рис. 4.13, где экспериментальные характеристики получены на разных эта­ пах ресурсных испытаний при последовательном коротком замыкании отдельных элементов, а расчеты выполнены по алгоритму работы [4.1], цифры (2—6) у расчетных (штриховых) характеристик соответствуют лр.

Локализация места и времени короткого замыкания производится по показаниям термопар, расположенных на несущей трубке (чехле) или в системе теплосброса петлевого канала, напротив каждого элемента, или с помощью рассмотренного выше встроенного в систему теплосброса сек­ ционированного калориметра. Сущность метода заключается в непрерыв­ ной регистрации отбросного тепла QOTQ термодинамического цикла в каж­ дом отдельном элементе:

QoT6i = Q i - W i = Q i( l - V i) , г'е[1,л],

где Q/, Wi9 T}j — тепловая и электрическая мощность и КПД /-го эле­ мента. При наступлении короткого замыкания в каком-либо элементе он перестает генерировать электроэнергию « 0) и черев систему тепло­ сброса вместо Q0T6 / будет передаваться примерно полная тепловая мощ­ ность элемента Qt . Локальное увеличение тепловой мощности на величину

AQi = VtQi = Щ

вызовет локальное повышение перепада температуры Гс.тс в системе теп­ лосброса А Гслх / ~ A Qf , причем ее относительное изменение

А^с.тс//(^стс| —^в) ^ ViK\ —Vi Q p / Q i ) >

где Тв — температура охлаждающей воды; Qv —радиационное тепловыде­ ление в материалах системы теплосброса до места установки термопар, нормированное на один элемент. При щ > 3 . .. 5%, т.е. начиная с плот­ ностей электрической мощности примерно 1 Вт/см2, такое изменение АГс.тс„ безусловно, будет зарегистрировано термопарами. При наличии секционированного калориметра относительное изменение сигнала /-й секции калориметра AEt/Ef будет пропорционально той же величине. Вследствие возможных осевых перетечек тепла (по коллектору, несущей трубке и элементам системы теплосброса) соседние датчики также могут несколько увеличить свои показания, т.е. при наступлении короткого замыкания в /-м элементе возможно изменение показаний соседних тер­

ИЛИ

АЕ[_ ^ AEj/Ef ^ AE-1+i/Ei+i .

Время наступления короткого замыкания определяется по началу повы­ шения температуры TCtTCi или сигнала Е{ на ленте самописца. Дополни­ тельной проверкой координаты короткого замыкания может служить ре­ гистрация изменения АГСЛ.С/ = Гс.хс/ - Тв или AEt/Ej вдоль медленно снимаемой статической вольт-амперной характеристики. В короткозамкну­ том элементе вдоль характеристики не будет наблюдаться изменения по^а-

у ; л/см2

Рис. 4.13. Определение числа работоспособных элементов из сравнения эксперимен­ тальных вольт-амперных характеристик (........) с результатами расчетов (----------- ), цифры под пунктирными линиями соответствуют числу работающих элементов

Рис. 4.14. Влияние ’’паразитного” разряда на вольт-амперную характеристику электро­ генерирующей сборки

заний термопар или электрического сигнала калориметра или оно будет значительно слабее, чем у работоспособных элементов.

После окончания петлевых испытаний место и характер коротких замы­ каний определяются с помощью нейтронной радиографии облученного петлевого канала и в результате исследования отработавшей сборки в ’’горячих” лабораториях.

Появление заметных электрических утечек через дефекты коллекторной изоляции, например трещины, микропоры, или даже поджиг разряда с кол­ лектора на несущую трубку могут приводить к заметной деградации выход­ ной электрической мощности сборки. Характер изменения вольт-амперных характеристик при появлении утечек тока аналогичен влиянию коротких замыканий отдельных элементов. Поэтому факт появления заметных уте­ чек вследствие пробоя коллекторной изоляции или появления внешнего относительно сборки разряда, например между токовыводом и массой, также обычно устанавливается из анализа изменения наклона вольт-ампер­ ных характеристик, в том числе из сравнения наклона экспериментальных характеристик с прогнозируемыми.

Следует отметить, что при проведении испытаний многоэлементных сборок в примерно оптимальной рабочей точке V « К опт при снятии не­ большого участка вольт-амперной характеристики вблизи К опт нельзя быть уверенным, что рабочие значения тока и напряжения, включая учас­ ток этой характеристики, являются ’’истинными”, а не некоторой суммар­ ной характеристикой сборки и какого-либо ’’паразитного” разряда. В ка­ честве примера на рис. 4.14 приведена экспериментальная характеристика № 1, т.е. участок вольт-амперной характеристики, снимаемый при прове­

дении ресурсных испытаний. Чтобы убедиться в отсутствии ’’паразитных” разрядов, необходимо снять характеристику вплоть до токов короткого замыкания ( V « 0), при V « 0 внешние разряды должны погаснуть. Съем следующей характеристики № 2 до V « 0 показал, что снимаемая при ре­ сурсных испытаниях характеристика №'1 была искажена внешним разря­ дом, ’’истинная” вольт-амперная характеристика № 3 электрогенерирующей сборки при этих испытаниях показана пунктиром. Локализация места разряда осуществляется из анализа температурных полей системы теплосброса и других узлов петлевого канала, повышение температуры после зажигания разряда обычно позволяет определить примерное место горения разряда.

При определении масштаба и координат локальных дефектов и локали­ зации мест отказов отдельных электрогенерирующих элементов эффек­ тивно использование методов теории возмущений [4.8]. Рассмотрим в качестве примера определение величины и места пробоя коллекторной изоляции в сборке из идентичных электрогенерирующих элементов, при­ чем при нормальной бездефектной работе гвн/ДЭф < 1,где гвн —внутрен­ нее сопротивление сборки; ЯЭф — эффективное сопротивление коллектор­ ной изоляции. При отсутствии дефекта полная проводимость изоляции

G= 1/Яэф =f g( z) dz=g.

О

где g = const — плотность распределенной вдоль относительной коорди­ наты z G [0; 1] проводимости утечек. При появлении в одном из эле­ ментов с координатой zg Е [0 ; 1] дефекта плотность распределения про­ водимости утечек имеет вид

g \ z ) = g + AgS(z - Zg) ,

где 5 — дельта-функция. С помощью формул теории возмущений можно найти распределение потенциала в сборке с дефектом. Для сборки с двумя изолированными токовыводами в работе [4.8] получено

(4.11)

где кр — потенциал точки z относительно несущей трубки; е(/) - завися­ щая от тока на нагрузке эквивалентная ЭДС сборки. Легко видеть, что распределение потенциала в сборке с дефектом, оставаясь линейным, будет зависеть от координаты и величины дефекта. Приравняв нулю выражение (4.11), можно найти положение точки нулевого потенциала

(4.12)

Последняя формула (4.12) позволяет контролировать техническое состояние коллекторной изоляции, а именно осуществлять определение величины и координаты локального дефекта изоляции по изменению легко измеряемого R 3ф и смещению потенциалов изолированных шин сборки, имея в виду, что при линейном распределении потенциала вдоль оси z ко-

ЛИТЕРАТУРА

4.1.Александрова А.М., Бержатый В.И., Синявский В.В. Алгоритм расчета вольтамперных характеристик и температурных полей плоскоцилиндрического ТЭП//Изв. АН СССР. Энергетика и трансп. 1976. №4. С. 139-146.

4.2.Бабушкин Ю.В., Мендельбаум М.А., Савинов А.П., Синявский В.В. Алгоритм

расчета характеристик термоэмиссионных электрогенерирующих сборок//Изв. АН СССР. Энергетика и трансп. 1981. № 2. С. 115-122.

4.3.Бакшт Ф.Г., Дюжее Г.А. и др. Термоэмиссионные преобразователи и низко­ температурная плазма. М.: Наука, 1973.

4.4.Бержатый В.И., Маевский ВА ., Петровский В.Г., Синявский В.В. Проектиро­ вание и испытания термоэмиссионных твэлов. М.: Атомиздат, 1981.

4.5.Бровальский Ю.А., Мельников М.В., Сухов Ю.И., Юдицкий ВД . Теоретическая модель деформации эмиттера термоэмиссионного ЭГЭ//Совещание специалистов по ТЭП. Эйндховен. Технол. ун-т (США), 1975.

4.6.Бровальский ЮЛ., Рожкова НМ., Синявский В.В., Юдицкий ВД . Обобщенный расчет вольт-амперных характеристик и полей температур термоэмиссионных преобразователей//Термоэмиссионное преобразование энергии: Докл. сов. ученых на 2-й Междунар. конф. по ТЭП. Стреза, Италия, 1968. М.: ВНИИТ, 1969. С. 281-294.

4.7.Бугровский В.В., Гольдин Д.А. Исследование газовой системы управления ди­

намическим объектом//Автоматическое регулирование и управление. М.: ВЗМИ, 1981. С. 65-68.

4.8.Зродников А.В., Пупко В.Я. Применение сопряженных уравнений и теории возмущений при исследовании электротехнических характеристик многоэлементных термоэмиссионных преобразователей энергии//Вопросы атомной науки и техники. 1982. С. 88-98. Физика и техника ядерных реакторов. Вып. 2 (24)).

4.9.Информационно-управляющие системы космических энергетических установок/Под ред. акад. Б.Н. Петрова. М.: Атомиздат, 1979.

4.10.Коноплев А.А., Пущина Л.И., Юдицкий ВД . Эмпирический метод расчета

вольт-амперных характеристик разрядного режима ТЭП//ЖТФ. 1975. Т. 45, № 2.

С.314-319.

4.11.Корнилов В А ., Рожкова НМ., Синявский В.В. и др. Самосогласованное опре­

деление тепловых потоков с тепловыделяющего сердечника и температурного поля эмитгерной оболочки термоэмиссионного электрогенерирующего элемента с системой вывода газообразных осколков деления//Конф. по термоэмис. методу преобраз, теп­ ловой энергии в электр.: Тез. докл. Обнинск: ФЭИ, 1979. С. 27-30.

4.12. Кузнецов В.А. Ядерные реакторы космических энергетических установок.

М-: Атомиздат, 1977.

4.13. Огородник С.С., Попов ВД ., Цоглин Ю.Л. О систематических погрешностях при внутриреакторных измерениях калориметром интегрального теплового потока// Метрология нейтронного излучения на реакторах и ускорителях. М.: ЦНИИАТОМинформ. 1974. Т. 2. С. 86.

4.14.Основы автоматического управления ядерными космическими энергети­ ческими установками/Под ред. акад. Б.Н. Петрова. М.: Машиностроение, 1974.

4.15.Синявский В.В., Шуандер ЮА: Расчетное исследование вакуумных вольтаМперных характеристик термоэмиссионных ЭГЭ и ЭГК для целей диагностики петле­ вых каналов//Конференция по термоэмиссионному методу преобразования тепловой

энергии в электрическую: Тез. докл. Обнинск; ФЭИ, 1979. С. 17—19.

4.16.Сонин Э.Б. Скорость генерации ионов и распределение атомов по возбуж­ денным уровням в слабоионизируемой плазме//ЖТФ. 1967. Вып. 10, № 37. С. 1840.

4.17.Шенк X. Теория инженерного эксперимента. М.: Мир, 1972.

4.18.Lieb D., Rufen F. The output characteristics of a vapourdeposited thungsten emitter and a molibdenium collector. Topical repot NTE 4137—134-71. USA, 1979.

Глава 5. ИДЕНТИФИКАЦИЯ И ДИАГНОСТИКА В ПЕРСПЕКТИВНЫХ АВТОНОМНЫХ

ИНФОРМАЦИОННО-УПРАВЛЯЮЩИХ СИСТЕМАХ

В настоящее время благодаря развитию космической науки и техники стало возможным решение актуальных задач —непосредственного исследования больших и малых планет и комет Солнечной системы. Космические аппа­ раты для решения этих задач должны обладать: а) комплектом сложных научных приборов, позволяющих вести комплексное изучение космиче­ ских объектов; б) ядерной энергоустановкой с высокоэффективными движителями; в) системой внутренней бортовой служебной аппаратуры. Такой космический аппарат должен быть рассчитан на длительный ресурс (до 5 лет и более). Требование автономности вытекает из практической невозможности непосредственного управления аппаратами с Земли (по типу луноходов) из-за большого времени прохождения радиосигнала (10 мин и более) и из-за наличия зон, в которых невозможна связь с Зем­ лей. Необходимость в аппаратах с автономными ИУС возникает также и

вдругих областях науки и техники: при исследовании и освоении океана,

вгорнодобывающей промышленности, при автоматизации вредных про­ изводств.

ИУС всех этих объектов должны работать с минимальным участием че­ ловека, в связи с чем для них характерны:

во-первых, развитая информационная часть, имеющая обширную систе­ му датчиков, представительно отражающую состояние элементов и систем этих объектов, а также обладающая достаточно сложными алгоритмами диагностики и прогноза технического состояния; кроме информации о внутреннем состоянии объектов, такие ИУС должны иметь возможность обрабатывать предельно большие объемы информации о внешней среде;

во-вторых, развитая управляющая часть, обладающая, кроме средств поддержания режимов и их оптимизации, также возможностями выбора

иосуществления достаточно гибкой стратегии и тактики управления, со­ ответствующего целевому назначению объекта;

в-третьих, наличие ЦВМ, осуществляющей сложные ’’интеллектуаль­ ные” функции информационного и управленческого планов.

Структурно-функциональная схема бортовой ИУС автономного КА изображена на рис. 5.1. В составе ИУС можно выделить три взаимосвязан­

ные части: объект управления, информационную часть и управляющую часть. ИУС делится с функциональной точки зрения на четыре подсистемы: обеспечения внешней связи, обеспечения научных задач, обеспечения дви­ жения, жизнеобеспечения КА. Эти подсистемы выделяются как в самом объекте управления, так и в информационной и управляющей частях ИУС, образум тем самым ’’вертикальное” деление ИУС. Работа подсистем ИУС в целом направлена на выполнение цели кампании. Без исправной и взаимо­ связанной работы всех четырех подсистем выполнение аппаратом целевого назначения не является возможным. С другой стороны, принцип иерархии структуры [5.2] диктует ’’горизонтальное” деление ИУС по уровням иерархии, предполагающее детализацию функций по мере понижения уров­ ня иерархии и ’’приближения” к объекту управления.

Управляющая часть бортовой ИУС включает в себя четыре уровня иерар­ хии. Высший уровень связан с общим управлением системами КА для вы­ полнения целевого назначения (IV). Следующий уровень иерархии (III) оптимизирует работу каждой подсистемы в условиях управления ею по целевому назначению. Следующий уровень иерархии (П) отвечает за управ­ ление штатной работой подсистем. Наконец, самый низший уровень (I) следит за поддержанием отдельных режимов работы узлов и элементов подсистемы (уровень первичных регуляторов).

Информационная часть бортовой ИУС включает в себя также четыре уровня иерархии, функциями которой являются: контроль состояния ап­ паратуры (I); получение информации от подсистем измерений контроли­ руемых параметров (II); диагноз состояния подсистем и предваритель­ ная обработка получаемой информации (III); прогноз состояния под­ систем КА (IV). Низшие уровни иерархии ИУС использует управляющие и информационные средства, входящие в состав элементов и устройств КА: первичные регуляторы (включая систему термоадаптации [5.3]), систему измерений КЭУ, системы контроля состояния и включения науч­ ной аппаратуры и т.п.

Очевидно, что предлагаемая структура бортовой ИУС близка к сущест­ вующим в настоящее время структурам. ИУС КА, включающим наземные информационные вычислительные и управляющие комплексы (см. гл. 3), но в отличие от них она целиком реализуется бортовыми средствами.

Предыдущие главы были посвящены исследованию задач диагностики при их решении в ИУС.

Рассмотрим работу подсистемы научной аппаратуры ИУС КА.

В ходе осуществления кампании по исследованию объектов дальнего космоса [5.1] с точки зрения работы подсистемы научной аппаратуры можно выделить ’’типовые” этапы: свободного полета, исследования объек­ та в варианте сопровождения, исследования объекта в пролетном варианте. Из набора данных этапов можно ’’собрать” любую кампанию космических исследований. С точки зрения математического обеспечения каждому из этапов соответствует ’’план” работы, т.е. укрупненная последовательность действий. Каждый план состоит из более мелких алгоритмов, называемых ’’задачами”. Задачи, в свою очередь, состоят из ’’программ”, т.е'. непосред­ ственно программ работы отдельных приборов. В качестве примера рас­ смотрим план работы подсистемы научной аппаратуры на этапе сопровож­ дения. Этап сопровождения требует выравнивания скоростей космическо­ го аппарата и исследуемого объекта. При этом предполагается, что КА мо­ жет как зависать над объектом, так и осуществлять вблизи него определен­

ные маневры.

Алгоритм плана этапа сопровождения приведен на рис. 5.2. В данный

план входят следующие задачи:

1) задачи управления работой на каждом подэтапе; в каждую из этих задач входят следующие программы: расчет начальных временных пара­ метров, проверка наличия необходимых условий включения приборов, отработка мешающих факторов, включение приборов, работа научных приборов, проверка приборов, расчет суммарной мощности включенных приборов, переход к следующей задаче управления, определение оконча­ ния этапа; 2) задача, содержащая программы по диагностике неисправ-

Рис. 5.2. Алгоритм ’’Плана” для этапа сопровождения (”п” - программа)

ностей, возникающих в научной аппаратуре. Исходными данными для на­ писания плана этапа сопровождения являются: длительность этапа, коли­ чество приборов (М21, . . . » М2к> см. рис. 5.1) и их тип, циклограммы их работы, приоритет на этапе, потребляемая мощность во включенном со­ стоянии, список мешающих факторов.

ния), контактные (необходим ^непосредственный контакт с исследуемым объектом, как, например, при заборе проб, бурении).

Весь этап разбивается на пять подэтапов: 1) подэтап дальних измерений (начинается при максимальном удалении КА от исследуемого объекта и проводится при последующем сближении; работают неактивные и актив­ ные приборы в соответствии с циклограммой и с учетом возможности их совместной работы); 2) подэтап ближних неактивных измерений (на­ чинается в непосредственной близости КА от объекта и позволяет иссле-

Рис. 5.1. Структурно-функциональная схема информационно-управляющей системы автономного КА

довать объект в ’’чистом” виде без влияния активных приборов, так как

(работают часть активных и часть неактивных приборов, а могут работать и все приборы, кроме контактных).

План этапа сопровождения построен следующим образом: после задания начальных данных инициируется задача управления на подэтапе 1; опре­ деляются временные параметры для всех включаемых приборов; прове­ ряются необходимые условия для их включения и осуществляется проце­ дура включения и выключения приборов в соответствии с циклограммой. После окончания подэтапа 1 начинается решение задачи управления на подэтапе 2, где требуются свои исходные данные. В случае возникновения каких-либо неисправностей осуществляется обращение к задаче ’’Анализ” (см. рис. 5.2).

ЛИТЕРАТУРА

5.1.Ахметшин Р.З., Белоглазов С.С. и др. Оптимизация перелетов к астероидам и кометам космических аппаратов с комбинированием большой и малой тяги; Препр. Ин-та прикл. математики им. М.В. Келдыша № 144. М., 1985.

5.2.Бугровский В.В., Кондрахина И.А. Некоторые принципы построения и алго­ ритмы информационно-управляющих систем сложных автономных динамических систем//Автоматическое регулирование и управление. М.: ВЗМИ, 1983. С. 28—31.

5.3.Информационно-управляющие системы космических энергетических установок/Подред. акад. Б.Н. Петрова. М.: Энергоатомиздат, 1979.