Материалы научно-технического семинара
«Проблемы миниатюризации в авиационной и космической технике»
Микротехника и авиационные системы

А.В. Шустов, С.В. Серохвостов, М.В. Устинов, С.П. Остроухов, А.В. Корнушенко, А.В. Казаков, О.Г. Бузыкин
Центральный аэрогидродинамический институт им. Проф. Н.Е. Жуковского (ЦАГИ), Московский физико-технический институт (МФТИ)

Микросистемная техника (МСТ) появилась как предмет взаимосвязанных дисциплин, объединяющий в себе такие науки, как химия, физика, биология и т.д., технологию создания миниатюрных устройств, усовершенствованные методы комплектования микроэлектроники, микро – и нано – электронику, улучшенную обработку материалов, создание систем управления и теорию информации.

Рост объема воздушных перевозок и продолжение эксплуатации ЛА за пределами предполагаемых сроков службы выдвинули
необходимость создания с использованием МСТ более усовершенствованных методов автоматизированного дистанционного неразрушающего контроля состояния летательных аппаратов.

В ближайшее время МСТ будет способствовать увеличению надежности имеющихся макросистем, благодаря обеспечению своевременной информацией о надежности и состоянии систем. Технологии МСТ могут использоваться для создания «умных» подсистем летательных аппаратов (ЛА), которые позволят разрабатывать новое поколение меньших по размеру недорогих космических ЛА и миниатюрных атмосферных ЛА.

В настоящее время уже существует ряд миниатюрных летательных аппаратов (МЛА), разработанных различными фирмами и университетами, в виде экспериментальных образцов. Кроме того, ведутся исследования по усовершенствованию существующих и разработке новых аппаратов, а также фундаментальные и поисковые исследования, направленные на изучение нетрадиционных конструкций и принципов полета.

Облик МЛА в значительной степени определяется той задачей или спектром задач, для которых данный аппарат должен использоваться. С другой стороны, возможность выполнения той или иной задачи зависит от ограничений, налагаемых на конструкцию аппарата. Поэтому спектр задач и требования к аппарату должны вырабатываться взаимосвязано.

Основная проблема создания МЛА заключается в том, что полет аппарата происходит при малых скоростях, соответствующих числам Рейнольдса порядка 104-105. Данный диапазон является практически неисследованным.

Помимо этого, уменьшение размеров аппарата ведет к изменению его облика и пропорций, т.е. уменьшается удлинение, увеличивается диаметр винта (в сравнении с размахом крыла), увеличивается площадь органов управления. Наконец, при уменьшении размеров возникают проблемы с силовой установкой.

Проведенные исследования и существующие конструкции позволяют сделать ряд выводов, предположений и замечаний, касающихся преимуществ и недостатков возможных компоновок МЛА, силовых установок, возможностей управления, в том числе проблемы дистанционного управления и «интеллектуального борта», для решения различных полетных задач.

Cистемный подход к обеспечению целенаправленности функционирования миниатюрных ЛА.

С.К. Богачев
Центральный аэрогидродинамический институт им. Проф. Н.Е. Жуковского (ЦАГИ)

Создание интегрированных систем управления (ИСУ) ЛА всех типов с системных позиций базируется на теории целенаправленных систем. Основные выводы из этого обстоятельства:

-необходимо определить с кем и как взаимодействует объект и каково его назначение;
-разработать структуру ИСУ, как средства целеопределения и целедостижения;
-на этой основе сформировать состав функциональных систем ЛА;
-разработать интеллектуальную систему полного управления ЛА.
Приводятся примеры задач ЛА в комплексных системах, математические модели целеопределения и целедостижения .

Пути создания перспективных оптико-электрнных комплексов для малых КА.

В. И. Карасев, В. О. Прасолов, А. И. Бакланов, А. И. Коекин, М. В. Клюшников.

Создание оптико-электронных комплексов для малых КА дистанционного зондирования Земли отличается рядом особенностей, которые возникают исходя из требований к такой аппаратуре. Такими требованиями являются, прежде всего, минимальная масса, минимальное энергопотребление, широкий диапазон рабочих температур и невысокая пропускная способность радиолинии. В то же современные требования, предъявляемые к такой аппаратуре, достаточно высоки и, зачастую, во многом близки к требованиям, предъявляемым к «большим» КА ДЗЗ. Прежде всего, это касается требований по разрешающей способности – вплоть до 1 метра. Для того, чтобы приступить к определению облика оптико-электронной аппаратуры ДЗЗ для малого КА сформулируем основные положения, относящиеся к созданию аппаратуры ДЗЗ.

1. Масса и энергопотребление оптико-электронной аппаратуры ДЗЗ пропорционально количеству каналов обработки видеоинформации.
2. Максимальная частота обработки информации в одном канале при современном уровне развития элементной базы не может превышать 10-20 МГц.
3. Использование одного интегрированного фотоприемника позволяет снизить массу аппаратуры.

Современные требования к КА ДЗЗ предъявляют определенные требования и к длине строка оптико-электронной аппаратуры. Как правило, она составляет 8000 элементов и более. Часто эта величина выбирается исходя из выпускаемых промышленностью фотоприемников. Исходя из первого положения, это означает, что желательно использовать одну ПЗС линейку с длиной строки 8000 или 12000 элементов, которая содержит 1 выходной регистр. Принимая, что частота считывания составляет 10 МГц легко получить значение частоты строк, равное 1,25 кГц или 0,83 кГц. Если наша аппаратура имеет разрешение 1 метр, то это означает, что время накопления составит 0,8 мс или 1,2 мс. Использование таких времен накопления требует либо использования светосильного (и тяжелого) объектива, что неприемлемо для малых КА. Поэтому возникает необходимость в увеличении времени накопления до 3-4 мс, с соответствующим снижением частоты считывания ПЗС.

Между тем, время пролета КА расстояния в 1 м для типичных значений высоты орбиты составляет 0,14 мс. Это означает, что съемка должна производиться в асинхронном режиме – с тангажным замедлением бега изображения в фокальной плоскости. Величина тангажного замедления составит, таким образом, 21-28 раз.

Платой за достижение таких характеристик является уменьшение производительности оптико-электронной аппаратуры – малый КА за одно и то-же время снимет площадь в 21-28 раз меньшую, чем большой КА, который не использует тангажное замедление.

Таким образом, оптико-электронная аппаратура малого КА будет иметь приблизительно следующие характеристики.
Разрешающая способность (проекция пиксела) – 1м,
Ширина полосы захвата – 8-12 км,
Производительность - 2,5-3 мегапиксела/с,
Масса – 20-30 кг,
Энергопотребление – 30-40 Вт.

Ближайшим аналогом такого аппарата является КА OrbView-4 (США) и EROS-A (Израиль). Аппаратура с близкими характеристиками разрабатывается и в ФГУП НПП ОПТЭКС в рамках проекта «Опсат».

Исследования аэродинамических и динамических характеристик микро-ДПЛА

В.С. Брусов, В.П. Петручик, Н.И. Морозов
Московский авиационный институт (Государственный технический университет)

В развитии малоразмерных беспилотных летательных аппаратов, называемых также дистанционно пилотируемыми (МДПЛА), в последние годы появилась важная тенденция, связанная с разработкой МДПЛА очень малой размерности (микро-ДПЛА), с размахом несущих поверхностей порядка 15 – 25 см и массой 100 – 150 г и менее. Помимо малых размеров, данные МДПЛА имеют и небольшие скорости полета – 15 – 20 м/с. Вместе с экстремально малыми размерами самого летательного аппарата это приводит к низким полетным числам Рейнольдса (Re = 100000…300000), что порождает существенные отличия аэродинамических характеристик микро-ДПЛА от более крупных летательных аппаратов.

Малые размеры, малая полетная масса и моменты инерции, особенности аэродинамических характеристик вызывают появление у микро-ДПЛА ряда динамических особенностей, значительно отличающих эти ДПЛА от более крупных беспилотных ЛА, не говоря уже о пилотируемых самолетах. Одна из таких особенностей, как показано в докладе, это невозможность достаточно четкого выделения в продольном возмущенном движении ЛА фаз короткопериодического и длиннопериодического движения, как это удается делать при исследовании динамики более крупных ДПЛА и пилотируемых самолетов. Эта и другие особенности микро-ДПЛА проявляются, например, в реакции ЛА на воздействие ветровых возмущений и атмосферной турбулентности в целом.

Представленные исследования в области аэродинамики и динамики микро-ДПЛА носят комплексный характер и включают теоретические исследования с использованием математических моделей, экспериментальные исследования в аэродинамических трубах, летные экспериментальные исследования. Результаты исследований должны послужить основой для разработки систем стабилизации и управления полетом микро-ДПЛА.

«Двигатели для микро - летательных аппаратов»

Л.С. Яновский, А.В. Байков (ФГУП ЦИАМ им. П.И. Баранова); А.В. Воронецкий
(МГТУ им. Н.Э. Баумана); В.Г. Григорян (ГТУ «МАИ»); Е.И. Соколов (ЦНИИ РТК, г. Санкт – Петербург)

В докладе дается сравнительная характеристика основных видов двигателей, которые могут быть применены в качестве силовых установок для беспилотных микролетательных аппаратов, предназначенных для наблюдения и контроля, за состоянием земной поверхности и прилегающей к ней воздушной среды. Излагаются основные технические требования к характеристикам микро - летательных аппаратов и их двигателей. С точки зрения требуемых показателей, рассматриваются возможности применения электродвигательных установок, двигателей внутреннего сгорания, микроТРД и пульсирующих реактивных двигателей для движения микроЛА. Показано, что окончательных выбор наиболее перспективного вида двигательной установки следует производить, исходя из анализа летно – технических характеристик рассматриваемых видов двигателей и тактико – технических характеристик микроЛА в целом. Указывается, что изучение летно – технических характеристик микродвигателей наиболее целесообразно проводить на основании математических моделей их рабочего процесса, дополненных результатами экспериментальных исследований стендовых прототипов. В докладе приводится образец построения математической модели микродвигателя применительно к пульсирующему реактивному микродвигателю и даются результаты расчетов различных вариантов рабочего процесса. Показывается, что тяга, создаваемая микродвигателем и его характеристики, сильно изменяются в зависимости от основных параметров конструкции, которые, в свою очередь, значительно отличаются от аналогичных параметров, которые используются при проектировании двигателей традиционных размеров. Показана возможность достижения удельного импульса микродвигателя на уровне обычных ВРД. Обсуждаются задачи экспериментальных исследований образцов микродвигателей, для демонстрации их показателей как источников силы тяги.

Некоторые газодинамические характеристики компрессорных и турбинных ступеней микроГТД

Иванов М.Я., Гайдамака И.В., Ефимов А.В.,
Иванов О.И., Нигматуллин Р.З., Огарко Н.И.
ЦИАМ, Москва

Аннотация. Рассматривается аэродинамика радиальных одноступенчатых компрессоров и турбин малого размера (внешние диаметры роторов порядка 40 и 8 мм), которые могут служить прототипами элементов микродвигателей. С помощью методов вычислительной газодинамики проведено изучение структуры потока в ступенях таких компрессоров и турбин и определены их основные показатели. Основное внимание уделено исследованию возможности повышения эффективности радиальных турбомашин такого типа. Представлены экспериментальные характеристики компрессорной ступени с диаметром ротора 40мм.

Особенности реализации научно-образовательного проекта КА «Бауманец»

В.И. Майорова, В. В. Муравьев, К. А. Майоров, Ю. А. Захарченко, М. А. Михайленко
МКЦ МГТУ им. Н.Э. Баумана

В настоящее время Молодежным космическим центром МГТУ им. Н.Э. Баумана ведется работа над проектом создания студенческого микроспутника. Базовым предприятием для создания спутника является ФГУП "НПО Машиностроения". Основной целью проекта является привлечение студентов к реальному процессу проектирования, изготовления и эксплуатации космического аппарата с точки зрения постановки эксперимента, конструирования и исследовательской работы. В 2002 году создание микроспутника Распоряжением Правительства РФ во исполнение Указа Президента РФ «О праздновании 175-летия основания Московского Государственного технического университета имени Н.Э. Баумана» было включено в программу подготовки и проведения юбилейных мероприятий.

Проект строится на принципе прямого участия студентов во всех стадиях разработки и эксплуатации спутника, начиная с постановки задачи и заканчивая его изготовлением и эксплуатацией.

Основные задачи решаемые КА «Бауманец»:
- проведение научно-исследовательских экспериментов в области передачи данных;
- получение научных данных в области изучения Земли с использованием космических методов дистанционного зондирования;
- отработка методов управления КА
На борту КА «Бауманец» за время функционирования предполагается проведение следующих научно-исследовательских экспериментов:
– трансляция сигнала по любительской радиолинии – эксперимент МГТУ-175;
– изучение поведения КА, исследование его динамических характеристик при использовании электромагнитной системы управления ориентацией (отработка алгоритмов управления;
– проведение съемок земной поверхности оптико-электронной аппаратурой и передача информации наземному потребителю;
– исследование возможности использования микроволнового канала передачи информации;
– использование канала «Глобалстар» для передачи телеметрической информации КА;
– использование оптических уголковых отражателей для определения параметров движения КА.

В докладе излагаются основные результаты проведённых исследований, обосновывается выбор конструктивных и технологических решений с учётом особенностей проектируемого объекта (малые габариты, ограниченная мощность СЭП), а также обозначаются возможные перспективы дальнейшего развития проектов малых космических аппаратов.

Вопросы миниатюризации космических средств Системы планетарной защиты
*Акулов Ю. П.,*Власенко О. В., **Зайцев А. В.,
*Пичхадзе К. М.*НПО им. С. А. Лавочкина
**Центр планетарной защиты

В докладе приводится обоснование существования астероидно-кометной опасности. Показано, что падение на Землю астероида иди ядра кометы может в мгновение ока стереть с лица нашей планеты крупный город или государство и даже привести к уничтожению всего живого на Земле. Это обусловливает необходимость создания специальной Системы планетарной защиты (СПЗ) для защиты Земли от этой опасности.

Представлена схема построения и функционирования СПЗ "Цитадель", которая будет включать в себя наземно-космическую службу глобального контроля космического пространства и несколько автономных региональных сегментов службы оперативного перехвата.

Основу службы перехвата будут составлять национальные ракетно-космические, ядерные и другие средства России (СНГ), США и других государств. В ее состав будут входить космические аппараты (КА) разведчики и перехватчики.

Рассматривается ряд проблем создания компонентов СПЗ, в частности, КА-разведчиков. Они предназначены для уточнения траектории, размеров, массы и других характеристик опасного небесного тела, на основе которых будет построена его инженерная модель, что позволит обеспечить точность наведения и эффективность воздействия на него КА-перехватчиков с ядерными зарядами или другими средствами воздействия на их борту. При этом, чем больше будет интервал времени между подлетом КА-разведчика и КА-перехватчика к опасному объекту, тем более эффективно можно будет организовать защиту от него. Это будет напрямую зависеть от скорости КА-разведчика, которая обратно пропорциональна его массе. Поэтому одной из важнейших проблем является необходимость миниатюризации бортовых систем и агрегатов КА, а также исследовательской аппаратуры..

В качестве средств изучения опасных объектов, наряду с научной аппаратурой для дистанционных исследований, будут использоваться зонды-пенетраторы, доставляемые на их поверхность. При этом, наряду с необходимостью миниатюризации, к ним предъявляются жесткие требования по допустимым перегрузкам, достигающим нескольких тысяч «g».

В докладе приводятся оценки величины подлетного времени к опасному объекту в зависимости от уменьшения массы КА-разведчиков, описание возможного проектного облика и характеристики этих КА и зондов-пенетраторов, а также состав научной аппаратуры для изучения опасных небесных тел.

Литература

1. Зайцев А. В. - Предложения по созданию Системы предотвращения столкновений Земли с астероидами и кометами (переориентация работ проводимых в рамках программы СОИ на мирные цели). // Докладная записка Генеральному секретарю ЦК КПСС № 629203 от 20.10.1986 г. НИЦ им. Г. Н. Бабакина, 1986. -17 л.

2. Ковтуненко В. М., Зайцев А. В. и др. Принципы построения Системы защиты Земли от астероидов и комет. Инженерная записка. НПО им. С. А. Лавочкина, НИЦ им. Г. Н. Бабакина. 1995. 69 л.

3. Зайцев А. В., Куликов С. Д., Пичхадзе К. М., Роговский Г. Н., Чесноков А. Г. Применение разработок НПО им. С. А. Лавочкина для создания Системы планетарной защиты от астероидов и комет. В сб. НПО им. С. А. Лавочкина. Сборник научных трудов. Выпуск 2. М. 2000. С. 204-207.

4. Зайцев А. В. Система планетарной защиты "Цитадель". Концептуальный проект. // НПО им. С. А. Лавочкина. 2000 г. 70 c.