Оптимизация плана эксперимента в задаче определения координат места пробоя гермооболочки пилотируемого космического аппарата

• Автор: Половнев, Антон Леонидович
• Шифр специальности: 05.13.18
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2011
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 115 с. : ил.

Оглавление

Глава 1. Методы определения координат источника звука

1.1 Математическая модель распространения звуковой волны.

1.2 Доказательство корректности перехода от нелинейной постановки задачи к системе линейных алгебраических уравнений

1.3 Измерительные средства звуковых волн в воздушной среде.

1.4 Методы анализа нестационарных акустических процессов.

1.5 Методы оптимального планирования эксперимента

1.6 Выводы к главе 1.

Глава 2. Выделение переднего фронта импульсной звуковой

2.1 Звуковая волна в воздушной среде при пробое гермооболочки пилотируемого модуля высокоскоростной частицей
2.2 Алгоритм определения момента времени прихода импульсной звуковой волны при пробое на фоне шума бортового оборудования
2.2.1 Процедура АИКуказателя
2.2.2 Процедура вейвлетпреобразования.
2.2.3 Определение особенностей сигнала с помощью многомасштабного вейвлетанализа
2.3 Выводы к главе 2.
Глава 3. Методика оптимального размещения микрофонов внутри
гермоотсека пилотируемого модуля
3.1 Локальная оптимизация плана измерений методом ГауссаЗейделя
3.2 Аналитическое доказательство локальной оптимальности схемы типа крест
3.3 Глобальная оптимизация плана измерений методом сканирования
3.4 Введение модифицированных критериев устойчивости
3.5 Проверка устойчивости найденных оптимальных схем размещения микрофонов методом МонтеКарло
3.6 Выводы к главе 3
Глава 4. Экспериментальные исследования по определению координат места пробоя.
4.1 Лабораторные испытания с генераторами импульсной волны
4.2 Испытания на Комплексном стенде Служебного модуля Международной космической станции с имитацией импульсной звуковой волны пробоя в условиях реальной загроможденности пространства и шума бортового оборудования
4.2.1 Система измерений.
4.2.2 Система координат.
4.2.3 Результаты испытаний
4.3 Алгоритм использования совместных измерений в смежных гермоотсеках для уменьшения общего измерительного плана
4.4 Создание образца системы оперативного определения координат точки пробоя.
4.5 Выводы к главе 4.
Заключение
Литература


Эти имитаторы использовались в испытаниях на комплексном стенде Служебного модуля МКС для получения реальных характеристик акустических сигналов, которые следует ожидать при пробое гермооболочки модуля на фоне шумов работающего на борту оборудования. Полученные частотно-временные характеристики сигналов были использованы при разработке алгоритма обнаружения переднего фронта звуковой волны, являющегося методом фильтрации сигналов, основанной на ортогональном вейвлет-преобразовании, позволяющем реализовать предложенный алгоритм в реальном масштабе времени. О-оптималыюсти, так и другие скалярные критерии (число обусловленности, норма обратной матрицы). Оптимизация проводится на цилиндрической сеточной модели модуля как локально (методом Гаусса-Зейделя), так и глобально (методом сканирования). Достоверность полученных результатов. Достоверность результатов:, гарантирована корректностью выбора исходных ограничений и допущений при постановке задачи, приемлемой точностью при проведении экспериментальных исследований измеряемых и вычисляемых величин. Исследованы погрешности определения координат точки пробоя в условиях, наиболее приближенных к реальным. Предложены способы по увеличению достоверности получаемых результатов как с помощью методов обработки сингалов, так и с помощью оптимального размещения микрофонов во внутреннем объеме модуля. Полученные оптимальные схемы проверялись на устойчивость как методом Монте-Карло, так и экспериментально на борту комплексного стенда Служебного модуля МКС. Экспериментальные исследования подтвердили выводы вероятностного метода и показали, что минимальная погрешность предложенных схем наблюдается в центральной зоне модуля и составляет ~ 0,1 м, а максимальная - вблизи торцов и составляет ~ 0,5 м, что является приемлемым с практической точки зрения. Проведенная автором оптимизатщя отличается от других работ в этой области тем, что получен и обоснован локально-оптимальный план измерительной схемы для трехмерной задачи определения координат источника в ближнем поле источника сферической звуковой волны. Областью применимости разработанного метода являются, в основном, пилотируемые космические объекты. Метод может применяться, в том числе, для оперативного определения мест пробоин в авиации и на флоте. Практическая значимость исследований подтверждается использованием разработанной оптимальной схемы размещения датчиков при испытаниях образца системы оперативного определения координат точки пробоя в РКК «Энергия» на КС СМ и на стендах ЦНИИмаш. Предложенная измерительная схема ранее в мировой практике не применялась. Устройство и способ определения координат источника импульсного звука оформлены в виде изобретения и получен патент РФ []. Совместно со специалистами ЦНИИмаш разработана программа по оперативному определению координат точки пробоя. Разработанная программа опубликована в бюллетене отраслевого фонда алгоритмов и программ []. В результате был создан технологический образец системы оперативного определения координат точки пробоя, который прошел успешные испытания по определению координат источника звука как на комплексном стенде Служебного модуля МКС с имитацией звуковой волны пробоя [], так и на стендах ЦНИИмаш с осуществлением реального пробоя фрагмента гермооболочки частицей, разогнанной с помощью газодинамической пушки до скорости сравнимой с первой космической скоростью []. В настоящее время ведутся работы по осуществлению космического эксперимента «Пробой» для подтверждения результатов разработанной методики и-исследования факторов, не воспроизводимых на Земле. В работе автором использованы результаты экспериментов, проведенные совместно специалистами ЦНИИмаш и РКК «Энергия» с участием ’ автора на стендах ЦНИИмаш и РКК «Энергия». Для оценки уровней шума на борту Служебного модуля МКС и спектральной плотности сигнала «пробоя» использовалась программа спектрального и корреляционного анализа виброакустических процессов «LoadSignal» [], разработанная автором. Повышение точности определения координат точки пробоя для модуля, состоящего из нескольких гермоотсеков, соединенных между собой люковыми отверстиями, за счет введения 2-х дополнительных точек измерений в малом отсеке, синхронизованных с базовой системой измерений.