Реферат: Исследование движения центра масс межпланетных космических аппаратов

2. ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ ЧАСТЬ

2.1. ВВЕДЕНИЕ

В данной работе проводится исследование движения центра масс МКА под действием различных возмущающих ускорений (от не­центральности гравитационного поля Земли, сопротивления атмо­сферы, притяжения Солнца и Луны, из-за давления солнечных лу­чей) и создание математической модели движения ЦМ МКА, по­зво­ляющей учесть при интегрировании уравнений движения ЦМ МКА эволюцию орбиты МКА.

В работе разрабатывается алгоритм коррекции, ликвидирующий ошибки выведения МКА и рассчитывается масса топлива, необхо­димая для проведения коррекции, необходимой из-за эволюции па­раметров орбиты и из-за ошибок выведения МКА на рабочую ор­биту.

Точность проведения коррекции зависит от точности направле­ния корректирующего импульса, заданной в ТЗ. Было проведено моде­лирование системы коррекции в режиме стабилизации угло­вого по­ложения при работе корректирующей двигательной уста­новки.

В работе приводятся программы, реализующие интегрирование уравнений движения ЦМ МКА, процесс осуществления коррекции и расчет топлива для коррекции.

2.2. КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ОРБИТЕ

Основными показателями эффективности космической группировки, являются:

- предельная производительность МКА в сутки на освещенной стороне Земли не менее 400-500 объектов.

- периодичность наблюдения районов съемки не реже одного раза в сутки.

Расположение плоскости орбиты по отношению к Солнцу выбрано таким образом, чтобы угол между линией узлов и следом терминатора на плоскости экватора Земли составлял D_т = 30°. При этом северный полувиток орбиты должен проходить над освещенной частью земной поверхности. Для определенности углу D_т приписывается знак «+» в том случае, если восходящий узел орбиты находится над освещенной частью Земли, и знак «-», если ВУ находится над неосвещенной частью. При выборе баллистического построения оперируют углом D, однозначно определяющимся прямым восхождением Солнца a₀ и долготой восходящего узла орбиты в абсолютном пространстве W: D = a₀ - W. Соотношение между углом D_т и углом D: D є D_т - 90°.

2.2.1. ХАРАКТЕРИСТИКА ОРБИТЫ

Для решения задач наблюдения Земли из космоса с хорошим раз­решением при жестких ограничениях на массу КА и минимизации затрат на выведение целесообразно использовать низкие круговые орбиты. В этом классе орбит выделяют солнечно-синхронные ор­биты со следующими свойствами:

- скорость прецессии плоскости орбиты в пространстве состав­ляет примерно 1° в сутки, что практически обеспечивает постоян­ство ориентации ее относительно терминатора Земли в течении всего срока активного существования КА.

- близость наклонения плоскости орбиты к полярному, что обес­печивает глобальность накрытия полюсами обзора поверхности Земли.

- возможность наблюдения районов на поверхности Земли при­мерно в одно и то же местное время при незначительном изменении углов места Солнца в точке наблюдения.

Всем этим условиям удовлетворяют солнечно-синхронные ор­биты с высотами от нескольких сот до полутора тысяч километров. На больших высотах наклонение солнечно-синхронной орбиты от­ли­чается от полярного, и глобальность накрытия поверхности Земли не обеспечивается. Для повышения эффективности наблюде­ния це­лесообразно выбрать орбиты с изомаршрутной трассой, у которых следы орбит ежесуточно проходят на одними и теми же районами Земли, что позволяет обеспечивать периодичность на­блюдения од­ного и того же объекта, как минимум, раз в сутки с одного КА.

Предварительные расчеты показали, что целесообразно исполь­зовать орбиту с высотой Н = 574 км и наклонением плоскости ор­биты к плоскости экватора Земли i = 97,6°.

Масса МКА может составить от 500 до 800 кг (что зависит от вида целевой аппаратуры, устанавливаемой на борту МКА). Для выведения МКА на орбиту используется РН СС-19 («Рокот») с разгонным блоком «Бриз».

2.2.3. СВЯЗЬ МКА С НАЗЕМНЫМИ ПУНКТАМИ УПРАВЛЕНИЯ

Управление МКА осуществляется с наземных пунктов управления на территории России. Их количество и место расположения выбирается таким образом, чтобы на любом витке можно было организовать сеанс связи с МКА хотя бы с одного пункта управления. Угол возывшения МКА над горизонтом наземного пункта управления должен быть не менее 7°, а дальность до МКА не должна превышать 2200 км.

В расчете зон связи были использованы следующие исходные данные:

- высота орбиты - 574 км.

- наклонение орбиты - 97,6°.

- географическая долгота восходящего узла первого витка - 4° в.д.

- минимальный угол возвышения МКА над местным горизонтом - 7°.

Из рассматривавшихся возможных наземных пунктов управления (Москва, Новосибирск, Хабаровск, Мурманск, Калининград, Диксон, Комсомольск-на-Амуре, Петропавловск-Камчатский), было выбрано три (Москва, Диксон, Петропавловск-Камчатский), обеспечивающие возможности связи с МКА на любом витке орбиты. При этом зоны связи с МКА составляют от 3 до 9 минут на витке.

Интергральные характеристики возможности связи с МКА:

- высота орбиты - 574 км.

- число витков, видимых из Москвы, вит/сутки - 6.

- суммарное время видимости из Москвы, мин - 41.

- суммарное время видимости с трех пунктов, мин - 153.

- максимальное время видимости одного витка, мин - 9,1.

2.2.4. ВЫВЕДЕНИЕ МКА НА РАБОЧУЮ ОРБИТУ

Выведение МКА на орбиту с наклонением i = 97,6° и высотой Н = 574 км осуществляется ракетой-носителем «Рокот» с разгонным блоком «Бриз». При выведении для каждой отделяющейся части РН (отработанная первая ступень, обтекатель, отработанная вторая ступень) существует свой район падения.

Возможные варианты старта:

1. Полигон Байконур.

Из-за отсутствия зон падения отделяющихся частей возможно сформировать опорную орбиту с наклонением i порядка 65°. Для формирования опорной орбиты с наклонением близким полярному при использовании трассы с азимутом стрельбы более 180° (направление стрельбы на юг) - первая ступень падает в районе Ашхабада, обтекатель сбрасывается на высоте Н порядка 100 км, вторая ступень падает за Аравийским полуостровом. С точки зрения энергетики, выведение осуществляется не по оптимальной схеме, в результате чего на круговую орбиту высотой Н порядка 700 км выводится МКА массой менее 600 кг.

2. Полигон Ледяная (Свободный).

Из-за отсутствия зон падения отделяющихся частей возможно сформировать опорную орбиту с наклонением i порядка 54° и 65°. При северном запуске РН первая ступень падает в районе заповедника в устье реки Олейма (приток Лены).

3. Космодром Плесецк.

Азимуты пуска с космодрома Плесецк обеспечивают наклонения орбит i от 72° до 93°. Формирование требуемового наклонения i = 97,6° осуществляется с помощью разгонного блока «Бриз».

В результате работы двух ступеней РН формируется баллистическая траектория с наклонением i = 93°. Высота в момент окончания работы двигателя второй ступени составляет Н = 190 км, наклонная дальность L = 300 км. Приблизительно через 1,2 секунды после прохождения команды на выключение двигателя второй ступени проходит команда на запуск ДУ РБ. После выключения двигателя второй ступени РН происходит отделение от ракеты связки РБ с КА. Время расцепки t = 318 секунд. Абсолютная скорость в момент отделения V = 5550 м/с. Отделяемая масса 6700 кг.

Двигательная установка РБ «Бриз» выполняет задачу доразгона КА при формировании опорной орбиты.

Характеристики двигателя РБ «Бриз»:

- тяга R, кг - 2000.

- удельный импульс R_уд, сек - 324.

- количество включений, р - 7.

- интервал между включениями, сек - 20.

- время функционирования, час - 7.

В результате работы двигателя РБ «Бриз» при первом включении происходит увеличение высоты баллистической траектории с Н = 190 км до Н = 270 км и к моменту окончания работы двигателя (t = 905,5 сек) в точке с аргументом широты u = 104,1° формируется опорная эллиптическая орбита с параметрами:

- высота в перигее Н_п, км - 190.

- высота в апогее Н_а, км - 574.

- большая полуось орбиты а, км - 6747.

- эксцентриситет e - 0,02548

- наклонение i, ° - 93,4.

- период обращения Т, час - 1,53.

- аргумент перигея w, ° - 128,38.

- долгота восходящего узла в гринвичской СК, фиксированной на момент старта W_г, ° - 48,37.

Величина импульса характеристической скорости, отрабатываемого при первом включении ДУ РБ dV₁ = 2,36 км/с, время работы порядка 600 сек.

Работа двигателя при первом включении происходит вне зоны видимости НПУ на территории России. Географические координаты, соответствующие этому моменту:

- широта j » 76°.

- долгота l » 238°.

В момент прохождения МКА перигея опорной эллиптической орбиты (t = 1231 сек) географические координаты составляют:

- широта j » 53°.

- долгота l » 227°.

На опорной эллиптической орбите МКА совершает пассивный полет до апогея. В районе апогея (t = 1,12 час) осуществляется второе включение ДУ РБ.

В результате приложения второго компланарного импульса характеристической скорости dV₂ = 0,12 км/с, при втором включении (время работы 20 сек) формируется круговая орбита с параметрами:

- высота Н, км - 574.

- наклонение i, ° - 93,4.

- период обращения Т, час - 1,6.

Работа двигателя при втором включении происходит вне зоны видимости НПУ на территории России. Географические координаты, соответствующие этому моменту:

- широта j » 1,5°.

- долгота l » 35,8°.

Для создания круговой, солнечно-синхронной орбиты необходимо изменить наклонение до i = 97,6°. С этой целью осуществляется третье включение ДУ РБ при первом прохождении восходящего узла орбиты (t = 1,3 час).

В результате приложения ортогонального импульса характеристической скорости dV₃ = 0,62 км/с, при третьем включении (время работы 90 сек) формируется солнечно-синхронная круговая орбита с параметрами:

- высота Н, км - 574.

- наклонение i, ° - 97,6.

- период обращения Т, час - 1,6.

- число оборотов в сутки N - 15.

Работа двигателя при третьем включении происходит вне зоны видимости НПУ на территории России. Географические координаты, соответствующие этому моменту:

- широта j » 0°.

- долгота l » 28,1°.

После выключения двигателя при третьем запуске происходит отделение МКА от РБ «Бриз».

Кинематические параметры в гринвичской СК, фиксированной на момент старта РН и оскулирующие элементы орбиты на момент отделения от РБ:

2.3. ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ И ЦЕЛИ РАБОТЫ

2.3.1. ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ

Номинальная орбита, необходимая для выполнения задач МКА, имеет следующие параметры:

- круговая, e = 0.

- солнечно-синхронная, скорость прецессии линии узлов орбиты W равна скорости обращения Солнца относительно Земли

W = 2p / 365,2422 = 0,0172 рад/сут = 0,98 °/сут.

- изомаршрутная, за сутки МКА совершает целое количество оборотов (n = 15).

Это обеспечивает прохождение МКА над одними и теми же рай­онами в одно и тоже местное время.

- период Т = 5765 с.

- высота орбиты Н = 574 км.

- наклонение орбиты i = 97,6°.

- географическая долгота восходящего узла орбиты l_э = 28,1°.

Долгота восходящего узла в геоцентрической экваториальной (абсолютной) системе координат OXYZ определяется как разность

l_э - s₀,

где s₀ - часовой угол, отсчитывающийся от гринвичского мери­диана до оси X, направленной в точку весеннего равноденствия.

Часовой угол зависит от даты старта и выбирается из астроно­ми­ческого ежегодника. В данной задаче для моделирования вы­бран часовой угол = 0.

Следовательно долгота восходящего узла орбиты W = l_э = 28,1°.

Исходя из ТЗ, начальная точка выведения имеет следующие ко­ор­динаты в гринвичской системе координат, фиксированной на момент старта РН:

Элементы орбиты:

Кинематические параметры в геоцентрической экваториальной системе координат:

Точность выведения:

- предельная ошибка по координате (3s) - 7 км.

- предельная ошибка по скорости (3s) - 5 м/с.

Пересчитав ошибку по координате на ошибку по периоду выве­дения орбиты получим предельную ошибку по периоду DT - 10 сек.

Корреляционная матрица ошибок выведения на момент выведе­ния составляет:

Члены, стоящие на главной диагонали представляют собой квад­раты предельных ошибок - (3s)².

K₁₁ = K₂₂ = K₃₃ = (3s)² = 7² = 49 км.

K₄₄ = K₅₅ = K₆₆ = (3s)² = 5² = 25 м/с.

Остальные члены представляют собой вторые смешанные мо­менты K_ij = K_ji = r_ijs_is_j или K_ij = K_ji = r_jj(3s_i)(3s_j), где r_jj - коэффици­енты связи величин i и j. В данном случае вторые смешанные мо­менты K_ij = K_ji = 0.

Кинематические параметры в геоцентрической экваториальной системе координат на момент выведения с учетом ошибок выведе­ния:

Параметры орбиты с учетом ошибок выведения:

2.3.2. ЦЕЛИ РАБОТЫ

1) Исследование и моделирование движения ЦМ МКА при воз­действии на КА возмущающих ускорений.

2) Разработка алгоритмов проведения коррекции траектории МКА, моделирования процесса, и расчет потребного топлива для проведения коррекции траектории.

3) Исследование динамики системы коррекции траектории при стабилизации углового положения в процессе проведения коррек­ции траектории МКА.

2.4. МОДЕЛИРОВАНИЕ ДВИЖЕНИЯ ЦЕНТРА МАСС МКА

2.4.1.УРАВНЕНИЕ ДВИЖЕНИЯ КА

Рассмотрим невозмущенное движение материальных точек М и m в некоторой инерциальной системе координат. Движение совер­ша­ется под действием силы притяжения F_z. Сила F_z для материаль­ной точки m определяется формулой:

,

где ¦ - постоянная притяжения,

r_o - единичный вектор, направленный от М к m,

,

где - радиус-вектор, проведенный из т.М до т.m.

r - относительное расстояние от М до m.

На точку М действует сила F_z, равная по величине и направлен­ная в противоположную сторону.

На основе второго закона Ньютона уравнения движения матери­альных точек М и m имеют вид:

(1), (2)

или

(3), (4)

где p₁ - радиус-вектор, проведенный из начала инерциальной сис­темы координат в точку m.

p₂ - радиус-вектор, проведенный из начала инерциальной сис­темы координат в точку М.

.

Вычитая из уравнения (3) уравнение (4), получим уравнение дви­жения мате­риальной точки m относительно притягивающего цен­тра М:

Так как m<<М, следовательно, можно пренебречь ускорением, которое КА с массой m сообщает притягивающему центру М. То­гда можно совместить начало инерциальной системы координат с при­тягивающим центром М. Следовательно, .

Таким образом, уравнение невозмущенного движения КА отно­сительно притягивающего центра М в инерциальной системе коор­динат, центр которой находится в М, имеет вид

,

где m = fM - гравитационная постоянная Земли.

Рассмотрим возмущенное движение КА в геоцентрической эква­ториальной (абсолютной) системе координат OXYZ:

- начало О - в центре масс Земли.

- ось X направлена в точку весеннего равноденствия g.

- ось Z совпадает с осью вращения Земли и направлена на Север­ный полюс Земли.

- ось Y дополняет систему до правой.

Движение КА в абсолютной системе координат OXYZ происхо­дит под действием центральной силы притяжения Земли F_z, а также под действием возмущающих сил F_в. Уравнение движения имеет вид

или

где m = 597 кг - масса КА.

В проекциях на оси абсолютной системы координат OXYZ полу­чим

или

или

или

где ax_в, ay_в, az_в - возмущающиеся ускорения.

Основные возмущающиеся ускорения вызываются следующими причинами:

- нецентральностью поля притяжения Земли.

- сопротивлением атмосферы Земли.

- влиянием Солнца.

- влиянием Луны.

- давлением солнечного света.

2.4.2. ВОЗМУЩАЮЩИЕ УСКОРЕНИЯ, ДЕЙСТВУЮЩИЕ НА МКА

1) Возмущающееся ускорение, вызванное нецентральностью гра­витационного поля Земли.

Рассмотрим потенциал поля притяжения Земли. При точном рас­чете параметров орбиты спутников, в качестве хорошего прибли­же­ния к действительной поверхности Земли принимают геоид. Геоид - это гипотетическая уровенная поверхность, совпадающая с поверх­ностью спокойного океана и продолженная под материком.

Иногда в баллистике под геоидом понимают не поверхность, а тело, которое ограничено поверхностью мирового океана при не­ко­тором среднем уровне воды, свободной от возмущений. Во всех точках геоида потенциал притяжения имеет одно и то же значение.

Потенциал притяжения Земли можно представить в виде разло­же­ния по сферическим функциям.

где m_z = fM_z - гравитационная постоянная Земли.

r₀ - средний экваториальный радиус Земли.

с_nm, d_nm - коэффициенты, определяемые из гравиметрических дан­ных, а также по наблюдениям за движением ИСЗ.

L - долгота притягивающей точки.

j - широта притягивающей точки.

P_nm(sinj) - присоединенные функции Лежандра степени m и по­рядка n (при m № 0).

P_nm(sinj) - многочлен Лежандра порядка n (при m = 0).

Составляющие типа (m_z/r)(r₀/r)ⁿc_n0P_n0(sinj) - называют зональ­ными гармониками n-по­рядка. Т.к. полином Лежандра n-го по­рядка имеет n действительных корней, функция P_n0(sinj) будет ме­нять знак на n широтах, сфера делится на n+1 широтную зону, где эти составляю­щие имеют попеременно «+» или «-» значения. По­этому их называют зональными гармониками.

Составляющие типа

(m_z/r)(r₀/r)ⁿc_nmcos(mL)P_nm(sinj) и (m_z/r)(r₀/r)ⁿd_nmsin(mL)P_nm(sinj)

- называют тессеральными гармониками n-порядка и степени m. Они обращаются в 0 на 2m меридианах, где cos(mL) = 0 и sin(mL) = 0 и на n-m параллелях, где P_nm(sinj) = 0 или d^mP_nm(sinj)/d(sinj)^m = 0, сфера делится на n+m+1 трапецию, где эти составляющие сохра­няют знак.

Составляющие типа и

(m_z/r)(r₀/r)ⁿc_nncos(nL)P_nn(sinj) и (m_z/r)(r₀/r)ⁿd_nnsin(nL)P_nn(sinj)

- называют секториальными гармониками n-порядка и степени m. Эти составляющие меняю знак только на меридианах, cos(nL) = 0 и sin(nL) = 0, на сфере выделяют 2n меридиональных секторов, где эти составляющие со­храняют знак.

Многочлен Лежандра степени n находится по следующей фор­муле:

P_n0(z) = 1/(2ⁿn!)ґ(dⁿ(z² - 1)ⁿ/dzⁿ)

Присоединенная функция Лежандра порядка n и степени m нахо­дится по следующей формуле:

P_nm(z) = (1-z²)^m/2ґd^mP_n0(z)/dz^m

Возмущающая часть гравитационного потенциала Земли равна

U_в = U’ + DU’ = (U - m_z/r) + DU’

где DU’ - потенциал аномалий силы тяготения Земли.

U’ - часть потенциала Земли, которая учитывает несферичность Земли.

Следовательно,

Первая зональная гармоника в разложении потенциала учиты­вает полярное сжатие Земли.

Зональные гармоники нечетного порядка и тессеральные гармо­ники, где n-m нечетное число - учитывают ассиметрию Земли отно­сительно плоскости экватора.

Секториальные и тессеральные гармоники - учитывают ассимет­рию Земли относительно оси вращения.

Первая зональная гармоника имеет порядок 10^-3, а все остальные - порядок 10^-6 и выше. Поэтому будем учитывать в разложении по­тен­циала притяжения только зональную гармонику (n=2, m=0) и секторальную гармонику (n=2, m=2). Также не будем учитывать потенциал аномалий силы тяго­тения Земли DU’.

Таким образом,

U_в = (m_z/r)(r₀/r)²[c₂₀P₂₀(sinj) + (c₂₂cos(2L) + d₂₂sin(2L))P₂₂(sinj)],

где c₂₀ = - 0,00109808,

c₂₂ = 0,00000574,

d₂₂ = - 0,00000158.

P₂₀(x) = 1/2²2!ґd²(x² - 1)²/dx².

Следовательно P₂₀(x) = (3x² - 1)/2.

Так как sinj = z/r, следовательно P₂₀(sinj) = (3(z/r)² - 1)/2.

P₂₂(x) = (1 - x²)^2/2ґd²P₂₀(x)/dx² = 1/2ґ(1 - x²)ґd²(3x² - 1)/dx²

Следовательно P₂₂(x) = 3(1 - x²).

Так как sinj = z/r, следовательно P₂₂(sinj) = 3(1 - (z/r)²).

Значит

Чтобы найти возмущающее ускорение от нецентральности поля тяготения Земли в проекциях на оси абсолютной системы коорди­нат OXYZ, надо взять производные от возмущающего потенциала U_в по координатам X, Y, Z, причем r = Ц(x² + y² + z²).

Следовательно,

2) Возмущающее ускорение, вызванное сопротивлением атмо­сферы.

При движении в атмосфере на КА действует сила аэродинамиче­ского ускорения R_x, направленная против вектора скорости КА от­но­сительно атмосферы:

где C_x = 2 - коэффициент аэродинамического сопротивления.

S_м = 2,5 м² - площадь миделевого сечения - проекция КА на плос­кость, пер­пендикулярную направлению скорости полета.

V - скорость КА.

r - плотность атмосферы в рассматриваемой точке орбиты.

Так как исследуемая орбита - круговая с высотой Н = 574 км, бу­дем считать, что плотность атмосферы одинакова во всех точках ор­биты и равна плотности атмосферы на высоте 574 км. Из таб­лицы стандартной атмосферы находим плотность наиболее близ­кую к вы­соте Н = 574 км. Для высоты Н = 580 км r = 5,098ґ10^-13 кг/м³.

Сила аэродинамического ускорения создает возмущающее каса­тельное ускорение a_a:

Найдем проекции аэродинамического ускорения на оси абсолют­ной системы координат a_xa, a_ya, a_za:

a_a направлено против скорости КА, следовательно единичный век­тор направления имеет вид

e_a = [V_x/|V|, V_y|V|, V_z/|V|], |V| = Ц(V_x²+V_y² +V_z²)

Таким образом,

Значит

, ,

3) Возмущающее ускорение, вызванное давлением солнечного света.

Давление солнечного света учитывается как добавок к постоян­ной тяготения Солнца - Dm_c. Эта величина вычисляется следующим об­разом:

Dm_c = pS_мA²/m

где p = 4,64ґ10^-6 Н/м² - давление солнечного света на расстоянии в одну астрономи­ческую единицу А.

A = 1,496ґ10¹¹ м - 1 астрономическая единица.

m - масса КА.

S_м = 8 м² - площадь миделевого сечения - проекция КА на плос­кость, пер­пендикулярную направления солнечных лучей.

Таким образом,

Dm_c = 1,39154ґ10¹⁵ м³/c².

4) Возмущающее ускорение, возникающее из-за влияния Солнца.

Уравнение движения КА в абсолютной системе координат OXYZ относительно Земли при воздействии Солнца:

где m_z - постоянная тяготения Земли.

m_c - постоянная тяготения Солнца.

r - радиус-вектор от Земли до КА.

r_c - радиус-вектор от Земли до Солнца.

Таким образом, возмущающее ускорение, возникающее из-за влияния Солнца:

.

Здесь первое слагаемое есть ускорение, которое полу­чил бы КА, если он был непритягиваю­щим, а Земля отсутствовала.

Второе слагаемое есть ускорение, которое сообщает Солнце Земле, как непритягиваю­щему телу.

Следовательно, возмущающее ускорение, которое получает КА при движении относительно Земли - это разность двух слагаемых.

Так как r_c>>r, то в первом слагаемом можно пренебречь r. Следо­ва­тельно

| r_c - r| = Ц((x_c-x)²+(y_c-y)²+(z_c-z)²)

где x_c, y_c, z_c - проекции радиуса-вектора Солнца на оси абсолют­ной сис­темы координат.

Моделирование движения Солнца проводилось следующим об­ра­зом: за некоторый промежуток времени t Солнце относительно Земли сместится на угол J = J_н + w_ct,

где J_н = W + (90 - D) - начальное положение Солнца в эклиптиче­ской системе коор­динат.

W = 28,1° - долгота восходящего узла первого витка КА.

D = 30° - угол между восходящим узлом орбиты КА и терминато­ром.

w_c - угловая скорость Солнца относительно Земли.

w_c = 2p/T = 2p/365,2422ґ24ґ3600 = 1,991ґ10^-7 рад/c = 1,14ґ10^-5 °/c

Таким образом, в эклиптической системе координат проекции составляют:

x_c^e = r_ccosJ

y_c^e = r_csinJ

z_c^e = 0

r_c = 1,496ґ10¹¹ м (1 астрономическая единица) - расстояние от Земли до Солнца

Плоскость эклиптики наклонена к плоскости экватора на угол e = 23,45°, проекции r_c на оси абсолютной системы координат можно найти как

x_c = x_c^e = r_ccosJ

y_c^e = y_c^ecose = r_ccosJcose

z_c^e = r_csinJsine

Таким образом, проекции возмущающего ускорения на оси абсо­лютной системы координат:

a_xc = - m_cx/(Ц((x_c-x)²+(y_c-y)²+(z_c-z)²))³

a_yc = - m_cy/(Ц((x_c-x)²+(y_c-y)²+(z_c-z)²))³

a_zc = - m_cz/(Ц((x_c-x)²+(y_c-y)²+(z_c-z)²))³

С учетом солнечного давления

a_xc = - (m_c-Dm_c)x/(Ц((x_c-x)²+(y_c-y)²+(z_c-z)²))³

a_yc = - (m_c-Dm_c)y/(Ц((x_c-x)²+(y_c-y)²+(z_c-z)²))³

a_zc = - (m_c-Dm_c)z/(Ц((x_c-x)²+(y_c-y)²+(z_c-z)²))³

5) Возмущающее ускорение, возникающее из-за влияния Луны.

Уравнение движения КА в абсолютной системе координат OXYZ относительно Земли при воздействии Луны:

где m_л = 4,902ґ10⁶ м³/c²- постоянная тяготения Луны.

r_л - радиус-вектор от Земли до Луны.

Таким образом, возмущающее ускорение, возникающее из-за влияния Луны:

Так как r_л>>r, то в первом слагаемом можно пренебречь r. Следо­ва­тельно

|r_л - r| = Ц((x_л-x)²+(y_л-y)²+(z_л-z)²)

где x_л, y_л, z_л - проекции радиуса-вектора Луны на оси абсолютной системы координат.

Движение Луны учитывается следующим образом: положение Луны в каждый момент времени рассчитывается в соответствии с данными астрономического ежегодника. Все данные заносятся в массив, и далее этот массив считается программой моделирования движения КА. В первом приближении принимается:

- орбита Луны - круговая.

- угол наклона плоскости орбиты Луны к плоскости эклиптики i = 5,15°.

- период обращения линии пересечения плоскостей лунной ор­биты и эклиптики (по ходу часовой стрелки, если смотреть с север­ного полюса) = 18,6 года.

Угол между плоскостями экватора Земли и орбиты Луны можно найти по формуле

cos(h_л) = cos(e)cos(i) - sin(e)sin(i)cos(W_л)

где W_л - долгота восходящего узла лунной орбиты, отсчитыва­ется от направления на точку весеннего равноденствия.

e - угол между плоскостями эклиптики и экватора Земли.

Величина h_л колеблется с периодом 18,6 лет между минимумом при h_л = e - i = 18°18’ и максимумом при h_л = e + i = 28°36’ при W = 0.

Долгота восходящего узла лунной орбиты W_л изменяется с тече­нием времени t на величину W_л = tґ360/18,6ґ365,2422ґ24ґ3600.

Положение Луны на орбите во время t определяется углом

J _л = tґ360/27,32ґ24ґ3600.

По формулам перехода найдем проекции вектора положения Луны на оси абсолютной системы координат:

x_л = r_л(cosJ_лcosW_л - cosh_лsinJ_лsinW_л)

y_л = r_л(cosJ_лsinW_л + cosh_лsinJ_лcosW_л)

z_л = r_лsinh_лsinJ_л

r_л = 3,844ґ10⁸ м - среднее расстояние от Земли до Луны

Таким образом, проекции возмущающего ускорения на оси абсо­лютной системы координат:

a_xл = - m_лx/(Ц((x_л!-x)²+(y_л-y)²+(z_л-z)²))³

a_yл = - m_лy/(Ц((x_л!-x)²+(y_л-y)²+(z_л-z)²))³

a_zл = - m_лz/(Ц((x_л!-x)²+(y_л-y)²+(z_л-z)²))³

Уравнения возмущенного движения при действии корректирую­щего ускорения имеют вид:

или

d²x/dt² = - (m_z/r²)x + a_xu + a_xa + a_xc + a_xл + a_xк

d²y/dt² = - (m_z/r²)y + a_yu + a_ya + a_yc + a_yл + a_yк

d²z/dt² = - (m_z/r²)z + a_zu + a_za + a_zc + a_zл + a_zк

2.4.3. РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ ТЕКУЩЕЙ ОРБИТЫ КА

Полученная система уравнений движения ЦМ КА интегрируется методом Рунге-Кутта 5-го порядка с переменным шагом. Началь­ные условия x₀, y₀, z₀, V_x0, V_y0, V_z0 - в абсолютной системе коорди­нат, соответствуют началь­ной точке вывода при учете ошибок вы­ведения. После интегриро­вания мы получаем вектор состояния КА (x, y, z, V_x, V_y, V_z) в любой момент вре­мени.

По вектору состояния можно рассчитать параметры орбиты. со­ответствующие этому вектору состояния.

а) Фокальный параметр - р.

р = C²/m_z, где С - интеграл площадей.

C = r ґ V, |C| = C = Ц(C_x²+C_y²+C_z²)

C_x = yV_z - zV_y

C_y = zV_x - xV_z - проекции на оси абсолютной СК

C_z = xV_y - yV_x

б) Эксцентриситет - е.

e = f/m_z, где f - вектор Лапласа

f = V ґ C - m_zr/r, |f| = f = Ц(f_x²+f_y²+f_z²)

f_x = V_yC_z - V_zC_y - m_zx/r

f_y = V_zC_x - V_xC_z - m_zy/r - проекции на оси абсолютной СК

f_z = V_xC_y - V_yC_x - m_zz/r

в) Большая полуось орбиты.

a = p/(1 - e²)

г) Наклонение орбиты - i.

C_x = Csin(i)sinW

C_y = - Csin(i)cosW

C_z = Ccos(i)

можно найти наклонение i = arccos(C_z/C)

д) Долгота восходящего узла - W.

Из предыдущей системы можно найти

sinW = C_x/Csin(i)

cosW = - C_y/Csin(i)

Так как наклонение орбиты изменяется несильно в районе i = 97,6°, мы имеем право делить на sin(i).

Если sinW => 0, W = arccos (-C_y/Csin(i))

Если sinW < 0, W = 360 - arccos (-C_y/Csin(i))

е) Аргумент перицентра - w.

f_x = f(coswcosW - sinwsinWcos(i))

f_y = f(coswsinW + sinwcosWcos(i))

f_z = fsinwsin(i)

Отсюда найдем

cosw = f_xcosW/f + f_ysinW/f

sinw = f_z/fsin(i)

Если sinw > 0, w = arccos (f_xcosW/f + f_ysinW/f)

Если sinw < 0, w = 360 - arccos (f_xcosW/f + f_ysinW/f)

ж) Период обращения - Т.

T = 2pЦ(a³/m_z)

Графики изменения элементов орбиты при действии всех, рас­смотренных выше, возмущающих ускорений в течение 2-х перио­дов (Т = 5765 с) приведены на рис. 1-12.

Графики изменения во времени возмущающих ускорений приве­дены на рис. 13-18.

2.5. ПРОВЕДЕНИЕ КОРРЕКЦИИ ТРАЕКТОРИИ МКА

Существующие ограничения на точки старта РН и зоны падения отработавших ступеней РН, а также ошибки выведения не позво­ляют сразу же после пуска реализовать рабочую орбиту. Кроме того, эволюция параметров орбит под действием возмущающих ус­корений в процессе полета МКА приводит к отклонению парамет­ров орбиты КА от требуемых значений. Для компенсации воздей­ст­вия указанных факторов осуществляется коррекция орбиты с по­мощью корректирующей двигательной установки (КДУ), которая располагается на борту МКА.

В данной работе проведена разработка алгоритма коррекции, моделирование процесса коррекции и расчет топлива, необходи­мого для проведения коррекции.

Из-за различных причин возникновения отклонений элементов орбиты проводится:

- коррекция приведения - ликвидация ошибок выведения и при­ве­дение фактической орбиты к номинальной с заданной точно­стью.

- коррекция поддержания - ликвидация отклонений параметров орбиты от номинальных, возникающих из-за действия возмущаю­щих ускорений в процессе полета.

Для того, чтобы орбита отвечала заданным требованиям, откло­нения параметров задаются следующим образом:

- максимальное отклонение наклонения орбиты Di = 0,1°

- предельное суточное смещение КА по долготе Dl = 0,1°

Следовательно, максимальное отклонение периода орбиты DT = 1,6 сек.

Алгоритм коррекции следующий:

1) Коррекция приведения.

2) Коррекция поддержания.

2.5.1. КОРРЕКЦИЯ ПРИВЕДЕНИЯ

После окончания процесса выведения МКА, проводятся внешне-траекторные измерения (ВТИ). Эти измерения обеспечивают, по баллистическим расчетам, знание вектора состояния с требуемой точностью через 2 суток. После этого начинается коррекция приве­дения.

Предложена следующая схема проведения коррекции:

а) Коррекция периода.

б) Коррекция наклонения.

Корректирующий импульс прикладывается в апсидальных точ­ках, либо на линии узлов в течение 20 сек и происходит исправле­ние одного параметра орбиты. Таким образом используется одно­пара­метрическая, непрерывная коррекция.

а) Коррекция периода.

Осуществляется в два этапа:

- коррекция перицентра

- коррекция апоцентра

Сначала осуществляется коррекция перицентра - приведение те­кущего расстояния до перицентра r_p к номинальному радиусу r_н = 6952137 м. По­сле измерения вектора состояния рассчитываются параметры ор­биты. Далее определяется нужный корректирующий импульс DV_к. На­правление импульса (тормозящий или разгоняю­щий) зависит от взаимного расположения перицентра орбиты и радиуса номиналь­ной орбиты. Для этого вычисляется Dr_p = r_p - r_н.

Возможны ситуации:

1) Dr_p < 0 - прикладывается разгоняющий импульс

2) Dr_p > 0 - прикладывается тормозящий импульс

КА долетает до апоцентра и в апоцентре прикладывается кор­рек­тирующий импульс. Время работы КДУ - 20 сек.

Так как время работы КДУ ограничено, а DV_к может быть боль­шим, следовательно, далее рассчитывается максимальный импульс скоро­сти DV_max за 20 сек работы двигателя:

DV_max = Pt/m = 25ґ20/597 = 0,8375 м/с

Если DV_к > DV_max в апоцентре прикладывается импульс DV_к = DV_max. В результате этого r_p немного корректируется. На следую­щем витке опять рассчитыва­ется DV_к, и если на этот раз DV_к < DV_max, в апоцентре прикладывается импульс DV_к. КДУ включается не на полную мощность P = (DV_к/DV_max)P_max.

Время включения = 20 сек.

Это происходит до тех пор, пока не приблизится к r_p с заданной точностью.

После того, как скорректирован перицентр, начинается коррек­ция апоцентра. Рассчитываются параметры орбиты и нужный кор­ректирующий импульс, такой, чтобы r_a = r_н = 6952137 м. Направле­ние корректи­рующего импульса также зависит от величин r_a и r_н.

Вычисляется Dr_a = r_a - r_н.

Возможна ситуация:

Dr_a > 0 - в перицентре прикладывается тормозящий импульс.

КА долетает до перицентра и в перицентре прикладывается кор­ректирующий импульс. Время работы КДУ - 20 сек.

Так как время работы КДУ ограничено, а DV_к может быть боль­шим, следовательно, далее рассчитывается максимальный импульс скоро­сти DV_max за 20 сек работы двигателя:

DV_max = Pt/m = 25ґ20/597 = 0,8375 м/с

Если DV_к > DV_max, в перицентре прикладывается импульс DV_к = DV_max. В результате этого немного корректируется r_a. На следую­щем витке опять рассчитыва­ется DV_к, и если на этот раз DV_к < DV_max, в перицентре прикладывается импульс DV_к. КДУ включается не на полную мощность P = (DV_к/DV_max)P_max.

Время включения = 20 сек.

Это происходит до тех пор, пока r_a не приблизится к r_н с задан­ной точностью.

Таким образом осуществляется коррекция перехода.

б) Коррекция наклонения.

После коррекции периода проводятся внешне-траекторные изме­рения и получают вектор состояния КА. Если снова необходима коррекция периода ее проводят еще раз и снова измеряют вектор состояния КА.

Далее проводится коррекция наклонения по такой же схеме. Кор­рекция производится в точке пересечения орбиты КА с линией уз­лов.

После того, как рассчитаны корректирующие импульсы скоро­сти, по формулам перехода проекции вектора на оси абсолютной сис­темы координат. Далее рассчитывается корректирующее уско­рение и подставляется в уравнения движения центра масс КА. По­сле этого уравнения интегрируются методом Рунге-Кутта 5-го по­рядка с пе­ременным шагом.

Графики изменения элементов орбиты в процессе коррекции при­ведения приведены на рис.19-30.

2.5.2. РАСЧЕТ ПОТРЕБНОГО ТОПЛИВА

Масса топлива, необходимого для проведения коррекции траек­тории рассчитывается по формуле Циолковского:

m = m₀(1 - e^-DVк/W)

m₀ = 597 кг - начальная масса МКА (кг)

W = 2200 м/с - скорость истечения газов из сопла двигателя.

Результаты проведения коррекции приведения:

2.5.3.КОРРЕКЦИЯ ПОДДЕРЖАНИЯ

Основная задача МКА - проведение съемки определенных рай­онов Земли по крайней мере один раз в сутки, т.е. трасса КА должна проходить над заданным районом каждые сутки.

Требования для проведения коррекции:

- предельное суточное смещение орбиты по долготе Di = 0,1°

- предельное отклонение наклонения Dl = 0,1°.

В пересчете отклонения Dl на отклонение по периоду получим:

DT = 1,597 сек. - максимальное отклонение по периоду.

При помощи программы моделирования было просчитано 3 ме­сяца и получено, что средний период изменился на 3,2 сек, а накло­нение - на 0,001°.

Таким образом, коррекцию периода надо делать примерно 1 раз в 1,5 мес.

Нужный импульс скорости - 1 м/с за время активного существо­вания - 5 лет - коррекцию периода надо провести 40 раз, DV = 40 м/с, масса топ­лива = 10,8 кг.

За 5 лет Di = 0,02° - коррекцию наклонения проводить не надо.

Графики изменения элементов орбиты за 3 месяца приведены на рис.31-42.

2.6. ДВИЖЕНИЕ МКА ОТНОСИТЕЛЬНО ЦЕНТРА МАСС

2.6.1. УРАВНЕНИЯ ДВИЖЕНИЯ ОТНОСИТЕЛЬНО ЦМ КА

При рассмотрении движения относительно ЦМ КА используют уравнения Эйлера:

J_xw_x + (J_z-J_y)w_yw_z = M_xy + M_xв

J_yw_y + (J_x-J_z)w_xw_z = M_yy + M_yв

J_zw_z + (J_y-J_x)w_yw_x = M_zy + M_zв

где J_x, J_y, J_z - главные моменты инерции,

M_y - управляющий момент,

M_в - возмущающий момент.

Так как угловые скорости КА малы, следовательно, можно пре­небречь произведением угловых скоростей, значит, уравнения Эй­лера имеют вид:

J_xw_x = M_xy + M_xв

J_yw_y = M_yy + M_yв

J_zw_z = M_zy + M_zв

Главные моменты инерции:

J_x = 532 кгґм², J_y = 563 кгґм², J_z = 697 кгґм².

Центробежные моменты инерции принимаются равными 0.

Возмущающий момент M_в возникает из-за того, что двигатель коррекции расположен не в центре масс КА, и реактивная тяга, ли­ния действия которой находится на удалении (плече) l от центра масс КА, создает паразитный крутящий момент M_в.

M_в = Pґl,

где P = 25 H - тяга корректирующего двигателя,

l = 4 мм - плечо.

Таким образом, M_в = 25ґ0,0004 = 0,1 Нм.

2.6.2. СТАБИЛИЗАЦИЯ УГЛОВОГО ПОЛОЖЕНИЯ ПРИ КОРРЕКЦИИ

Основное требование, предъявляемое в этом режиме:

- точность поддержания направления импульса коррекции - не хуже 1 угл.мин.

Целью данной главы является исследование динамики системы при стабилизации углового положения при коррекции.

Функциональная схема МКА состоит из следующих эелементов:

1) МКА - малый космический аппарат.

МКА описывается как абсолютно твердое тело.

2) ДУС - датчик угловой скорости.

В качестве ДУС используется командный гироскопический при­бор. Он описывается колебательным звеном с параметрами T = 1/30 c^-1 и e = 0,7, а также нелинейным звеном с насыщением 2°/сек.

3) АЦП - аналогово-цифровой преобразователь.

Преобразует аналоговый сигнал с ДУС в цифровой сигнал.

4) ЦАП - цифро-аналоговый преобразователь.

Преобразует цифровой сигнал с ЦВМ в аналоговый.

5) ШИМ - широтно-импульсный модулятор.

Предназначен для формирования скважности импульсов управ­ления двигателем стабилизации, пропорциональной управляю­щему напряжению. В этом случае мы имеем среднее значение управляющего момента, пропорциональное управляющему сиг­налу.

Так как динамика ЦАП, АЦП, ШИМ как электронных аналого­вых приборов оказывает на систему незначительное влияние по сравнению с динамикой механических (ДУС, двигатели) динамиче­ские звенья, описывающие эти элементы, можно заменить соответ­ствующими коэффициентами усиления. В первом приближении значения коэффициентов не принципиально.

6) Двигатель стабилизации.

Двигатель описывается нелинейностью с насыщением 0,127 Нм и звеном запаздывания с Т_д = 0,05 сек.

Тяга двигателя 0,1 Н

7) ЦВМ.

В ЦВМ формируется управление по углу и угловой скорости. За­кон управления имеет вид:

e = K(K₁j +K₂j), К = 1, К₁ = 550, К₂ = 430.

Эти коэффициенты подбирались на модели, исходя из требова­ний точности поддержания направления корректирующего им­пульса, а также длительности переходного процесса.

Система была промоделирована по каналу х. Для других каналов схемы моделирования будут аналогичными.

Для разомкнутой системы были по­строены ЛАЧХ и ФЧХ. Эти графики представлены на рис.43.

Результаты моделирования замкнутой системы представ­лены на рис.44-46.

Таким образом, в результате моделирования получено, что про­цесс стабилизации углового положения происходит примерно за 15 сек., статическая точность поддержания углового положения - 0,62 угл.мин., что полностью удовлетворяет требованиям технического задания.

3. ОРГАНИЗАЦИОННО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

3.1. ОРГАНИЗАЦИЯ И ПЛАНИРОВАНИЕ ВЫПОЛНЕНИЯ ТЕМЫ

Сроки выполнения и затраты на исследования в большой мере зависят от организационных условий выполнения исследовательских работ Поэтому необходимо в первую очередь определить, хотя бы в общем виде, порядок и организацию проведения дипломной работы по заданной теме.

Организация дипломной работы по любой теме складывается из определённых этапов и подэтапов, каждый из которых хотя и может иметь разное содержание, однако структурно занимает равное положение для всех дипломных работ, выполняемых в данной отрасли.

Таким образом, структура дипломной работы может быть сформирована по типовой схеме, упорядоченной в соответствии с конкретным видом исследования. Состав дипломной работы по заданной теме, а также потребные категории исследований по этапам и подэтапам представлены в табл.1.

3.2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЗАТРАТ ТРУДА

Первым шагом при определении себестоимости программного комплекса является расчет трудоемкости создания и внедрения. Расчет производится по методике, приведенной в документе «Типовые нормы времени на программирование задач для ЭВМ». Типовые нормы времени предназначены для определения затрат времени на разработку программных средств вычислительной техники (ПСВТ).

Исходными данными для расчета трудоемкости, при разработке программы являются:

Количество разновидностей форм входной информации - 2,

в том числе:

информации, получаемой от решения смежных задач - 1,

справочной, условно постоянной информации (файл инициализации) - 1;

Количество разновидностей форм выходной информации - 2,

в том числе:

печатных документов (временные диаграммы) - 1,

информации, наносимой на магнитные носители (файл инициализации) - 1;

Степень новизны комплекса задач - Г (разработка программной продукции, основанной на привязке типовых проектных решений).

Сложность алгоритма - 3 (реализуются стандартные методы решения, не предусмотрено применение сложных численных и логических методов).

Вид используемой информации:

количество разновидностей форм переменной информации (ПИ) - 1, в том числе: информации, получаемой от решения смежных задач - 1;

количество разновидностей форм нормативно-справочной информации (НСИ) (файл инициализации) - 1;

Язык программирования - Borland С++.

Вид представления исходной информации - группа 11 (требуется учитывать взаимовлияние различных показателей).

Вид представления выходной информации - группа 22 (вывод информационных массивов на машинные носители).

Трудоемкость разработки программного продукта t_пп может быть определена как сумма величин трудоемкостей выполнения отдельных стадий разработки программного продукта.

t_пп = t_тз + t_эп + t_тп + t_рп + t_в,

где t_тз - трудоемкость разработки технического задания на создание программного продукта,

t_эп - трудоемкость разработки эскизного проекта программного продукта,

t_тп - трудоемкость разработки технического проекта программного продукта,

t_рп - трудоемкость разработки рабочего проекта программного продукта,

t_в - трудоемкость внедрения программного продукта.

Трудоемкость разработки технического задания рассчитывается по формуле

t_тз = Т^з_рз + Т^з_рп,

где Т^з_рз - затраты времени разработчика постановки задач на разработку ТЗ, чел.-дни,

Т^з_рп - затраты времени разработчика программного обеспечения на разработку ТЗ, чел.-дни.

Значения Т^з_рз и Т^з_рп рассчитываются по формуле

Т^з_рз = t_зК^з_рз, Т^з_рп = t_зК^з_рп,

где t_з - норма времени на разработку ТЗ для программного продукта в зависимости от функционального назначения и степени новизны разрабатываемового программного продукта, чел.-дни (t_з = 29),

К^з_рз - коэффициент, учитывающий удельный вес трудоемкости работ, выполняемых разработчиком постановки задач на стадии ТЗ (К^з_рз = 0,65),

К^з_рп - коэффициент, учитывающий удельный вес трудоемкости работ, выполняемых разработчиком программного обеспечения на стадии ТЗ (К^з_рп = 0,35).

Т^з_рз = 29*0,65 = 18,85 чел.-дней.

Т^з_рз = 29*0,35 = 10,15 чел.-дней.

t_тз = Т^з_рз + Т^з_рп =18,85 + 10,15 = 29 чел.-дней.

Трудоемкость разработки эскизного проекта рассчитывается по формуле

t_эп = Т^э_рз + Т^э_рп,

где Т^э_рз - затраты времени разработчика постановки задач на разработку ЭП, чел.-дни,

Т^э_рп - затраты времени разработчика программного обеспечения на разработку ЭП, чел.-дни.

Значения Т^з_рз и Т^з_рп рассчитываются по формуле

Т^э_рз = t_эК^э_рз, Т^э_рп = t_эК^э_рп,

где t_э - норма времени на разработку ЭП для программного продукта в зависимости от функционального назначения и степени новизны разрабатываемового программного продукта, чел.-дни (t_э = 41),

К^э_рз - коэффициент, учитывающий удельный вес трудоемкости работ, выполняемых разработчиком постановки задач на стадии ЭП (К^э_рз = 0,7),

К^э_рп - коэффициент, учитывающий удельный вес трудоемкости работ, выполняемых разработчиком программного обеспечения на стадии ЭП (К^э_рп = 0,3).

Т^з_рз = 41*0,7 = 28,7 чел.-дней.

Т^з_рз = 41*0,3 = 12,3 чел.-дней.

tэ_п = Т^з_рз + Т^з_рп = 28,7 + 12,3 = 41 чел.-дней.

Трудоемкость разработки технического проекта зависит от функционального назначения программного продукта, количества разновидностей входной и выходной информации и определяется как сумма времени, затраченного разработчиком постановки задач и разработчиком программного обеспечения:

t_тп = (t^т_рз + t^т_рп)К_вК_р,

где t^п_рз, t^п_рп - норма времени на разработку ТП разработчиком постановки задач и разработчиком программного обеспечения соответственно, чел.-дни (t^т_рз = 9, t^т_рп = 8),

К_в - коэффициент учета вида используемой информации,

К_р - коэффициент учета режима обработки информации (К_р = 1,1).

Значение коэффициента К_в определяется по формуле

К_в = (К_пn_п + К_нсn_нс + К_бn_б)/(n_п + n_нс + n_б),

где К_п, К_нс, К_б - значения коэффициентов учета вида используемой информации для переменной, нормативно-справочной информации и баз данных соответственно (К_п = 0,5, К_нс = 0,43, К_б = 1,25),

n_п, n_нс, n_б - количество наборов данных переменной, нормативно-справочной информации и баз данных соответственно (n_п = 1, n_нс = 1, n_б = 0).

К_в = (0,5 + 0,43)/2 = 0,465

t_тп = (8 + 9)*0,465*1,1 = 8,6955 чел.-дней.

Трудоемкость разработки рабочего проекта зависит от функционального назначения программного продукта, количества разновидностей входной и выходной информации, сложности алгоритма функционирования, сложности контроля информации, степени использования готовых программных модулей и рассчитывается по формуле

t_рп = (t^р_рз + t^р_рп)К_кК_рК_яК_зК_иа,

где t^р_рз, t^р_рп - норма времени на разработку РП разработчиком постановки задач и разработчиком программного обеспечения соответственно, чел.-дни (t^р_рз = 5, t^р_рп = 27),

К_к - коэффициент учета сложности контроля информации (К_к = 1,07),

К_я - коэффициент учета уровня используемового языка программирования (К_я = 1,0),

К_з - коэффициент учета степени использования готовых программных модулей (К_з = 0,8),

К_иа - коэффициент учета вида используемой информации, и сложности алгоритма программного продукта.

Значение коэффициента К_иа определяется по формуле

К_иа = (К’_пn_п + К’_нсn_нс + К’_бn_б)/(n_п + n_нс + n_б),

где К’_п, К’_нс, К’_б - значения коэффициентов учета сложности алгоритма программного продукта и вида используемой информации для переменной, нормативно-справочной информации и баз данных соответственно (К’_п = 0,48, К’_нс = 0,29, К’_б = 0,24),

n_п, n_нс, n_б - количество наборов данных переменной, нормативно-справочной информации и баз данных соответственно (n_п = 1, n_нс = 1, n_б = 0).

К_иа = (0,48 + 0,29)/2 = 0,385

t_рп = (5 + 27)*1,07*1,1*0,8*0,385 = 11,6 чел.-дней.

Трудоемкость внедрения может быть рассчитана по формуле:

t_в = (t^в_рз + t^в_рп) К_кК_рК_з,

где t^в_рз, t^в_рп - норма времени на внедрение программного продукта разработчиком постановки задач и разработчиком программного обеспечения соответственно, чел.-дни (t^в_рз = 8, t^в_рп = 24).

t_тп = (8 + 24)*0,8*1,07 = 27,392 чел.-дней.

t_пп = 29 + 41 + 8,6955 + 11,6 + 27,392 = 117,6875 чел.-дней.

Продолжительность выполнения всех работ по этапам разработки программного продукта рассчитывается по формуле

T_i = (t_i + Q)/n_i,

где t_i - трудоемкость i-й работы, чел.-дни,

Q - трудоемкость дополнительных работ, выполняемых исполнителем, чел.-дни,

n_i - количество исполнителей, выполняющих i-ю работу, чел.

T_тз = t_тз/2 = 29/2 = 14,5 (15) дней

T_эп = t_эп/2 = 41/2 = 20,5 (21) дней

T_тп = t_тп = 8,6955 (9) дней

T_рп = t_рп/2 = 11,6/2 = 5,8 (6) дней

T_в = t_в = 27,392 (28) дней

T_пп = SТ_i = 15 + 21 + 9 + 6 + 28 = 79 дней.

3.3. РАСЧЕТ СМЕТЫ ЗАТРАТ НА РАЗРАБОТКУ ПРОГРАММНОГО ПРОДУКТА

Смета затрат на выполнение работ составляется по калькуляционным статьям. В общем случае статьи, учитывающие расходы, следующие:

1. Материалы (суммарные затраты на материалы, приобретаемые для разработки программного продукта).

2. Специальные оборудование (суммарные расходы на аренду приборов, требуемых для разработки программного продукта).

3. Основная заработная плата производственного персонала.

4. Дополнительная заработная плата.

5. Отчисление на социальное страхование.

6. Накладные расходы.

7. Производственные командировки.

8. Контрагентские расходы.

Однако затраты, связанные с разработкой программного обеспечения, носят специфический характер. Расходы по статьям 7, 8 обычно крайне незначительны. Статьи 1, 2 связаны с расходами на использование ЭВМ. Эти расходы определяются, исходя из затрат машинного времени и стоимости часа работ ЭВМ, а также стоимости необходимых материалов и покупных изделий, необходимых при работе на ЭВМ.

В результате можно определить следующие статьи расходов на разработку программного продукта:

1. Стоимость машинного времени, затраченного на разработку.

2. Стоимость материалов и покупных изделий.

3. Основная заработная плата исполнителей.

4. Дополнительная заработная плата.

5. Отчисление на социальное страхование.

6. Накладные расходы.

Расчет стоимости затраченного машинного времени.

С_эвм = t^эвмК^эвм_иЦ^эвмК^эвм_бдК^эвм_э,

где t^эвм - время использования ЭВМ для создания данного программного продукта, час (t^эвм = 10).

К^эвм_и - поправочный коэффициент учета времени использования ЭВМ (К^эвм_и= 0,6).

Ц^эвм - цена одного часа работы ЭВМ, руб (на январь 1997 года 8000 рублей).

К^эвм_бд - коэффициент учета степени использования СУБД (К^эвм_бд = 1,0).

К^эвм_э - коэффициент учета быстодействия ЭВМ (К^эвм_и= 1,2).

С_эвм = 10*0,6*1,2*8000 = 57600 рублей.

Расчет затрат на материалы.

В процессе разработки программного изделия используются следующие материалы:

бумага формата А4 в количестве 500 листов общей стоимости 60000 рублей.

дискеты 3,5 дюйма в количестве 2 штук по цене 5000 рублей за штуку.

С_м = 60000 + 5000*2 = 70000 рублей.

Таблица 4.2. Расходные материалы.

Расчет основной заработной платы исполнителя.

С_зо = Sз_it_i/d,

где з_i - средняя заработная плата i-го исполнителя (300000 рублей в месяц),

t_i - трудоемкость работ, выполняемых i-м исполнителем (чел.-дни),

d - среднее количество рабочих дней в месяце (d = 22).

С_зо = 79*300000/22 = 1077300 рублей.

Расчет дополнительной заработной платы.

В статье “дополнительная заработная плата” учитываются выплаты, предусмотренные законодательством о труде и коллективными договорами за непроработанное на производстве время.

Дополнительная заработная плата определяется по установленному нормативу от основной заработной платы по формуле

С_зд = С_зоa,

где a - коэффициент дополнительной заработной платы, a = 0,2.

С_зд = 1077300*0,2 = 215500 рублей.

Расчет отчислений на социальное страхование.

В статью “отчисления на социальное страхование” включено отчисление по единому установленному нормативу от суммы основной и дополнительной заработной платы.

Размер отчислений вычисляется по формуле

С_сс = (С_зд + С_зо)a_сс,

где a_сс - коэффициент, устанавливающий отчисление на социальное страхование и в фонд стабилизации, a_сс = 0,4.

С_сс = (1077300 + 215500)*0,4 = 517120 рублей.

Расчет накладных расходов.

В статье “накладные расходы” учитываются командировочные расходы, оплата подъемных при перемещениях, арендная плата, оплата услуг сторонних организаций.

С_н = С_зоa_н,

где a_н - коэффициент накладных расходов, a_н = 1,8.

С_н = 1,8*1077300 = 1939140 рублей

Расчет суммарных расходов.

С = С_эвм + С_м + С_зо + С_зд + С_сс + С_н =

= 57,6 +70 + 1077,3 + 215,5 + 517,12 + 1939,14 = 3876,66 тыс.рублей.

Смета затрат на разработку программного продукта приведена в таблице 4.3.

Таблица 4.3.

4. ПРОМЫШЛЕННАЯ ЭКОЛОГИЯ И БЕЗОПАСНОСТЬ

4.1. ВВЕДЕНИЕ

В результате развития производственных сил общества возник­ла проблема взаимодействия человека и машины. Охрана труда и эргономика позволяют с научной точки зрения подойти к этой проблеме, способствуют изучению влияния окружающей среды на человека, который непосредственно контактирует с ЭВМ, опреде­лению вредных и опасных производственных факторов, разраба­тывают организационно-технические мероприятия, направленные на профилактику профессиональных заболеваний, создавая здоровые и безопасные условия труда для работающего.

Предметом исследования эргономики в этой области стало согласование психо-физических возможностей человека со свойствами современных технических систем. Только в этом случае можно рассчитывать на высокое качество и эффективность его труда. Особую актуальность эта проблема приобретает в связи с возросшим культурным уровнем современного персонала, предъявляюшего повышенные требования к содержанию и условиям труда на рабочем месте (РМ).

Под рабочим местом в эргатических системах (ЭС) согласно ГОСТ 26387-84 понимается «часть пространства в системе человек-машина (СЧМ), оснащенная средствами отображения информации, органами управления, вспомогательным оборудованием и предназначенная для осуществления деятельности оператора СЧМ». Соответственно среда на РМ определяется этим же ГОСТом как «совокупность физических, химических и психологических факторов, воздействующих на оператора СЧМ, на его РМ в ходе его деятельности». 

4.2. АНАЛИЗ ВРЕДНЫХ ФАКТОРОВ  

Нормальная и безопасная работа инженера-программиста за экраном дисплея во многом зависит от того, в какой мере условия его работы соответствуют оптимальным. При этом под условиями работы подразумевают комплекс физических, химических, биологических и психофизических факторов, установленных стандартами по безопасности труда (ССТБ).

К физическим факторам относятся:

- вибрация и шум из-за движущихся машин, механизмов и их элементов, запыленность и загазованность воздуха, температура поверхностей оборудования, материалов и воздуха;

- плотность воздуха, ее резкое изменение, подвижность и ионизация воздуха;

- ионизирующие и электромагнитные излучения, статические заряды и повышение напряжения в цепи, электрические и магнитные поля;

- отсутствие или недостаток естественного света, повышенная или пониженная освещенность, яркость и контрастность, блесткость поверхности, пульсация светового потока;

- ультрафиолетовое или инфракрасное излучение.

К химическим факторам относятся:

- общетоксические, раздражающие, сенсибилизирующие, канцерогенные, мутагенные;

- действующие через дыхательные пути, пищеварительную систему, кожный покров.

К биологическим факторам относятся:

- микроорганизмы (бактерии, вирусы, грибы и т.д.);

- макроорганизмы (растения и животные). 

К психофизическим факторам относятся перегрузки:

- физические (статические, динамические, гиподинамия);

- нервно-психические (умственное перенапряжение, монотонность труда, эмоциональные перегрузки). 

При проектировании рабочего места инженера-программиста необходимо учитывать и нормировать все указанные группы факторов, поскольку при определенных условиях они могут вызвать нежелательные функциональные сдвиги в организме оператора, снизить качество и эффективность его работы, оказать отрицательное влияние на его здоровье.  

Наиболее значительным фактором является микроклимат, особенно температура и влажность воздуха. Исследования показывают, что высокая температура в сочетании с высокой влажностью воздуха оказывают большое влияние на работоспособность человека. Резко увеличивается время сенсорных и моторных реакций, нарушается координация движений, увеличивается количество ошибок. Высокая температура отрицательно сказывается и на ряде психологических функций человека. Уменьшается объем оперативной памяти, резко суживается способность к ассоциациям. При +11⁰С начинается окоченение конечностей, такая температура минимально допустима. Наиболее благоприятный диапазон температур в летнее время от +18⁰С до +24⁰С, в зимнее время от +17⁰ до +22⁰С.

Движение воздуха позволяет увеличить рабочий диапазон температур. Так при скорости движения воздуха 0.1, 0.5, 0.9 м/с верхняя допустимая граница рабочего диапазона сдвигается соответственно до +22⁰, +24⁰, +26⁰С при интенсивном расходе энергии человеком порядка 1000 Дж/ч.

Атмосферное давление в пределах 80-106 кПа легко переносимо человеком. При давлениях, выходящих за эти пределы, человеку требуется предварительная акклиматизация. 

Результаты работы инженера-программмиста в большой степени зависят и от освещенности рабочего места. Чтобы правильно спланировать рациональную систему освещения, необходимо учитывать яркость источников света, их расположение в помещении, яркостной контраст между устройствами ЭВМ и фоном, блесткость поверхностей, качество и цвет светильников и поверхностей. Для малой и средней контрастности поверхностей ЭВМ при темном фоне наименьший уровень освещенности должен быть 150 лк. Для большой контрастности при светлом или темном фоне наименьший уровень освещенности 100 лк. 

В помещениях, где эксплуатируют ЭВМ, необходимо предусматривать систему искусственного освещения из люминисцентных ламп дневного света или ламп накаливания. Существуют прямая, отраженная и диффузная системы искусственного освещения. При прямом освещении свет попадает на объект непосредственно от источников света. При этом 90-100% мощности светильника направлено на рабочую поверхность, что вызывает яркостные контрасты, резкие тени и блесткость (свойство ярко освещенной поверхности вызывать ослепление или дезадаптацию наблюдателя). При освещении отраженным светом 90-100% света направляется на потолок и верхнюю часть стен, от которых свет более или менее равномерно отражается по всему помещению. При этом достигается равная освещенность без теней и блесткости. Диффузное освещение обеспечивает рассеянный свет, одинаково распределенный по всем направлениям. Такая система освещения требует меньшей мощности, чем две предыдущие, но вызывает частичное образоование теней и блесткости.

Кроме освещенности, большое влияние на деятельность человека оказывает цвет окраски помещения и спектральные характеристики используемого цвета. Рекомендуется, чтобы потолок отражал 80-90%, стены - 50-60%, панели - 15-20%, а пол - 15-30% падающего на них света. Кроме того, цвет обладает некоторым психологическим и физиологическим действием. Так, например, применение тонов теплой гаммы (красный, оранжевый, желтый) создает впечатление бодрости, возбуждения и замедленного течения времени. Эти же цвета вызывают у человека ощущение тепла. 

Большое влияние на деятельность инженера-программиста  оказывает и уровень акустического шума. Шум резко снижает  производительность труда и увеличивает травматизм. Физиологически шум воздействует на органы зрения и слуха, повышает кровяное давление, при этом притупляется внимание.

Шум оказывает также и эмоциональное воздействие: он является причиной возникновения таких отрицательных эмоций, как досада, раздражение. Особенно неприятны высокочастотные и прерывистые шумы. 

Основным из механических факторов производственной среды являются вибрации. Они не только вредно воздействуют на организм, но и мешают человеку выполнять как мыслительные так и двигательные операции. Под действием вибраций ухудшается зрительное восприятие, в осообенности на частотах между 25 и 40 Гц и между 60 и 90 Гц. Наиболее опасна вибрация с частотой 6-8 Гц, так как в этом диапазоне лежит собственная резонансная частота тела, головы и брюшной полости человека.

К числу неблагоприятных факторов относятся злектромагнитные поля (ЭМП) высоких частот. Их воздействие на человека может вызвать функциональные сдвиги в организме: быструю утомляемость, головные боли, нарушение сна, раздражительность, утомление зрения и т.п. 

Предельно допустимые уровни ЭМП следующие: 

- в СВЧ-диапазоне - мкВт/см;

- в диапазоне до 300 МГц по электрической составляющей - 5 В/м, по  магнитной составляющей - 5 А/м. С учетом этого стандарта было исследовано свыше 150 мониторов различных типов.

На жизнедеятельность человека большое влияние оказывает газовый состав воздуха. Здесь обычно исследуется две группы факторов: изменение обычного состава воздуха (кислорода и углекислого газа) и посторонние добавки к нему в результате работы техники. 

Благоприятными условиями газового состава воздуха считается содержание кислорода 19-20%, углекислого газа около 1%; допустимые значения, при которых не происходит выраженного снижения работоспособности составляют: кислорода - 18-29%, углекислого газа - 1-2%. Снижение содержания кислорода ниже 16% и повышение содержания углекислого газа выше 3% являются недопустимыми и могут привести к нежелательным последствиям. Важнейшим способом борьбы с неблагоприятным воздействием на человека химических факторов является соблюдение их предельно допустимых концентраций в производственных помещениях. Предельно допустимыми считаются такие максимальные концентрации вредных веществ, которые при ежедневной работе не могут вызывать у работающих заболевания или отклонения в состоянии здоровья. Такими концентрациями считаются, например, для аммиака - 20 мг/м, анилина - 3 мг/м, ацетона - 200 мг/м, бензола - 5 мг/м, бензина - 100 мг/м, серной кислоты - 1 мг/м.

При выполнении данной дипломной работы используются следующие элементы вычислительной техники:

персональный компьютер IBM PC 486DX;

струйный принтер Canon Bubble Jet.

Персональный компьютер питается напряжением 220В/50Гц, которое превышает безопасный предел 42 В. Следовательно возникает опасность поражения электрическим током.

Воздействие на человека электрического тока приводит к общим травмам (электроудары) и местным (ожоги, металлизация кожи, электрические знаки, электроофтальмия, механические повреждения).

Возникновение рентгеновского излучения обусловлено наличием на аноде электронно-лучевой трубки дисплея напряжения до 30 кВ (а при напряжении 3-500 кВ присутствует рентгеновское излучение различной жесткости). Пользователь попадает в зону мягкого рентгеновского излучения.

При воздействии рентгеновского излучения на организм человека происходит:

образование чужеродных соединений молекул белка, обладающих даже токсическими свойствами;

изменение внутренней структуры веществ в организме, приводящее к развитию малокровия, образованию злокачественных опухолей, катаракты глаз.

При работе за экраном электронно-лучевой трубки дисплея пользователь попадает под воздействие ультрафиолетового излучения с длинами волн < 320 нм. Также при образовании строчной и кадровой разверток дисплея возникает излучение электромагнитных полей частотой до 100 кГц. Это может являться причиной возникновения следующих заболеваний:

обострение некоторых заболеваний кожи (угревая сыпь, себорроидная экзема, розовый лишай, рак кожи и др.);

нарушение в протекании беременности;

увеличение в 2 раза вероятности выкидышей у беременных женщин;

нарушение репродуктивной функции и возникновение рака;

нарушение режима терморегуляции организма;

изменения в нервной системе (потеря порога чувствительности);

понижение/повышение артериального давления.

При работе на персональном компьютере человек попадает под воздействие статического электричества. Под действием статических электрических полей дисплея пыль помещения электризуется и переносится на лицо пользователя, что приводит к заболеваниям (раздражению) кожи (дерматит, угри).

При работе за персональным компьютером для вывода информации на бумажный носитель применяется принтер. Принтер Canon Bubble Jet имеет уровень звука на расстоянии 1 метр от корпуса 49 дБ (используется 1 час в течении смены), что соответствует норме. Следовательно, вредного воздействия по звуку на пользователя не оказывается.

Таким образом пользователь, работающий с персональным компьютером подвергается воздействию следующих опасных и вредных факторов:

поражение электрическим током;

воздействие рентгеновского излучения;

ультрафиолетовое излучение и излучение электромагнитных полей радиочастот;

воздействие статического электричества.

4.3. ТРЕБОВАНИЯ К ВИДЕОТЕРМИНАЛЬНЫМ УСТРОЙСТВАМ

Основными поражающими факторами, при работе с компьютером, являются вредные излучения видеотерминального устройства.

Видеотерминальное устройство должно соответствовать следующим требованиям:

яркость свечения экрана не менее 100 кд/м²;

минимальный размер светящейся точки не более 0,4 мм для монохромного дисплея и не более 0,6 мм для цветного;

контрастность изображения знака не менее 0,8;

частота регенерации изображения при работе с позитивным контрастом в режиме обработки текста не менее 72 Гц;

количество точек на экране не менее 640;

экран должен иметь антибликовое покрытие;

размер экрана должен быть не менее 31 см по диагонали, а высота символов не менее 3,8 мм, при этом расстояние от экрана до глаз оператора должно быть 40–80 см.

При работе с текстовой информацией наиболее предпочтительным является предъявление чёрных знаков на светлом (белом) фоне.

Максимальная напряженность электрического поля, допускаемая нормами BGA, равна 2,5 кВ/м. Это значение установлено из расчёта того, чтобы при прикосновении к заряженной проводящей поверхности электрический разряд не стал причиной шока.

Измерения BGA показывают, что напряженность электростатического поля около монитора может превысить 7 кВ/м. Согласно полученным SSI и SEMKO (Швеция) данным, эти значения для некоторых устройств достигают 50 кВ/м.

В России нормирование электромагнитных полей осуществляется в соответствии с ГОСТ 12.1.006-84 и санитарными нормами СНиП2963-84.

В зоне индукции нормируется напряженность электрического и магнитного поля в зависимости от частоты. В зоне излучения нормируется плотность потока энергии в зависимости от времени пребывания.

Электромагнитные поля нормируются следующим образом:

электрические: E = 6/ЦT; 1 Ј T Ј 9, где Т- время воздействия;

магнитные: Hn Ј 8 кА/м в течение рабочего дня; e = 2 (Вт r/м²) – энергетическая нагрузка на организм.

4.4. РАСЧЕТ ВРЕДНЫХ ИЗЛУЧЕНИЙ ВИДЕОДИСПЛЕЯ

Время работы на персональном компьютере по санитарным нормам не должно превышать 4 часа.Большинство используемых в России мониторов не соответствуют шведскому стандарту защита пользователя от излучений и имеют на расстоянии 5 см от экрана дисплея имеют мощность дозы рентгеновского излучения 100 мкР/час. Рассчитаем, какую дозу рентгеновского излучения получит пользователь на различном расстоянии от экрана дисплея.

P_r = P₀e^-mr, где

P_r - мощность дозы рентгеновского излучения на расстоянии r, мкР/час;

P₀ - уровень мощности дозы рентгеновского излучения на расстоянии 5 см от экрана дисплея, мкР/ч.

m - линейный коэффициент ослабления рентгеновского излучения воздухом, см^-1;

r - расстояние от экрана дисплея, см;

Возьмем m = 3.14*10^-2 см^-1.

Среднестатистический пользователь располагается на расстоянии 50 см от экрана дисплея. Рассчитаем дозу облучения, которую получит пользователь за смену, за неделю, за год.

4.5. РАЦИОНАЛЬНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ РАБОЧЕГО МЕСТА

Для повышения производительности труда при работе за компьютером необходимо создать на рабочем месте наиболее благоприятные условия с точки зрения эргономики и эстетики.

Разработка мероприятий по рациональной организации рабочего места инженера-программиста и инженера-разработчика может идти в следующих направлениях:

устранение неблагоприятных факторов:

снижение шума в помещении;

правильный выбор источников освещения;

устранение запылённости и загазованности.

оптимизация условий труда на рабочем месте:

эргономические требования;

психологические требования.

создание комфортных условий отдыха в течение рабочего дня.

Производственные помещения вычислительного центра должны проектироваться в соответствии с требованиями СНиП 2.03.04-87 – “Административные и бытовые здания и помещения производственных предприятий”.

Площадь помещения следует принимать из расчёта 6 м² на одного работника. При оснащении рабочих мест терминалами ЭВМ, печатающими устройствами и пр. площади помещения допускается увеличивать в соответствии с техническими условиями на эксплуатацию оборудования. Кубатура должна быть не менее 19,5 м³ с учётом максимального числа одновременно работающих.

Минимальная ширина проходов с передней стороны пультов и панелей управления ЭВМ при однорядном расположении должна быть не менее 1 м, при 2-х рядном расположении не менее 1,2 м. Видеотерминалы должны располагаться при однорядном размещении на расстоянии не менее 1 м от стен. Рабочие места с дисплеями должны располагаться между собой на расстоянии не менее 1,5 м.

На постоянных рабочих местах и в кабинах операторов должны быть обеспечены микроклиматические параметры, уровни освещённости, шума и состояния воздушной среды, определённые действующими санитарными правилами и нормами.

4.6. РЕКОМЕНДАЦИИ ПО СНИЖЕНИЮ УТОМЛЯЕМОСТИ

Необходимо расположить экран дисплея немного выше уровня глаз. Это создаст разгрузку тех групп окологлазных мышц, которые наиболее напряжены при обычном направлении взгляда - вниз или вперёд.

Помещение, где находятся компьютеры и видеомониторы, должно быть достаточно просторным с постоянным обновлением микроатмосферы. Минимальная площадь на один видеомонитор - 9-10 м². Крайне нежелателен визуальный контакт работника с другими мониторами или телевизионными экранами. Необходимо исключить наличие всевозможных бликов на экране монитора, часто возникающих на стеклянных экранах. Следует также избегать большой контрастности между яркостью экрана и окружающего пространства - оптимальным считается выравнивание яркости экрана и компьютера. Запрещается работа с компьютером в тёмном или полутёмном помещении.

Вечернее освещение рабочего помещения желательно голубоватого цвета с яркостью, примерно равной яркости экрана. В условиях дневного освещения также рекомендуется обеспечить вокруг монитора голубой фон - за счёт окраски стен или хотя бы наличия плакатов.

Для большего эргономического комфорта целесообразно расположить в кресле опору - в районе поясничного изгиба позвоночника (в виде продолговатой подушечки или валика).

Если работник имеет те или иные рефракционные отклонения (близорукость, дальнозоркость и др.), то последние должны быть полностью коррегированы очками. При более серьёзных отклонениях вопрос о возможности работы с видеотерминалами должен решаться с участием врача-офтальмолога.

Через каждые 40-45 минут необходимо проводить физкультурную микропаузу: вращение глаз по часовой стрелке и обратно, лёгкие гимнастические упражнения для всего тела, например поднимание и опускание рук.

Каждый час необходимо делать перерыв и выполнять несколько упражнений на расслабление, которые могут уменьшить напряжение, накапливающиеся в мышцах при длительной работе за компьютером.

4.7. ЗАЩИТА ОТ НАПРЯЖЕНИЯ ПРИКОСНОВЕНИЯ. ЗАНУЛЕНИЕ

Занулением называется преднамеренное соединение нетоковедущих частей с нулевым защитным проводником (НЗП). Оно применяется в трехфазных сетях с глухозаземленной нейтралью в установках до 1000 вольт и является основным средством обеспечения электробезопасности.

При попадании напряжения сети на корпус ПЭВМ возникает режим короткого замыкания. Для защиты электрической сети от короткого замыкания и перегрузок применяются автоматические выключатели или предохранители. При проектировании защитного устройства необходимо рассчитать его номинальный ток срабатывания - I_ном:

I_alarm і KI_ном, где

I_ном = I_alarm/K

I_ном - номинальный ток срабатывания защитного устройства, A;

K - коэффициент, учитывающий тип защитного устройства:

K = 3 - для автомата с электромагнитным расцепителем,

K = 1.4 - для теплового автомата,

I_alarm - ток короткого замыкания, A.

Рассчитаем величину тока короткого замыкания:

I_alarm = U_f/(R_n + R_m/3)

R_n = R_f + R₁ + jx₁

U_f = 220 В

R_m = 0,312W

R_f = 0,412W

jx₁ = 0,6W

R₁ = r/S

r - удельное сопротивление НЗП, [Wmm²/m];

l - длина НЗП, m;

r_cu = 0,0175 W mm² /m,

l = 50 m,

S = 1,5 mm²

R₁ = 0,0175(50/15) = 0,58W

R_n = (0,412 + 0,58 + 0,6) = 1,59W

I_alarm = 130 A

I_ном = 43 A

Для того, чтобы в случае короткого замыкания или других причин ПЭВМ отключалась от электрической сети необходимо в цепь питания поставить автомат с электромагнитным расцепителем с I_ном = 43 A.

4.8. ПОЖАРНАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ

В помещениях ВЦ существуют все три основные фактора, необходимые для возникновения пожара.

Горючими материалами на ВЦ являются: строительные материалы для акустической и эстетической отделки помещений, перегородки, двери, полы, изоляция силовых и сигнальных кабелей, шкафы, жидкости для очистки элементов и узлов ЭВМ и т.д.

Для отвода тепла от ЭВМ в производственных помещениях ВЦ постоянно действует система кондиционирования. Поэтому кислород, как окислитель процессов горения, имеется в любой точке помещений ВЦ.

Источниками зажигания на ВЦ могут оказаться электронные схемы ЭВМ, приборы, приборы, применяемые для технического обслуживания, устройства электропитания, кондиционеры воздуха.

По пожарной опасности ВЦ относятся к категории “В” (в производстве обращаются твердые сгораемые вещества и материалы). Исходя из этого ВЦ проектируется с II степенью огнеустойчивости.

Минимальные пределы огнеустойчивости в часах:

Для обнаружения начальной стадии загорания используют систему автоматической пожарной сигнализации (АПС). АПС состоит из пожарных извещателей, линий связи и приемных пультов (станций).

В помещениях ВЦ применят дымовые пожарные извещатели типа РИД-1.

Принцип действия РИД-1 основан на изменении величины электрического тока, протекающего через ионизационную камеру, при попадании в нее дыма.

Технические показатели для РИД-1:

Норма расстановки пожарных извещателей в помещениях с гладким полом:

Линии связи систем АПС с приемными станциями строятся по лучевому принципу. Приемные станции АПС устанавливаются в помещении дежурного по ВЦ, где организуется круглосуточное дежурство.

Пмнытанции АПС устанавливаются в помещении дежурного по ВЦ, где организуется круглосуточное дежурство.

Пмные станции обеспечивают следующие функции:

прием сигналов от пожарных извещателей с индикацией номера луча;

непрерывный контроль состояния лучей по всей длине с автоматическим выявлением характера повреждения;

световая и звуковая сигнализация тревоги;

автоматическое переключение на резервный источник питания при сбоях сети с включением соответствующей сигнализации.

На ВЦ используется приемная станция РОУП-1.

Технические характеристики устройства РОУП-1:

На ВЦ применяются установки газового тушения пожара, действие которых основано на быстром заполнении помещения газом с низким содержанием кислорода. Используется автоматическая установка газового пожаротушения (АУГП) с электрическим пуском.

Технические характеристики АУГП с электрическим пуском:

При использовании АУГП для предотвращения отравления персонала предусмотрена предупредительная звуковая и световая сигнализация, срабатывающая при ручном, дистанционном и автоматическом включении за 30 секунд до начала выпуска газа.

Расчет необходимого количества баллонов с сжатым воздухом и огнегасительным средством:

Количество огнегасительного вещества (фреона)

G_т = G_вW_пK_у, где G_т - количество огнегасительного вещества,

W_п - расчетный объем защищаемого помещения, м³,

G_в - огнегасительная концентрация газового состава, кг/м³,

K_у - коэффициент, учитывающий особенности процессов газообмена в защищаемом помещении.

Для ВЦ G_в= 0,25 кг/м³, K_у = 1,2.

W_п = SH, где S - площадь помещения, м².

H - высота помещения, м.

S = 100 м². H = 3 м. W_п = 300 м³.

G_т = 0,25*300*1,2 = 90 кг.

Необходимое количество баллонов

N_б = G_т/V_бra, где V_б - объем баллона, м³,

r - плотность, кг/л,

a - коэффициент наполнения баллона.

V_б = 40 л, r = 2,17 кг/л, a = 0,9.

N_б = 90/(40*2,17*0,9) = 2.

Объем воздушных баллонов

W_б = (Р^с_мин+1)(W_с+W_т)/(Р_макс-Р^б_мин), где Р^с_мин и Р^б_мин - конечное давление в воздушных баллонах и баллонах с огнегасительным средством, МПа,

Р_макс - начальное давление воздуха в баллоне, МПа,

W_с иW_т - объем баллонов с огнегасительным составом и трубопроводов, л.

Р^с_мин = Р^б_мин = 5 Мпа, W_с = 2*40 = 80 л, W_т = 20л, Р_макс = 125 МПа.

W_б = (5+1)(80+20)/(125-5) = 4,8 л.

5. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.

1. «Основы теории полета космических аппаратов» / Под ред. Г.С.Нариманова, М.К.Тихонравова. М., Машиностроение, 1972.

2. А.П.Разыграев «Основы управления полетом космических аппаратов». М., Машиностроение, 1990.

3. Г.Г.Бебенин, Б.С.Скребишевский, Г.А.Соколов «Системы управления полетом космических аппаратов». М., Машиностроение, 1978.

4. К.Б.Алексеев, Г.Г.Бебенин «Управление космическими летательными аппаратами». М., Машиностроение, 1974.

5. В.В.Солодовников, В.Н.Плотников, К.В.Яковлев «Теория автоматического управления технических систем». М., изд.МГТУ им.Баумана, 1993.

6. Б.Страуструп «Язык программирования С++». М., «Радио и связь», 1991.

7. А.В.Бошкин, П.Н.Дубнер «Работа с С++». М., «Юкис», 1991.

8. В.В.Арсеньев, Б.Ю.Сажин «Методические указания к выполнению организационно-экономической части дипломных проектов по созданию программной продукции», М., изд. МГТУ им.Баумана, 1994.

9. ГОСТ 2.103-68 НИР. М.: Изд-во стандартов, 1968.

10. В.К.Зелинский «НОТ в проектно-конструкторской организации». М.: «Экономика», 1969.

11. «Управление трудовым коллективом» / Г.П.Зайцев, Э.В.Минько, Н.В.Артамонова и др. Свердловск, Изд-во УГУ, 1989.

12. «Типовые нормы времени на программирование задач для ЭВМ», утвержденные постановлением Государственного комитета СССР по труду и социальным вопросам и Секретариата ВЦСПС от 27 июля 1987 г. №454/22-70

13. Ю.Г.Сибиров «Охрана труда в ВЦ». М., «Машиностроение», 1985.

14. Сибиров Ю.Г., «Основы инженерной психологии» / под ред. Б.Ф.Ломова. М., «Машиностроение», 1986.

15. СНиП 2.09.04-87 «Административные и бытовые здания и помещения производственных предприятий».

16. «Зрение» / под ред. Н.И.Кудряшовой, М., «Машиностроение», 1995.

17. «Временные рекомендации труда операторов за дисплеями». ГОСТ 12.1.006-84.

18. СНиП2963-84 «Нормирование электромагнитных полей».

19. «Современные нормы электростатического и электромагнитного излучения», «Computer World» №7, 1995.3

6. ПРИЛОЖЕНИЕ. ТЕКСТЫ ПРОГРАММ ДЛЯ BORLAND C++ И MATHLAB 4.0 FOR WINDOWS

6.1. ОСНОВНОЙ ПРОГРАММНЫЙ МОДУЛЬ MAIN.CPP

#include

#include

#include

#include

#include "rk5.h"

#include "sfun.h"

#include "init.h"

#include

typedef long double real;

const float g_r = M_PI/180.;

const float r_g = 180./M_PI;

real t_beg;

real t_end;

real dt;

real toler;

int Np;

int Curp;

real dTp;

real mu_z;

real mu_s;

real mu_l;

real m;

real m_t;

real W;

real w_s;

real w_z;

real w_l;

real ww_l;

real xs,ys,zs;

real xl,yl,zl;

real Fz,Fs,Fl,Fa,U20;

real J1,J2,J3;

int nomin;

real par[8];

real parn[8];

real a_p,e_p,p_p,Om_p,i_p,om_p,Rp_p,Ra_p;

real y_main[6];

real prmt[5];

int Fl_u;

real u_last;

int Fl_ka;

int Fl_kp;

int Fl_ki;

int Fl_i;

int Fl_p;

int Fl_a;

int Fl_lu;

int Fl_pkT;

real dl;

real T_vd;

real dRa;

real dRp;

int Sig;

int Sig_a;

real Tkor;

real Tkore;

real Vkor[3];

real akor[3];

int Fl_l0;

int Fl_l1;

int Fl_pki;

real dV_ps;

real dV_as;

real dV_is;

real dV_ss;

ofstream m_y ("m_y.dat");

ofstream m_f ("m_f.dat");

ofstream m_s ("m_s.dat");

ofstream m_l ("m_l.dat");

ofstream m_par ("m_par.dat");

ofstream u_f ("u_f.dat");

ofstream u_par ("u_par.dat");

ofstream k_par ("k_par.dat");

void out_p(real,real *,real*,int,int,real*);

void main()

{

clrscr();

init_m();

real dery[]={ .167, .167, .167, .167, .166, .166};

int ihlf;

int ndim = 6;

Drkgs(prmt,y_main,dery,ndim,ihlf,fct,out_p);

clrscr();

if (ihlf<11)

{

cout << '\n' << "Успешное завершение моделирования" << '\n';

cout << " t0 = " << t_beg << " tk = " << t_end << " dt = " << dt;

cout << '\n' << "Число делений шага=" << ihlf;

}

else

{

cout << '\n' << "Ненормальное завершение моделирования" << '\n';

cout << " t0 = " << t_beg << " tk = " << t_end << " dt = " << dt;

cout << '\n' << "Число делений шага=" << ihlf;

}

getch();

m_y.close();

m_f.close();

m_s.close();

m_l.close();

m_par.close();

u_f.close();

u_par.close();

k_par.close();

}

void out_p(real x,real *y,real*,int,int,real*)

{

if (x >= (dTp*Curp))

{

Curp++;

gotoxy(1,20);

cout << "Процесс выполнения:" << float(Curp)*100./Np << " % " << '\n';

cout.precision(7);

m_y << x << '\t' << y[0] << '\t' << y[1] << '\t' << y[2] << '\t'

<< y[3] << '\t' << y[4] << '\t' << y[5] << '\n';

m_f << x << '\t' << Fz << '\t' << Fs << '\t' << Fl << '\t' << Fa

<< '\t' << U20 << '\n';

m_s << x << '\t' << xs << '\t' << ys << '\t' << zs << '\n';

m_l << x << '\t' << xl << '\t' << yl << '\t' << zl << '\n';

m_par << x << '\t' << par[0] << '\t' << par[1] << '\t' << par[2]

<< '\t' << par[3] << '\t' << par[4] << '\t' << par[5]

<< '\t' << par[6] << '\t' << par[7] << '\n';

}

if (Fl_u && (par[7] > parn[7]))

{

Fl_u = 0;

dl = -(w_z-w_s)*(par[6]-parn[6]);

u_par << x << '\t' << par[0] << '\t' << par[1] << '\t' << par[2]

<< '\t' << par[3] << '\t' << par[4] << '\t' << par[5]

<< '\t' << par[6] << '\t' << par[7] << '\n';

u_f << x << '\t' << Fz << '\t' << Fs << '\t' << Fl

<< '\t' << Fa << '\t' << U20 << '\n';

}

if ((x > 79000) && (x < 81000))

{

k_par << x << '\t' << par[5] << '\t' << par[7] << '\n';

}

}

6.2. ПОДПРОГРАММА РАСЧЕТА ВОЗМУЩАЮЩИХ УСКОРЕНИЙ, ПАРАМЕТРОВ ОРБИТЫ И КОРРЕКЦИИ SFUN.CPP