Электромеханические системы стендов обезвешивания, обеспечивающих подготовку космонавтов к деятельности на поверхности планет с пониженной гравитацией тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.03, кандидат наук Киво, Александр Михайлович

• Киво, Александр Михайлович
• кандидат наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат наук Киво, Александр Михайлович

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1 СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ СОЗДАНИЯ ПЕРСПЕКТИВНЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ УСИЛИЯМИ ПРИ КОМПЕНСАЦИИ СИЛЫ ТЯЖЕСТИ ТРЕНАЖЁРНЫХ КОМПЛЕКСОВ

1.1 Подходы и способы имитации движений космонавтов в условиях невесомости и пониженной гравитации

1.1.1 Имитация пониженной гравитации в земных условиях

1.1.2 Моделирование невесомости в СЛ

1.1.3 Моделирование невесомости в гидролабораториях

1.1.4 Моделирование невесомости с использованием электромеханических стендов обезвешивания

1.2 Особенности построения и реализации электромеханических

систем компенсации силы тяжести космонавтов

1.3 Сопоставление возможностей различных

электроприводов для реализации систем перемещения космонавтов

1.4 Постановка задачи исследования

2 ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ И СПОСОБЫ РЕАЛИЗАЦИИ СИЛОВОЙ ЧАСТИ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ СТЕНДОВ

ОБЕЗВЕШИВАНИЯ КОСМОНАВТОВ

2.1 Определение требований к стендам частичного

обезвешивания космонавтов

2.2 Способы реализации систем пространственных

перемещений космонавтов в рабочем поле тренажёра

2.2.1 Основные подходы к реализации стендов

обезвешивания космонавтов

2.2.2 Анализ силовых взаимодействий при реализации горизонтальных перемещений космонавтов в полярной

и декартовой системах координат

2.3 Определение силовой части

электромеханических силокомпенсирующих систем

2.3.1 Обоснование предельных типовых нагрузочных

диаграмм электроприводов

2.3.2 Методика определения рациональных параметров силовых каналов электроприводов стендов с частичным

обезвешиванием космонавтов

3 СПОСОБЫ И СРЕДСТВА СОЗДАНИЯ И ИССЛЕДОВАНИЯ МНОГОКООРДИНАТНЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ

УСИЛИЯМИ СТЕНДОВ ОБЕЗВЕШИВАНИЯ

3.1 Обоснование структуры и параметров

управляющего устройства стендов обезвешивания

3.1.1 Структура управления стендов обезвешивания

3.1.2 Обоснование применения обратных связей по ускорению двигателей в стендах с частичным обезвешиванием космонавтов

3.2 Исследование влияния обратных связей по ускорению на инерционные свойства электромеханических систем

вертикальных и горизонтальных перемещений космонавтов

3.2.1 Определение границ применения обратных связей по ускорению

3.2.2 Исследование влияния параметров электромеханической силокомпенсирующей системы на эффективность

обратной связи по ускорению

3.3 Оценка влияния обратных связей по ускорению

на работу систем вертикальных и горизонтальных перемещений

3.3.1 Получение обобщённого математического

описания силокомпенсирующей системы

3.3.2 Исследование частотных характеристик силокомпенсирующей системы при ведении обратных связей по ускорению

3.4 Особенности настройки управляющих

устройств в силокомпенсирующих системах

3.4.1 Особенности настройки регулятора усилия

3.4.2 Особенности настройки регулятора тока

3.5. Исследование одновременной работы СВП и СГП

космонавтов в рабочем пространстве тренажёра

4 СОЗДАНИЕ ПЕРСПЕКТИВНОГО ТРЕНАЖЁРА ДЛЯ ПОДГОТОВКИ КОСМОНАВТОВ К РАБОТЕ

В УСЛОВИЯХ ПОНИЖЕННОЙ ГРАВИТАЦИИ

4.1 Конструктивные решения по реализации

перспективного тренажёра

4.2 Выбор силовой части системы управления

усилиями перспективного тренажёра

4.2.1. Выбор элементов силовой части СВП

перспективного тренажёра

4.2.2. Выбор элементов силовой части СГП

перспективного тренажёра

4.3 Выбор управляющей части системы управления

усилиями перспективного тренажёра

4.4 Экспериментальное исследование

динамических процессов в СКС стенда обезвешивания

4.5 Перспективы расширения функциональных

возможностей стендов обезвешивания

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Электромеханические системы стендов обезвешивания, обеспечивающих подготовку космонавтов к деятельности на поверхности планет с пониженной гравитацией»

ВВЕДЕНИЕ

В обозримой перспективе пилотируемые программы предусматривают полёты человека к различным планетам солнечной системы. В числе первых планет, представляющих наибольший интерес для изучения, являются Луна и Марс. Освоение планет предполагает деятельность человека, связанную с работой на их поверхности. Решающую роль в успешном выполнении работы в открытом космосе играет подготовка экипажа на Земле. Эффективность подготовки будет тем выше, чем реальнее в наземных условиях будут смоделированы факторы, воздействующие на космонавта на поверхности других планет.

Опыт пилотируемой космонавтики показывает, что наиболее эффективным средством подготовки космонавтов к полётам на пилотируемых космических аппаратах являются тренажёры [1], что ставит вопросы их создания и совершенствования в число актуальных задач, особенно в настоящее время, когда Россия всерьёз рассматривает реализацию пилотируемых программ по экспедициям на Луну и Марс.

В зависимости от целей и задач тренировок космонавтов требуется воспроизведение полной или частичной невесомости, когда параметры движения, влияния внешней среды, психофизиологические и другие факторы соответствуют реальным, или реализации безопорного пространства, когда испытуемый объект имеет возможность перемещаться в любую точку рабочего пространства под действием мышечных усилий [2].

Используемые в настоящее время средства имитации невесомости, такие как самолёт-лаборатория, бассейн нейтральной плавучести, стенды обезвешива-ния (тренажёр «Выход-2»), не могут обеспечить нужные скорости, ускорения, точность обезвешивания космонавта в скафандре, тем самым не позволяя в полной мере решать задачи по обучению и тренировкам космонавтов в условиях пониженной гравитации планет. В соответствии с основными направлениями развития отечественной космонавтики, утвержденной Президентом РФ от 19.04.2013 г. №Пр-906, в Роскосмосе рассматриваются схемы перелета, проекты межпланет-

ных комплексов, вопросы отбора, подготовки и медицинское обеспечение экипажей, принципы создания систем жизнеобеспечения. В процессе подготовки к выполнению программ межпланетных перелетов космонавты должны получить необходимые навыки и пройти обучение на созданных для этого тренажных комплексах. Поэтому разработка и создание стендов обезвешивания с электромеханическими силокомпенсирующими системами (СКС), позволяющих осуществлять обучение космонавтов элементам деятельности на поверхности планет при длительном пребывании в штатных скафандрах с различным оборудованием, являются важной и актуальной задачей.

Объектом исследования являются стенды обезвешивания, предназначенные для имитации деятельности космонавтов в гравитационных условиях планет.

Предметом исследования являются системы управления электроприводами, осуществляющими компенсацию сил трения, гравитационных сил, сил инерции присоединенных масс, используемые для построения стендов обезвешивания, позволяющих имитировать движения космонавтов в условиях пониженной гравитации.

Цель диссертационной работы: создание электромеханических систем стендов обезвешивания, обеспечивающих обучение космонавтов перемещению на поверхности планет с пониженной гравитацией.

Для достижения этой цели потребовалось решить следующие задачи:

- сформулировать требования, предъявляемые к электромеханическим системам (ЭМС) стендов обезвешивания, предназначенных для имитации перемещений космонавтов на планетах с пониженной гравитацией;

- обосновать рациональную кинематическую схему и способ реализации силовой части электромеханических СКС стендов обезвешивания, обеспечивающих требования по имитации перемещений космонавтов в гравитационных условиях других планет;

- разработать методику рационального выбора элементов и устройств механической и электромеханических частей электроприводов СКС;

- обосновать рациональную структуру ЭМС стендов обезвешивания, обеспечивающих имитацию перемещений космонавтов в условиях пониженной гравитации;

- выполнить математическое и физическое моделирование электромеханических СКС в различных режимах работы;

- разработать технические решения по созданию ЭМС стендов обезвешивания для подготовки космонавтов к работе на планетах с пониженной гравитацией.

Методы исследования. Для решения поставленных задач в работе использованы методы теории систем автоматического управления, теории электропривода, физическое и математическое моделирование в частотной и временной областях с применением ПЭВМ.

Достоверность полученных результатов работы определяется обоснованностью принятых допущений, корректным применением теоретических и экспериментальных методов исследования электромеханических систем, совпадений результатов теоретических и экспериментальных исследований.

Научная новизна представленной диссертационной работы заключается в следующем:

- впервые научно обосновано применение прямоугольной системы координат для реализации стендов обезвешивания, предназначенных для имитации перемещений космонавтов в гравитационных условиях других планет;

- предложена методика выбора электроприводов и параметров механических передач стендов обезвешивания космонавтов, отличающаяся применением предельных нагрузочных диаграмм, характеризующих принцип имитации перемещений космонавтов на планетах с пониженной гравитацией;

- обоснована структура системы управления СКС, отличающаяся применением положительной и отрицательной обратной связи по ускорению для управления силами механической инерции, и определены параметры регуляторов и обратных связей с внешним контуром регулирования усилия, контуром регулирования тока, каналом компенсации противоЭДС.

Практическое значение диссертационной работы:

- определены требования, предъявляемые к ЭМС стендов обезвешивания, позволяющим имитировать на Земле перемещения космонавтов в условиях пониженной гравитации Луны и Марса;

- предложены способы определения эквивалентных по нагреву и максимальных моментов электродвигателей систем вертикальных и горизонтальных перемещений, с использованием обоснованных предельных энергетических и силовых характеристик стендов обезвешивания;

- разработаны технические решения по созданию ЭМС стендов обезвешивания и методика настройки управляющих устройств, позволяющие реализовать требования, предъявляемые к рассматриваемым стендам обезвешивания.

К защите представляются:

1. Требования, параметры и рекомендации по реализации в прямоугольной системе координат ЭМС стендов обезвешивания для подготовки космонавтов к работе в гравитационных условиях других планет.

2. Способ построения и реализации систем управления усилиями ЭМС стендов обезвешивания, обеспечивающих имитацию движений космонавтов в условиях гравитации других планет.

3. Методика совместного определения параметров электродвигателей и механических передач стендов обезвешивания при комплексном учёте основных влияющих факторов, в том числе - обеспечение допустимых тепловых и максимальных нагрузок и обеспечение режима стоянки под током (для системы вертикальных перемещений (СВП)).

4. Рекомендации по созданию стендов обезвешивания в прямоугольной системе координат, настройке регуляторов и каналов обратных связей электромеханических СКС, обеспечивающих имитацию движений космонавтов в гравитационных условиях других планет.

Использование результатов диссертационной работы. Научные исследования проведены при финансовой поддержке государства в лице Минобрнауки

России в рамках реализации ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 годы» по гранту №2012-1.2.2-12-000-4001-040 «Развитие теории и практики создания космических тренажёров с силокомпенси-рующими системами».

Результаты диссертационных исследований использовались в 2011-2013 гг. при разработке для ОАО РКК «Энергия» (г. Королев, Московская обл.) проектно-конструкторской документации на создание перспективного тренажёра для подготовки космонавтов в условиях невесомости и гравитационных условиях других планет.

Апробация работы. Основные положения и научные результаты диссертации докладывались на научно-технических конференциях, семинарах, совещаниях, в том числе на VII Международной (18 Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу (г. Иваново, 2012 г.), Межрегиональных научно-технических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых вузов Ростовской области (г. Новочеркасск, 2010-2013 гг.), научной конференции аспирантов и сотрудников ЮРГТУ(НПИ) (г.Новочеркасск, 2010г.), Всероссийской научной молодежной конференции «Кибернетика энергетических систем» (г. Новочеркасск, 2011 г.).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 13 научных работ, в том числе: 3 статьи в изданиях, рекомендуемых ВАК, и 1 монография.

Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, одного приложения и списка литературы. Основная часть изложена на 138 страницах машинописного текста. Работа содержит рисунков и таблиц.

В диссертационной работе обобщены научные исследования, проводимые автором во время обучения в очной аспирантуре ЮРГТУ (НПИ), в период с 2009 по 2012 гг., и работы на должности ассистента кафедры «Электропривод и автоматика», в период с 2012 г. и по настоящее время.

1 СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ СОЗДАНИЯ ПЕРСПЕКТИВНЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ УСИЛИЯМИ ПРИ КОМПЕНСАЦИИ СИЛЫ ТЯЖЕСТИ ТРЕНАЖЁРНЫХ КОМПЛЕКСОВ

1.1 Подходы и способы имитации движений космонавтов в условиях невесомости и пониженной гравитации

1.1.1 Имитация пониженной гравитации в земных условиях Развитие современной космонавтики в ближайшие годы предусматривает осуществление полётов на другие планеты и астероиды солнечной системы. В числе первых планет, представляющих практический интерес для освоения, являются Луна и Марс, что предполагает широкую деятельность человека на их поверхности. Однако атмосфера на Марсе непригодна для дыхания человека, а на Луне - полностью отсутствует, поэтому космонавты находясь за пределами станций вынуждены будут работать в специальных скафандрах, обеспечивающих их жизнедеятельность в условиях конкретной планеты [1].

Анализ пилотируемых полетов в космос показывает, что их эффективность и возможность успешного выполнения заданных программ во многом определяется качеством наземной подготовки космонавтов.

Очевидно, что в условиях земного притяжения задача воспроизведения физиологических ощущений космонавта при выполнении им действий в условиях невесомости и при действии гравитационных сил Луны и Марса, может быть решена только за счёт частичной компенсации силы притяжения космонавта в скафандре, причём без компенсации сил притяжения отдельных конечностей, а также приборов и инструментов, которыми он манипулирует при выполнении тренировочного задания. Поэтому при выборе моделируемых на тренажёре движений космонавта в скафандре необходимо проанализировать его типовые действия в условиях частичной невесомости.

Для формирования и развития навыков выполнения различных действий космонавтов в условиях частичной невесомости необходимо иметь возможность моделировать на стенде следующие ситуации [3]:

- хождение, бег вприпрыжку и скачки по ровной твёрдой горизонтальной поверхности при отсутствии препятствий;

- хождение, бег вприпрыжку и скачки по мягкой горизонтальной поверхности при отсутствии препятствий (песок, вязкий грунт, пыль);

- хождение, бег вприпрыжку и скачки по ровной твердой и/или мягкой горизонтальной поверхности при наличии незначительных препятствий в виде малогабаритных камней размером не более 30 мм (например, лунный реголит);

- хождение, бег вприпрыжку и скачки по наклонной твердой и/или мягкой поверхности с уклоном, обеспечивающим устойчивость космонавта в скафандре, при отсутствии и/или наличие малогабаритных препятствий (движение внутри больших кратеров);

- хождение, бег вприпрыжку и скачки по ровной и/или наклонной твердой и/или мягкой поверхности при отсутствии и/или наличие малогабаритных препятствий при воздействии ветровой нагрузки различного направления;

- падение вперед, назад, вправо или влево и подъём после него на ноги (в пределах, допустимых карданной подвеской скафандра);

- наклоны вперед и опускание на одно или оба колена (например, для взятия проб грунта) и подъём после него на ноги;

- многократные длинные скачки (высотой до одного метра каждый);

- спуск и подъём по трапу на высоту до четырех метров;

- преодоление преград (например, перешагивание через камни высотой более 300 мм);

- перемещение различных приборов и оборудования, имеющих габариты и вес, доступные для манипулирования.

Анализ указанных выше действий космонавта на Луне или Марсе показывает, что наиболее динамичным и энергоёмким является перемещение многократными длинными прыжками с линейной скоростью до 2 м/с, определенной в ходе американских экспедиций на поверхности Луны. Поэтому при создании тренажёров с частичной компенсацией силы тяжести необходимо задаваться параметрами

движения для условий перемещения космонавта в скафандре многократными длинными скачками. Выполненный нами анализ требований к параметрам движения при моделировании условий Луны и Марса показал [3], что наиболее высокодинамичными являются движения в гравитационных условиях Луны.

При планировании работ по выполнению лунной и марсианской программ большое значение имеет качество обучения космонавтов рациональным приёмам работы и способам передвижения в условиях пониженной гравитации этих планет.

Выполненный в работе 4] анализ существующих в настоящее время способов физического моделирования полной и частичной невесомости с использованием свободного падения тел, реализуемого с помощью самолетов-лабораторий (СЛ), и гидроневесомости, получаемой в бассейнах нейтральной плавучести, показал, что каждый из этих способов не обеспечивает всех предъявляемых к системам моделирования гравитационных условий других планет требований. Для расширения функциональных возможностей систем моделирования невесомости получают развитие электромеханические стенды обезвешивания, в которых активным (с использованием электроприводов), пассивным (с использованием противовесов) или комбинированным (совместное использование как электроприводов, так и противовесов) способом осуществляется компенсация силы тяжести и сопротивления движению обезвешиваемого объекта в воздушной среде. Однако такие системы, несмотря на простоту реализации, невысокую стоимость и возможность длительной работы со штатным оборудованием, имеют недостатки и ограничения на области их рационального применения [5]. Пассивные СКС имеют значительные ошибки воспроизведения требуемых ускорений, скоростей и перемещений, и применяются для отработки процессов, близких к стационарным. Активные СКС требуют использования электродвигателей специальных систем управления и дополнительных затрат электроэнергии для перемещения объектов в вертикальном и горизонтальном направлениях. Недостатком комбинированных СКС является необходимость использования дополнительного противовеса, приводящее к усложнению кинематической схемы тренажёра. Для определения путей

дальнейшего совершенствования способов имитации движений в гравитационных условиях других планет рассмотрим каждый из них более подробно.

1.1.2 Моделирование невесомости в СЛ Состояние кратковременной невесомости может быть достигнуто при реализации свободного падения в процессе движения специальных СЛ по параболическим траекториям (см. рисунок 1.1). В России такие полёты осуществляются на СЛ типа ИЛ-76МДК, а за рубежом, например в Национальном центре по исследованию космического пространства (Франция), - на самолетах АЗ00 гЕКО-в [19].

Стоимость С Л около 10 млн. долларов США, а стоимость тренировочного полета - от 2000 до 2500 долларов США.

Поочерёдный переход от невесомости к перегрузкам вызывает утомление человека, и поэтому число таких переходов ограничено. За один полёт продолжительностью 1,5 часа обычно выполняется до 15 режимов невесомости, каждый длительностью 15-30 секунд. Поэтому общее время пребывания в невесомости составляет не более 450 секунд.

Испытания, проводимые на борту СЛ, включают в себя: проверку работы систем, предназначенных для работы в условиях невесомости; отработку биологических, химических и физических экспериментов, планируемых для проведения на орбите; обучение космонавтов вхождению в скафандр и кратковременной работе с его оборудованием; отработку процессов шлюзования; испытания малогабаритного оборудования [6]. Размер лабораторного отсека СЛ ИЛ-76МДК (см. рисунок 1.2) не позволяет отрабатывать внекорабельную деятельность с крупногабаритными элементами МКС. Максимальный размер груза составляет 14x3,3x3,2 м, масса полезной нагрузки — не более 10 т.

к, м 9000

8000

7000 6000

гор ка / усииж :ение

ч 2§\

А

0 10 20 30 40 50 и с Рисунок 1.1- Диаграмма полета СЛ по кривой Кеплера

чу

К достоинствам имитации невесомости с помощью С Л следует отнести:

- возможность психофизиологического ощущения космонавтами реальной невесомости;

- возможность проверки работоспособности малогабаритного оборудования и отработка экспериментов в условиях невесомости;

- работа со штатным оборудованием скафандров и космической техники;

- адекватное воспроизведение невесомости. Рисунок 1.2 - СЛ ИЛ-76МДК

При этом необходимо отметить следующие недостатки и ограничения на области применения СЛ:

- высокая стоимость СЛ и проводимых испытаний;

- повышенная степень опасности тренировок;

- кратковременность имитации невесомости и связанная с этим невозможность отработки полной циклограммы работ, а также нештатных ситуаций;

- перегрузки космонавтов в процессе испытаний;

- малые размеры рабочего пространства, необходимые для имитации серии прыжков космонавта;

- невозможность моделирования поверхности планет (грунта, пыли, кратеров и т.д.);

- отсутствие возможности точной установки величины компенсации силы тяжести для имитации гравитационных условий других планет.

Один из путей совершенствования этого способа моделирования невесомости может быть связан с увеличением размеров СЛ, что позволит моделировать прыжки и другие динамичные перемещения. Однако остальные недостатки при использовании этого принципа преодолеть затруднительно.

1.1.3 Моделирование невесомости в гидролабораториях

Гидроневесомость реализуют в гидролабораториях (ГЛ), где космонавт в макете скафандра и макеты объектов космической техники помещаются в бассейны со специально очищенной и подогретой водой и им придаётся нейтральная плавучесть, безразличное равновесие и безопорное состояние. ГЛ является сложным комплексом стоимостью порядка 10 млн. долларов США и включает в себя гидробассейн, макеты выходных космических скафандров, комплект макетов космической техники, грузоподъёмные механизмы, системы воздухо- и водоснабжения, комплекс водолазного оборудования и снаряжения, поточно-декомпрессионную камеру, системы освещения, отображения и обработки видеоинформации.

В ФГБУ «НИИ ЦПК им. Ю.А. Гагарина» (Звездный городок, Московская обл.) гидробассейн представляет собой цилиндрический резервуар диаметром 22,5 м и высотой 12 м. В космическом центре им. Л.Джонсона (США) гидробассейн имеет прямоугольную форму с размерами 40x70 м и высоту 12 м. Наблюдение и управление процессами испытательно-тренировочных работ осуществляется с использованием иллюминаторов и видеокамер, установленных под водой.

Для тренировок в ФГБУ «НИИ ЦПК им. Ю.А. Гагарина» используют скафандр типа «Орлан-ДМА-ГН» (см. рисунок 1.3). Основное отличие данного скафандра от штатного — отсутствие системы жизнеобеспечения и связи, а также электронных систем, расположенных на внешней стороне скафандра. Для придания скафандру нулевой плавучести и безразличного равновесия на его груди установлен свинцовый груз массой около 30 кг, а на рукавах, штанинах и ранце расположено около 60 грузов массой 0,5 кг. Для придания нейтральной плавучести некрупногабаритным объектам используют поплавки. В процессе тренировок одного или двух космонавтов в гидробассейне обычно дополнительно присутствуют до 10 водолазов для проведения вспомогательных работ. Стоимость одного часа тренировок составляет 3-4 тысячи долларов США. В настоящее время ГЛ является основным средством, позволяющим формировать циклограмму будущей

внекорабельной деятельности космонавтов и находить наилучшие решения для выхода из нештатных ситуаций.

Рисунок 1.3 - ГЛ ФГБУ «НИИ ЦПК им. Ю.А. Гагарина»

Однако наличие гидросферы накладывает определенные ограничения на качество моделирования движения объектов в невесомости. По определению [5] невесомость - состояние материального тела, при котором действующие на него внешние силы не вызывают взаимных давлений частиц друг на друга. При моделировании невесомости в гидросфере это состояние не достигается. Это объясняется тем, что на тело при нулевой плавучести по-прежнему действует сила тяжести, которая компенсируется выталкивающей силой. Но эта сила прикладывается не ко всем частицам тела, а только к тем, которые находятся на его поверхности. При ускорениях объекта в гидросреде необходимо приводить в движение некоторую массу воды и преодолевать значительное гидродинамическое сопротивление, поскольку вода обладает высокой плотностью и инерционностью. Значение сил сопротивления достаточно велико, так как пропорционально квадрату скорости объекта [7]. Поддержание постоянной скорости движения объекта в воде связано с затратами энергии, тогда как в гравитационных условиях планет такое движение

осуществляется по инерции и на объект силы сопротивления среды воздействуют незначительно.

Особенности реализации гидроневесомости и виды работ, проводимых в ГЛ, позволяют определить достоинства этого метода:

- возможность проведения длительных тренировок космонавтов;

- свободное перемещение по всем степеням свободы;

- возможность работы с крупногабаритными макетами космической техники.

К недостаткам ГЛ следует отнести:

- высокую стоимость сооружения гидробассейнов и проведения тренировок;

- невозможность достижения адекватного невесомости состояния и работы вестибулярного аппарата, с учётом воздействия силы тяжести;

- необходимость дополнительных энергетических затрат космонавтов для преодоления сил сопротивления движению гидросреды;

- увеличение массы и инерционности скафандра для придания ему нейтральной плавучести;

- влияние вязкости воды при ускоренном движении космонавта;

- невозможность работы в штатных скафандрах, использование макетов пилотируемых космических аппаратов без штатного оборудования;

- необходимость гидроизоляции применяемого электрооборудования;

- обязательное присутствие нескольких водолазов в пределах испытательного объема;

- необходимость коррекции подъёмной силы из-за процессов намокания объектов и поплавков, и движения воздушных пузырьков выдыхаемого воздуха;

- переменное значение давления воды в зависимости от глубины погружения и связанную с этим необходимость коррекции избыточного давления внутри скафандра;

- из-за наличия вязкости водной среды, которая зависит, в основном, от квадрата скорости, ГЛ позволяет имитировать перемещения только в условиях невесо-

мости при невысоких значениях скоростей и ускорений, но реализация динамических перемещений космонавтов, таких как прыжки на Луне, невозможна.

Наличие гидросферы не позволяет использовать её для подготовки космонавтов по лунной программе, поэтому наиболее перспективным для дальнейшего совершенствования является моделирование частичной невесомости реализуемое в воздушной среде с использованием силокомпенсирующих способов.

1.1.4 Моделирование невесомости с использованием электромеханических стендов обезвешивания

Качество имитации невесомости на тренажёрах с СКС определяется точностью компенсации веса объекта, сил трения и инерции от дополнительно присоединённых к объекту масс. При выполнении этого условия космонавт, находясь в скафандре, будет перемещаться в рабочем пространстве тренажёра только под действием прикладываемых внешних усилий, с параметрами движения близкими к условию невесомости. Основными достоинствами тренажёров с СКС являются низкая стоимость создания и эксплуатации, возможность проведения длительных тренировок в воздушной среде с применением штатного технологического оборудования.

При обучении космонавтов на тренажёрах с СКС необходимо обеспечить ему необходимое число степеней подвижности. Для этого движение космонавта, совершающего сложные пространственные перемещения, реализуют путём их разделения на поступательные составляющие в горизонтальной и вертикальной плоскости, и вращательные - на вращение и качание относительно его центра масс [4].

В общем случае тренажёры с СКС, обеспечивающие имитацию движения космонавта в невесомости, можно реализовать с использованием пассивных или активных способов обезвешивания. При использовании пассивных способов обезвешивания требуемый эффект достигается с помощью устройств, создающих, как правило, постоянные компенсирующие усилия. При реализации активных способов обезвешивания применяют регулируемые привода, с помощью которых

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Киво, Александр Михайлович, 2013 год

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Ефимов Д.Г. Пути повышения эффективности профессиональной подготовки космонавтов к действиям в нештатных ситуациях // Пилотируемые полеты в космос: Тез. докл. IV Междунар. науч.-практ. конф. (21-22 марта 2000 г., Звездный городок Моск. обл. РФ).-М.: РГНИИЦПК, 2000.- С. 233-235.

2. Крючков Б.И. Моделирование процессов технической эксплуатации комплексов систем обеспечения жизнедеятельности экипажей пилотируемых космических аппаратов (разработка теоретических основ и практических методов): Дис. д-ра техн. наук - М.: РГНИИЦПК, 1996 - 458с.

3. Киво A.M. Проблемы и перспективы создания тренажеров с частичным обезвешиванием космонавтов для Лунной и Марсианской программ / А.М.Киво, O.A. Кравченко;Юж.-Рос. гос. техн. ун-т (НПИ). - Новочеркасск, 2010. - 18с.- Деп. в ВИНИТИ 18.06.10, № 380-В2010. - Аннот. в БУ Деп. науч. работы / ВИНИТИ РАН. - 2010. - № 8. - б/о 104.

4. Пятибратов Г.Я., Папирняк В.П., Полежаев В.Г. и др. Состояние, проблемы и пути совершенствования систем имитации невесомости для наземной отработки изделий космической техники // Изв. вузов Сев. - Кавк. региона. Технические науки - 1995-№ 3-4 -С. 39-49.

5. Дебда Д.Е., Пятибратов Г.Я. Анализ возможностей активных и комбинированных электромеханических систем компенсации силы тяжести обезве-шиваемых объектов //Изв. вузов. Электромеханика - 2001- № 2.- С. 33-37.

6. Вайсон A.A. Подъемно-транспортные машины: Учебн. 4-е изд., пере-раб. и доп.-М.: Машиностроение, 1989.- 536 с.

7. Кравченко O.A., Пятибратов Г.Я. Моделирование электромеханических систем регулирования усилий в упругих механических передачах: Метод, указ. к лабораторным работам по дисциплине "Моделирование электромеханических систем" / Новочерк. гос. техн. ун-т - Новочеркасск, 1998.- 44 с.

8. Папирняк В.П., Усачев Н.Г., Сбоев Ю.М., Орлов С.Б. Проблемы создания устройств обезвешивания и подвижности скафандров «ОРЛАН-МТ» тре-

нажера европейского манипулятора ERA // Пилотируемые полеты в космос: тез. докл. VII Междунар. науч.-практ. конф., Звездный городок, Моск. обл., РФ, 14-15 ноября 2007 г.-М.: РГНИИЦПК, 2007.- С. 125-128.

9. Бабкин А. Лунный стенд для марсиан// Новости космонавтики. - 2003. —

№ 10.

10. Кравченко O.A., Пятибратов Г.Я. Создание и опыт эксплуатации си-локомпенсирующих систем обеспечивающих многофункциональную подготовку космонавтов к работе в невесомости // Изв. вузов. Электромеханика - 2008 - № 2.- С. 42-47.

11. Изосимов Д.Б., Рыбкин С.Е., Шевцов C.B. Симплексные алгоритмы управления трехфазным автономным инвертором напряжения с ШИМ // Электротехника- 1993.-№ 12-С. 14-20.

12. Андерс В.И., Грапонов В.Г., Лопатин В.А. Аналитический расчет электромагнитных процессов в приводах переменного тока // Электричество.-1990.-№ 12.-С. 38-43.

13. Затрубщиков И.Б., Комков В.А. Повышение равномерности вращения частотно-регулируемого электропривода на базе инвертора тока с дискретным контуром стабилизации скорости // Динамика и функционирование электромеханических систем: Сб. науч. тр.- Тула, 1989 - С. 5-11.

14. Ишханов П.Э., Чуриков A.M. Исследование электромагнитных процессов в асинхронном электродвигателе с преобразователем частоты // Приводная техника - 1998 - № 3.- С. 12-16.

15. Гибкие производственные системы, промышленные роботы, робото-технические комплексы: Практ. пособие. В 14-и кн. Кн. 14. Современный электропривод станков с ЧПУ и промышленных роботов / О.П.Михайлов, Р.Т.Орлова, А.В.Пальцев; Под ред. Б.И.Черпакова.-М.: Высш. шк., 1989.- 111 с.

16. Справочник по электрическим машинам: В 2-х т. / Под общ. ред. И.П.Копылова, Б.К.Клокова - М.: Энергоатомиздат - Т. 1.- 1988 - 456 е.- Т. 2-1989.-688 с.

17. Армстронг Н. Исследование лунной поверхности // Земля и Вселен-

ная. - 1970. - №5. с.23-24.

18. Киво А. М. Определение энергетических характеристик электроприводов специальных стендов обеспечивающих отработку космонавтами перемещений на планетах с пониженной гравитацией / А.М. Киво, О.А.Кравченко // Изв. вузов. Электромеханика. -2012.-№3.- С.45-50.

19. Уткин B.JI. Биомеханика физических упражнений: Учеб. пособие для студентов фак. физ. воспитания пед. ин-тов и для ин-тов физ. культуры по спец. №2114 «Физ. Воспитание».-М.: Просвещение, 1989.-210 е.: ил.

20. Киво А.М., Кравченко O.A. Определение параметров движения и силовых характеристик электромеханических стендов с частичным обезвешиванием космонавтов / Юж.-Рос. гос. техн. ун-т (НПИ).- Новочеркасск, 2010.- 18 с. - Биб-лиогр.: 5 назв.- Рус,- Деп. в ВИНИТИ 24.01.2011, №17-В2011.

21. Кравченко O.A., Пятибратов Г.Я., Папирняк В.П. и др. Оценка погрешностей движения объекта при реализации систем компенсации сил тяжести // Технические средства и технологии для построения тренажеров: Мат. науч.-техн. сем. (3-4 апр. 1999 г., Звездный городок Моск. обл. РФ) /Под ред. П.И.Климука-М.: РГНИИЦПК, 1997.-Вып. 2.- С. 86-88.

22. Пятибратов Г.Я. Особенности создания силокомпенсирующих систем при реализации сложных пространственных перемещений объектов / Г.Я.Пятибратов, А.М.Киво, О.А.Кравченко, Н.А.Сухенко // Изв. вузов. Электромеханика. -2013. -№ 5.- С. 39-43.

23. Пятибратов Г. Я. Анализ влияния центробежных сил инерции на работу силокомпенсирующих систем / Г. Я. Пятибратов, А. М. Киво, О. А. Кравченко, С. В. Папирняк // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Технические науки. - 2013. - № 5. -С. 9-13.

24. Пятибратов Г.Я. Многокритериальный выбор параметров электромеханических систем компенсации сил тяжести при вертикальных перемещениях объектов // Изв. вузов. Электромеханика - 1993- № 5.- С. 65-70/

25. Ключев В.И. Теория электропривода. М.:Энергоатомиздат, 1985-

560с.

26. Кравченко O.A., Пятнбратов Г.Я. Создание систем оптимального управления усилиями в упругих передачах электромеханических комплексов: Монография / Новочерк. гос. техн. ун-т. - Новочеркасск, 1999. - 107 с. Деп в ВИНИТИ 03.03.99, № 637-В99.

27. Кравченко O.A., Хализева М.А. Повышение качества информационного обеспечения силокомпенсирующих систем применением фаззи-регулятора // Изв. вузов. Электромеханика. -2006. -№5. - С. 37-41.

28. Экспериментальное исследование системы регулирования усилия на физической модели стенда обезвешивания: Отчёт о НИР/НГТУ. -№ 01990001476, инв № 02990000797. - Новочеркасск, 1998. - 50 с.

29. Кравченко O.A. Принципы построения и способы реализации электромеханических систем с управлением инерциальными нагрузками приводного устройства / О.А.Кравченко, А.М.Киво; Юж.-Рос. гос. техн. ун-т (НПИ).- Новочеркасск: Лик, 2012.-110 с.

30. Сухенко H.A., Кравченко O.A. Оценка влияния сил трения на работу электромеханических систем регулирования усилия. Интеллектуальный резерв университета - решению проблем Северо-Кавказского региона: материалы 48-й науч.-техн. конф. студентов и аспирантов ЮРГТУ(НПИ) /Юж.-Рос. гос. техн. ун-т (НПИ).- Новочеркасск: ЮРГТУ, 2000.- С. 110-111.

31. Пятибратов Г.Я., Никитенко А.Г., Кравченко O.A., Щербаков В.Г., Янов В.П. Система автоматического регулирования усилий тягового электропривода с компенсацией противоЭДС двигателя. Состояние и перспективы развития электроподвижного состава: тез. докл. II Междунар. конф., г. Новочеркасск, 4-6 июня 1997 г.-Новочеркасск, 1997 - С. 75-76.

32. Кравченко O.A. Управление электроприводами при учете реальных свойств механических передач: Учебное пособие / Юж.-Рос.гос. техн.ун-т. - Новочеркасск: ЮРГТУ (НПИ), 2003. - 73 с.

33. Кравченко O.A., Пятибратов Г.Я. Проблемы выбора и реализации си-лоизмерительных устройств для систем управления усилиями в механических передачах технологических машин / Новочерк. гос. ун-т. - Новочеркасск, 1997. —

41 с. - Деп. в ВИНИТИ 11.12.97, № 3611-В97.

34. Кравченко O.A. Принципы построения многокоординатных силокомпенсирующих систем/ Изв. вузов. Электромеханика - 2008 - № 3 - С. АЪ-41.

35. Кравченко O.A., Пятибратов Г.Я. Создание и опыт эксплуатации силокомпенсирующих систем обеспечивающих многофункциональную подготовку космонавтов к работе в невесомости// Изв. вузов. Электромеханика.— 2008.— № 2 — С. 42-47.

36. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров: определение, термины, формулы / под общ. ред. И.Г. Арамановича. -М.: Москва, 1987.-831 с.

37. Кравченко O.A., Пятибратов Г.Я. Компенсация влияния сил трения на качество работы электромеханических комплексов // Новые технологии управления движением технических объектов: Материалы 2-й междунар. науч.-технич. конф. / Южн.-Рос.гос.техн.ун-т. - Новочеркасск: ЮРГТУ(НПИ), - 1999. - С. 2628.

38. Сухенко H.A., Кравченко O.A. Пути и способы оптимизации структуры и параметров, электромеханических систем компенсации силы тяжести // Изв. вузов. Электромеханика. - 2003. - №5. - С. 30-36.

39. Фишбейн В.Т. Расчет системы подчиненного регулирования вентильного электропривода постоянного тока. — М.: Энергия, 1972. - 136 с.

40. Справочник по электрическим машинам: В 2 т. /Под общ. ред. И.П.Копылова, Б.К.Клокова. Т.1.- М.: Энергоатомиздат, 1988 - 456 е.— Т.2.- М.: Энергоатомиздат, 1989- 688 с.

41. Каталог NC 61 2007/2008 Sinumerik & Sinamics системы автоматизации станков / Siemens 2008.

42. Пятибратов Г.Я., Кравченко O.A., Папирняк В.П. Способы реализации и направления совершенствования тренажёров для подготовки космонавтов к работе в невесомости /Изв. вузов. Электромеханика.- 2010 - № 5 - С. 70-76.

43. Кравченко O.A. Особенности построения и реализации информационно-измерительных и управляющих систем силокомпенсирующих электромехани-

ческих комплексов / Изв. Вузов Северо-Кавказского региона. Серия Технические науки. - 2010.- № 2.- С. 47-52.

44. Кравченко O.A. Обоснование применения обратных связей по ускорению в многокоординатных силокомпенсирующих системах/ Изв. вузов. Электромеханика. - 2012. - 2012 - № 4.

45. Пятибратов Г.Я. Экспериментальное исследование динамических характеристик и идентификация структуры и параметров электромеханических систем: Учебное пособие / Новочерк. гос. техн. ун-т. - Новочеркасск: НГТУ, 1997. -94 с.

46. Кравченко O.A. Управление электроприводами при учете реальных свойств механических передач: учеб. пособие / O.A. Кравченко / Юж. Рос. гос. техн. ун-т. - Новочеркасск: ЮРГТУ(НПИ), 2003. - 73 с.

47. Пятибратов Г.Я. Экспериментальное исследование динамических характеристик и идентификация структуры и параметров электромеханических систем: Учебное пособие /Новочерк. гос. техн. ун-т-Новочеркасск, 1997 - 94 с.

48. Кравченко O.A., Пятибратов Г.Я., Папирняк В.П. и др. Оценка погрешностей движения объекта при реализации систем компенсации сил тяжести //Технические средства и технологии для построения тренажеров: Мат. науч.-техн. сем. (3-4 апр. 1999 г., Звездный городок Моск. обл. РФ) /Под ред. П.И.Климука - М.: РГНИИЦПК, 1997.-Вып. 2.-С. 86-88.

49. Кравченко O.A. Определение качества функционирования электромеханических стендов имитации невесомости // Изв. вузов электромеханика. -2002.- №3.- с 50-55.