактної дії апарата на об'єкт орбітального сервісу, а також із задачами оптимальної побудови сервісних орбітальних систем.

Останнім часом набуває розвиток концепція, що сформульована А. П. Алпатовим, відпо-відно до якої об'єкти космічного сміття (КМ) розглядаються як ресурси промислового виробництва на орбіті. Основою більшості технологій боротьби з існуючим космічним сміттям є ідея його відведення на низькі орбіти, з тим, щоб він згорів при вході в щільні шари атмосфери. Чим вище орбіта КМ, тим більше витрат енергії необхідно для його відведення в атмосферу для знищення. Разом з тим в даний час на космічних орбітах за різними оцінками знаходиться до 7000 тонн космічних уламків, що містять в своїх конструкціях дорогі матеріали. Виведення одного кілограма маси на орбіту коштує досить дорого. Залежно від висоти орбіти - 10 тис. дол. і більше. Тому запропоновано розглядати існуючий КМ не як сміття, а як один з видів ресурсів ближнього космосу.

Виникає нова задача, задача утилізації фрагментів КМ. На першому її етапі потрібно зібрати всі уламки в кілька кластерів, кожен з яких буде розміщений на одній з орбіт утилізації. Уламки з околиць цих орбіт будуть транспортуватися не на далеку Землю, а до ближнього центру утилізації. Таким чином, можна розробити більш дешеві технології збирання фрагментів КМ з одного боку, а з іншого боку - зберегти їх як матеріал для майбутньої індустріалізації космосу. Кілька десятків і навіть сотень центрів утилізації не будуть загрозою для функціонуючих КА.

Розвивається співпраця з вченими Національної металургійної академії України під керівництвом професора Михальова О. І. по створенню космічних платформ і технологій переробки КМ в умовах навколоземного простору.

У роботах беруть участь член-кор. НАНУ, професор Алпатов А. П., д-р техн. наук Хорошилов С. В., д-р техн. наук Саричев О. П., д-р техн. наук Прокопчук Ю. О., д-р фіз.-мат. наук Пироженко О. В., канд. техн. наук Фоков О. А., канд. техн. наук Гольдштейн Ю. М., канд. техн. наук Маслова А. І., канд. техн. наук Храмов Д. О., канд. техн. наук Печериця Л. Л., аспірант Лапханов Е. О. та ін.

Основні публікації