Відділ № 9. Відділ системного аналізу та проблем керування

Заввідділу – член-кореспондент НАН України,  д-р техн. наук, професор А. П. Алпатов

У відділі працює 26 співробітників, з них докторів наук – 4, кандидатів наук – 8, докторів філософії – 1.

Область досліджень – системний аналіз проблем космічної галузі; вивчення вільних і керованих режимів функціонування механічних систем космічного і наземного базування в умовах широкого спектру дій. Напрями досліджень: системний аналіз проблем космічної галузі; оптимізація проєктних параметрів ракет-носіїв; динаміка космічних апаратів і комплексів; космічні тросові системи; великогабаритні трансформовні конструкції космічного базування; балістика та динаміка систем орбітального сервісу, проблеми космічного сміття і реалізації промислового виробництва на орбіті.

Історія досліджень з системного аналізу, що проводились у відділі

Базові розробки відділу були орієнтовані на завдання ракетно-космічної галузі України та в своїй основі містять фундаментальні дослідження, що проводились відповідно до планових завдань НАН України. Основними замовниками таких робіт є Національна академія наук України, Державне космічне агентство України, Державне підприємство “КБ “Південне”, Державне підприємство “Південний машинобудівний завод”.

Розвиток методів системного аналізу. За напрямком розвитку методів системного аналізу було розвинуто метод регресійного аналізу. Розроблено метод структурно-параметричної ідентифікації в задачі моделювання об’єктів з багатовимірним виходом у класі бета-авторегресійних моделей, в яких співвідношення вагових коефіцієнтів авторегресії визначаються на основі функцій щільності бета-розподілів. За принципами методу групового урахування аргументів побудовано і досліджено критерій регулярності для моделювання в класі бета-авторегресійних моделей в умовах квазіповторних спостережень. Розроблений метод структурно-параметричної ідентифікації застосовано для опису і прогнозування руху великих фрагментів космічного сміття.

Системний аналіз проблем космічної галузі

За цим напрямком досліджень:

– розроблено методологію системного аналізу космічних систем, що включає теоретичні моделі та розрахункові методики для багатокритеріального порівняльного аналізу існуючих і проєктних космічних систем, оцінювання їх конкурентоспроможності та ефективності. Створено інформаційно-аналітичне забезпечення досліджень супутникових і транспортних космічних систем;

– на базі результатів системних досліджень в ІТМ НАНУ і ДКАУ виконано розробку чотирьох Загальнодержавних космічних програм України, а також проводилось їх науково-технічне супроводження;

– розроблено і апробовано на проєкті “Січ-2М” методику оцінки техніко-економічних показників створюваних космічних апаратів дистанційного зондування Землі.

Історія досліджень з вивчення вільних і керованих режимів функціонування механічних систем космічного і наземного базування в умовах широкого спектру дій

Оптимізація керованого руху і основних проєктних параметрів ракет-носіїв. Сформульовано комплексне завдання вибору зовнішнього вигляду, оптимізації основних проєктних параметрів і програм керування польотом рідинних і твердопаливних ракет-носіїв (РН) різних класів, призначених для виведення космічних апаратів (КА) в навколоземний космічний простір. Розроблено математичні моделі рідинних і твердопаливних РН, які дозволяють залежно від початкових даних, значень структурних і основних проєктних 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.

Динаміка космічних тросових систем. Космічні тросові системи (КТС) є перспективним напрямом розвитку космічної техніки і технологій. 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 з виявлення закономірностей динаміки космічних тросових систем. 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 та отримано нові результати з проблеми хаотичних рухів у детермінованих системах.

Визначено схему натурних експериментальних досліджень і зовнішній вигляд малої автономної КТС. Вироблено рекомендації щодо підвищення надійності тросового з’єднання.

Виділено та досліджено новий клас систем гравітаційної стабілізації (СГС) супутників, що використовують гнучкі зв’язки (троси).

Досліджено динаміку космічних апаратів з СГС у вигляді жорсткої штанги.

Електродинамічні космічні тросові системи (ЕДКТС) є перспективними для транспортних операцій на навколоземних орбітах і представляють один з найбільш економічних способів вирішення проблеми відведення космічних об’єктів з низьких навколоземних орбіт. Розроблено методики розрахунку: взаємодії ЕДКТС з іоносферною плазмою і магнітосферою; взаємодії з нейтральним середовищем; впливу сонячного нагріву і затінення; імовірності руйнування троса космічними частинками; динаміки відносного і орбітального руху з урахуванням можливих резонансів; динаміки розгортання системи.

Загальні питання динаміки космічного польоту. Запроваджено нові форми рівнянь збуреного Кеплерового руху і показано ефективність їх застосування для задач динаміки космічного польоту. Запропоновано нові кінематичні параметри руху твердого тіла відносно центра мас, що основані на приведенні опорної системи координат до вихідної за допомогою двох поворотів. На їх основі розроблено новий алгоритм керування орієнтацією супутника магнітними виконуючими органами. Запропоновано нові форми рівнянь руху твердого тіла відносно центра 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 центра мас субсупутника відносно центра мас основного супутника і рівняння руху супутників відносно власних центрів мас. Розроблено методики досліджень коливань супутника відносно центра мас під дією періодичних зовнішніх збурень. Дані методики включають в себе методи досліджень резонансних і нерезонансних коливань систем, що описуються рівняннями типу Хілла.

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.

Розроблено методологічні основи адаптивно-робастного керування орієнтацією сонячних космічних електростанцій – нового класу об’єктів керування, які істотно відрізняються від КА, що використовувалися раніше та експлуатуються в нинішній 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 є складною технічною проблемою, актуальність якої обумовлено інтенсивним розвитком радіоастрономії, супутникового зв’язку, геліоенергетики. У відділі було виконано комплекс досліджень процесів формоутворення великогабаритного космічного рефлектора вантової конструкції.

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

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 ВО “Південмаш”. Виготовлені зразки робота пройшли успішну експлуатацію у замовника на ділянці гарячої висадки болтів.

Дослідження динаміки космічного маніпулятора було розпочато в 80-ті роки і потім продовжено за контрактами з ЦНДІ робототехніки і технічної кібернетики, який проєктував космічний маніпулятор для системи “Буран”. 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.

Проблема космічного сміття. По мірі освоєння навколоземного космічного простору (НКП) стали актуальними проблеми запобігання його техногенному засміченню і забезпечення працездатності об’єктів ракетно-космічної техніки (РКТ) в умовах зростання популяції фрагментів космічного сміття (КС). Було виконано комплекс робіт з проблеми безпеки космічних літальних апаратів, пов’язаної з високою імовірністю 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.

Сформовано проєктний вигляд і вибрано параметри аеродинамічної системи відведення з орбіти розгінного ступеня ракети-носія “Циклон-4”. Розроблено нову конструктивну схему аеродинамічної системи відведення космічного апарата “Січ-2-1” розробки ДП “КБ “Південне”. Проведено модернізацію аеродинамічної системи відведення для використання її на верхньому ступені РН “Циклон-1М”.

Проведено дослідження, необхідні для реалізації концепції безконтактного видалення космічного сміття, яка отримала назву “Пастух з іонним променем”. Розроблено основні положення нормативних документів, які забезпечують підвищення безпеки космічних польотів і підготовлено галузевий стандарт з обмеження забруднення НКП. У відділі проводились роботи щодо забезпечення науково-технічного супроводження взаємодії Державного космічного агентства України з Міжагентським комітетом з космічного сміття (МККС). Керівник відділу Алпатов А. П. і провідний науковий співробітник Хорошилов С. В. входять до складу МККС і беруть безпосередню участь у роботі МККС.

Окремим прикладним напрямком досліджень, що проводились у відділі, було створення біомеханічних і медичних інформаційних систем. Базою цього напрямку було співробітництво з кафедрою Медичної кібернетики та обчислювальної техніки Дніпропетровського медичного інституту, якою керував професор Алпатов А. П. Біомеханічні дослідження, які проведені у відділі, були спрямовані на створення технічних і програмних засобів діагностики і корекції функціонального стану опорно-рухового апарата людини. Було досліджено питання створення медичних інформаційних систем. 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 та оцінки ефективності медичної допомоги, який отримав назву “Метод граничних узагальнень”. Результати досліджень використовувались в експериментальній і практичній медицині, інформаційні системи було впроваджено в Дніпропетровському обласному центрі кардіології та кардіохірургії, УкрДержНДІ медико-соціальних проблем інвалідності МОЗ України, поліклініці 2-ї міської лікарні м. Дніпро, Медичному центрі Нікопольського феросплавного заводу.

Було приділено увагу розвитку когнітивних технологій аналізу, управління та проєктування складної техніки. 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 було запропоновано спосіб побудови перспективних розподілених (мережевих) систем контролю і діагностики космічних апаратів на основі реконфігуровуваних вимірювально-керуючих систем, що самоналагоджуються.

Міжнародна співпраця з зарубіжними партнерами.

Дослідження в рамках міжнародних проєктів 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” (1996 -2003 роки) виконувалися в співпраці з Інститутом прикладної математики РАН (Росія) і Віденським технічним університетом (Австрія).

Виконувались дослідження за проєктом LEOSWEEP “Підвищення безпеки на низьких навколоземних 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/). Проєкт присвячений розвитку концепції КА-пастуха з іонним променем для видалення великих об’єктів космічного сміття з переповнених областей низьких навколоземних орбіт. Проєкт LEOSWEEP – спільний проєкт 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).

Сучасні дослідження, що проводяться у відділі

Область досліджень, що проводяться у відділі у цей час, дістала певного розвитку: дослідження вільних і керованих режимів функціонування трансформовних просторово-розвинутих механічних систем космічного і наземного базування в умовах широкого спектра впливів; системний аналіз проблем космічної галузі. Напрямки досліджень набули нових актуальних аспектів.

Розвиток методів системного аналізу. У відділі проводяться дослідження застосовності статистичних методів математичного моделювання руху об’єктів космічного сміття на основі розробленого методу регресійного аналізу – методу структурно-параметричної ідентифікації для моделювання руху великих фрагментів космічного сміття в класі систем авторегресійних моделей, в яких коефіцієнти визначаються на основі функцій щільності бета-розподілів. Застосування методу має підвищити точність моделювання руху великих фрагментів космічного сміття за результатами їх спостереження.

Системний аналіз проблем космічної галузі.  З метою виконання першочергових кроків з удосконалення методичної бази РКТ в Україні щодо розробки та сертифікації галузевих методик у відділі в нинішній час проводиться розробка методичного забезпечення розрахунків показників науково-технічних проєктів перспективних космічних систем. Увага сконцентрована на розробці методики розрахунку технічного рівня та методики розрахунку очікуваної вартості дослідно-конструкторської роботи (ДКР).

Наявність сертифікованих галузевих методик суттєво знизить вимоги до технічної компетенції керівного персоналу космічного агентства, а підприємства-розробники нових зразків РКТ будуть проводити розрахунки очікуваних техніко-економічних показників та показників надійності за прозорими та єдиними для всіх розробників РКТ формалізованими (комп’ютеризованими) методиками. При цьому космічне агентство буде мати можливість достатньо оперативно та ефективно контролювати якість цих розрахунків (як це має місце в космічних агентствах країн-лідерів в області РКТ).

Моніторинг світової космічної діяльності. З метою проведення якісного аналізу проблем космічної галузі та визначення актуальних задач дослідження функціонування механічних систем космічного базування у відділі постійно відстежуються світові тенденції розвитку космічної діяльності, зокрема проводиться аналіз ринку послуг у цій сфері, аналіз тенденцій розвитку транспортних та супутникових космічних систем.

Оптимізація керованого руху і основних проєктних параметрів твердопаливних ракет. Не дивлячись на накопичений досвід проєктування твердопаливних ракет при розробці нових зразків ракетної техніки, а також в процесі модернізації існуючих, продовжують залишатися актуальними задачі оптимізації програм керування рухом і основних характеристик ракет, які здійснюють польоти за балістичними та аеробалістичними траєкторіями.

Для початкового етапу проєктування розроблено комплекс математичних моделей для розрахунків габаритно-масових, енергетичних, аеродинамічних та балістичних характеристик, програм керування і параметрів руху ракети на різних ділянках польоту для балістичних і аеробалістичних траєкторій та типових аеродинамічних конструкцій ракет.

Розроблено алгоритми реалізації різних методів спільної оптимізації проєктних параметрів, параметрів траєкторії і програм керування польотом твердопаливних ракет. Отримано оцінки точності та швидкодії детермінованих методів оптимізації та методів випадкового пошуку при їх використанні для визначення в автоматичному режимі основних проєктних параметрів і програм керування за критерієм дальності польоту одноступінчастих ракет.

Розроблений пакет прикладних програм методичного забезпечення дозволяє на початковому етапі проєктування з необхідною для проєктних досліджень точністю визначати оптимальні в заданому класі функцій програми керування рухом, раціональні значення проєктних параметрів та основних характеристик ракети для аналізу різних аеродинамічних конструкцій і схем польоту.

Розроблене методичне забезпечення дає можливість проводити аналіз альтернативних проєктних рішень і, таким чином, дозволяє підвищити якість рішення задач початкового етапу проєктування та скоротити терміни і витрати на проведення проєктних робіт при створенні нових зразків твердопаливних ракет.

Динаміка космічних апаратів і комплексів.

Дистанційне зондування Землі. Одним з напрямків досліджень є розробка методів і методик розрахунку, вибору та підтримки орбіт супутників дистанційного зондування Землі (ДЗЗ) для підвищення ефективності їх роботи, в тому числі в складі угруповання супутників. Актуальність цього напрямку визначається сучасним етапом розвитку космічних технологій, в тому числі технологією електродвигунів (ЕД) і переходом від некерованого орбітального руху супутника до руху його за заданою траєкторією. Застосування ЕД відкрило можливості використання наднизьких орбіт, які мають ряд істотних переваг для вирішення завдань дистанційного зондування Землі. Космічні Земні місії часто використовують майже кругові орбіти, для яких зміни радіуса за виток складають не більше десятих частин відсотка. Зокрема, це відноситься до супутників ДЗЗ, для яких близькість траєкторій до кругової орбіти є важливим фактором якості спостереження. Розроблено зручні для розрахунків і аналітичних досліджень системи рівнянь збуреного руху супутника майже круговими орбітами. Показана ефективність застосування розробленої форми рівнянь для чисельних і аналітичних досліджень руху супутника майже круговими орбітами. За допомогою отриманої форми рівнянь проаналізовано основні закономірності впливу другої зональної гармоніки геопотенціалу на рух супутника, а також розроблено аналітичну модель руху супутника під дією зональних гармонік геопотенціалу. Запропонована форма рівнянь збуреного руху супутника майже круговими орбітами використовувалася при розрахунку орбіт мінімальної зміни висоти, вибору орбіт супутників ДЗЗ, аналізі відведення об’єктів космічного сміття й оцінки значень щільності атмосфери для низьких і наднизьких орбіт.

Електродинамічні космічні тросові системи. Проводиться розробка моделі динаміки електродинамічної космічної тросової системи (ЕДКТС), особливістю якої є термоелектронне покриття тросу, що значно підвищує ефективність роботи системи. Проводяться дослідження зміни значень параметрів ЕДКТС внаслідок впливу різних температурних режимів функціонування.

Керування космічними апаратами. Розроблено комп’ютерну модель орбітального і кутового руху космічного апарата сервісного призначення з урахуванням збурень, викликаних нецентральністю гравітаційного поля Землі, тяжінням Сонця і Місяця, опором атмосфери і тиском сонячного випромінювання. Модель реалізовано засобами вільного програмного забезпечення. Виконано аналіз останніх досягнень в галузі використання глибокого навчання для вирішення завдань навігації, наведення та керування в космосі. Розглянуто завдання керування кутовим і відносним рухом космічних апаратів при вирішенні як традиційних, так і нових завдань, таких як сервісні операції в космосі. Для вирішення таких завдань використовуються як методи навчання з вчителем, так і навчання з підкріпленням. Розглядається використання різних архітектур штучних нейронних мереж, в тому числі згорткові та рекурентні. Проводиться аналіз можливості спільного використання глибокого навчання і методів теорії керування для підвищення ефективності вирішення розглянутих завдань.

Методи машинного навчання в задачах розрахунку динаміки космічних апаратів. Проведено аналіз способів спільного використання методів машинного навчання та диференціальних рівнянь. Досліджено можливості моделювання орбітального руху космічних апаратів за допомогою штучних нейронних мереж та проведено аналіз можливостей застосування методів машинного навчання для моделювання збурюючих впливів на рух космічного апарата.

Автономні космічні системи. В ІТМ НАНУ досліджуються структури моделей функціонування автономних космічних систем як “Когнітивних Технічних Систем – КгТС” (наступний рівень розвитку технологій після кіберфізичних систем). Для КгТС важлива гнучкість в умовах обмежених ресурсів і радикальної невизначеності, але неприйнятні відмови функціонування. Розроблено загальну схему інформаційної моделі розподіленого багатоагентного обчислювального інтелекту автономної космічної системи на засадах когнітивного підходу. Вивчені властивості КгТС. Одна з головних властивостей – це існування багатомасштабного фазового простору, який породжується мережами начерків тестів, задач розрізнення та образів. Планування та моніторинг дій відбувається на багатьох масштабах одночасно. Це приклад застосування динамічної логіки (логіка “підрулювання” або планування від “розмитого” до “точного”), що відображає природне прагнення редукувати складність. Друга ключова властивість КгТС – це існування тотального аудиту та прогнозування всіх інформаційних потоків (концепція “конектому КгТС”), що дозволяє реалізувати “м’яке” вимірювання будь якого сигналу навіть в умовах відмови датчика (це значно підвищує надійність системи в цілому). Застосування такої технології в авіакосмічних системах дозволяє запобігти багатьом катастрофам, як наслідок значно подовжити функціонування автономних систем. Третя ключова властивість КгТС – це здатність динамічно та конкурентно формувати поведінку (шлях виконання місії) в умовах невизначеності будь якого типу, оперативно маніпулюючи наявними ресурсами (мережі можливостей та потреб) і використовуючи дуже слабкі сигнали (за рахунок граничного узагальнення знань – “парадигма граничних узагальнень”).

Системи орбітального сервісу. Проблеми космічного сміття.

Реалізація існуючих та розробка нових проєктів орбітального сервісу є стійкою тенденцією розвитку космічної техніки. У відділі проводяться дослідження стосовно балістичних проблем обґрунтування, планування та здійснення одноразових та індустріальних місій орбітального сервісного обслуговування (ОСО). Досліджуються структури, особливості і тенденції розвитку балістичних моделей космічних місій планового і екстреного ОСО. Проводиться розробка балістичних моделей індустріальних космічних місій обслуговування.

Проводяться дослідження проблем реалізації концепції безконтактного видалення космічного сміття “Пастух з іонним променем”. Розробляються та досліджуються нейромережеві моделі (НММ) впливу факелу електрореактивного двигуна на об’єкт космічного сміття (ОКС). Досліджуються питання оптимізації параметрів НММ за допомогою метода навчання із вчителем, питання вибору оптимізатора та його параметрів, що забезпечать найменшу похибку на етапі валідації результатів навчання. Вивчаються особливості впливу відносного положення ОКС, а також архітектури НММ на точність визначення сили впливу. Запропоновані моделі дозволять забезпечити достатню точність визначення силового впливу. У порівнянні з існуючими методами, застосування НММ значно пришвидшує отримання результату, що робить їх перспективними для використанні як на космічних апаратів, так і для математичного моделювання місій з видалення космічного сміття. На основі застосування згорткових нейронних мереж досліджуються питання розробки структури та оптимізації параметрів моделі визначення збурень при безконтактній взаємодії супутників орбітального сервісу – моделі, що не потребує інформації про відносне положення та орієнтацію об’єкта обслуговування.

У якості клієнтів орбітального сервісу часто виступають об’єкти, які мають небажаний обертальний рух, що ускладнює або робить неможливим виконання дій з їх обслуговування. Тому сервісній операції з обертовим об’єктом сервісу має передувати операція погашення кутового руху або керування його рухом. У відділі досліджуються проблеми застосування методів керування просторовим положенням неспівпрацюючого об’єкта орбітального сервісу відносно космічного апарата. Основна увага приділяється методам оцінювання відносного просторового положення об’єкта орбітального сервісу для випадку відсутності його тривимірної моделі.

Промислові космічні платформи. В даний час формується нова парадигма індустріалізації космосу, пов’язана зі створенням принципово нових матеріалів, технологія виготовлення яких визначається необхідністю забезпечення умов вакууму та невагомості і, в зв’язку з цим, винесенням виробництва за межі Землі. Одним з етапів винесення виробництва за межі Землі є створення орбітальних промислових платформ. Основним завданням орбітальних промислових платформ є забезпечення зон під розміщення необхідного технологічного обладнання, в залежності від типу технологічного процесу, забезпечення достатнім енергоживленням, забезпечення у разі необхідності допоміжним технологічним обладнанням. На даний час орбітальні промислові платформи знаходяться на стадії розробки концепції. У зв’язку з цим актуальною проблемою є розробка методології проєктування систем даного класу, для вирішення цієї проблеми необхідно вирішити наступні задачі: аналіз існуючих технологічних процесів, що потребують умов вакууму та невагомості; класифікація типів і структур орбітальних промислових платформ (ОПП); розробка методичного забезпечення процесу створення, виведення на орбіту та монтажу ОПП; розробка проєктного вигляду базової ОПП; розробка інформаційної моделі ОПП; розробка технології зберігання та доставки продукції, створеної на ОПП, до замовника; розробка математичної моделі функціонування ОПП; розробка методичного забезпечення вибору параметрів ОПП; розробка науково-методичних засад структурно-параметричного проєктування ОПП.

У відділі проводяться дослідження проблем реалізації промислових космічних комплексів. Проводиться розробка математичних моделей та алгоритмів для визначення проєктних параметрів розподіленої енергетичної системи космічної промислової платформи. Запропоновано класифікацію технологічних процесів в умовах вакууму та невагомості. Визначено базову конфігурацію космічної індустріальної платформи. Досліджуються сучасні методи оптимізації щодо їх використання для задач проєктування індустріальних платформ. Проводиться розробка математичних моделей та алгоритмів для визначення проєктних параметрів розподіленої енергетичної системи космічної промислової платформи.

Космічні системи протидії глобальному потеплінню. Проблема глобального потепління широко обговорюється в міжнародних наукових колах та набуває статусу планетарної загрози, що стоїть перед людством. Враховуючи це, провідними світовими науковими центрами розробляються методичні підходи і технології щодо протидії глобальному потеплінню. На сьогодні, серед найбільш відомих концепцій, гіпотез і оцінок можливостей існують такі підходи щодо протидії глобальному потеплінню: гіпотеза щодо можливостей зміни орбіти Землі та віддалення її від Сонця, технології розпилення дрібнодисперсного металічного (срібло, бронза, алюміній тощо) пилу у ближньому космічному просторі для часткового відбивання сонячних променів; відмова від використання вуглеводневих технологій як паливного ресурсу. У відділі проводяться дослідження, спрямовані на попередні оціночні розрахунки, вироблення методичних рекомендацій щодо створення технологій протидії сонячному випромінюванню шляхом розгортання атмосферних і космічних плівкових конструкцій, що є досить актуальним і перспективним науковим напрямком.

Найважливіші досягнення відділу за останні роки досліджень.

Запропоновано спосіб і розроблено алгоритми керування відносним рухом сервісного космічного апарата шляхом зміни сили тяги компенсуючого електрореактивного двигуна в невеликому діапазоні відносно його номінального значення. Використання таких алгоритмів керування дозволяє істотно зменшити необхідну масу робочого тіла реактивних двигунів сервісного космічного апарата.

Розроблено методику визначення безпечних орбіт утилізації космічного сміття в області низьких навколоземних орбіт В якості орбіт утилізації запропоновано використовувати близькі до кругових орбіти із середніми висотами ~ 1300 км і вище 1800 км.

Вирішено важливу науково-практичну задачу створення методичного забезпечення, що дозволяє на початковому етапі проєктування об’єктів ракетно-космічної техніки визначати оптимальні основні характеристики керованих ракетних об’єктів різного призначення.

Розроблено науково-методичне забезпечення для дослідження динаміки орбітального угрупування космічних об’єктів з урахуванням рухомості точок кріплення на базовій платформі.

Розроблено нейромережеві моделі (НММ) визначення впливу факелу електрореактивного двигуна на об’єкт космічного сміття. У порівнянні з існуючими методами, застосування НММ в 2 3 рази пришвидшує отримання результату, що робить їх перспективними для використання як на космічних апаратах, так і для математичного моделювання місій з видалення космічного сміття.

Створено аналітичну модель руху супутника майже круговими навколоземними орбітами. Модель має високу точність, визначає зміни середніх елементів орбіти простими аналітичними формулами, зручна для аналізу властивостей орбіт і дозволяє здійснити вибір стійкої (“замороженої”) орбіти супутників.

Розроблено парадигму граничних узагальнень (ПГУ), яка дозволяє покроково уточнювати модель функціонування складної космічної системи (ієрархія сурогатних моделей). Вдосконалена мова моделювання “когнітивних технічних систем” на засадах ПГУ показала переваги когнітивного підходу у вирішенні завдань забезпечення інформаційно-системної безпеки та ефективності критичних технічних систем космічного застосування.

Наукові співробітники Палій О. С. і Лапханов Є. О. стали лауреатами “Премії Верховної Ради України молодим ученим” за 2020 р.

Актуальна співпраця з українськими і зарубіжними організаціями

Проводяться спільні роботи в галузі дистанційного зондування Землі з НТУ “Дніпровська політехніка” (кафедра iнформаційних технологій та комп’ютерної інженерії), Національною металургійною академією України (НМетАУ) (кафедра інформаційних технологій і систем).

В рамках договору (№ 363-9 вiд 09.01.2023) мiж ІТМ НАНУ ДКАУ та Пiвнiчно­захiдним полiтехнiчним унiверситетом мiста Сiань (КНР) будуть проводитись дослiдження, пов’язані з проблемою зростання кiлькостi космiчного смiття та завданъ його переробки, проблем створения космiчних систем захисту окремих територiй Землi вiд надлишковоrо сонячного випромінювання.

Експериментальна база

Експериментальна і методологічна база відділу містить лабораторне обладнання для дослідження елементів тросових космічних систем, а також програмні комплекси для вирішення задач з основних напрямків дослідницької роботи відділу.

Основні публікації

Монографії

1. Алпатов А. П. Динамика космических аппаратов с магнитными системами управления /Алпатов А. П., Драновский В. И., Салтыков Ю. Д., Хорошилов B. C. – под ред. Ковтуненко В. М. – М. : Машиностроение, 1978. – 200 с.
2. Динамика пространственно развитых механических систем изменяемой конфигурации /А. П. Алпатов, П. А. Белоножко, В. В. Горбунцов и др. – К. : Наукова думка, 1990. – 255 с.
3. Алпатов А. П. Подвижное управление механическими системами. – К. : Наукова думка, 1998. – 245 с.
4. Ротационное движение космических тросовых систем /Алпатов А. П., Белецкий В. В., Драновский В. И., Закржевский А. Е., Пироженко А. В., Трогер Г., Хорошилов B. C. – Днепропетровск : ИТМ НАНУ и НКАУ, 2001. – 404 с.
5. Алпатов А. П. Госпитальные информационные системы : архитектура, модели, решения /А. П. Алпатов, Ю. А. Прокопчук, В. В. Костра. – Днепропетровск : УГХТУ, 2005. – 257 с.
6. Динамика космических систем с тросовыми и шарнирными соединениями / А. П. Алпатов, В. В Белецкий, В. И. Драновский, А. Е. Закржевский, А. В. Пироженко, Г. Трогер, В. С. Хорошилов – Москва-Ижевск: НИЦ “Регулярная и хаотическая динамика”, Институт компьютерных исследований, 2007. – 560 с.
7. Прокопчук Ю. А. Интеллектуальные медицинские системы : формально-логический уровень /Ю. А. Прокопчук. – Днепропетровск : ИТМ НАНУ и НКАУ, 2007. – 259 с.
8. Информационные технологии в образовании и здравоохранении / А. П. Алпатов, Ю. А. Прокопчук, О. В. Ющенко, С. В. Хорошилов. – Днепропетровск : ИТМ НАНУ и НКАУ, 2008. – 287 с.
9. Сарычев А. П. Идентификация состояний структурно-неопределенных систем /А. П. Сарычев. – Днепропетровск : ИТМ НАНУ и НКАУ, 2008. – 268 с.
10. Эффективность научно-технических проєктов и программ / О. В. Пилипенко, Е. С. Переверзев, А. П. Алпатов, В. Т. Марченко, О. К. Печеневская, П. П. Хорольский. – Днепропетровск : Пороги, 2008. – 509 с.
11. Dynamics of Tethered Spaсe Systems / A. P. Alpatov, V. V. Beletsky, V. I. Dranovskii, V. S. Khoroshilov, A. V. Pirozhenko, H. Troger, A. E .Zakrzhevskii. – Boca Raton, FL, USA: CRC Press, 2010. – 223 p.
12. Прокопчук Ю. А. Принцип предельных обобщений: методология, задачи, приложения – Дн-ск: ИТМ НАНУ и НКАУ, 2012. – 384 с.
13. Системный анализ и управление сложными системами в условиях неопределенности /А. П. Алпатов, В. Т. Марченко, Ю. А. Прокопчук, А. П. Сарычев, С. В. Хорошилов. – Днепропетровск : ИТМ НАН и ГКА Украины, 2015. – 195 с.
14. Sarycheva L. GMDH-Clustering / L. Sarycheva, A. Sarychev // GMDH-Methodology and Implementation in C / Editor Godfrey Onwubolu. London : Imperial College Press, 2015. – P. 157-203. [Раздел в монографии: “МГУА-методология и реализация на СИ”].
15. Прокопчук Ю. А. Интеграция, конвергенция, творчество – ключевые характеристики информационных технологий нового поколения / Ю. А. Прокопчук // Інтеграція економічних та інформаційних процесів : сучасний стан і перспективи розвитку: колективна монографія / За заг. ред. Савчук Л. М. / Дніпропетровськ : Герда, 2015. – С. 352-365.
16. Алпатов А. П. Динаміка космічних літальних апаратів /А. П. Алпатов/ – Київ : Наукова думка, 2016. – 487 с.
17. Сарычев А. П. Моделирование сложных систем в условиях структурной неопределённости: регрессионные и авторегрессионные модели / LAP LAMBERT Academic Publishing RU, Saarbr?cken, Deutschland. – 2016. – 284 p.
18. Сарычев А. П. Моделирование в классе систем авторегрессионных уравнений со случайными коэффициентами в условиях структурной неопределенности. // Системные технологии моделирования сложных процессов : коллективная монография под общей ред. проф. А. И. Михалёва. – ИТМ НАНУ и ГКАУ . – Днепр. НМетАУ-ИВК “Системные технологии”, 2016. – С. 463-499. – 608 с.
19. Прокопчук Ю. О. Уточнення моделі економічного суб’єкта: механізми інтуїції і творчості // Економічна кібернетика: аспекти становлення і розвитку електронної економіки : колективна монографія / За заг. ред. Л. М. Савчук, К. Ф. Ковальчука / ИТМ НАНУ и ГКАУ. – Дніпро : Пороги, 2017. – С. 171-185. – 480 с.
20. Прокопчук Ю. А. Набросок формальной теории творчества. Монография. – Днепр : ГВУЗ “ПГАСА”, 2017. – 452 с.
21. Алпатов А. П. Бесконтактное удаление космического мусора ионным лучом. Динамика и управление / А. П. Алпатов, А. И. Маслова, С. В. Хорошилов. – Lambert Academic Publishing, SaarbrÜcken, Deutchland. – 2018. – 339 c.
22. Alpatov A.P. Сontactless de-orbiting of space debris by the ion beam. Dynamics and control / A. P. Alpatov, S. V Khoroshylov, A. I. Maslova. – Кyiv : Akademperiodyka, 2019. – 170 p.
23. Прокопчук Ю. А. Управління соціально-економічним розвитком країни, регіону, підприємства в умовах кризи (виробнича, будівельна та транспортна галузі): моногр. / за ред. Л. М. Савчук. – Дніпро: Видавець Біла К. О., Національна металургійна академія України, 2019. – 472 с.
24. Інноваційно-інформаційні процеси у маркетингу : монографія/за ред. Л. М. Савчук, М. О. Багорка. – Дніпро: Журфонд, 2019. – 336 с. Розділ 2.3 Прокопчук Ю. А. Ребрендинг концепции “Мозг фирмы” в свете цифровой и технологической трансформации бизнес-процессов. – Дніпро: Журфонд, 2019. – С. 82-94.
25. Прокопчук Ю.А. Интуиция: опыт формального исследования. – Днепр: Изд. ГВУЗ “ПГАСА”, 2022. – 724 с.

Cтатті

1. Alpatov A. Determination of the force transmitted by an ion thruster plasma plume to an orbital object / A. Alpatov, F. Cichocki, A. Fokov, S. Khoroshylov, M. Merino, A. Zakrzhevskii // Acta Astronautica. – 2016. – Vol 119. – P.241 – 251. ( Scopus)
2. Пироженко А. В. Проект малой экспериментальной электродинамической космической тросовой системы / А. В. Пироженко, А. И. Маслова, А. В. Мищенко, Д. А. Храмов, О. Л. Волошенюк // Космічна наука і технологія. – 2018. – №2. – С. 3-11.
3. Пироженко А. В. Малая экспериментальная электродинамическая космическая тросовая система. Электрическая модель / А. В. Пироженко, А. В. Мищенко // Космічна наука і технологія. – 2018. – №3. – С. 3-10.
4. Alpatov A. Control of an Ion Beam Shepherd Satellite Using the Impulse Compensation Thruster / A. Alpatov, S. Khoroshylov, C. Bombardelli //Acta Astronautica. – 2018. – Vol 151. – P. 543-554.
5. Khoroshylov S. Relative motion control system of spacecraft for contactless space debris removal // Science and Innovation. – 2018. -№14(4). – С. 5-16.
6. Пироженко А. В. О влиянии второй зональной гармоники на движение спутника по почти круговым орбитам / А. В. Пироженко, А. И. Маслова, В. В. Васильев // Космічна наука і технологія. – 2019. – Т. 25, № 2. – С. 3-14.
7. Volosheniuk O. L. Influence of the end body dynamics on stabilization processes in the relative motion of a space tethered system stabilized by rotation / O. L. Volosheniuk // Наука та інновації. – 2019. – Т. 15, № 2. – С. 17-24.
8. Khoroshylov S.V. Out-of-plane relative control of an ion beam shepherd satellite using yaw attitude deviations // Acta Astronautica. – 2019. – Vol 164. – P. 254-261.
9. Lapkhanov E. Development of the aeromagnetic space debris deorbiting system / E. Lapkhanov, S. Khoroshylov // Eastern-European Journal of Enterprise Technologies. – 2019. – Vol. 5., Iss. 5(101). – P. 30-37.
10. Марченко В. Т. Об одном подходе к оценке технического уровня геостационарных спутников связи / В. Т. Марченко, Е. П. Петляк //Космическая наука и технология. – 2019. – №6. – С. 11-20.
11. Kavats O. Monitoring Harvesting by Time Series of Sentinel-1 SAR Data / O. Kavats, D. Khramov, K. Sergieieva, V. Vasyliev // Remote Sensing. -2019. – V. 11, N 21, 2496; https://doi.org/10.3390/rs11212496
12. Alpatov A. Synthesizing an algorithm to control the angular motion of spacecraft equipped with an aeromagnetic deorbiting system / A. Alpatov, S. Khoroshylov, E. Lapkhanov // Eastern-European Journal of Enterprise Technologies.- 2020. – Vol. 1/5 (103). – P. 37-46.
13. Khoroshylov S. Relative control of an ion beam shepherd satellite in eccentric orbits // Acta Astronautica.- 2020. – Vol 176. – P. 89-98.
14. Senkin V. S. On the Issue of Choice of the Parameter Optimization Method for a Guided Missile / V. S. Senkin, S. V. Syutkina-Doronina // Science and Innovation. – 2020. – Vo. 16(3). – P. 50-64.
15. Pirozhenko A. Development of a new form of equations of disturbed motion of a satellite in nearly circular orbits / A. Pirozhenko, A. Maslova, D. Khramov, O. Volosheniuk, A. Mischenko // Eastern-European Journal of Enterprise Technologies. – 2020. – Vol. 4, № 5 (106). – P. 70-77.
16. Аlpatov A. P. Assessment perspectives for the orbital utilization of space debris / A. P. Аlpatov., Yu. M. Goldshtein. // Космічна наука і технологія. – 2021. – Т.27. – № 3. – С. 3-12.
17. Фоков О. А. Відносний рух космічного апарата з аеродинамічним компенсатором у перпендикулярному до площини орбіти напрямку при безконтактному видаленні космічного сміття / О. А. Фоков, С. В. Хорошилов, Д. С. Своробін // Космічна наука і технологія. – 2021. – № 2 (129). – С. 15-27.
18. Modified design of the deployable mesh reflector antenna for mini satellites / O. Sushko, E. Medzmariashvili, F. Filipenko, S. Khoroshylov at al. // CEAS Space J. – 2021. – №13, Iss. 4. – P. 533-542.
19. Design and Analysis of Light-Weight Deployable Mesh Reflector Antenna for Small Multibeam SAR Satellite / O. Sushko., E. Medzmariashvili, S. Tserodze, S. Khoroshylov at al. // EUSAR 2021: Proceedings of the European Conference on Synthetic Aperture Radar. March 29 – April 1, 2021. – Online.
20. Navigation Safety Control System Development Through Navigator Action Prediction by Data Mining Means / P. Nosov, S. Zinchenko, A. Ben, Y. Prokopchuk, P. Mamenko, I. Popovych, V. Moiseienko, D. Kruglyj // Eastern-European Journal of Enterprise Technologies. – 2021. – Vol. 2, No. 9 (110) – P. 55-68.
21. Development and experimental study of analyzer to enhance maritime safety /, P. Nosov, S. Zinchenko, V. Plokhikh, I. Popovych, Y. Prokopchuk, D. Makarchuk, P. Mamenko, V. Moiseienko, A. Ben // Eastern-European Journal of Enterprise Technologies. – 2021. – Vol. 4, No. 3 (112)). – P. 27-35.
22. Khoroshylov S. V. Time-Periodic Spacecraft Attitude Control with the Use of Slewing Permanent Magnets / S. V. Khoroshylov, E. O. Lapkhanov // Science and Innovation. – 2022. – 18(5). – P. 38-48.
23. Alpatov A. Р. Designing the configuration and selecting the design parameters of drag systems for deorbiting spacecraft created by Pivdenne design office / A. Р. Alpatov, E. О. Lapkhanov, O. S. Palii // Science and Innovation. – 2022. – 18(4). – P. 55-63.
24. Алпатов А. П. Стан та напрямки Удосконалення нормативної бази розробки ракетно-космічної техніки в Україні / А. П. Алпатов, В. Т. Марченко, П. П. Хорольський, Н. П. Сазіна // Science and Innovation. – 2022. – Том 18, N1. – С. 76-88.
25. Pirozhenko A. V. Analytical model of satellite motion in almost circular orbits under the influence of zonal harmonics of geopotential / A. V. Pirozhenko, A. I. Maslova, V. V. Vasyliev // Space Science and Technology. – 2022. – 28, № 4 (137). – P. 18-30.
26. Alpatov A. Combined method for spacecraft deorbiting with angular stabilization of the sail using magnetorquers / A. Alpatov, M. Dron’, A. Golubek, Erik Lapkhanov // CEAS Space Journal. – 2022.
27. Alpatov A. Р. Development of R & D framework for the modernization of the aerodynamic deorbit system for the use on the upper stage of Cyclone-1M launch vehicle. / A. Р. Alpatov, O. P. Kuznetsov, O. S. Palii, E. O. Lapkhanov // Science and Innovation. – 2022. – 18(6). – Р. 60-71.
28. Lapkhanov E. Determining the degree of effect of heat flows on the defor-mation of the shell of a space inflatable platform with a payload / E. Lapkhanov, O. Palii, A. Golubek // Eastern-European Journal of Enterprise Technologies. – 2022. – Vol. 199, No. 5(1). – P. 6-16.
29. Khoroshylov S. V. Deep learning for space guidance, navigation, and control. / S. V. Khoroshylov, M. O. Redka // Space Science and Technology. – 2021. – 27, № 6 (133). – P. 38-52.
30. Khoroshylov S. V. Determination of the force impact of an ion thruster plume on an orbital object via deep learning / S. V. Khoroshylov, M. O. Redka // Space Science and Technology. – 2022. – 28, № 5 (138). – P. 15-26.
31. Zheliabov P. Electromagnetic Stabilization System Algorithm During Energy Restriction Mode for the Near-Symmetric Satellites / P. Zheliabov, E. Lapkhanov, D. Faizullin, A. Kulabukhov, K. Hiraki // International Review of Aerospace Engineering. – 2022. – № 15(1). – P. 62-70.

СЛУЖБОВА АДРЕСА:	Інститут технічної механіки, вул. Лешко-Попеля, 15, 49005, м. Дніпро, Україна
НОМЕР ТЕЛЕФОНУ:	+38-056-372-06-58
E-MAIL:	aalpatov@ukr.net