Анализ устойчивости и поддержание орбитальной структуры космической системы связи
Реферат
Дипломная работа содержит 130 страниц, 7 таблиц, 26 рисунков, 10 источников.
Ключевые слова: система, орбита, возмущающее воздействие, коррекция.
Объектом исследования является космическая система спутниковой связи.
Целью работы стал анализ возмущений, действующих на космическую систему и выявление тех из них, которые наибольшим образом влияют на эволюцию орбит, выбор параметров алгоритма управления для поддержания орбитальной структуры и разработка соответствующей расчетной программы.
В ходе работы были выявлены возмущающие воздействия на систему, определен их характер, выявлены орбитальные параметры, нуждающиеся в коррекции, произведены расчеты параметров системы коррекции и проведен их анализ. Расчеты проводились с помощью специально разработанной программы, написанной в среде Turbo Pascal 7.0, а их результаты проиллюстрированы соответствующими графиками.
В результате работы была решена задача анализа устойчивости системы и поддержания орбитальной структуры.
Содержание
TOC \o "2-3" \h \z \t "Заголовок 1;1;ЗаголБезНом 1;1" Основные сокращения.. PAGEREF _Toc127190255 \h 8
Введение.. PAGEREF _Toc127190256 \h 10
1.1 Анализ космической системы связи (КСС) PAGEREF _Toc127190258 \h 13
1.1.1 Дерево целей КСС и КА.. PAGEREF _Toc127190259 \h 13
1.1.2 Модели состава, структуры и внешней среды КСС.. PAGEREF _Toc127190260 \h 16
1.1.3 Модель внешней среды.. PAGEREF _Toc127190261 \h 24
1.1.4 Модель состава и функции компонентов КА.. PAGEREF _Toc127190262 \h 26
1.2 Требования, предъявляемые к КСС.. PAGEREF _Toc127190263 \h 35
1.3 Формулировка технической задачи. PAGEREF _Toc127190264 \h 38
2.1 Декомпозиция технической задачи. PAGEREF _Toc127190266 \h 40
2.2 Постановка решаемой задачи. PAGEREF _Toc127190267 \h 41
2.2.1 Постановка решаемой задачи анализа возмущающих воздействий PAGEREF _Toc127190268 \h 43
2.2.2 Постановка решаемой задачи выбора алгоритмов управления. PAGEREF _Toc127190269 \h 46
3.1 Математическая модель. PAGEREF _Toc127190271 \h 48
3.2 Вычисление возмущений. PAGEREF _Toc127190272 \h 54
3.2.1 Вычисление возмущений от солнечного давления. PAGEREF _Toc127190273 \h 54
3.2.2 Вычисление возмущений от торможения в атмосфере. PAGEREF _Toc127190274 \h 59
3.3 Выбор параметров алгоритма управления. PAGEREF _Toc127190276 \h 67
3.3.1 Расчет размеров ширины полосы обслуживания. PAGEREF _Toc127190277 \h 67
3.3.2 Модель коррекции КА.. PAGEREF _Toc127190278 \h 69
3.3.3 Определение массы рабочего тела системы коррекции. PAGEREF _Toc127190279 \h 71
4 Структура орбитальной группировки.. PAGEREF _Toc127190280 \h 73
4.1 Параметры номинальных орбит. PAGEREF _Toc127190281 \h 73
4.2 Характеристики КА.. PAGEREF _Toc127190282 \h 73
5 Анализ результатов.. PAGEREF _Toc127190283 \h 75
5.1 Эволюция параметров орбиты.. PAGEREF _Toc127190284 \h 75
5.2 Влияние отдельных возмущений на эволюцию параметров орбиты PAGEREF _Toc127190285 \h 79
5.3 Моделирование коррекции орбиты для удержания высоты. PAGEREF _Toc127190286 \h 87
5.4 Выводы по разделу. PAGEREF _Toc127190287 \h 89
6 Анализ задачи разработки программы... PAGEREF _Toc127190288 \h 90
7 Охрана труда на производстве.. 91
7.1 Обеспечение пожаро- и взрывобезопасности. PAGEREF _Toc127190290 \h 93
7.2 Обеспечение пожарной безопасности информационного отдела PAGEREF _Toc127190291 \h 102
8 Оценка сроков и стоимости выполнения НИР. PAGEREF _Toc127190292 \h 107
8.1 Оценка затрат на разработку ПП.. PAGEREF _Toc127190293 \h 107
8.2 Этапы разработки программного продукта. PAGEREF _Toc127190294 \h 108
8.3 Виды, формы и системы оплаты труда. PAGEREF _Toc127190295 \h 109
8.4 Затраты на оплату труда. PAGEREF _Toc127190296 \h 111
8.5 Затраты на оборудование и материалы.. PAGEREF _Toc127190297 \h 113
8.6 Затраты на разработку. PAGEREF _Toc127190298 \h 115
9 Вопросы развития и реализации результатов исследования.. PAGEREF _Toc127190299 \h 117
Заключение.. PAGEREF _Toc127190300 \h 119
Приложение.. PAGEREF _Toc127190301 \h 121
Используемые постоянные. PAGEREF _Toc127190302 \h 121
Результаты расчетов. PAGEREF _Toc127190303 \h 121
Программный код библиотеки. 121
Список литературы... PAGEREF _Toc127190305 \h 130
Основные сокращения
АН – аппаратура наблюдения;
АФС – антенно-фидерная система;
БКУ – бортовой комплекс управления;
БОС – бортовые обеспечивающие системы;
БРТК – бортовой радиотехнический комплекс;
БСА – бортовая специальная аппаратура;
ИК – измерительный комплекс;
ИСЗ – искусственней спутник Земли;
КА – космический аппарат;
КИП – командно-измерительный пункт;
КСC – космическая система связи;
НИК – наземный измерительный комплекс;
НИР – научно-исследовательская работа;
НКУ – наземный комплекс управления;
НРТК – наземный ракетно-технический комплекс;
НСК – наземный специальный комплекс;
ППИ – пункт приема информации;
РН – ракета-носитель;
РРК – радиоретрансляционный комплекс;
СК – стартовый комплекс;
СНвг – система навигации;
СНвд – система наведения;
СОС – система ориентации и стабилизации;
СОТР – система обеспечения теплового режима;
СОУД – система ориентации и управления движением;
СПД – стационарный плазменный двигатель;
ССПД – система связи и передачи данных;
СУБС – система управления бортовыми системами;
СУД – система управления движением;
СЭП – система электропитания;
ТК – технический комплекс;
ЦОИ – центр обработки информации;
ЦПУ – центральный пункт управления;
ЭРД – электроракетный двигатель.
Введение
Все больше людей на Земле хотели бы иметь услуги персональной связи вне зависимости от того, где они находятся. Удаление абонента за пределы устойчивой связи местных (сотовых) радиосетей, спутниковая связь играет ключевую роль при предоставлении этих услуг, так как снимает ограничения на подключение к конкретной точке наземной сети.
Одним из новых направлений развития спутниковой связи с начала 90-х годов является создание систем связи на базе низкоорбитальных космических аппаратов. Как правило, к низкоорбитальным системам спутниковой связи относятся такие, для которых высота орбиты находится в пределах 700¸1500 км, орбитальный комплекс – от нескольких единиц до десятков спутников ретрансляторов. Для охвата связью большей территории Земли используют несколько плоскостей орбит.
Повышенный интерес к использованию низкоорбитальных систем объясняется возможностью предоставления услуг персональной связи, включая радиотелефонный обмен и связь с подвижными объектами, с использованием сравнительно дешевых, малогабаритных земных терминалов. При этом сложность терминалов соответствует уровню станций наземных сотовых систем. В числе факторов, способствующих развитию низкоорбитальных спутниковых систем, нельзя не учитывать биологический. Так, для реализации требований биозащиты человеческого организма от излучения СВЧ рекомендуемый уровень непрерывно излучаемой мощности радиотелефона составляет 50 мВт. Эффективный прием сигнала такой мощности геостационарным спутником сопряжен со значительным усложнением последнего, а именно, создание крупноразмерных антенн и удержание узких лучей диаграммы направленности в заданных регионах земной поверхности. Для низкоорбитального спутника, дальность радиолинии до которого от земной станции в сотни раз меньше, чем до геостационарного, проблема создания многолучевых направленных антенн является менее острой. Однако возникают сложности управления комплексом таких спутников и поддержания непрерывной связи.
В представленной работе рассматривается система спутниковой связи (ССС) типа “Иридиум”, предназначенная для обеспечения непрерывной глобальной связи.
Дипломная работа состоит из введения, девяти разделов и заключения.
В первом разделе проводится системный анализ низкоорбитальной космической спутниковой системы связи с целью выявления дерева целей КСС и КА, формируются модели состава, структуры и внешней среды КСС, а также модель состава и функций компонентов КА. В результате формируются требования к КСС и техническая задача, рассматриваемая далее.
Во втором разделе проводиться декомпозиция технической задачи анализа устойчивости и управления поддержания орбитальной структуры системы спутниковой связи, с целью постановки решаемой задачи. В результате появляется задача анализа возмущений и выбора алгоритмов управления.
Далее решается задача анализа устойчивости и поддержания орбитальной структуры. Описывается математическая модель, вычисляются возмущения и выбираются параметры алгоритма управления.
В следующем разделе представлена структура орбитальной группировки. Параметры номинальных орбит и характеристики КА.
В разделе «Анализ возмущений» показаны графически эволюции параметров орбиты, влияние отдельных возмущений на эволюцию параметров орбиты, коррекция орбиты для удержания высоты и сделаны выводы по разделу.
В «Анализе задачи разработки программы» даны требования, предъявляемые к программе. В данном случае они должны предъявляться к правильности, надежности и к обеспечению выполнения дипломной работы.
В седьмом разделе представлена охрана труда на производстве. В частности обеспечение пожаро- и взрывобезопасности.
Проведена оценка сроков и стоимости выполнения научно исследовательской работы. Проведены оценки затрат на разработку программы, рассчитаны затраты на оплату труда, разработку, затраты на оборудование и материалы.
В завершающей девятой главе подведены итоги и рассмотрены в процессе работы результаты.
1
1.1
1.1.1
Цель большой системы (БС) определяется в надсистеме (социотехнической системе) как требуемый потребителем результат функционирования системы или это желаемый результат взаимодействия системы со средой.
Основное назначение БС, удовлетворяющей общим требованиям - организация цифровой персональной связи сотового типа («каждый–с–каждым») в региональных масштабах, доступной любому стационарному или мобильному потребителю, с возможностью выхода в наземные сети общего пользования и предоставлением телекоммуникационных услуг. Представим модель цели рассматриваемой КCС в виде списка требований к КCС и КА:
1. Обусловленные характеристиками обслуживаемых объектов:
1.1 необходимость глобального охвата Земли в любое время суток;
1.2 сила сигнала 16 Дб;
1.3 рабочий диапазон спутника: телефония и пейджинг 1616¸1626.5 МГц, межспутниковая связь 23.18¸23.38 ГГц.
2. К операциям системы:
2.1 к орбитальной структуре:
2.1.1 диапазон высоты орбиты 370¸1111 км (высоты ниже 350 км требуют большого запаса топлива для маневра КА, высоты выше 1200 км подвержены влиянию радиации, что увеличивает массу КА.);
2.2 к целевой операции:
2.2.1 непрерывность связи в течение всего сеанса;
2.2.2 обеспечение идентичной дальности прямой видимости между соседними КА;
2.2.3 обеспечение независимой связи с двумя шлюзовыми станциями;
2.2.4 время установления связи t£tзад;
2.2.5 надежность связи и пропускная способность в радиолинии «КА‑Шлюзовая станция» и «Шлюзовая станция‑КА» Pош£1.1*10-6;
2.2.6 стабилизация КА – 3-х осная с точностью ±0.5 град по осям и ±20 км по высоте;
2.2.7 вывод спутников на орбиту с использованием группового запуска;
2.2.8 использование ракет-носителей: Дельта2, м.п.н.=3500кг; Протон, м.п.н.=4900кг; Великий поход, м.п.н.=1400кг;
3 Обусловленных особыми условиями и ограничениями:
3.1 минимизация затрат на создание ОГ, с учетом веса КА и высоты орбиты;
3.2 срок службы КCС Tф=5 лет.
Цель БС достигается путем реализации целей ее подсистем. Чтобы проследить взаимосвязь между целями подчиненных систем и, непосредственно, целью БС, построим граф, называемый деревом целей (рис. 1.1).
Рис. 1.1. Дерево целей для глобальной СС.
1.1.2
1.1.2.1
Состав основных компонентов КСС дан на рис. 1.2. Рассмотрим членение КСС по техническому признаку и назначения (функции) ее компонентов.
Рис.1.2. Состав КСС.
Космическая система – это совокупность функционально взаимосвязанных КА и наземных технических средств, предназначенных для решения целевых задач. Низкоорбитальные системы позволяют обеспечить связь с терминалами, размещенными в полярных широтах, и практически не имеют альтернативы при организации связи в регионах со слабой инфраструктурой связи и низкой плотностью населения. Стоимость услуг подвижной связи низкоорбитальными системами, оказывается в несколько раз дешевле аналогичных услуг, предоставляемых геостационарными системами, за счет использования недорогих абонентских станций и менее дорогого космического сегмента.
Система “ИРИДИУМ” предназначена для обеспечения глобальной персональной связи по принципу «каждый с каждым».
Космические аппараты (КА) – в составе КСС представляют собой ее подсистему, которая состоит из функционально взаимосвязанных КА, совместно выполняющих целевую задачу. Эту подсистему называют орбитальным комплексом(ОК) (или орбитальной группировкой (ОГ)).
Базовый ОК в системе ИРИДИУМ имеет 6 плоскостей с 11-ю основными и одним резервным КА в каждой. Для предотвращения столкновения между КА на полюсах, между плоскостями ОК вводится угловой разнос, образующий минимальную дистанцию «промаха». Вид орбиты становится квазиполярной.
Выведение КА на орбиту для построения сети КА и ее восполнения осуществляется наземным ракетно-техническим комплексом (НРТК). В системе предусматривается несколько вариантов вывода КА на орбиту с использованием группового запуска. Предусматривается, что для завершения построения каждой из плоскостей, а также для восполнения израсходованного резерва КА, будут использоваться одиночные запуски КА.
Комплекс управления запуском включает ракету-носитель и все оборудование, используемое при запуске КА, оборудование и средства управления и анализа необходимых операций. В конце полета на активном участке комплекс управления запуском выдает траекторные данные в центральный пункт управления, к которому переходит управление КА при групповом запуске. Операции, производимые перед запуском и при запуске традиционны: центральный пункт управления определяет программу запуска, комплекс управления запуском осуществляет сборку ракеты‑носителя и его проверку, установку полезной нагрузки и проведение испытаний и предстартовых проверок. Телеметрическая информация КА на активном участке по радиолинии ракеты-носителя принимается комплексом управления запуском и транслируется в центр управления, который корректирует расчетные траекторные данные для формирования промежуточной орбиты. Последующее управление КА осуществляет центральный пункт управления: разворачиваются солнечные панели КА, передаются команды кратковременного включения двигательной установки для перевода КА на основную орбиту, т.е. в «нужный» интервал между другими КА данной плоскости.
Управление орбитальной группировкой осуществляется пунктом управления ОК с обеспечением следующих функций:
·
·
·
·
Указанные функции управления реализуются на основе командной и телеметрической информации каждого КА орбитальной группировки при использовании как штатных каналов связи, с учетом перекрестной спутниковой связи, так и с задействованием отдельных, территориально разнесенных командно-телеметрических станций для управления в нештатных режимах работы КА. Орбитальный комплекс, наземный ракетно‑технический комплекс и наземный комплекс управления объединяются в космический комплекс.
Для приема, автоматизированной обработки и анализа поступающей от КА специальной информации (т.е. информации целевого назначения для потребителей) служит наземный специальный комплекс, который включает в себя: абонентские терминалы нескольких типов: шлюзовые станции: станции передачи и приема телеметрической информации.
Абонентский терминал.
Продукция системы “Иридиум” включает носимые портативные терминалы, мобильные терминалы, передвижные терминалы и пейджеры. Тактовая частота пакетов информации с временным разделением каналов в радиолинии «Земля-КА» синхронизируется с тактовой частотой пакетов в радиолинии «КА-Земля». Персональный терминал компенсирует изменение дальности до КА, а также компенсирует уход доплеровской частоты путем автоматической регулировки частоты передачи в радиолинии «Земля - КА». Ожидаемый вес портативного носимого и мобильного терминала составляет 700г. и 2500г., соответственно. В мобильном и передвижном терминалах предусмотрена возможность подключения дискретных источников информации (факс) на скорости 2400 бит/сек.
Шлюзовая станция.
Шлюзовая станция состоит из 3-х спутниковых терминалов (приемо-передающих комплексов), быстродействующего процессора, в котором находится банк данных региональных персональных терминалов и коммутационного оборудования связи с местной телефонной сетью общего пользования.
Спутниковые терминалы функционируют следующим образом:
1-й спутниковый терминал вступает в связь с КАj;
2-ой спутниковый терминал вступает в связь с КАj+1;
1-й спутниковый терминал после ухода из зоны КАj вступает в связь с КАj+2;
2-ой спутниковый терминал после ухода из зоны КАj+1 вступает в связь с КАj+3 и т.д.
3-ий спутниковый терминал находится в резерве, при необходимости, может заменить 1 (2) спутниковый терминал.
Быстродействующий процессор осуществляет идентификацию персонального терминала, участвующего в связи, и формирует адресацию в направлении персонального терминала или абонента.
Коммутационное оборудование выполняет следующие функции:
·
·
·
·
·
Станция передачи команд и приема телеметрической информации.
Отдельная станция передачи команд на КА ОК и приема телеметрической информации, задействуется при нештатных ситуациях, когда использование для этих целей связных радиолиний невозможно.
Передача командной информации на КА и передача с КА телеметрической информации осуществляется на низкой скорости, при использовании на КА ненаправленной антенны с квазикруговой диаграммой направленности.
Предусматривается следующий алгоритм передачи команд. Каждая исходная команда шифруется для защиты от постороннего доступа и передается на КА; после дешифрования КА передает проверенные информационные символы, которые принимаются наземной станцией, дешифруются, и передаются на КА; КА выполняет команду после подтверждения своих проверочных символов.
Параметры орбитального комплекса:
·
·
· °;
· °);
·
1.1.2.2
Система на основе ИСЗ (в частности КСС) может выполнять три типа операций: построение сети КА, поддержание технико-баллистической готовности орбитального комплекса (путем коррекции орбит и восстановления отказавших КА), выполнение целевых задач. Построение сети КА состоит в выведении КА на орбиты, близкие к расчетным, с последующей коррекцией орбит. Чтобы КСС, рассматриваемая в данной работе, оставалась пригодной к выполнению своего назначения в течение заданного срока функционирования, необходимо управлять орбитальной структурой сети КА путем коррекции орбит из условия поддержания зоны обслуживания каждого КА в заданных пределах; в случае же выхода из строя КА, необходимо восполнение орбитальной структуры резервным КА. В этом заключается процесс поддержания технико-баллистической готовности. На рис. 1.3 представлена в графическом виде операционная модель по поддержанию технико-баллистической готовности.
Что касается выполнения целевых задач, то для КСС целевой задачей является обеспечение непрерывной глобальной связи. На рис. 1.4 представлена операционная модель обеспечения связи.
|
Не центральность поля тяготения Земли Атмосфера Земли Влияние солнечного давления |
|
Температура Осадки Скорость и направление ветра Турбулентность |
|
РН, СК |
|
Время подготовки |
|
Нет отказавших КА |
|
Есть отказавшие КА |
|
Коррекция проведена |
|
Ширина полосы обслуживания выходит за допустимые пределы |
|
Орбитальные параметры не соответствуют расчетным |
|
КА на орбите с погрешностями выведения |
|
РН на начальном участке полета |
|
Комплекс готов к пуску |
|
Транспортировка и подготовка к пуску |
|
Система КА |
|
Пуск РН |
|
Набор высоты и вывод КА на орбиту |
|
Эволюция орбиты |
|
Контроль параметров орбитальной структуры, ширины полосы обслуживания |
|
Определение величины корректирующего импульса |
|
Проведение ориентации КА |
|
Проведение стабилизации КА |
|
Передача команды на КДУ |
|
Коррекция орбиты |
|
Восполнение орбитальной структуры |
|
Выполнение целевой задачи |
|
Ошибки коррекции |
|
НРТК |
|
БКУ, НКУ, БРТК |
|
АСУ КА |
|
ЦПУ |
|
СОС КА |
|
БКУ |
|
КДУ |
|
Атмосфера |
|
Космическое пространство |
|
Местная телефонная связь |
|
Поступление звонка на обслуживание |
|
Пользователь (абонент) |
|
Обслуживание звонка |
|
Определение адреса абонента |
|
звонок, факс |
|
Националь-ная сеть связи |
|
Адрес определен |
|
Передача адреса абонента на КА |
|
Абонент |
|
В зоне местной сотовой связи |
|
Националь-ная шлюзовая станция |
|
Адрес получен |
|
Передача звонка на КА, в зоне обслуживания которого находится абонент |
|
КСС |
|
Передача звонка в местную сотовую сеть |
|
Обслуживание звонка |
|
Передача звонка пользователю (абоненту) |
1.1.3
КА является главным компонентом КСС, непосредственно взаимодействующим со средой, поэтому анализ внешней среды КА представляет особую важность. Для успешного решения поставленной задачи, а именно анализа устойчивости системы и управления поддержания орбитальной структуры, необходимо знание динамической модели возмущенного движения и выбор стратегии управления, который невозможен без знания возмущений действующих на КА. Необходимо отметить следующие возмущающие факторы:
·
·
·
·
Последним фактором можно пренебречь, так как влияние небесных тел целесообразно учитывать на высотах не менее 20000 км, а в данной работе высота орбит составляет 780 км. Влияние же остальных факторов необходимо учитывать.
Рассмотрим воздействие среды на систему, т.е. функциональные и возмущающие воздействия, а также воздействие системы на среду.
Функциональные воздействия среды на КА:
·
Возмущающие воздействия:
·
·
·
·
·
·
Целевой выход:
·
Вынужденные воздействия:
·
·
·
1.1.4
КА является главным компонентом КСС, несущим на борту главный элемент – радиоэлектронное оборудование, без которого выполнение целевой задачи невозможно. Нижний уровень модели выбран в соответствии с темой дипломной работы (целью исследования является выбор оптимальных параметров коррекции) и содержит системы коррекции, ориентации и стабилизации.
Модель состава КА в виде схемы представлена на рис. 1.5.
|
КА |
|
БРТК |
|
БКУ |
|
СУБС |
|
СОУД |
|
СН |
|
СОС |
|
СУД |
|
СЭП |
|
АФАР |
|
ДУ |
|
Прочие подсистемы |
КА – космический аппарат; БКУ – бортовой комплекс управления; СУБС – система управления бортовыми системами; СОУД – система ориентации и управления движением; СН – система навигации; СОС – система ориентации и стабилизации; СУД – система управления движением (система коррекции); БРТК – бортовой радиотехнический комплекс; ДУ – двигательная установка; СЭП – система энергопитания; АФАР – антенная фазированная решетка.
Бортовой радиотехнический комплекс.
В состав радиоэлектронного оборудования бортового радиотехнического комплекса входят:
·
· L диапазона (персональная связь):
Антенные системы;
Малошумящие усилители;
Усилители мощности;
Конверторы;
Модемы.
·
Антенные системы;
Малошумящие усилители;
Усилители мощности;
Конверторы;
Модемы.
·
Антенные системы;
Малошумящие усилители;
Усилители мощности;
Конвертор;
Модемы;
Шифратор и дешифратор команд.
·
Количественная характеристика радиоэлектронного оборудования КА:
·
·
·
·
Двигательная установка.
В состав двигательной установки входят следующие узлы:
·
·
·
·
·
Каналы силовой установки управляются ускорителями по командам центрального процессора; состояние силовой установки контролируется процессором по сигналам телеметрии силовой установки.
Энергопитание.
В состав системы энергопитания (СЭП) входят:
·
·
·
·
Также СЭП оснащена аппаратурой защиты от неисправностей, автоматически срабатывающей при неисправностях или при увеличении токовой нагрузки на шине. Напряжение шины первичного электропитания СЭП составляет 22¸36 В и преобразуется в номиналы необходимых напряжений с использованием преобразователей. Следящая система СЭП реализует режим автоматического регулирования напряжения и, при необходимости, уменьшает или повышает ток заряда аккумулятора. При нахождении КА в зоне тени, никель-водородная батарея обеспечивает электропитанием всех потребителей до выхода КА из тени и подзаряжается через солнечные батареи.
Антенные фазированные решетки.
Каждый КА осуществляет программное сканирование лучей на соты. Когда луч конкретной антенны направлен на соту, осуществляется передача от абонента и прием абонентом сигнала, в соответствии с установленными интервалами передачи и приема.
Для исключения перекрытия сот от смежных КА при их смещении к полюсу предусматривается изменения диаграммы направленности АФАР по программе.
Системы коррекции, ориентации и стабилизации.
В состав КА входит система управления движением, которая в свою очередь содержит подсистемы навигации, ориентации и стабилизации.
Основное значение системы управления движением КА это компенсация возмущений, действующих на космический аппарат в полете или являющихся результатом неточности выведения, для обеспечения полета по заданной траектории и точного по месту и времени вывода космического корабля в назначенные точки пространства.
В зависимости от цели полета, задачи, решаемые КА на различных участках полета, могут быть самыми разнообразными, и в зависимости от них существенно меняются конкретные задачи. Стоящие перед системой управления движением. Во многих случаях возможность решения той или иной задачи во время полета зависит от того, какие функции может выполнять бортовая система управления.
Систему управления удобно классифицировать по функциональному назначению, состоящую из задач:
·
·
Основной навигационной задачей является измерение навигационных параметров движения (координат и осей), характеризующих возмущенную траекторию (орбиту) движения КА. Наряду с основной задачей могут быть решены дополнительные задачи навигации:
·
·
·
·
В задачу наведения входит определение потребных управляющих воздействий, которые обеспечивают приведение КА в заданную точку пространства с заданной скоростью и в требуемый момент времени, с учетом текущих кинематических параметров движения, определенных с помощью решения навигационной задачи, заданных ограничений и характеристик объекта управления. Решение задачи наведения можно получить различными путями. При этом может оказаться необходимым решать некоторые частные задачи наведения, например:
·
·
·
Перечисленные задачи навигации и наведения можно объединить как задачи управления движением центра масс КА.
Задачи ориентации и стабилизации, которые можно назвать задачами управления движения относительно центра масс КА следующие:
·
· системы отсчета (задача стабилизации).
Принципы построения систем ориентации и стабилизации на активных и пассивных участках полета примерно одинаковы. Вместе с тем малость возмущающих внешних моментов, действующих на КА в полете, позволяет использовать ряд необычных так называемых пассивных способов стабилизации КА.
Пассивные способы стабилизации.
Стабилизировать КА относительно осей базовой системы отсчета можно за счет использования стабилизирующих свойств некоторых внешних моментов. К таким моментам относятся гравитационный момент, аэродинамический и момент от давления лучей Солнца. Во всех случаях пассивной стабилизации конструкцию КА надо выбирать таким образом, чтобы усилить эффективность стабилизации с помощью указанных моментов. Условно к пассивным способам стабилизации в инерциальной системе координат можно отнести стабилизацию КА с помощью вращения, когда используются гироскопические свойства КА, которому предварительно сообщена постоянная угловая скорость относительно одной из осей. Этот способ стабилизации называется стабилизацией вращения.
Активные способы стабилизации.
По сравнению с пассивной стабилизацией, активная более эффективна при парировании внешних возмущений и более точна, так как точность в основном зависит от методической ошибки алгоритма стабилизации и инструментальной погрешности приборов ориентации.
Системы ориентации и стабилизации с реактивными двигателями. Существует несколько видов активных систем ориентации и стабилизации в зависимости от типа применяемых исполнительных органов, которые предназначены для создания управляющих моментов. Широко распространены малогабаритные реактивные двигатели, которые могут быть как однокомпонентные, так и двухкомпонентные. В однокомпонентных двигателях тяга создается либо за счет энергии сжатого газа, либо разложением вещества, например, перекиси водорода.
Система ориентации и стабилизации с двигателями - маховиками и гироскопическими силовыми стабилизаторами. Управляющий момент в системах с маховиками создается изменением угловой скорости маховика, установленного по оси КА. В качестве привода маховика используется электродвигатель, к которому предъявляется рад специфических требований. В первую очередь, он должен обладать хорошими регулировочными характеристиками и позволять изменять угловую скорость маховики в широком диапазоне. Такими свойствами обладают двухфазный асинхронный двигатель и двигатель постоянного тока с постоянными магнитами. Наибольшее предпочтение отдают первому из них, так как он обладает дополнительными преимуществами, связанными с массой и энергопотреблением.
Наряду с обычными двигателями - маховиками для стабилизации КА с большими моментами инерции могут применяться силовые гироскопы в кардановом подвесе, работающие по принципу усиления момента и создающие управляющие моменты за счет гироскопических моментов.
Системы с моментным магнитопроводом создают управляющий момент с помощью тока в электрическом контуре внутри КА, в результате взаимодействия его с магнитным полем Земли.
В данной работе рассматриваются КА, система ориентации и стабилизации которых, используют двигатели маховики. При использовании гиростабилизаторов возникает слишком большой управляющий момент, что является совершенно неприемлемым для космических аппаратов малых габаритов, которые рассматриваются в работе. Необходимо только отметить, что система с двигателями - маховиками требует второго контура для их разгрузки. Суть ее состоит в том, что моментный магнитопровод создает внешний момент, на основе взаимодействия магнитного поля Земли с магнитном полем катушек на борту КА, по которым течет ток. Система с двигателями - маховиками реагирует на этот момент и парирует его, обеспечивая уменьшение угловой скорости двигателей - маховиков. Обеспечение высокой точности ориентации и стабилизации, а также максимально возможной экономичности делает такую систему наиболее целесообразной для космических аппаратов, входящих в состав космической системы связи.
В целях управления бортовыми параметрами КА, которые в течение срока функционирования претерпевают значительные изменения, на борту КА находится система коррекции. В данной работе рассматривается КСС, состоящая из 66 спутников, расположенных на квазиполярных орбитах. Коррекция производится при нарушении ограничения на зону обслуживания: B(t)£B*, где B(t) – текущее значение зоны обслуживания каждого КА, B* – заданный параметр. Система коррекции может быть построена на основе различных типов КДУ.
Жидкостные реактивные двигатели (ЖРД). В двигателях данного типа тяга, а соответственно и управляющий момент возникает за счет реакции струи газа, вытекающего из сопла. Истекающий газ является продуктом сгорания двухкомпонентного топлива, которое является самовоспламеняющимся.
Стационарные плазменные двигатели (СПД) (двигатели малой тяги). В данных двигателях в процессе работы образуется плазма в результате нагрева до высоких температур. Для ускорения используется магнитное поле. Недостатком этих двигателей является большое энергопотребление, что ведет к увеличению габаритов КА (увеличение площади солнечных батарей). Тем не менее, они позволяют получить большее значение удельной тяги по сравнению с ЖРД.
На КА, рассматриваемых в данной работе, тип КДУ окончательно еще не выбран.
1.2
1. Технические требования
Космическая система связи должна включать в свой состав:
1) Космический комплекс, состоящий из:
·
·
·
2) Наземный специальный комплекс, состоящий из:
·
·
·
3) Орбитальный комплекс должен включать 66 основных и 6 резервных спутников.
4) Наземный ракетно-технический комплекс должен включать в свой состав:
·
·
·
·
5) Наземный комплекс управления должен включать в свой состав:
·
·
6) КА должен включать в свой состав:
·
·
·
·
·
2. Конструктивные требования
·
·
·
·
·
3. Технологические требования
Для изделий данного класса серийности должны использоваться типовые технологические процессы.
4. Требования к радиоэлектронной защите
Необходимо обеспечение помехозащищенности, электромагнитной совместимости.
5. Требование к живучести и стойкости к внешним воздействиям
Обеспечение стойкости к:
·
·
·
6. Требование к надежности
Резервирование критического оборудования:
·
·
·
·
·
7. Эксплуатационные требования
Обеспечение сохранности КА при транспортировке и хранении, а также безопасности, удобстве и не трудоемкости обслуживания.
8. Требование к поддержанию зоны обслуживания каждого КА в заданных пределах.
Зона обслуживания каждого КА должна лежать в пределах от 4200 км до 3800км.
1.3
В настоящей технической задаче рассматривается космическая система спутниковой связи типа “Иридиум”.
Выполнив анализ системы, можно сформулировать постановку технической задачи. Техническая задача – это задача для проектировщиков и конструкторов.
КСС разрабатывается с целью обеспечения непрерывной глобальной связи в соответствии с требованиями, учитывая технические, конструктивные, технологические и другие требования к системе, с учетом эволюции орбитальной структуры.
Таким образом, необходимо провести анализ возмущающих воздействий и выбрать управление поддержания орбитальной структуры космической системы связи, построенную на шести полярных орбитах по одиннадцать спутников на каждой орбите.
В специальной части дипломной работы необходимо провести анализ устойчивости и управления поддержанием орбитальной структуры в процессе выполнения системой целевой функции.
2
2.1
Декомпозиция задачи устойчивости и управления поддержанием орбитальной структуры. Эта задача путем логического анализа разделяется на частные задачи, рассматриваемые первоначально как независимые.
1.1
1.2
1.3
Задачи 1, 2, 3, в свою очередь могут быть разделены на задачи:
2.1
2.2
2.3
2.4
2.5
Разделяя задачу анализа устойчивости и управления поддержанием орбитальной структуры на частные задачи, не будем упускать из виду, что каждая задача занимает ресурсы системы, и решая каждую общую задачу, необходимо так распределить ресурсы, чтобы обеспечить максимум эффективности в интересах системы в целом. Под эффективностью понимается непрерывное, глобальное обеспечение пользователей связью.
Таким образом, видим, что для решения рассматриваемой задачи необходимо решение таких частных задач как анализ возмущений, выбор алгоритмов управления, а также задачи восполнения орбитальной структуры резервными КА. В дипломной работе решаются первые две задачи, задача восполнения орбитальной структуры резервными КА не рассматривается.
Рис. 1.6. Декомпозиция технической задачи.
Темой специальной части дипломной работы является анализ устойчивости и управлением поддержанием орбитальной структуры.
2.2
Задачей данного дипломного проекта является анализ устойчивости и поддержания орбитальной структуры космической системы связи, поэтому для поддержания орбитальной структуры необходимо провести анализ возмущающих воздействий, определив устойчивость орбитальной структуры, затем выбрать на основе полученных результатов алгоритмы управления.
В качестве определяющих параметров выбираем такие параметры, которые позволяют определить множество исследуемых параметров на выходе модели и параметров возмущений на входе модели:
исходные данные:
§ N;
§ р;
§ Н;
§ е );
§ i );
§ W);
§ Т);
§ m);
§ S) ;
§ СR ;
§ СD ;
параметры возмущений:
§
§
§
Исследуемые параметры
В качестве исследуемых параметров выбираем следующие:
§ H );
§ i );
§ е );
§ W);
§
Множество параметров возмущений
В качестве параметров будем учитывать следующие:
§
§
§
Описание математических моделей этих возмущений представлено в специальной части дипломного проекта
Правило оценки результатов анализа
При анализе устойчивости необходимо выполнение требований к точности удержания:
§
§
§
§
Выполнение или невыполнение этих требований будет отражаться на поведении исследуемых параметров, на основе чего можно говорить об устойчивости орбитальной группировки спутниковой системы мониторинга.
2.2.1
В качестве определяющих параметров выбираем такие параметры, которые позволяют определить множество исследуемых параметров на выходе модели и параметров возмущений на входе модели.
Для данной орбитальной структуры основными возмущающими воздействиями являются:
1.
2.
3.
Другие возмущающие воздействия не рассматриваются, в виду их малого воздействия.
Перечисленные возмущающие воздействия приводят к изменению параметров орбиты, здесь приведены параметры орбиты в оскулирующих элементах: W, i, p, q, k, u, e.
Цель работы.
Исследование отклонений параметров орбиты вследствие действия возмущающих воздействий.
Исследуемые параметры.
§ H = 780 км);
§ i = 86.659°);
§ e = 0°)
§ W=0о);
Множество параметров возмущений.
§ центральность поля тяготения;
§
§
Правило оценки результатов анализа.
При анализе устойчивости баллистической группировки необходимо выполнение требований к точности удержания:
§
§
Определяющие параметры.
Исходные данные:
§ N = 11);
§ p = 6)
§ H = 780 км);
§ е = 0);
§ i = 86.659°);
§ W=0о);
§ Т = 6028 c );
§ S = 28 м2;
§ СR =1,2;
§ СD = 2,5;
Параметры возмущений:
§
§
§
2.2.2
Решение о проведение коррекции орбиты принимается при выходе параметров системы за допустимые значения:
1.
2.
На основе выхода системы за допустимые значения выбирается соответствующий алгоритм управления.
Цель работы.
Проведение коррекции для восстановления орбитальной структуры системы.
Требуемые параметры.
§ H = 780 км);
§ е = 0);
§ i = 86.659°);
§ W=0о);
Правило оценки результатов анализа.
При анализе устойчивости баллистической группировки необходимо выполнение требований к точности удержания:
§
§
Исходные данные:
§ N = 11);
§ p = 6)
§ H = 780 км);
§ е = 0);
§ i = 86.659°);
§ W=0о);
§ Т = 6028 c );
§ m = 670 кг);
§ S = 28 м2;
§ g = 63 о;
3
3.1
Математическая модель представлена системой дифференциальных уравнений в оскулирующих элементах. Прежде чем приступить к составлению системы уравнений движения в оскулирующих элементах, необходимо обобщить само понятие оскулирующего элемента орбиты. Под последним будем понимать не только некоторый элемент оскулирующей орбиты, но и любую величину, характеризующею движение по этой орбите. Эта величина может изменяться при движении по оскулирующей орбите, и поэтому в качестве оскулирующего элемента принимается ее значение в точке оскуляции. При таком определении величину u(t) также можно считать оскулирующим элементом фактической орбиты (хотя она и не является элементом оскулирующей орбиты, так как изменяется при движении по ней).
Под полной совокупностью оскулирующих элементов qi(t) (i = 1..6) мы будем в дальнейшем подразумевать систему величин, однозначно определяющих орбиту. Поэтому системой дифференциальных уравнений движения в оскулирующих элементах может быть любая систему уравнений, определяющих некоторую полную совокупность оскулирующих элементов.
Считается, что в каждый момент времени КА находится на некоторой Кеплеровой орбите, на которой он оказался бы, если бы в этот момент прекратилось действие возмущающих сил. Таким образом, оскулирующие элементы являются функцией времени. Для анализа возмущенного движения КА рассмотрим систему дифференциальных уравнений в оскулирующех элементах, которая имеет вид:
|
(3. SEQ Формула \* ARABIC 1 |
где W – долгота восходящего узла; i – угол наклона орбиты; p – фокальный параметр; q, k – компоненты вектора Лапласа
|
(3. SEQ Формула \* ARABIC 2 |
В общем случае величины проекций возмущающих ускорений на радиальную, трансверсальную и бинормальную составляющие возмущающего ускорения представлены в виде сумм ускорений, вызываемых отдельными возмущающими факторами:
|
(3. SEQ Формула \* ARABIC 3 |
где n – число учитываемых возмущений, а номер индекса при слагаемых определяет ускорение, вызываемое конкретным возмущением.
При анализе возмущенного движения КА интегрирование удобнее проводить по аргументу широты. Данный способ интегрирования позволяет наглядно определить период обращения спутника (драконический период) как интервал времени, за который невозмущенный аргумент широты увеличится на величины 2p.
Переход к аргументу широты U осуществляется путем умножения правой и левой части системы уравнений (3.1) на производную:
|
(3. SEQ Формула \* ARABIC 4 |
и заменой шестого уравнения системы (3.1) уравнением (3.4). В результате получаем окончательную систему уравнений:
|
(3. SEQ Формула \* ARABIC 5 |
Компоненты вектора Лапласа k и q равны нулю, т.к. эксцентриситет e=0 (см. (3.2)). Таким образом, система уравнений (3.3) трансформируется в частную систему (3.6):
|
(3. SEQ Формула \* ARABIC 6 |
Проинтегрируем аналитически данные выражения в пределах от 0 до 2p.
|
(3. SEQ Формула \* ARABIC 7 |
Как видно из системы (3.7) время t в функции аргумента широты U имеет линейный характер. Фокальный параметр р и долгота восходящего узла W имеют вековые возмущения. Численное интегрирование системы (3.6) производится методом Эйлера с помощью программы, написанной на языке Turbo Pascal 7.0. На рисунке ниже приведена блок‑схема алгоритм численного интегрирования системы дифференциальных уравнений для анализа возмущений.
|
Начало |
|
Задание исходного состояния системы |
|
Вычисление ускорений вызванных возмущений |
|
Протоколирование ускорений от возмущений |
|
Вычисление правой части с учетом ускорений от возмущений |
|
Вычисление состояния системы в следующий точке по Эйлеру |
|
Проверка условия окончания интегрирования |
|
Конец |
|
Да |
|
Нет |
На рис. 5.1-5.4 представлены зависимости H, e, W, i от. Из графиков видно, изменение угла наклона орбиты происходит под действием малых возмущений обусловленных воздействием солнечного давления. Отклонение W зависит от начальных значений долготы восходящего узла и имеет вековую составляющую. Наличие вековых возмущений является важным фактором и может привести при долгом функционировании системы к "накапливанию" этих возмущений и, к значительному отклонению параметром орбиты от номинальных значений.
3.2
Анализ влияния возмущений является важнейшей частью анализа задачи управления поддержанием орбитальной структуры, без которого не возможен выбор параметров стратегии управления (как и самой стратегии). В данной работе приводится анализ возмущений, действующих на КА, составляющие орбитальную структуру космической системы спутниковой связи типа “Иридиум”. Необходимо отметить следующие возмущающие факторы:
·
·
·
·
Последним фактором можно пренебречь, так как влияние небесных тел целесообразно учитывать на высотах не менее 20000 км, а в данной работе высота орбит составляет 780 км. Влияние же остальных факторов необходимо учитывать.
3.2.1
Основной причиной, по которой световому давлению уделено особое внимание, является тот факт, что в последние время возрастает число космических аппаратов, обладающих большими габаритами за счет увеличения площадей солнечных батарей.
Как известно, при падении света (или другой лучистой энергии) на некоторую поверхность, а также при его отражении или излучении возникает так называемое световое давление. Под световым давлением будем подразумевать векторную величину, представляющую собой отношение силы, действующей на некоторую элементарную площадку, к величине этой площадки. Основным источником лучистой энергии, действующей на космические объекты в пределах солнечной системы, является Солнце. Если пренебречь влиянием поглощения лучистой энергии в межпланетном пространстве, то мощность потока энергии солнечного излучения, приходящаяся на единицу поверхности, может быть определена по формуле:
|
(3. SEQ Формула \* ARABIC 8 |
где r – расстояние рассматриваемого объекта от Солнца; r0 – средний радиус орбиты Земли; S0 – мощность потока солнечного излучения в районе земной орбиты.
Принимается, что сила светового давления направлена по вектору Солнце–КА. Она создает ускорение:
|
(3. SEQ Формула \* ARABIC 9 |
q = 4.65*10-6 [Н/м2] – определяет световое давление в районе земной орбиты; Scb – площадь солнечных батарей; М – масса КА; k = 1.2 – коэффициент, зависящий от характера отражения света, а так же от распределения теплового излучения по поверхности спутника.
Тогда сила солнечного давления будет равна:
|
[H] |
(3. SEQ Формула \* ARABIC 10 |
Из (3.10) видно, что действие солнечного давления зависит от характеристик КА, а именно, от массы и его габаритов.
Чтобы определить характер возмущений под действием солнечного давления, рассмотрим ускорения, вызываемые этой силой на оси орбитальной системы координат. Оси орбитальной системы координат направлены соответственно по радиусу-вектору, трансверсали и бинормали. Проекции ускорения на оси обозначим через S, T, W.
Направляющие косинусы ускорений S, T, W в орбитальной системе координат обозначим соответственно через a, b, g, a', b', g', a'', b'', g''.
Проекции ACB на оси геоцентрической инерциальной системы координат (ГИСК), у которой основная координатная плоскость OИXИYИ совпадает с плоскостью экватора, начало координат OИ совпадает с центром масс Земли, ось OИXИ, направлена в точку весеннего равноденствия, ось OИYИ – под углом p/2 к оси OИXИ, ось OИZИ дополняет систему до правой, обозначим: AX, AY, AZ. Тогда:
|
(3. SEQ Формула \* ARABIC 11 |
Направляющие косинусы a, b, g, a', b', g', a'', b'', g'' определяются следующими формулами:
|
(3. SEQ Формула \* ARABIC 12 |
Направляющие косинусы aCB, bCB, gCB ускорения ACB в ГИСК находятся по сферическим координатам Солнца – склонению dC и прямому восхождению aC.
|
(3. SEQ Формула \* ARABIC 13 |
где e – угол наклона эклиптики к небесному экватору, равный 23.43°, uc ‑ эклиптическая долгота Солнца.
|
(3. SEQ Формула \* ARABIC 14 |
Проекции ускорения от силы солнечного давления на оси ГИСК находятся соответственно:
|
(3. SEQ Формула \* ARABIC 15 |
Таким образом, можно написать выражение для проекций ускорения на оси орбитальной системы координат:
|
(3. SEQ Формула \* ARABIC 16 |
Преобразуем выражение к следующему виду:
|
(3. SEQ Формула \* ARABIC 17 |
где:
|
(3. SEQ Формула \* ARABIC 18 |
Итак, рассматривая систему уравнений (3.17) совместно с (3.18) можно оценить влияние на КА возмущающего ускорения от силы солнечного давления в проекции на оси орбитальной системы координат.
Чтобы определить воздействие суммарного ускорения необходимо сложить проекции S, T, W.
|
(3. SEQ Формула \* ARABIC 19 |
3.2.2 е
Движение многих КА происходит в разреженных слоях атмосферы, где аэродинамические силы невелики по сравнению с их значениями в нижних слоях атмосферы. Однако длительное время полета КА приводит к тому, что на высотах ниже 600¸1000 км торможение в атмосфере оказывает существенное влияние на эволюцию орбит КА. Как известно, сила Xa сопротивления воздуха противоположна по направлению скорости движения рассматриваемого объекта относительно воздуха, а ее величина определяется по формуле:
|
(3. SEQ Формула \* ARABIC 20 |
где: CX – безразмерный коэффициент сопротивления воздуха; SM – площадь миделевого сечения спутника; r – плотность воздуха, VОТН – абсолютная величина вектора скорости полета относительно воздуха.
При полете на больших высотах, на которых длина свободного пробега молекул воздуха соизмерима с размерами спутника или значительно превосходит их, коэффициент CX сопротивления воздуха практически не зависит от формы спутника и в основном определяется характером отражения частиц воздуха от поверхности спутника. Обычно принимают, что в верхних слоях атмосферы:
|
(3. SEQ Формула \* ARABIC 21 |
При определении плотности воздуха обычно пренебрегают вертикальным перемещением его слоев и исходят из так называемого уравнения вертикального равновесия атмосферы:
|
(3. SEQ Формула \* ARABIC 22 |
Здесь dp – изменение давления r воздуха при приращении высоты dh, а g – ускорение силы тяжести.
Связь между давлением p воздуха и его плотностью r определяется уравнением Клапейрона:
|
(3. SEQ Формула \* ARABIC 23 |
где M = 28.964420 кг/кмоль – молярная масса воздуха; R0 =8314,32 Дж/(К*моль) – универсальная газовая постоянная; T – термодинамическая температура (К). После подстановки (3.23) в (3.22) получим:
|
(3. SEQ Формула \* ARABIC 24 |
Интегрируя это уравнение от начальной высоты h0 до текущей высоты h, найдем:
|
(3. SEQ Формула \* ARABIC 25 |
где p0 = p(h0), а затем с учетом (3.23):
|
(3. SEQ Формула \* ARABIC 26 |
Здесь p0, M0, T0 соответствуют высоте h0.
Рассмотрим изотермическую модель атмосферы. Будем пренебрегать в уравнении (3.26) изменением g, M, T по высоте (T = const), тогда вводя обозначение:
|
(3. SEQ Формула \* ARABIC 27 |
получим
|
(3. SEQ Формула \* ARABIC 28 |
Величину H называют высотой однородной атмосферы. Согласно формуле (3.28), при изменении высоты h на величину H плотность уменьшается в e » 2.7 раз. Эта формула может быть использована для аппроксимации плотности в некотором диапазоне высот. Высота однородной атмосферы H существенно зависит от расстояния до поверхности Земли. С увеличением высоты величина H увеличивается, достигая значений H = 100¸200 км для высоты h = 600¸800 км. С ростом H скорость убывания плотности атмосферы уменьшается.
Рассмотрим возмущения создаваемые сопротивлением воздуха с учетом изотермической модели атмосферы. При движении по круговой орбите сила Xa сопротивления воздуха направлена по нормали к радиус-вектору, соединяющему центр искусственного спутника с центром Земли, т.е. противоположна направлению ускорения T. Запишем выражение для соответствующего возмущающего ускорения при полете на высоте h:
|
(3. SEQ Формула \* ARABIC 29 |
где M – масса спутника, r = RЗ + h – радиус круговой орбиты, c – коэффициент, определяемый по формуле:
|
(3. SEQ Формула \* ARABIC 30 |
Найдем изменение высоты полета под влиянием сопротивления воздуха. Введем функцию высоты, которая для выбранной модели атмосферы имеет следующий вид:
|
(3. SEQ Формула \* ARABIC 31 |
где p0 – плотность воздуха при h = 0.
Если эта функция известна, то можно для любого спутника легко определить время, за которое спутник с высоты h1 перейдет на высоту h:
|
(3. SEQ Формула \* ARABIC 32 |
Из рис. 5.1 видно, что высота полета КА с течением времени под действием атмосферы уменьшается. На изменение высоты главным образом влияет масса КА и его габариты.
3.2.3 центральности гравитационного поля Земли
Как известно, точная фигура Земли представляет собой достаточно сложную поверхность, называемую геоидом. В ряде случаев можно с достаточной точностью заменять геоид сплюснутым эллипсоидом вращения, у которого центр масс совпадает с центром масс Земли, а малая ось – с осью вращения Земли. Такой эллипсоид, наилучшим образом приближающийся к поверхности реального геоида, называют общим земным эллипсоидом.
Среди возмущающих факторов, оказывающих влияние на движение КА, находится такой фактор как отклонение гравитационного поля Земли от центрального. Это отклонение характеризуется возмущающей функцией:
|
(3. SEQ Формула \* ARABIC 33 |
где: U(r, j, l) – гравитационный потенциал Земли, U0 = m/r – ньютоновский потенциал, r, j, l – сферические координаты точки, соответственно радиус-вектор, широта и долгота.
Обычно используется разложение гравитационного потенциала Земли по полиномам Лежандра вида:
|
(3. SEQ Формула \* ARABIC 34 |
Здесь RЭ – средний экваториальный радиус Земли; cno, cnk, dnk – безразмерные постоянные, характеризующие фигуру Земли, Pno(sinj) – полином Лежандра n-го порядка, Pnk(sinj) – присоединенная функция Лежандра. Слагаемые потенциала (3.33) называются: при k = 0 – зональными гармониками; при k ¹ 0 – трессальными гармониками, при k = n – секториальными.
Рассмотрим основные особенности гравитационного потенциала Земли.
1. n (n < 25).
2. c20 имеет порядок 10-3. Остальные коэффициенты имеют величину порядка 10-6 и менее.
3. n ³ 3 коэффициенты разложения в среднем убывают мало с ростом n.
Рассмотрим проекции возмущающего ускорения на оси орбитальной системы координат.
|
(3. SEQ Формула \* ARABIC 35 |
Рассмотрим методику вычисления возмущений от произвольных гармоник геопотенциала, основанную на преобразовании потенциала (3.34), являющегося функцией сферических координат, в функцию элементов орбиты. Возмущающая функция имеет вид:
|
(3. SEQ Формула \* ARABIC 36 |
|
|
(3. SEQ Формула \* ARABIC 37 |
При учете только зональных гармоник (k = 0) выражение (3.37) примет следующий вид:
|
(3. SEQ Формула \* ARABIC 38 |
Индексы p, q являются целочисленными. Функция угловых аргументов Sn0pq(w, М, W, s) дается выражением:
|
(3. SEQ Формула \* ARABIC 39 |
где:
|
(3. SEQ Формула \* ARABIC 40 |
При n-2p+q¹0 интеграл функции Sn0pq(j) за один оборот КА равен нулю; вековые и периодические возмущения будут отсутствовать. Они возникают только при условии:
|
(3. SEQ Формула \* ARABIC 41 |
Функция (3.38) для n, p, q, удовлетворяющих условию (3.41), принимает вид:
|
(3. SEQ Формула \* ARABIC 42 |
Если при выполнении условия (3.41), кроме того
|
(3. SEQ Формула \* ARABIC 43 |
то функция (3.40) оказывается независимой от элемента w.
|
(3. SEQ Формула \* ARABIC 44 |
В данной работе рассматривается характер возмущений элемента W.
|
(3. SEQ Формула \* ARABIC 45 |
Из формулы видно, что для полярных орбит (i = 90°) возмущение долготы восходящего узла будет отсутствовать.
На рис. 5.11, 5.12 представлена зависимость возмущения долготы восходящего узла с течением времени. Учитывая, что нас в первую очередь интересует относительное положение космических аппаратов, можно отметить, что при малой разнице высот орбит КА данным возмущающим фактором можно пренебречь.
Из представленного материала следует вывод, что поскольку вековые возмущения dW и dM зависят от высоты и наклонения орбиты, то если система построена на орбитах одинаковой высоты и наклонения, относительных возмущений, т.е. возмущений в относительном положении КА в сети не возникает. Влияние не центральности поля тяготения следует учитывать в том случав, когда выдвигаются требования к абсолютному положению спутников.
3.3
3.3.1
Как уже отмечалось выше, условием проведения коррекции является выход значения ширины полосы обслуживания за определенные границы (а точнее сужение ширины полосы обслуживания). Поэтому необходима методика расчета ширины полосы, позволяющая определять ее значение на каждый момент времени. Как было отмечено выше, основным возмущающем фактором в данном случае является сопротивление атмосферы, за счет чего изменяется высота орбиты КА (рис. 5.1), а соответственно и ширина полосы обслуживания.
Сеть построена таким образом, что поверхность Земли покрывается стыкующимися полосами обзора, которые образуются зонами обзора КА, расположенных в одной плоскости. Это существенно упрощает задачу управления системой, так как позволяет раздельно управлять шириной и положением каждой из полос обзора.
Итак, методика расчета ширины полосы обслуживания основана на следующих положениях:
· H и наклонения i;
· m плоскостях по n КА в каждой плоскости;
· W, а также КА в каждой плоскости по аргументу широты U – равномерное;
· g всех КА системы одинаковы.
КА с углом обзора радиоаппаратуры g образует на поверхности Земли область обслуживания, представляющую собой сферический сегмент, размеры которого характеризуются центральным углом jЗ, определяемым выражениями:
|
(3. SEQ Формула \* ARABIC 46 |
Условие непрерывности и глобальности охвата Земли предполагает, что в любой момент времени любая точка земной поверхности с географическими координатами принадлежит зоне обслуживания хотя бы одного КА, т.е. DU£j, то их зоны обслуживания формируют полосу обслуживания шириной B=2b. В общем случае для определения b можно воспользоваться формулой:
|
(3. SEQ Формула \* ARABIC 47 |
Если в плоскости имеется n КА, то a можно определить как:
|
(3. SEQ Формула \* ARABIC 48 |
Таким образом выражение для определения ширины полосы обслуживания имеет следующий вид:
|
(3. SEQ Формула \* ARABIC 49 |
3.3.2
Фактически траектория КА отличается от номинальной в результате действия возмущающих факторов, что приводит к необходимости коррекции. Для проведения коррекции КА должен иметь двигательную установку с необходимым запасом топлива и систему управления, обеспечивающую нужную ориентацию в пространстве. Расчет коррекции включает определение потребной ориентации вектора тяги, момента включения двигательной установки и длительность ее работы. Во многих случаях потребное изменение скорости не превышает нескольких десятков метров в секунду, а длительность работы двигательной установки при выполнении корректирующего маневра мала по сравнению со временем пассивного полета. Поэтому оказывается допустимой импульсная аппроксимация корректирующего маневра, что существенно упрощает его расчет.
Возможны различные способы формирования рабочих орбит спутниковых систем, это зависит от расположения начальной и конечной орбиты.
В данной работе рассматривается компланарная схема формирования круговых рабочих орбит. В рассматриваемом случае целесообразно использовать двух импульсную схему перехода КА с начальной круговой орбиты на конечную орбиту по эллипсу, касающемуся обеих круговых орбит в своих апсидальных точках (рис. 3.2).
Рис. 3.2 Переход между компланарными круговыми орбитами.
Для перехода с внутренней круговой орбиты с радиусом r0 на внешнюю с радиусом r первый разгонный импульс DV1 переводит КА на эллиптическую орбиту с апогеем, совпадающим по высоте с конечной орбитой. В точке касания орбит прикладывается импульс DV2. Величины импульсов определяются по следующим соотношениям:
|
(3. SEQ Формула \* ARABIC 50 |
|
|
(3. SEQ Формула \* ARABIC 51 |
Суммарный импульс для перехода имеет вид:
|
(3. SEQ Формула \* ARABIC 52 |
Алгоритм проведения коррекции можно представить в следующем виде:
1.
2. DH;
3.
В работе рассматриваются три случая приращения высоты:
1. DH = 30 км;
2. DH = 20 км;
3. DH = 10 км.
Расчет производится с помощью программы написанной на алгоритмическом языке Turbo Pascal 7.0.
Результаты расчетов приведены в разделе «Анализ результатов».
3.3.3
Выражение для массы рабочего тела системы коррекции имеет вид:
|
(3. SEQ Формула \* ARABIC 53 |
где V* – характеристическая скорость, Pуд – удельная тяга КДУ;
|
(3. SEQ Формула \* ARABIC 54 |
где N – число коррекций за весь срок функционирования.
Рассчитаем массу рабочего тела системы коррекции для двух типов двигателей.
Имеем:
MКА = 670 кг;
Pуд = 1500с для стационарного плазменного двигателя (СПД);
Pуд = 225с для жидкостного реактивного двигателя (ЖРД).
На рис. 5.17-5.19 показаны зависимости изменения характеристической скорости массы рабочего тела при изменении числа коррекций. При увеличении числа коррекций уменьшается значение характеристической скорости, а следовательно и масса рабочего тела. Возникает необходимость переходить от детерминированного управления к непрерывному.
4
4.1
Группировка состоит из 66 КА, расположенных на орбитах с периодом обращения около 100 минут. Группировка базируется в 6 плоскостях. В каждой плоскости движется 11 КА.
Параметры номинальной орбиты группировки приведены в следующей таблице.
|
Параметр |
Значение |
|
Высота орбиты, км |
780 |
|
Эксцентриситет |
0 |
|
Наклонение, град |
86.659 |
|
Долгота восходящего узла, град |
0 |
|
Драконический период, с |
6028 |
Таб. 4.1. Параметры номинальной орбиты.
Расчетный срок активного существования КА – 5 лет.
Требования к точности удержания:
по наклонению ±0.5о;
по долготе восходящего узла ±0.5о;
по высоте орбиты ±20 км.
4.2
Орбитальная группировка использует КА со следующими техническими характеристиками:
начальная масса на орбите m = 670 кг;
характерная площадь S = 28 м2;
коэффициент силы светового давления СR = 1.2;
коэффициент силы аэродинамического торможения CD = 2.2;
угол обзора аппаратуры g = 63°.
5
В результате работы был выявлен характер возмущений под действием солнечного давления, влияния атмосферы и не центральности гравитационного поля. Влиянием солнечного давления можно пренебречь в следствие однотипности КА, малости габаритов КА и высоты орбиты.
Влиянием не центральности также можно пренебречь, так как система построена на орбитах одинаковой высоты и наклонения, т.е. их относительное положение не изменяется, а требование к определению абсолютного положения КА не выдвигались.
Таким образом, на КА, составляющие данную систему, наиболее сильное влияние будет оказывать атмосфера.
5.1 [1]
Рассматривался КА, расположенный в начальный момент на экваторе с долготой восходящего узла 0о. Графики, иллюстрирующие поведение параметров орбиты приведены на рис. 5.1-5.4 Рассмотрим характерные особенности поведения параметров возмущенного движения.
При неуправляемом движении
срок существования КА ограничен. Так, высота орбиты опускается до
Высота уменьшается примерно на 100 км в год (см. рис. 5.1).
Долгота восходящего узла. Долгота восходящего узла растет очень быстро, на интервале времени 4 года совершает более одного оборота (см. рис. ).
Наклонение плоскости орбиты изменяется мало (рис. 5.3). В абсолютном выражении вариация наклонения КА за 3 года составляет менее 0.1о.
Рис. 5.1 Изменения высоты орбиты.
Рис. 5.2 Отклонение эксцентриситета.
Рис. 5.3 Отклонение долготы восходящего узла.
Рис. 5.4 Изменения наклонения плоскости орбиты.
5.2
Эволюция высоты орбиты. Графики зависимости высоты орбиты от времени в зависимости от действующего возмущения представлены на рис. 5.5-5.7. Во всех случаях, кроме случая воздействия давления света, изменение высоты имеет вековой уход с небольшими колебаниями. В случае воздействия давления света изменение имеет колебательный характер.
Основными возмущающими воздействиями на высоту орбиты является атмосфера и зональная гармоника 3-го порядка.
Рис. 5.5. Изменение высоты орбиты с учетом зональных гармоник 2-го, 3-го и 4-го порядков.
Рис. 5.6. Изменение высоты перигея с учетом тессеральных и секториальных гармоник 2-го, 3-го и 4-го порядков
Рис. 5.7. Изменение высоты перигея с учетом воздействия света и атмосферы.
Эволюция эксцентриситета. Графики зависимости эксцентриситета от времени в зависимости от действующего возмущения представлены на рис. 5.8-5.10. Изменение эксцентриситета имеет вековой уход при действии любых возмущений. Все возмущения вызывают очень малые отклонения эксцентриситета.
Рис. 5.8. Изменение эксцентриситета с учетом зональных гармоник 2-го, 3-го и 4-го порядков.
Рис. 5.9. Изменение эксцентриситета с учетом тессеральных и секториальных гармоник 2-го, 3-го и 4-го порядков.
Рис. 5.10. Изменение эксцентриситета с учетом воздействия света и атмосферы
Эволюция долготы восходящего узла. Графики зависимости долготы восходящего узла от времени в зависимости от действующего возмущения представлены на рис. 5.11-5.13. Изменение долготы восходящего узла незначительно при действии любых возмущений, кроме гармоники с20. Под действием этого возмущения долгота восходящего узла совершает более одного оборота.
Рис. 5.11. Изменение долготы восходящего узла с учетом зональных гармоник 2-го, 3-го и 4-го порядков.
Рис. 5.12. Изменение долготы восходящего узла с учетом тессеральных и секториальных гармоник 2-го, 3-го и 4-го порядков.
Рис. 5.13. Изменение долготы восходящего узла с учетом воздействия света и атмосферы
Эволюция наклонения. Графики зависимости наклонения от времени в зависимости от действующего возмущения представлены на рис. 5.14-5.16.
Наибольшее влияние на наклонение оказывают зональная гармоника 3‑го порядка, а также атмосфера.
Рис. 5.14. Изменение наклонения с учетом зональных гармоник 2-го, 3-го и 4-го порядков
Рис. 5.15. Изменение наклонения с учетом тессеральных и секториальных гармоник 2-го, 3-го и 4-го порядков
Рис. 5.16. Изменение наклонения с учетом воздействия света и атмосферы
5.3 высоты.
На рис. 5.17-5.19 показаны зависимости изменения характеристической скорости массы рабочего тела при изменении числа коррекций. При увеличении числа коррекций уменьшается значение характеристической скорости, а следовательно и масса рабочего тела. Возникает необходимость переходить от детерминированного управления к непрерывному.
Таким образом, видим, что с точки зрения потребного запаса рабочего тела системы коррекции двигатель СПД предпочтительнее ЖРД.
Рис. 5.17. Зависимость количества коррекций от начальной высоты коррекции.
Рис. 5.18. Зависимость характеристической скорости от начальной высоты коррекции.
Рис. 5.19 Зависимость массы топлива от количества коррекций.
5.4 по разделу
В завершении данной главы, подводя общий итог, необходимо отметить, что выбор стратегии можно осуществить только путем численной оптимизации процесса удержания группировки в заданных пределах по ширине полосы обслуживания. Выбор алгоритма оптимального поддержания группировки должен быть предметом отдельного большого обстоятельного исследования.
В данной работе была рассмотрена одна из возможных схем коррекции, основанная на постоянном приращении высоты на каждом этапе. Как оказалось, данный случай не являет собой наилучшее решение проблемы, в силу постоянства величины приращения, и при этом нестабильности атмосферы. Таким образом, при данной схеме коррекции на каждом шаге необходим поиск оптимальной величины приращения высоты из условия уменьшения характеристической скорости, а следовательно и массы системы коррекции.
6
Любая программа, как объект разработки, имеет назначение, и в соответствии с этим назначением к ней предъявляются определенные требования. Программа, разрабатываемая в данной дипломной работе, написана на алгоритмическом языке Turbo Pascal 7.0 и служит средством решения поставленной задачи и не предполагает дальнейшего использования. Она представляет собой совокупность подпрограмм, реализующих алгоритмы расчета возмущающих ускорений, решение дифференциальных уравнений методом Эйлера, а также расчет ширины полос обслуживания и параметров системы коррекции. Требования в данном случае должны предъявляться к правильности, надежности и к обеспечению выполнения дипломной работы.
Требование к надежности.
Программа должна обеспечивать получение правильного результата. Здесь подразумевайся не только правильность реализации программы, но и правильность выбора математических методов решения задачи.
Требование к правильности.
Должна обеспечивать правильность реализации в программе выбранного математического обеспечения.
Требование к обеспечению выполнения дипломной работы.
Разрабатываемая программа должна служить средством решения поставленной в спец части задачи.
7
Охрана труда (ОТ) - система законодательных актов, социально-экономических, организационных, технических, гигиенических, лечебно-профилактических мероприятий, обеспечивающих безопасность, здоровье и работоспособность человека в процессе труда.
Задача ОТ – свести к минимуму вероятность поражения или заболевания работающего с одновременным обеспечением комфорта при максимальной производительности труда. Реальные производственные условия характеризуются опасными и вредными факторами. Опасные производственные факторы – факторы, воздействие которых на работающего в определенных условиях приводят к травме или другим профессиональным заболеваниям. Вредным производственным фактором называется такой, воздействие которого на работающего в определенных условиях приводит к заболеванию или снижению работоспособности. Опасные – движущиеся детали механизмов, раскаленные тела. Вредные – воздух, примеси в нем, теплота, недостаточное освещение, шум, вибрация, ионизирующее лазерное и электромагнитное излучения.
Законодательные и нормативные акты ОТ
В законодательстве об ОТ отражены следующие правила и нормы: правила организации ОТ на предприятиях; правила по технике безопасности (ТБ) и производственной санитарии; правила, обеспечивающие индивидуальную защиту работающих от профессиональных заболеваний; правила и нормы специальной охраны труда женщин, молодежи и лиц с пониженной трудоспособностью; правовые нормы, в которых предусматривается ответственность за нарушение законодательства об ОТ.
Важнейшие положения в области ОТ закреплены в “Кодексе законов о труде”. Обеспечение здоровых и безопасных условий труда возлагается на администрацию предприятия. Администрация предприятия обязана внедрять современные средства техники безопасности, обеспечивающие санитарно-гигиенические условия и предотвращающие возникновение профессиональных заболеваний рабочих. Производственные здания и сооружения должны отвечать требованиям обеспечивающим безопасные условия труда. Эти требования включают: рациональное использование территорий; правильное использование оборудования; защиту рабочих от воздействия вредных производственных факторов; содержание промышленных помещений в соответствии с санитарно-гигиеническими требованиями. В законодательстве об ОТ особое внимание уделяется соблюдению ОТ при проектировании и разработке новых машин и оборудования.
Система управления ОТ промышленного предприятия
Действующий трудовой кодекс устанавливает, что ответственность за организацию труда на предприятии несут директор и главный инженер. По подразделениям такая ответственность возлагается на руководителей цехов, участков, служб. Непосредственное руководство ОТ осуществляет главный инженер.
В целях ОТ трудовой кодекс возлагает на администрацию предприятия следующие функции:
· Проведение инструктажа по ТБ, производственной санитарии и пожарной безопасности;
· Организация работы по профессиональному отбору служащих;
· Осуществление контроля за соблюдением работниками предприятия всех требований и инструкций по ОТ.
Существует несколько видов инструктажа: вводный, первичный на рабочем месте, вторичный, внеплановый, текущий.
Вводный инструктаж обязаны пройти все вновь поступающие на предприятие, а также командированные лица. Проводит инструктаж главный инженер.
Первичный на рабочем месте проводиться со всеми, поступившими на работу.
Вторичный – не реже, чем через шесть месяцев. Его цель – восстановление в памяти рабочего правил по ТБ, а также разбора конкретных нарушений.
Внеплановый проводят при изменении технологического процесса, правил по ОТ или при внедрении новой техники.
В условиях современного производства отдельные мероприятия по улучшению условий труда оказываются недостаточными, поэтому они осуществляются комплексно, образуя систему управления безопасности труда (СУБТ) – совокупность объекта управления и управляющей части, связанных каналами передачи информации. Объектом управления служит безопасность труда на рабочем месте и характеризуется воздействием людей с предметами и орудиями труда.
7.1
Общие сведения процессов горения пожаров и взрывов
Горение – химическая реакция окисления, сопровождающаяся процессами выделения тепла и света. Для возникновения горения необходимо наличие горючего вещества, окислителя (О2,, Cr, F, Br, I) и источника загорания. В зависимости от свойств горючей смеси горение может быть гомогенным (все вещества имеют одинаковое агрегатное состояние) и гетерогенным. В зависимости от скорости распространения пламени горение может быть дефлакрационным (порядка нескольких м/с), взрывным (»10 м/с), детонационным (»1000 м/с). Пожарам свойственно дефлакрационное горение. Детонационное горение - при котором импульс воспламенения передается от слоя к слою не за счет теплопроводности, а вследствие импульса давления. Давление в детонационной волне значительно больше давления при взрыве, что приводит к сильным разрушениям.
Процесс возникновения горения подразделяется на несколько видов:
· вспышка;
· возгорание;
· воспламенение;
· самовозгорание;
· взрыв.
Вспышка – быстрое горение горючей смеси не сопровождающаяся образованием сжатых газов при внесении в нее источника зажигания. При этом для продолжения горения оказывается недостаточным то количество тепла, которое образуется при кратковременном процессе вспышки.
Возгорание – явление возникновения горения под действием источника зажигания.
Воспламенение – возгорание, сопровождающееся появлением пламени. При этом вся оставшаяся часть горючего вещества остается холодной.
Самовозгорание – явление резкого увеличения скорости тепловых реакций в веществе, приводящее к возникновению горения в отсутствии источника возгорания. При этом окисление происходит вследствие соединения О2 воздуха и нагретого вещества за счет тепла химической реакции окисления. Самовозгорание – самопроизвольное появление пламени. Взрыв – горение вещества, сопровождающееся выделением большого количества энергии.
Причины пожаров на предприятии
Предприятия радиоэлектронной и машиностроительной промышленности отличаются повышенной пожароопасностью, т.к. их характеризуют сложность производственных процессов, значительное количество легковоспламеняемых и горючих веществ. Главная причина пожаров на предприятии – нарушение технологического процесса. Основы защиты от пожаров определены ГОСТом "Пожарная безопасность" и "Взрывобезопасность". Этими стандартами допускается такая частота возникновения пожаров и взрывов, что вероятность их возникновения < 10 -6. Мероприятия по пожарной профилактике подразделяются на организационные, технические и эксплуатационные. Организационные мероприятия предусматривают правильную эксплуатацию машин, правильное содержание зданий и противопожарный инструктаж рабочих и служащих. К техническим мероприятиям относятся соблюдение противопожарных норм, правил при проектировании зданий, при устройстве электропроводки, отопления, вентиляции и освещения. Мероприятия режимного характера – запрещение курения в неустановленных местах, производство сварных и огнеопасных работ в пожароопасных помещениях. Эксплуатационные мероприятия – профилактические осмотры, ремонт и испытания технологического оборудования.
Противопожарные меры проектирования предприятий
Здание считается правильно спроектированным, если наряду с решением функциональных, санитарных и технических требований обеспечиваются условия пожаробезопасности. В соответствии с ГОСТом все строительные материалы по возгораемости делят на три группы:
1. Несгораемые, под действием огня и высоких температур не возгораются и не обугливаются (металлы и материалы минерального происхождения);
2. Трудно-сгораемые, способны возгораться и гореть под воздействием постороннего источника возгорания (конструкции из древесины, покрытые огнезащитным слоем);
3. Сгораемые, способны самостоятельно гореть после удаления источника возгорания.
При пожаре конструкции могут нагреваться до высоких температур, прогорать, получать сквозные трещины, что может привести к пожарам в смежных помещениях.
Способность конструкции сопротивляться воздействию пожара в течение некоторого времени при сохранении эксплутационных свойств называют огнестойкостью. Огнестойкость конструкции характеризуется пределом огнестойкости, представляющим собой время в часах от начала испытания конструкции до появления в ней трещин, отверстий сквозь которые проникают продукты горения. В зависимости от величины предела огнестойкости здания подразделяют на 5 степеней. Повысить огнестойкость здания можно облицовкой и оштукатуриванием металлических частей конструкции. При облицовке стальной колонны гипсовыми плитами толщиной 6-7 см предел огнестойкости повышается с 0,3 до 3 часов. Одним из эффективных средств защиты древесины является пропитка ее антипиринами. Зонирование территории заключается в группировке в отдельный комплекс объектов, родственных по функциональному назначению и пожарной опасности. При этом помещения с повышенной пожароопасностью должны быть расположены с подветренной стороны. Т.к. котельные и литейные цеха являются причинами возникновения пожара, то их располагают с подветренной стороны по отношению к открытым складам с легковоспламеняемыми веществами. Для предупреждения распространения пожара с одного здания на другое между ними устраивают противопожарные разрывы. Количество передаваемого тепла от горящего объекта к соседнему зданию зависит от свойств горючих материалов, температуры пламя, величины излучающей поверхности, наличием противопожарных преград, взаимного расположения зданий и метеорологических условий. При определении расположения пожарного разрыва учитывают степень огнестойкости здания. Для предотвращения распространения огня используют противопожарные преграды. К ним относят: стены, перегородки, двери, ворота, люки, перекрытия. Противопожарные стены должны быть выполнены из несгораемых материалов с пределом огнестойкости не менее 3 часов. А окна и двери с пределом огнестойкости - не менее 1 часа. Перекрытия не должны иметь проемов и отверстий, через которые могут проникать продукты горения.
Огнетушащие вещества и аппараты пожаротушения
В практике тушения пожаров наибольшее распространение получили следующие принципы прекращения горения:
· Изоляция очага горения путем разбавления негорючими газами до концентрации, при которой горение затухает;
· Охлаждение очага горения;
· Интенсивное торможение скорости химической реакции в пламени;
· Механический срыв пламени в результате воздействия на него сильной струи газа или воды;
· Создание условий огнепреграждения, при которых пламя не распространяется через узкие каналы.
При воздействии на очаг пожара воды происходит охлаждение или разбавление горючей среды, в результате чего снижается содержание О2. Однако вода находит ограниченное применение при тушении нефтепродуктов, т.к. они всплывают на поверхность и продолжают гореть. Тогда эффект тушения водой может быть повышен за счет подачи ее в распыленном виде. Для обеспечения тушения пожара в начальной стадии в большинстве зданий в водопроводной сети устанавливаются внутренние пожарные краны. К установкам водяного пожаротушения относят спринклерные и дренчерные установки. Спримклерная остановка – разветвленная, заполненная системой труб, оборудованных спринклерными головками, которые под воздействием определенной температуры (340, 414, 450°К) расплавляются и вода из системы под давлением выходит из отверстий головок и орошает конструкцию помещений. Дренчерное оборудование отличается от спринклерного тем, что дренчерные головки постоянно открыты (на них нет замков). Они используются для создания водяных завесов. Воду в дренчерную сеть подают через автоматические открывающиеся клапаны. Производства с высокой пожароопасностью не могут быть защищены от пожаров этими установками, т.к. они инерционны. Тогда надо использовать быстродействующие автоматические установки пожаротушения с клапанами. Кроме воды при тушении пожаров может быть использован углекислый газ. Обычно он находится в баллонах в сжиженном состоянии и применяется для тушения в снегообразном состоянии в виде хлопьев с температурой -70°С, а также в газообразном состоянии (для тушения пожаров в закрытых помещениях). В снегообразном состоянии - для тушения в небольшой зоне горения. Концентрация газа (СО2) в закрытом помещении £ 30 %.
Азот применяется для тушения пожаров в закрытых помещениях в тех же концентрациях что и СО2. Огнегасительное действие СО2 и N сводится к понижению концентрации О2 в зоне горения. В настоящее время находят применение огнегасительные вещества на основе голоидированных углеводородов. При введении их в зону горения происходит торможение химических реакций и горение прекращается. Для тушения пожаров широко используется огнегасительная пена. При тушении пена покрывает горящее вещество, изолирует его от окружающей среды, препятствует проникновению горючих веществ в зону горения. В процессе разрушения пены образуется жидкая пленка, смазывающая горящее вещество. При взаимодействии серной кислоты и растворов ее солей с угольной кислотой в результате реакции выделяется С2О2. С помощью пенообразователя получают устойчивую химическую пену способную прилипать и удерживаться на горящем веществе. Порошковые огнегасительные составы применяются для тушения небольших количеств горючих веществ, а также при тушение веществ, при тушении которых нельзя применить другие вещества. При этом выделение тепла прекращается. Сухой и чистый рассеянный песок тушит рассеянные газы.
Аппараты для тушения пожаров
Для тушения пожаров применяют огнетушители, переносные установки. К ручным огнетушителям относятся пенные, углекислотные, углекислотно-бромэтиловые и порошковые.
Пенные огнетушители используются для тушения пожара и обладают следующими достоинствами: простотой, легкостью, быстротой приведения огнетушителя в действие и выбрасыванием жидкости в виде струи. Заряд пенного огнетушителя состоит из двух частей: кислотной и щелочной. На предприятиях используются пенные огнетушители ОХП10. Продолжительность действия - 65 секунд, дальность - 8 метров, масса - 15 кг. Огнетушитель приводится в действие поворотом рукоятки вверх до отказа. При этом открывается пробка колбы, затем огнетушитель поворачивается головкой вниз, в результате чего кислота выливается в баллон и происходит химическая реакция. Образующийся при этом СО2 вызывает вспенивание жидкости, создает в баллоне давление 1000 кПа и выбрасывает жидкость в виде струи пены из баллона.
Используются стандартные передвижные пеногенераторы, которые позволяют непрерывно получать химическую пену. Пеногенератор типа ПГМ-50 применяют для тушения легковоспламеняющейся и горючей жидкости. Ручные огнетушители высокократной пены типа ОВП-5 заряжают 5% раствором пенообразователя. При работе огнетушителя сжатая двуокись углерода выбрасывает раствор пенообразователя через насадку, образуя струю высокократной пены. Химические пенные и воздушно-пенные огнетушители нельзя применять для тушения пожаров на электроустановках, находящихся под напряжением. В этом случае используют углекислотные огнетушители. К ним относятся огнетушители ОУ-2 и ОУ-5. Такой огнетушитель состоит из баллона, запорно-пускового вентиля, сифонной трубки, гибкого металлического шланга, диффузора (распылителя), рукоятки и предохранителя. Запорный вентиль имеет предохранительное устройство в виде мембраны, которая сбрасывается при повышении давления в баллоне. При повышении давления от 17000 до 20000 кПа срабатывает предохранительное устройство, время действия которого 60 секунд, дальность - 2 м. Для приведения огнетушителя в действие его надо расположить вблизи очага пожара, повернуть диффузор в направлении огня, открыть поворотом маховика вентиль и направить углекислоту в очаг горения. Углекислотно-бромоэтиловый огнетушитель ОУБ-7 используется для тушения горящих твердых и жидких веществ, для тушения электроустановок под напряжением. Он состоит из баллона емкостью 7 л, заполненной бромистым этилом и двуокисью углерода, а также сжатым воздухом для выбрасывания вещества. Порошковый огнетушитель предназначен для тушения небольших очагов загорания щелочных металлов и кремнеорганических соединений. Он состоит из сварного корпуса емкостью 10 л, крышки с предохранительным клапаном и сифонной трубкой, баллончиком для газа емкостью 0,7 л, соединенным с корпусом при помощи трубки, гибкого шланга с удлинителем. Рабочее давление в корпусе 700 кПа. Порошок из корпуса огнетушителя выталкивается сжатым инертным газом через сифонную трубку наружу.
Пожарная сигнализация
Возможность быстрой ликвидации пожара зависит от своевременного оповещения о пожаре. Распространенным средством оповещения является телефонная связь. Также быстрым и надежным видом пожарной связи является электрическая система, которая состоит из 4 частей: прибора – извещателя (датчиков), которые устанавливаются на объекте и приводятся в действие автоматически; приемной станции, принимающей сигналы от получателя; системы проводов, соединяющей датчики с приемной станцией; аккумуляторных батарей. Электрическая пожарная сигнализация в зависимости от схемы соединения с приемной станцией бывает лучевая и кольцевая. При лучевой схеме от датчика до приемной станции делается отдельная проводка, называемая лучом. Луч состоит из двух самостоятельных проводов: прямого и обратного. При кольцевой схеме все извещатели установлены последовательно на один общий провод, оба конца которого выведены на приемный аппарат.
Автоматические пожарные извещатели в зависимости от воздействующего фактора бывают дымовыми, тепловыми и световыми. Дымовой фактор реагирует на появление дыма, тепловой на повышение температуры воздуха в помещении, световой – на излучение открытого пламени. Тепловые автоматические извещатели по типу применяемого чувствительного элемента делятся на биметаллические, термопарные и полупроводниковые.
7.2
Рассмотрим обеспечение пожара-безопасности информационного отдела, численность работников которого составляет 13 человек, находящегося на 2-м этаже 6-ти этажного здания.
Ответственные лица
В соответствии с требованиями Правил пожарной безопасности в Российской Федерации (ППБ-01-03) с целью создания необходимых условий для обеспечения пожарной безопасности на объекте:
Организацию работы по пожарной безопасности и контроль за исполнением нормативных документов возложить на начальника отдела.
Инструктаж
Общее руководство и организация обучения в целом по объекту возлагается на ответственного за пожарную безопасность предприятия, а в подразделениях – на руководителей подразделений.
Контроль за своевременностью и качеством обучения работающих на объектах осуществляет инженер по противопожарной безопасности, на которого возложены обязанности приказом руководителя предприятия.
В данном подразделении необходимо проводить два вида инструктажа:
· вводный;
· повторный.
Вводный инструктаж проводят со всеми принимаемыми на работу, а также с командированными, учащимися и студентами, прибывшими на практику.
Повторный инструктаж проходят все работающие, не реже чем через 6 месяцев.
Система оповещения и управления эвакуацией
Система оповещения и управления эвакуацией (СОУЭ) – комплекс организационных мероприятий и технических средств, предназначенный для своевременного сообщения людям информации о возникновении пожара и (или) необходимости и путях эвакуации.
Согласно Н П Б 104-03 “Системы оповещения и управления эвакуацией людей при пожарах в знаниях и сооружениях”, учреждения органов управления, проектно-конструкторские организации, НИИ, информационные центры и другие административные здания высотой до 6-ти этажей включительно, должны оснащаться СОУЭ со звуковым сигналом (сирена, тонированный сигнал и др.) и световыми оповещателями “ВЫХОД”.
Пульт системы оповещения должен находиться в самом помещении, в качестве оповещателей необходимо использовать дымные извещатели (устанавливаются на расстоянии 3 – 4 метра друг от друга).
В рассматриваемом подразделении необходимо установить 8 дымных извещателей.
Первичные средства пожаротушения
Основной способ тушения горящих зданий – это подача огнетушащих веществ (воды, песка, пены) на горящие поверхности.
В настоящее время, особенно за рубежом, наибольшее распространение получили огнетушители порошковые (ОП). Их применяют для ликвидации загораний бензина, дизельного топлива, лаков, красок, древесины и других материалов на основе углерода. Порошки специального назначения используются при ликвидации пожаров и загораний щелочных материалов, алюминий – и кремнийорганический соединений и различных самовозгорающихся веществ. Хорошие результаты даёт при тушении электроустановок, находящихся под напряжением до 1000 В.
Данное подразделение укомплектуем 2-мя огнетушителями порошковыми ОП-5(г) – тип огнетушителя, где для создания давления применяется газогенерирующий элемент. Огнетушители, согласно ГОСТ 12.4.009 (раздел 2.3), расположим около выхода из помещения на высоте 1.5м от уровня пола. Необходимо также установить указатели на местоположение огнетушителей (на высоте 2.5 м от уровня пола).
План эвакуации персонала.
В соответствии с ППБ-01-93, в зданиях и сооружениях (кроме жилых домов), при единовременном нахождении на этаже более 10 человек должны быть разработаны и на видных местах вывешены планы(схемы) эвакуации людей в случае пожара.
Планы эвакуации бывают двух видов: для организаций и индивидуальные планы эвакуации. Для рассматриваемого подразделения необходимо составление только плана эвакуации организаций (см. рис. 7.1).
Согласно требованиям пожарной безопасности к территориям, зданиям сооружениям, помещениям:
· Все двери эвакуационных выходов должны свободно открываться в сторону выхода из помещений. При пребывании людей в помещении двери могут запираться лишь на внутренние, легко открывающиеся запоры;
· Запрещается загромождать проходы, коридоры, тамбуры, лестничные площадки, марши лестниц и люки мебелью, шкафами, оборудованием и т.д.;
· Запрещается использование ковровых напольных покрытий (для помещений с компьютерами).
Для эвакуации персонала при задымлении помещения газами, представляющими опасность для дыхательных путей человека, применяют средства индивидуальной защиты (противогазы, респираторы, марлевые повязки и т.п.). Средства индивидуальной защиты выдаются каждому работнику и хранятся в правом верхнем ящике рабочего места.
В качестве средств индивидуальной защиты в данном подразделении используются изолирующие противогазы.
Проверка исправности средств индивидуальной защиты должна проводиться не реже чем один раз в шесть месяцев. При необходимости производится ремонт или замена неисправных противогазов на новые.
Рис. 7.1. План эвакуации.
Выводы
В ходе проведённой работы были рассмотрены следующие аспекты охраны труда:
1. Законодательные и нормативные акты, регулирующие правоотношения в области охраны труда;
2. Системы управления охраны труда промышленного предприятия;
3. Основные причины возникновения пожаров;
4. Основные методы профилактики и борьбы с пожарами;
5. Рассмотрен пример организации работ по обеспечению пожарной безопасности информационного отдела, а именно:
· Назначение ответственных лиц;
· Проведение инструктажа;
· Выбор системы эвакуации и оповещения персонала;
· Выбор первичных средств пожаротушения;
Составление плана эвакуации.
8
В экономической части дипломной работы проведена оценка затрат на разработку программно-математического обеспечения, с помощью которого решается исследовательская задача.
Перечислены этапы разработки программного продукта (ПП) и состав выполняемых работ. Определено время, необходимое для разработки ПП. Определены статьи расходов. Рассчитаны затраты на оплату труда, затраты на оборудование, материалы и прочие затраты. Вычислены общие затраты на разработку программно-математического обеспечения.
8.1 ПП
Затраты на разработку программного продукта разделены по статьям расходов (статьям калькуляции).
Группировка затрат по статьям расходов дает возможность понять назначение затрат и выяснить, во что обходится предприятию разработка программной продукции. Планирование и учет затрат по статьям расходов необходимо для того, чтобы определить, под влиянием каких факторов сформировался данный уровень затрат.
Рассматриваются следующие основные калькуляционные статьи:
·
·
·
·
·
8.2
Разработка программного продукта представляет собой длительный поэтапный процесс. Работы, выполняемые при создании ПП, можно разделить на пять основных этапов: начальный, эскизный, технический, рабочий и заключительный.
На начальном этапе исполнителям выдается техническое задание, осуществляется подбор материалов, выбираются методы и средства выполнения работ. На эскизном этапе разрабатывается общее описание алгоритмов решения задачи, определяется вид входных и выходных данных. На техническом этапе выявляются окончательные технические решения, дающие полное представление о разрабатываемом программном продукте. Рабочий этап заключается в программировании и отладке программы, а также в написании программной документации. В заключительном этапе производится анализ результатов, выработка рекомендаций и формулировка заключений. Основные этапы выполняемых работ представлены ниже в Таблице 1.
Основные этапы разработки и состав выполняемых работ. Таб. 8.1.
|
№ этапа |
Этапы разработки программного продукта |
Состав выполняемых работ |
Длитель-ность этапов, дни |
|
1 |
Начальный |
Постановка задачи, выбор критериев эффективности. |
12 |
|
Выбор языка программирования. |
|||
|
Предварительный выбор методов выполнения работы. |
|||
|
Разработка календарного плана выполнения работ. |
|||
|
2 |
Эскизный |
Предварительная разработка вида входных и выходных данных. |
10 |
|
Разработка общего описания алгоритмов решения задачи. |
|||
|
Разработка пояснительной записки. |
|||
|
Проведение консультационных встреч разработчиков постановки задач. |
|||
|
3 |
Технический |
Разработка алгоритмов решения задач. |
34 |
|
Разработка пояснительной записки. |
|||
|
Разработка структуры программы. |
|||
|
Уточнение вида данных: анализ и определение формы представления входных и выходных данных. |
|||
|
4 |
Рабочий |
Программирование и отладка программ. |
16 |
|
Описание контрольного примера. |
|||
|
Разработка программной документации. |
|||
|
5 |
Заключительный |
Анализ результатов. |
12 |
|
Выработка рекомендаций. |
|||
|
Формулирование заключения |
Таким образом, время, необходимое для создания программного продукта (время выполнения основных этапов разработки), составляет 84 рабочих дня.
8.3
Основными задачами учета труда и его оплаты являются точный учет личного состава работников, отработанного ими времени и объема выполняемых работ; правильное исчисление сумм оплаты труда и удержаний из нее; учет расчетов с работниками организаций, бюджетом, органами социального страхования, Государственным фондом занятости населения, фондами обязательного медицинского страхования и Пенсионным фондом РФ; контроль за рациональным использованием трудовых ресурсов, оплатой труда и фондом потребления; правильное отнесение начисленной оплаты труда и отчислений на социальные нужды на счета издержек производства.
Различают основную и дополнительную оплату труда. К основной оплате труда относится оплата, начисляемая работникам за отработанное время, количество и качество выполненных работ: оплата по сдельным расценкам, тарифным ставкам, окладам, премии сдельщикам и повременщикам, доплаты в связи с отклонениями от нормальных условий работы и т.п.
К дополнительной заработной плате относятся выплаты за неотработанное время, предусмотренные законодательством по труду: оплата очередных отпусков, льготных часов работников, выходного пособия при увольнении и др.
Фонд заработной платы включает:
оплату за отработанное время, в том числе оплату труда лиц, принятых на работу по совместительству, а также оплату труда работников пенсионного состава;
оплату за неотработанное время (оплату ежегодных и дополнительных отпусков, выходных пособий и др.);
Выплаты социального характера – компенсации и социальные льготы, предоставленные работникам, без социальных пособий из государственных и негосударственных бюджетных фондов – надбавка к пенсиям работников организации, единовременные пособия уходящим на пенсию ветеранам труда, оплата путевок работникам и членам их семей на лечение, отдых, экскурсии, путешествия за счет средств организации, расходы на погашение ссуд, выданных работникам организации, суммы, предоставленные работникам для первоначального взноса или на погашение кредита на жилищное строительство и др.
Расходы, не относящиеся к фонду заработной платы и выплатам социального характера.
К этим расходам относят: доходы по акциям и другие доходы от участия работников в собственности организации (дивиденды, проценты, выплаты по долевым паям и т.д.); страховые взносы в Пенсионный фонд РФ, Фонд социального страхования РФ, фонды обязательного медицинского страхования РФ, Государственный фонд занятости РФ и взносы за счет средств в негосударственные пенсионные фонды; выплаты из внебюджетных (государственных и негосударственных) фондов, а также по договорам личного, имущественного и иного страхования; командировочные расходы и др.;
8.4
Заработная плата – выплаты работодателя в денежном выражении, образующие текущий доход работника, а также отчисления на социальное страхование работника. Она включает заработную плату в соответствии с тарифными ставками и должностными окладами, сдельную зарплату, доплаты, премии и тому подобное.
В основе заработной платы лежит тарифная ставка, которая имеет определенный диапазон. Нижняя ее граница определяется воспроизводственным минимумом средств для профессии, а верхняя – экономическими возможностями предприятия. Возможности работодателя в выделении средств на заработную плату продиктованы его стремлением использовать функции зарплаты для повышения эффективности деятельности предприятия. Повышение прибыльности работы предприятия требует снижения затрат предприятия и увеличения расходов на стимулирование труда работников. Кроме того, ему приходится учитывать эволюционное возрастание цены труда в обществе. Так формируется на предприятии тарифная ставка работника отдельной профессии (должности).
Заработная плата сотрудников определяется на основе общей трудоемкости создания разработки и применяемых расценок и тарифов в действующих системах оплаты труда:
где Ti – трудоемкость i – й работы, то есть время, которое потратит один человек на выполнение всей i – й работы;
τi – средняя часовая тарифная ставка i – го разработчика;
ni – количество разработчиков i – й категории;
k – число категорий исполнителей.
Разработка программно-математического обеспечения для решения исследовательской задачи предполагает привлечение к созданию ПП специалистов. Будем считать, что в создании ПП участвуют три исполнителя: инженер, программист и их непосредственный руководитель. Продолжительность работ составляет 84 рабочих дня. Определим затраты на оплату труда сотрудников. Исходные данные о сотрудниках приведены в Таблице 2.
Заработная плата разработчиков ПП. Таб. 8.2.
|
Продолжительность работ, дни |
Исполнитель |
Дневная тарифная ставка, руб/день |
Заработная плата, руб |
|
|
должность |
численность |
|||
|
84 |
Руководитель |
1 |
350 |
29400 |
|
84 |
Инженер |
1 |
250 |
21000 |
|
84 |
Программист |
1 |
250 |
21000 |
Зпл = 84*350*1 + 84*250*1 + 84*250*1 = 71400 руб.
Дополнительная заработная плата составляет 30% от основной заработной платы:
Здоп = 71400*0,3 = 21420 руб.
Единый социальный налог составляет 28,5 % от расходов на заработную плату:
Нед.соц. = (71400 + 21420)*0,285 = 26453 руб 70 коп.
Таким образом, фонд оплаты труда равен:
Ф = Зпл + Здоп + Нед.соц.
Ф = 71400 + 21420 + 26453,7 = 119273 руб 70 коп.
Прочие расходы составляют 5-10% от фонда оплаты труда:
Зпроч = 0,07* 119273,7 = 8349 руб 16 коп
8.5
Для разработки программного продукта используется специальное оборудование и материалы. Затраты на оборудование и материалы состоят из: затрат на приобретение персонального компьютера – ПК, затрат на дискеты, бумагу и прочие материалы (см. Таблицу 4), а так же лабораторных и эксплуатационных расходов на ПК.
Будем считать, что для разработки программного продукта используется один персональный компьютер. Комплектующие части ПК и их стоимость приведена ниже в Таблице 3.
Комплектующие части персонального компьютера. Таб. 8.3.
|
№ |
Комплектующие части |
Цена (руб.) |
|
1. |
Корпус |
1050 |
|
2. |
Системная плата |
3500 |
|
3. |
Процессор |
5500 |
|
4. |
Оперативная память |
680 |
|
5. |
Карта SVGA |
3100 |
|
6. |
FDD |
350 |
|
7. |
Накопители HDD |
2800 |
|
8. |
CD-ROM устройство |
1200 |
|
9. |
Звуковая плата |
850 |
|
10. |
Клавиатура |
600 |
|
11. |
Мышь+коврик |
600 |
|
12. |
Монитор |
6200 |
|
13. |
Колонки |
400 |
|
14. |
Сетевой фильтр |
500 |
|
15. |
Программное обеспечение (приобретение, установка, отладка) |
3500 |
Таким образом, затраты на приобретение одного ПК и установку на него программного обеспечения составят Зпк = 30830 руб.
Расходы на содержание и эксплуатацию оборудования (ПК) занимают значительное место в общей сумме комплексных расходов. В их состав включаются расходы, связанные с работой оборудования, то есть затраты на содержание, текущий ремонт и обслуживание.
Зэксп = Спк * Тпк.
Где Спк и Трс – стоимость единицы времени эксплуатации (руб/час) и время работы ПК.
Продолжительность рабочего дня для инженерно-технических работников и проектировщиков составляет 8 часов (40 часов – рабочая неделя). Продолжительность работ – 84 рабочих дня. Будем считать, что компьютер эксплуатируется непрерывно в течении рабочего дня на протяжении всего времени работ. Таким образом, время работы ПК:
Тпк = 8*84 = 672 часов
Расходы на содержание и эксплуатацию оборудования:
Зэксп = 10*672 = 6720 руб.
Затраты на оборудование и материалы сведены в Таблицу 4.
Затраты на оборудование и материалы. Таб. 8.4.
|
Вид затрат |
Себестоимость единицы (руб.) |
Количество |
Стоимость (руб.) |
|
Компьютер |
30830 |
1 |
30830 |
|
Дискеты |
10 |
10 |
=B5*C5 1000 |
|
Ксерокопирование материалов |
3 |
100 |
300 |
|
Бумага |
0.2 |
500 |
100 |
Прочие расходы составляют 5-10% от общей суммы:
Зпр = 0,07*(30830+ =B5*C5 0
Таким образом, материальные затраты:
Змат = 38050 + 2663,5 = 40713 руб 50 коп.
8.6
Затраты на разработку программного продукта представляют собой сумму затрат по всем статьям расходов (см. Таблицу 5.):
где Зi – затраты по i – й статьи расходов.
Затраты на разработку ПП. Таб. 8.5.
|
№ п/п |
Статьи расходов |
Затраты, руб |
|
1 |
Фонд заработной платы |
119273 руб 70 коп |
|
2 |
Затраты на материалы |
40713 руб 50 коп |
|
3 |
Прочие расходы |
8349 руб 16 коп |
Таким образом, затраты на разработку ПМО составляют 168336 руб 36 коп.
Выводы
Время на разработку программно-математического обеспечения составляет 84 дня;
Общие затраты на разработку программно-математического обеспечения составляют 168336 руб 36 коп, в том числе расходы на оплату труда работников – 119273 руб 70 коп, расходы на материалы и оборудование – 40713 руб 50 коп.
9
В завершение данной работы можно подвести итоги и рассмотреть полученные в процессе работы результаты. Итак, в процессе анализа возмущений, обусловленных влиянием солнечного давления, атмосферы и не центральностью гравитационного поля Земли, была получена достаточно полная динамическая модель этого влияния. Данные результаты особенно пригодятся при рассмотрении космических систем, которые состоят из разнотипных крупногабаритных и достаточно легких КА. Тем не менее, данное исследование имеет свой путь развития, в частности, рассмотрения случая, когда плоскости орбит имеют различную ориентацию в пространстве, когда КА входит в тень Земли и выходит из нее, а сила солнечного давления соответственно имеет разрывы, когда орбита отличается от круговой, и др.
Что касается результатов, полученных в процессе решения задачи управления поддержанием орбитальной структуры, то необходимо сказать что:
1.
2.
Тем не менее, несмотря на вышесказанное, рассмотренная схема может быть применена в других задачах, в частности в системах построенных на орбитах различной высоты.
Необходимо отметить, что выбор КДУ - тоже интересная проблема. Как было сказано, СПД обладает большой удельной тягой и требует меньше рабочего тела, но значительных расходов мощности. Также надо отметить, что снижение массы запасов рабочего тела при увеличении числа коррекций у ЖРД идет более значительно, нежели у СПД. Необходимо дальнейшее исследование.
Заключение
Проведен анализ спутниковой системы связи и орбитального космического аппарата, являющегося ее элементом. Рассмотрен их состав, функциональная структура и модели цели.
Сформулированы тактико-технические требования к КА.
На основе системного анализа задачи было определено множество параметров возмущений и выбрано правило оценки результатов исследования.
Для решения задачи сформулированной в разделе системного анализа была разработана программная библиотека для численного прогнозирования движения ИСЗ. Используя ее были проведены вычисления, обобщая результаты которых, сделаны следующие выводы:
·
·
· °.
·
·
·
·
·
Приложение
Используемые постоянные
Параметры гравитационного поля Земли:
1.
Rэ=6371 км;
2.
Rэ=6378.14 км;
3.
e = 1/298.256;
4.
m = 398601.3 км3с-2.
Результаты расчетов
|
H, км |
Nкор |
V, м/с |
Мспд, кг |
Мжрд, кг |
|
770 |
18 |
5,22 |
2,329 |
15,722 |
|
760 |
10 |
10,46 |
4,654 |
31,096 |
|
750 |
7 |
15,69 |
6,973 |
46,129 |
Программный код библиотеки
uses DOS,CRT;
type m=array[0..100] of real;
type mm=array[0..300] of real;
type vec=array[0..3] of array[0..300] of real;
type vec1=array[0..3] of real;
const Gka=670; {масса КА, кг}
k=1.2; {коэфф. отражения}
Solbat=50; {площадь солнечных батарей. м^2}
angI=86.659;{угол наклона орбит, угл. град}
angE=23.43; {угол наклона эклиптики к небесному экватору, угл. град}
P=100; {период обращения КА, мин}
N=100; {число расч. точек (см. размер массива m)}
mu=3.986e5; {произвед. гравит. пост. на массу Земли, км^3/c^2}
hpolet=780; {высота полета, км}
Roh=5.5e-14;{плотность воздуха на высоте 780 км, кг/m^3}
Rz=6371; {средний радиус Земли, км}
Re=6378.14; {средний экваториальный радиус Земли, км}
Omz=0.72921151e-4; {угл. скорость Земли, рад/с}
Fmid=28; {площадь миделя, м^2}
Cx=2.4; {аэродинамический коэффициент}
g=9.81; {ускорение свободного падения на высоте 0 км, м/с^2}
Zsat=11; {кол-во КА на орбите}
Gamma=63; {половина угла обслуживания аппаратуры, угл. град}
Bmin=3300; {ширина полосы обслуживания, км}
Years=5; {потребное время существования КА, лет}
Pplasm=1500;{уд. импульс стационарного плазменного двигателя, с}
Prock=220; {уд. импульс ЖРД, с}
var
{ускорение от давления света}
S, {по радиус-вектору}
T, {трансверсальное}
W, {бинормальное}
A, {суммарное}
Sg,Tg,Wg,Ag, {ускорения, свызанные с положением КА на орбите, углы}
Omega, {долгота восходящего узла, рад}
htab, {высота полета из таблицы CIRA 1961г., км}
Hodn, {высота однородной атмосферы, км}
Ftab {функция высоты, (м^3 солн.сутки)/(кгс с^2)}
:m;
U:mm; {аргумент широты, рад}
W_,T_:vec;{суммарное ускорение}
HH:vec1;
Uc, {эклиптическая долгота Солнца, рад}
angleI,angleE,Asol,dOmega,OmegaDeg,UDeg,UcDeg,Time,dTime,
Fpolet,Cud,htek,SumTime,Ta,
Ft,Fom,Fi,Fparam, {производные параметров орбиты}
dOm,di,dparam, {приращения
Ss,Ts,Ws,As,Sgs,Tgs,Wgs,Ags,W_s,T_s,
B,GammaRad,Zkor,Vharact,Vharact_,Gplasm,Grock
:real;
I,J,L,Nsut,Nkor:integer;
filename1,filename2,filename3,filename4,filename5,
filename6,filename7,filename8:string;
Ch:char;
f,f1:text;
function ArcCos(x:real):real;
begin
if x=0 then ArcCos:=pi/2
else ArcCos:=ArcTan(sqrt(1-sqr(x))/x)+pi*byte(x<0)
end;
function ArcSin(x:real):real;
begin
if abs(x)=1 then ArcSin:=0
else ArcSin:=ArcTan(x/sqrt(1-sqr(x)))
end;
{Функция анализирует существование файла}
function FileExists(FileName:string):boolean;
var
f:file; {тип файла не важен}
begin
assign(f,FileName);
{$I-} reset (f);{$I+} {открытие без контроля ввода/вывода}
if IOresult=0 {если файл существует}
then begin {то его надо закрыть}
close(f);
FileExists:=true
end{then}
else FileExists:=false;
end;
{Процедура читает файл, содержащий координаты точек графика,
и подсчитывает количество точек. Имя файла задается строкой st}
procedure ReadDate(st:string;var X, Y, Z:m;var N:integer);
var
fr:text; {Файловая переменная}
begin
if FileExists(st) then {проверка наличия файла}
begin
N:=0;
assign(fr,st);
reset (fr);
while not EOF(fr) do
begin
read(fr,X[N],Y[N],Z[N]); {чтение файла}
inc(N); {подсчет кол-ва точек графика}
end;
close(fr);
end
else
begin
WriteLn('No file');
exit;
end; {else}
end; {ReadDate}
{Расчет составляющих ускорений от действия солнечного света}
procedure Acceler(AngleI1,AngleE1,Omega1,U1,Uc1,Asol1:real;
var S1,T1,W1,A1:real) ;
var deltaC, {склонение}
alfaC, {прямое восхождение}
C1,C2,C3:real;
begin
deltaC:=arcsin(sin(AngleE1)*sin(Uc1));
alfaC:=arccos(cos(Uc1)/cos(deltaC));
C1:=cos(deltaC)*cos(alfaC-Omega1);
C2:=sin(deltaC)*sin(AngleI1)+cos(deltaC)*cos(AngleI1)*sin(alfaC-Omega1);
C3:=sin(deltaC)*cos(AngleI1)-cos(deltaC)*sin(AngleI1)*sin(alfaC-Omega1);
{Ускорение}
S1:=-Asol1*(C1*cos(U1)+C2*sin(U1));
T1:=-Asol1*(-C1*sin(U1)+C2*cos(U1));
W1:=-Asol1*C3;
A1:=sqrt(sqr(S1)+sqr(T1)+sqr(W1));
end;
{Ускорения, связанные с положением КА на орбите}
procedure Gravit(U2,AngleI2,Param2:real; var S2,T2,W2,A2:real);
const Eps=2.634e10; {км^5/с^2}
begin
S2:=-Eps*(3*sqr(sin(AngleI2))*sin(2*(U2+pi/4))+2-3*
sqr(sin(AngleI2)))/(2*sqr(Param2)*sqr(Param2)*1000); {ь/c/\2i}
T2:=-Eps*sqr(sin(AngleI2))*sin(2*U2)/(sqr(Param2)*sqr(Param2)*1000);
W2:=-Eps*sin(2*AngleI2)*sin(U2)/(sqr(Param2)*sqr(Param2)*1000);
A2:=sqrt(sqr(S2)+sqr(T2)+sqr(W2));
end;
{Долгота восходящего узла}
procedure Dolgota(AngleI3,U3,h3:real; var Om3:real);
const c20=-1.082664e-3;
begin
Om3:=-1.5*c20*sqr(h3)*cos(AngleI3)*(U3-sin(2*U3)/2);
end;
{Интегрирование методом Эйлера}
procedure Eiler(StepE,Func:real; var Ye:real);
begin YE:=YE+StepE*Func end;
{Расчет ширины полосы обслуживания для заданной высоты полета H}
function Polosa(Nsat:integer; Rz1, H, GammaRad1:real):real;
var
Alfa,argum1,argum2,Fiz:real;
begin
Alfa:=Pi/Nsat;
argum1:=(Rz1+H)*sin(GammaRad1)/Rz1;
Fiz:=ArcSin(argum1)-GammaRad1;
argum2:=cos(Fiz)/cos(Alfa);
Polosa:=2*Rz1*ArcCos(argum2);
end;
{Основная программа}
begin
AngleI:=angI*pi/180;
AngleE:=angE*pi/180;
Param:=Rz+hpolet;
gt:=mu/(Param*Param);{ускорение св.пад. на высоте полета, км/с^2}
{ускорение от действия света}
Asol:=4.6e-6*Solbat*gt*1000*k/Gka;{м/с^2}
filename1:='uskoren.txt';
assign(f,filename1);
rewrite(f);
clrscr;
writeln(' Зависимость ускорений от времени');
writeln(f,' Зависимость ускорений от времени');
Uc:=0;
dTime:=P/N;
for I:=0 to 3 do
begin
Omega[I]:=I*pi/2; OmegaDeg:=Omega[I]*180/pi;
writeln(' Omega=',OmegaDeg:5:1,' град');
writeln(' U S T W A') ;
writeln(f,' Omega=',OmegaDeg:5:1,' град');
writeln(f,' U град S м/с^2 T м/с^2 W м/с^2 A м/с^2');
for J:=0 to N do
begin
Time:=dTime*J;
U[J]:=2*pi*Time/P;
Acceler(AngleI,AngleE,Omega[I],U[J],Uc,Asol,S[J],T[J],
W[J],A[J]);
UDeg:=U[J]*180/pi;
writeln(UDeg:5:1,' ',S[J]:9,' ',T[J]:9,' ',W[J]:9,' ',
A[J]:9);
writeln(f,UDeg:5:1,' ',S[J]:9,' ',T[J]:9,' ',W[J]:9,' ',
A[J]:9);
W_[I,J]:=W[J];
T_[I,J]:=T[J];
end; {for J}
end; {for I}
writeln(' Зависимость ускорений от долготы');
writeln(f,' Зависимость ускорений от долготы');
dOmega:=2*pi/N;
U[0]:=pi/4;
for I:=0 to 3 do
begin
Uc:=I*pi/2; UcDeg:=Uc*180/pi;
writeln(' Uc=',UcDeg:5:1,' град');
writeln('Omega S T W A');
writeln(f,' Uc=',UcDeg:5:1,' град');
writeLn(f,'Omega гр S м/с^2 T м/с^2 W м/с^2 A м/с^2');
for J:=0 to N do
begin
Omega[J]:=dOmega*J;
Acceler(AngleI,AngleE,Omega[J],U[0],Uc,Asol,S[J],T[J],
W[J],A[J]);
OmegaDeg:=Omega[J]*180/pi;
writeln(OmegaDeg:5:1,' ',S[J]:9,' ',T[J]:9,' ',W[J]:9,
' ',A[J]:9);
writeln(f,OmegaDeg:5:1,' ',S[J]:9,' ',T[J]:9,' ',W[J]:9,
' ',A[J]:9);
end; {for J}
end; {for I}
close(f);
filename1:=Fexpand(filename1);
{Влияние атмосферы}
filename2:='cira1961.txt';
filename3:='visota.txt';
Readdate(filename2,htab,Hodn,Ftab,L);
J:=0;
repeat
inc(J)
until(htab[J]=hpolet);
Fpolet:=Ftab[J];
assign(f1,filename3);
rewrite(f1);
clrscr;
Cud:=Cx*Fmid*gt*1000/(2*Gka);
SumTime:=0;
writeln(' Зависимость высоты от времени');
writeln(f1,' Зависимость высоты от времени');
writeln('Месяцы Высота');
writeln(f1,'Месяцы Высота');
J:=0;
repeat
dTime:=(Fpolet-Ftab[J])/(4.5*Cud); {солнечные сутки}
htek:=htab[J];
writeln(dTime/30:11,' ',htek:5:1);
writeln(f1,dTime/30:11,' ',htek:5:1);
inc(J);
until htek=hpolet;
{Ускорения от действия атмосферы}
Ta:=-mu*Cud*Roh*Param/1000; {M/c^2}
writeln(f1,' T=',Ta:9,' ь/ё"2');
close(f1);
clrscr;
filename3:=Fexpand(filename3);
{ускорения, связанные с положением КА на орбите}
filename7:='gravit.txt';
assign(f1,filename7);
rewrite(f1);
Step:=2*pi/N;
writeln(f1,'U гр ','Sg м/с^2 ','Tg м/с^2 ','Wg м/с^2 ','Ag м/с^2');
for J:=0 to N do
begin
U[J]:=J*Step;
UDeg:=U[J]*180/pi;
Gravit(U[J],AngleI,Param,Sg[J],Tg[J],Wg[J],Ag[J]);
writeln(f1,UDeg:5:l,' ',(Sg[J]):9,' ',(Tg[J]):9,
' ',(Wg[J]):9,' ',(Ag[J]):9);
end;
close(f1);
filename7:=Fexpand(filename7);
{долгота восходящего узла}
filename8:='Omega.txt';
assign(f1,filename8);
rewrite(f1);
writeln(f1,'U,град',' Omega, град');
SumTime:=365*24*60; {мин}
dTime:=SumTime/N;
Step:=2*pi*dTime/P; {рад}
for I:=0 to 2 do
begin
HH[I]:=Re/(Rz+400+I*400);
writeln(f1,' H=',(400+I*400):9);
for J:=0 to N do
begin
U[J]:=J*Step;
Dolgota(AngleI,U[J],HH[I],dOm);
dOm:=dOm+J*dTime*Omz; {рад}
writeln(f1,J*dTime/(60*24):6:2,' ',dOm*180/pi:5:1);
end;{J}
end;{I}
close(f1) ;
filename8:=Fexpand(filename8);
{метод оскулирующих элементов}
{для одного витка}
Uc:=0;Time:=0;Om:=0;
Step:=2*pi/N;
filename4:='osculir.txt';
assign(f,filename4);
rewrite(f);
writeln('U град', 'dOmega мин',' dI мин',' dParam км',
' dT мин');
writeln(f,'U град', 'dOmega мин',' dl мин',' dParam км',
' dT мин');
for I:=0 to 2 do
begin
OmegaDeg:=
writeln(' Omega=',OmegaDeg:5:1,' град');
writeln(f,' Omega=',OmegaDeg:5:1,' град');
dTime:=0; dOm:=0; di:=0; dparam:=0;
for J:=0 to N do
begin
U[J]:=J*Step;
Udeg:=U[J]*180/pi;
Acceler(AngleI,AngleE,Omega[I],U[J],Uc,Asol,Ss,Ts,Ws,As);
Gravit(U[J],AngleI,Param,Sgs,Tgs,Wgs,Ags) ;
W_s:=(Ws+Wgs)/1000;
T_s:=(Ts+Tgs+Ta)/1000;
Ft:=sqrt((Param*Param*Param)/mu)+(Param*Param*Param)*
cos(AngleI)*sin(U[J])*W_s/(sin(AngleI)*mu);
Eiler(Step,Ft,dTime); {dTime,сек}
Fom:=Ft*sin(U[J])*W_s/sin(AngleI);
Eiler(Step,Fom,dOm); {d0m,рад}
Fi:=Ft*cos(U[J])*W_s;
Eiler(Step,Fi,di); {di,рад}
Fparam:=Ft*2*Param*T_s;
Eiler(Step,Fparam,dParam); {dParam,км}
Omega[I]:=Omega[I]+Omz*P*60/N;
writeln(Udeg:5:1,' ',dOm*180*60/pi:9,
' ',di*180*60/pi:9,
' ',dParam:9,' ',(dTime/60):9);
writeln(f,Udeg:5:1,' ',dOm*180*60/pi:9,
' ',di*180*60/pi:9,
' ',dParam:9,' ',(dTime/60):9,
' ',W_s:9,' ',T_s:9,
' ',Ft:9);
end;{J}
end;{I}
close(f);
filename4:=Fexpand(filename4);
{Метод оскулирующих элементов для суток}
Uc:=0; Time:=0;
Step:=2*5*pi/N;
Nsut:=round((2*pi/Step)*24*60/P);
Param:=Rz+hpolet;
filename5:='sutky.txt';
assign(f,filename5);
rewrite(f);
writeln('U витки','dOmega мин',' dI мин',' dParam км',' dT час');
writeln(f,'U витки','dOmega мин',' dI мин',' dParam км',' dT час');
for I:=0 to 2 do
begin
OmegaDeg:=
writeln(' Omega=',OmegaDeg:5:1,' град');
writeln(f,' Omega=,',OmegaDeg:5:1,' град');
dTime:=0; dOm:=0; di:=0; dparam:=0;
for J:=0 to Nsut do
begin
U[J]:=J*Step;
Udeg:=U[J]*180/pi;
Acceler(AngleI,AngleE,Omega[I],U[J],Uc,Asol,Ss,Ts,Ws,As);
Gravit(U[J],AngleI,Param,Sgs,Tgs,Wgs,Ags);
W_s:=(Ws+Wgs)/1000;
T_s:=(Ts+Tgs+Ta)/1000;
Ft:=sqrt((Param*Param*Param)/mu)+(Param*Param*Param)*
cos(AngleI)*sin(U[J])*W_s/(sin(AngleI)*mu);
Eiler(Step,Ft,dTime); {dTime, сек}
Fom:=Ft*sin(U[J])*W_s/sin(AngleI);
Eiler(Step,Fom,dOm); {d0m,рад}
Fi:=Ft*cos(U[J])*W_s;
Eiler(Step,Fi,di); {di,рад}
Fparam:=Ft*2*Param*T_s;
Eiler(Step,Fparam,dParam); {dParam,км}
Omega[I]:=Omega[I]+Omz*P*60/Nsut;
writeln(Udeg/360:5:2,' ',dOm*180*60/pi:9,' ',
di*180*60/pi:9,' ',dParam:9,' ',(dTime/3600):9);
writeln(f,Udeg/360:5:2,' ',dOm*180*60/pi:9,' ',
di*180*60/pi:9,' ',dParam:9,' ',(dTime/3600):9);
end;{J}
end;{I}
close(f);
filename5:=Fexpand(filename5);
{расчет коррекции орбиты}
filename6:='correc.txt';
assign(f,filename6);
rewrite(f);
writeln('h,км ','Nкор ','V м/с ','М п, кг','М жрд, кг');
writeln(f,'h,км ','Nкор ','V м/с ','M п, кг ','M жрд, кг');
GammaRad:=Gamma*Pi/180;
J:=0;
repeat
inc(J)
until htab[J]=hpolet;
repeat
dec(J);
dTime:=(Fpolet-Ftab[J])/(4.5*Cud);
htek:=htab[J];
B:=Polosa(Zsat,Rz,htek,GammaRad);
{Колличество коррекций орбиты}
Nkor:=round(Years*365/dTime+0.5);
{характеристическая скорость}
Vharact:=sqrt(mu/(Rz+hpolet))*(sqrt(2*(Rz+hpolet)/
(2*Rz+hpolet+htek))-1)+
sqrt(mu/(Rz+hpolet))*(1-sqrt(2*(Rz+htek)/
(2*Rz+hpolet+htek)));
Vharact:=Vharact*1000; {перевод в м/с}
Vharact_:=Vharact*Nkor; {суммарная скорость в м/с}
{кол-во топлива для плазменного двигателя}
Gplasm:=Gka*(1-exp(-Vharact/Pplasm));
{кол-во топлива для ЖРД}
Grock:=Gka*(1-exp(-Vharact/Prock));
writeln;
writeln(htek:5:2,' ',Nkor:2,' ',Vharact:5:2,' ',Gplasm:6:3,
' ',Grock:6:3);
writeln;
writeln(f,htek:5:2,' ',Nkor:2,' ',Vharact:5:2,' ',Gplasm:6:3,
' ',Grock:6:3);
until B<Bmin;
close(f);
filename6:=Fexpand(filename6);
writeln(' Программа закончила работу. Результат находится в');
writeln(filename1,' - возмущающие ускорения;');
writeln(filename3,' - изменение высоты полета со временем.');
writeln(filename7,' - ускорения, связанные с положением КА.');
writeln(filename8,' - долгота восх. узла для разных высот.');
writeln(filename4,' - изменения параметров орбиты.');
writeln(filename5,' - изменения параметров орбиты за сутки.');
writeln(filename6,' - сведения о коррекции орбиты.');
writeln(' Для выхода нажмите клавишу Esc...');
repeat Ch:=readkey until Ch=#27;
end.
Список литературы
1. Балк М.Б. Элементы динамики космического полета. М.: Наука, 1965.
2. Гуров А.Г., Корунов С.С. Методические указания по выполнению организационно-экономической части дипломных проектов студентов факультета №6 на тему «Оценка стоимости научно-технической продукции».
3. Лебедев А.А. Введение в анализ и синтез систем. М.: МАИ, 2001.
4. Назаренко А.И., Скребушевский Б.С. Эволюция и устойчивость спутниковых систем. М.: Машиностроение, 1981.
5. Оходимский Д.Е., Сихуралидзе Ю.Г. Основы механики космического полета. М.: Наука, 1990.
6. Под ред. Лебедева А.А. Основы синтеза систем летательных аппаратов. М.: Изд- во МАИ, 1996.
7. Поляков Д.Б., Круглов И.Ю. Программирование в среде Турбо Паскаль (версия 5.5). М.: Изд-во МАИ, 1992.
8. Скребушевский Б.С. Управление полетом беспилотных КА. М.: Владимо, 2003.
9. Ульянов В.И., Манаенкова Е.Т., Воробьева Н.О. Методические указания к организационной части дипломных проектов на основе моделей сетевого планирования. М.: Изд - во МАИ, 1991.
10. Эльясберг П.Е. Введение в теорию полета искусственных спутников Земли. М.: Наука, 1965.
[1] КА находящиеся в других плоскостях в данном разделе не представлены. Из-за однотипности КА и специфики орбиты, влияние возмущающих факторов на всю группировку однотипно.