Методическое пособие 805

чего тела. Но, с другой стороны, применение электроракетных двигательных установок приводит к другому ограничению — сравнительно малой тяге.

Сегодня в области электроракетных двигателей решены основные технические проблемы выбора конструкции и оптимизации рабочих характеристик. ЭРД некоторых видов разработаны и уже используются в составе двигательных установок космических аппаратов. Это, прежде всего, стационарные плазменные двигатели (СПД), плазменно-ионные двигатели классической схемы и холловские двигатели. ЭРД вида СПД в течение уже более трех десятков лет успешно применяются в составе электроракетных двигательных установок (ЭДУ) ряда геостационарных аппаратов гражданского и военного назначения.

Ионные и холловские двигатели неработоспособны в космосе без като- дов-компенсаторов, которые для надежности устанавливают по два и более экземпляра на каждый двигатель. Это делают для электрокомпенсации зарядов истекающей струи плазмы, чтобы корпус космического аппарата не заряжался относительно окружающего пространства. Проблема нейтрализации статических зарядов не решена даже на международной космической станции, где используются ЭРДУ зарубежного производства.

Вспомогательная аппаратура, предназначенная для связки из 300-500 единичных двигателей, включающая в себя системы электропитания, хранения и подачи рабочего тела, существенно снижает надежность, увеличивает массу и стоимость всей двигательной установки.

Ионные двигатели обладают низкими энергомассовыми характеристиками, поскольку для увеличения значения коэффициента тяги и удельного импульса надо увеличить диаметр ионно-оптической системы (ИОС), что приводит к возрастанию массы двигателя, так как возникает необходимость увеличить расход рабочего тела, напряженность магнитного поля и подводимую электроэнергию. Стоит также отметить, что создание ИОС с диаметром сетки 1000 мм для двигателей большей мощности, является практически нерешаемой задачей с точки зрения технологии изготовления.

Увеличения напряженности магнитного поля требует увеличения тока в соленоиде, что приводит к необходимости усовершенствования системы охлаждения, тяга будет возрастать медленнее, чем масса двигателя и подводимая к нему электроэнергия, затрачиваемая также на питание магнитной системы.

В двигателях холловского типа (стационарно-плазменные и двигатели с анодным слоем) отсутствует ИОС, что дает возможность использовать электромагнитный механизм ускорения плазмы и повысить степень ионизации газа при снижении напряжения разряда, что упрощает систему электропитания и увеличивает его надежность. Но возникают другие проблемы, связанные с ресурсом двигателя, решение которых не окажет существенного влияния на его энергомассовые характеристики.

Все вышеперечисленное и ряд других факторов говорит о невозможности создания ионных и холловских двигателей мегаваттного класса, так как конструктивные особенности и физические принципы создания и ускорения плаз-

320

мы, на которых основаны эти двигатели, не позволяют расходовать необходимое количество рабочего тела и подводить к нему большую мощность.

В связи с этим необходимо осуществлять альтернативные проекты по созданию электроракетных двигателей для межпланетных космических аппаратов.

Из существующих на сегодняшний день типов конструкций ЭРД одними из самых многообещающих являются магнитоплазмодинамические двигатели (МПДД).

Такие двигатели обладают рядом преимуществ по сравнению с другими типами ЭРД, такими как:

1.Большая тяга за счет высокой концентрации заряженных частиц (в 2-3 раза выше, чем у ионных двигателей);

2.Малые габариты и вес конструкции;

3.Возможность питания от низковольтных источников (важные фактор с точки зрения аппаратуры и общего веса двигательной установки);

4.Возможность работы в стационарном, импульсном, частотном (геликон), ВЧ и СВЧ-диапазонах;

5.Возможность управления траекторией частиц (величиной удельного импульса тяги и вектором тяги) при постоянной мощности;

6.Увеличение мощности приводит к увеличению КПД двигателя (что нельзя сказать о СПД и ИД);

7.Использование жидких, твердых и газообразных рабочих тел;

8.Создаваемый поток квазинейтрален – отсутствует катоднейтрализатор.

К недостаткам можно отнести недостаточную изученность основных процессов, происходящих в различных узлах двигателя.

Рассматриваемый нами двигатель обладает ещё одним преимуществом перед другими электроракетными двигателями в целом: в нём плазма ни в одной точке не соприкасается с деталями аппарата, а контактирует только со стенкой газоразрядной камеры. У классических ионных ракетных двигателей есть большой недостаток – эрозия решёток-электродов. В предлагаемой конструкции используются бесконтактный нагрев и разгон плазмы. Это означает, что устройство данного типа сможет работать много месяцев и даже лет без существенного износа конструкции — что и требуется для перспективных миссий в дальний космос и для полетов на Марс.

Предложенным к разработке ЭРД является безэлектродный магнитоплазмодинамический двигатель, основанный на СВЧ (ВЧ или радиоволны) разряде низкого давления при действии внешнего постоянного однородного магнитного поля и переменного электрического поля (рисунок). СВЧ-излучение используется для ионизации рабочего тела (РТ) внутри камеры объемного резонатора и получения высокоэнергетических заряженных частиц. Внешнее магнитное поле создается для обеспечения продольного удержания плазмы (используется эффект магнитных «ловушек»), улучшения эффективности поглощения СВЧ

321

мощности плазмой и создания нужного взаиморасположения векторов электрического и магнитного полей на выходе из камеры резонатора.

Эффективность работы ЭРД СВЧ-диапазона зависит от многих взаимосвязанных аспектов, таких как геометрические размеры рабочей камеры, форма камеры резонатора, частота генератора, вид рабочего тела. Одним из главных факторов, определяющих эффективность работы рассматриваемого двигателя, является конфигурация внутреннего электрического и магнитного поля. Она определяет режим СВЧ разряда, эффективность поглощения СВЧ мощности плазмой, степень ионизации рабочего тела, уровень фазовых, плазменных и тепловых потерь, эффективность ускорения плазмы и величину удельного импульса. Под конфигурацией внешних полей следует понимать распределение (величину и направление) вектора индукции внешних электрического и магнитного полей вдоль газоразрядной камеры двигателя и за ее пределами в области ускорения плазмы.

Принципиальная схема такого двигателя обладает рядом преимуществ по сравнению с другими типами ЭРД:

отстутствие катода-нейтрализатора и контактирующих с плазмой электродов значительно повышают ресурс работы двигателя, сравнительно с другими типами ЭРД;

повышенная надежность вследствие малого числа конструктивных

элементов;

отстуствие физических ограничений на объемную плотность заряда (в отличие от ПИД);

возможность использования в качестве рабочего тела различных газов и их смесей, включая водяной пар;

низкий уровень потерь на утечки излучения и джоулево тепло увеличивает КПД двигательной установки;

отсутствие попадания примесей от электродов и внутрикамерных конструкций;

простота конструкции;

Также можно отметить и некоторые недостатки:

высокие требования по согласованию нагрузки и СВЧ источника;

невозможность вклада мегаваттной мощности в плазму единичного магнитного сопла.

Двигатель включает в себя три части:система внедрения и ионизации рабочего тела и ускоритель полученной плазмы.

Принцип работы двигателя, а также его конструкция, выглядят следующим образом. В кварцевую трубку под давлением подается газ (аргон). Вокруг трубки расположены противополярные кольцевые магниты, создающие между собой контрполярное магнитное поле (аксиальное). Вместо магнитов может использоваться обмотка (соленоид), которая при пропускании через нее электрического тока создает направленное вдоль оси трубки магнитное поле. Между магнитными блоками установлена камера объемного резонатора, к которой подводится СВЧ-излучение, генерируемое магнетроном. Подаваемая в резона-

322

тор волна благодаря свойству интерференции формирует пучистость в некоторой когерентной точке. Линейные размеры резонатора рассчитываются таким образом, чтобы область наивысшей напряженности поля была соосной по отношению к проходящей через резонатор газоразрядной камере. После возникновения объемного разряда в камере начинает формироваться плазмоид, под действием электродинамических и газодинамических сил вытесняющийся в блок ускорителя. Попадая в ускорительный блок, заряженные частицы ускоряются во взаимно перпендикулярном электрическом и магнитном полях и выбрасываются через срез сопла, сообщая двигательной установке некоторый импульс тяги.

Схема магнитоплазмодинамического двигателя:

1 – распылитель рабочего газа, 2 – газоразрядная камера, 3 – объемный резонатор, 4 – камера ускорительного блока)

Результаты исследований показали, что наиболее перспективной является схема МПДД, так как она мощнее и экономичнее существующих разработок, а анализ технических характеристик современных типов ЭРД выявил множество проблем, несовместимых с перемещением в космическом пространстве на дальние расстояния при использование подобных ЭДУ.

Дальнейшая работа будет направлена на создание лабораторной модели двигателя, усовершенствование разработанной системы и проведение экспериментов с целью выявления оптимальных параметров двигателя.

Литература

1.Райзер Ю.П. Распространение разрядов и поддержание плотной плазмы электромагнитными полями / УФН Сер. 11(108).– 1972. – с. 429-463.

2.Шабунин С.Н., Соловьянова И.П. Волноводы и объемные резонаторы: Методические указания по курсу «Электродинамика и распространение радиоволн»/ С.Н.Шабунин, И.П. Соловьянова. – Екатеринбург: УГТУ.–1998. – с. 38.

3.Шумилин А.В., Шумилин В.П, Чумаченко Е.Н. Зависимость тока ускоренных ионов в холловском электрическом ракетном двигателе от рабочего напряжения / А.В. Шумилин, В.П. Шумилин, Е.Н. Чумаченко// Вестн. ВГТУ.

Физика. – 2011.– с.131.

323

4.Бериллий. Наука и технология. / Под ред. Д. Вебстера; Пер. с англ. под ред. Г.Ф. Тихинского, И.И. Папирова. – М.: Металлургия, 1984. – с. 624.

5.Богданкевич И.Л., Гришин Д.М., Гунин. А.В., Импульснопереодический плазменный релятивистский СВЧ-генератор с управляемой в каждом импульсе частотой излучения / И.Л. Богданкевич, Д.М. Гришин,А.В. Гунин и др . // Науч. журнал. Физика плазмы. Сер.34(10).– 2008. –с. 926-930.

6.Шиняков Ю.А, Галайко В.Н, Волков М.П, Гордеев К.Г, Горошков И.Н, Обухов В.А. Способы управления электрореактивными двигательными установками на базе стационарных плазменных двигателей, используемых в качестве маршевых и тяговых двигателей КА / Ю.А. Шиняков, В.Н. Галайко, М.П. Волков, К.Г. Гордеев , И.Н. Горошков, В.А. Обухов // Извест. Самарского науч. центр. Энергетика. – 2013. – с.150-154.

7.Мадвейко С.И., Бордусов С.В. Схемотехнические особенности источника питания СВЧ-магнетрона непрерывного режима генерации для работы в составе плазменного технологического оборудования / С.И. Мадвейко, С.В. Бордусов // Журнал Доклады БГУИР. Энергетика Сер. 6 (52). – 2010.– с. 30-35.

8.Мадвейко С.И., Бордусов С.В., Лушакова М.С. Анализ условий возбуждения СВЧ-рзряда низкого вакуума в плазмотроне резонаторного типа / С.И. Мадвейко, С.В. Бордусов, М.С. Лушакова // Доклады БГУИР. Энергетика Сер. 8 (94). – 2015.– с. 44-50.

324

УДК 621.396

Разработка многофункционального медиасервера

Д.А. Попов1, А.И. Сукачев2 1Студент гр. РП-42, dmitri.popov.96@mail.ru

2Ст. препод. кафедры РЭУС, mag.dip@yandex.ru

ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет»

Разработка многофункционального сервера, его структурная схема, основные возможности.

Ключевые слова: умный дом, медиа сервер, NAS-сервер, AV-ресивер.

Внастоящее время в среднестатистическом доме накапливается очень много различной техники, это могут быть видео проигрыватели, музыкальные центры, акустические системы, NAS-хранилища, системы умный дом и т.д. В связи с этим появилась идея создания устройства, способного объединить выше перечисленное в единое устройство для удобного использования.

Врезультате анализа систем этого класса выявлен минимальный набор составных частей: программно-аппаратный комплекс управления умным домом; хранилище данных, многоканальный усилитель. В качестве аналогов рассматривались российская разработка системы умный дом EasyHome(стоимость контроллера 40000 рублей), хранилище NAS (в среднем стоит 10000 рублей) и AV-ресивер(стоимостью порядка 20000 рублей). Ориентировочная стоимость готового решения представленного на рынке порядка 70000 рублей. Ориентировочная стоимость контроллера системы EasyHome 40000 рублей, программная составляющая распространяется безвозмездно, при условии приобретения контроллера. Контроллер обладает следующими техническими характеристиками: габаритные размеры 159.5х89.9х56.5, напряжение питания контроллера 220В, 16 входов аналогового и дискретного сигнала, 9 электромагнитных реле с максимальным током 16А и напряжением 250В. Таким образом, появилась необходимость создания устройства с лучшими технико-экономическими показателями.

Разработанный сервер осуществляет передачу медиафайлов посредством DLNA протокола (рис.1). AV-ресивер включает в себя 5.1 канальный усилитель, высококачественный усилитель для наушников и цифровой эквалайзер, также имеется четыре стерео входа, 5.1 вход и выход и выход для наушников. Также к AV-ресиверу подключен микроконтроллер, который управляет эквалайзером и с помощью TFT – экрана выводит некоторые показания с датчиков умного дома. Управление эквалайзером возможно, как через медиасервер, так и через микроконтроллер. Функция умного дома реализуется с помощью дополнительных комплектующих использующие протокол MQTT. Обмен информацией осуществляется через Wi-Fi сеть. Обмен информацией между мобильным клиентом и сервером осуществляется через протоколы: ZigBee и Z-Wave.

325

Рис. 5. Структурная схема многофункционального медиасервера

На блок питания 1 и блок питания 2 подается напряжение 220 вольт. Блок питания 1 предназначен исключительно для питания компьютера, тогда как блок питания 2 питает предусилитель и усилитель. Компьютер состоит из материнской платы, процессора, оперативной памяти и жесткого диска. В зависимости от ситуации также может дополняться модулем Wi-Fi, звуковой картой и видеокартой. Все это отвечает за функции NAS-хранилища, а медиапроигрывателя и системы умный дом. Предусилитель и усилитель совместно с компьютером реализуют функционал AV-ресивера. Блок управления и отображения предназначен для отображения наиболее важной и полезной информации, это может быть температура в доме и прогноз погоды на улице.

Рис. 2. Модель корпуса многофункционального медиасервера

Примерная стоимость устройства оценивается в 40000 рублей. В связи с этим его смогут купить почти все желающие.

На данный момент проект находится в активной разработке, идет написание программного обеспечения, проходят тестирование и отладку функциональные узлы.

Литература

1.Мельников Д.А. Системы и сети передачи данных/Д.А. Мельников.

-М.: РадиоСофт, 2015. -624 с.

2.Епанешников А.М. Локальные вычислительные сети/А.М. Епанешников, В.А. Епанешников. -М.: Диалог-МИФИ, 2005. -221 с.

3.Столлингс В. Компьютерные системы передачи данных, 6-е изд. - М.: Издательский дом «Вильямс», 2002.

326

УДК 681.3

Разработка подсистемы анализа стратегий обслуживания технологического оборудования

А.В. Васильева1, В.Н. Кострова2 1Студент гр. мАП-21, sapris@vorstu.ru

2Д-р техн. наук, профессор, sapris@vorstu.ru

ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет»

Рассмотрены вопросы разработки автоматизированной подсистемы анализа стратеги обслуживания технологического оборудования

Ключевые слова: автоматизированная подсистема, системы управления надежностью, база знаний.

Нефтяная и газовая промышленность характеризуется большими капитальными вложениями и эксплуатационными затратами. Рентабельность данной отрасли зависит от безотказности, готовности и ремонтопригодности используемых систем и компонентов. Поэтому для оптимального уровня производственной готовности в нефтяном и газовом бизнесе требуется стандартизированный, комплексный (интегрированный) подход к методам обеспечения надежности[1].

Концепция обеспечения эффективности производственного процесса регламентируется стандартом ГОСТ Р ИСО 20815-2013 «Нефтяная, нефтехимическая и газовая промышленность. Управление обеспечением эффективности производства и надежностью» и описывает основные методы обеспечения надежности на различных стадиях жизненного цикла и охватывает виды деятельности, направленные на достижение и поддержание оптимального уровня эффективности, за счет согласованности общих экономических показателей и применяемых нормативных и базовых условий.

В программных комплексах, направленных на управление надежностью (рис.1), реализованы следующие методики оптимизации ТОиР:

–FMEA (Failure Modes and Effects Analysis – Анализ видов и последствий отказов);

–RCA (Root Cause Analysis – Анализ коренных причин);

–RCM (Reliability Centered Maintenance – Техническое обслуживание, ори-

ентированное на надежность);

–RBI (Risk Based Inspection – Инспектирование с учётом фактора риска);

–Статистический анализ надежности и производственных потерь. Реализация подхода RCM осуществляется по 7 базовым вопросам, опи-

санным в стандарте SAE JA1011: "Критерии оценки для процесса обслуживания, ориентированного на надежность (RCM)".

Данные методики позволяют определять критически важные производственные фонды путем оценки рисков по направлениям защиты окружающей

327

среды, безопасности и производства, определять оптимальные технологии обслуживания и оперативные стратегий для основных фондов.

Рис. 1. Цикл системы управления надежностью

Объекты технического обслуживания, находящиеся на предприятии, разбиваются на функциональные системы. Для каждой системы выявляются наиболее критичные единицы оборудования, для которых разрабатываются стратегии обслуживания.

Каждая стратегия обслуживания единицы оборудования учитывает плановый износ расходных материалов, а также то, что при эксплуатации оборудование может подвергаться воздействию механических нагрузок (вибраций, ударов, постоянного ускорения), электрических нагрузок (напряжения, электрического тока, мощности), а также окружающих условий (температура, влажность, давление).

Стратегии разрабатываются специалистами службы управления надежности и пересматриваются в регламентируемые сроки. Стратегия также может быть пересмотрена при выявлении непредвиденного риска или при повторяющихся отказах и критических инцидентах.

Для помощи в пересмотре существующих стратегий была разработана подсистема анализа стратегий обслуживания оборудования для системы управления надежностью (рис.2).

328

Рис. 2. Модульная схема системы управления надежностью

Анализ осуществляется путем решения задачи многокритериального сравнения. Входными данными для анализа являются действующий план обслуживания, а также выгрузка истории производимых профилактических работ и отказов за время эксплуатации оборудования под руководством стратегии. Для создания базы знаний используется продукционную модель данных [2].

Данная подсистема позволяет сократить время и трудоемкость процесса переоценки стратегии облуживания, а также благодаря встроенной базе знаний, помогает построить оптимальную стратегию обслуживаемого оборудования.

Литература

1.ГОСТ Р ИСО 20815-2013 «Нефтяная, нефтехимическая и газовая промышленность. Управление обеспечением эффективности производства и надежностью»

2.Джаррано Д., Райли Г. «Экспертные системы: принципы разработки

ипрограммирование. 4-е изд.» - М.: «Вильямс», 2007. - 1152 с.

329