Уважаемые коллеги!

В современном информационном обществе всё большая роль отводится космическим технологиям. Услуги, которые ими обеспечиваются в области связи, навигации и космического мониторинга, сегодня воспринимаются как важнейший элемент для социально-экономического развития нашей страны. Экономические преобразования и новое качество жизни требуют принципиально новых подходов к разработке и производству перспективной космической техники, одним из главных аспектов в создании которой является разработка и внедрение перспективных технологий.Такая наукоёмкая отрасль, как космонавтика, не может успешно развиваться без объединения усилий в глобальном масштабе. Для этого в 2011 году по инициативе АО «ИСС» была создана технологическая платформа «Национальная информационная спутниковая система». Стратегическая программа исследований технологической платформы определяет средне- и долгосрочные приоритеты в проведении исследований и разработок, выстраивает механизмы научно-технической кооперации предприятий космической отрасли, вузов и научных организаций. Результаты совместных исследований важны для поддержания инновационного развития и технологической модернизации отечественной экономики в части решения социально-экономических задач повышения доступности и радикального расширения пользовательских свойств и предоставляемых услуг российской орбитальной группировки. Интенсификация производственных процессов, модернизация оборудования, унификация отдельных конструкций, внедрение самых современных технологий позволяют создавать спутники совершенно нового класса и расширять спектр услуг, предоставляемых с использованием космической техники. Результат этой работы – надёжные космические аппараты, необходимые для успешного развития современного общества.

Н. А. Тестоедов

Генеральный директор АО «ИСС», Президент ТП «НИСС», главный редактор – председатель редакционного совета, чл.-кор. РАН

Уважаемые коллеги!

В 2016 году технологической платформе «Национальная информационная спутниковая система» исполнилось 5 лет. За это время наша платформа прошла большой путь в своем становлении и развитии. Общее число участников платформы достигло 110. Платформа объединила ведущие российские вузы и научные организации, предприятия космической отрасли, представителей малого и среднего бизнеса, всех, кто активно работает в области исследований и разработок в интересах развития отечественных космических информационных систем. Действует информационный портал технологической платформы tp.iss-reshetnev.ru. Сформирована Стратегическая программа исследований на период до 2025 года. Различными участниками платформы реализуется более 50 научных и технологических проектов, входящих в Стратегическую программу исследований и поддержанных Министерством образования и науки Российской Федерации в рамках ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014–2020 годы» и постановления Правительства Российской Федерации № 218 от 9 апреля 2010 года. В 30 проектах индустриальным партнером является АО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнёва» – одно из ведущих предприятий отечественной космической отрасли. АО «ИСС» является инициатором создания и координатором технологической платформы. Наше космическое предприятие расположено в центре нашей страны в наукограде – городе Железногорске Красноярского края.В этом году принято решение создать научный журнал технологической платформы «Национальная информационная спутниковая система» – «Исследования наукограда», в котором будут опубликованы результаты исследований участников технологической платформы по актуальным вопросам создания современных космических аппаратов, новым материалам и технологиям, применяемым при создании космической техники, проблемам космического приборостроения, развития перспективных космических услуг, а также вопросам, посвященным инновационным инструментам и экономическим аспектам развития космической отрасли. В состав редакционных коллегии и совета журнала вошли ведущие отечественные и зарубежные ученые и крупные специалисты, работающие в области спутникостроения и космических исследований.В настоящем номере журнала будут опубликованы научные статьи по итогам проведения ежегодного собрания участников технологической платформы и IV Научно-практической конференции «Вызовы и долгосрочные перспективы развития информационных космических систем», прошедших 10 сентября 2016 года в рамках Международного военно-технического форума «Армия-2016».Основные результаты научных исследований участников технологической платформы будут ежегодно публиковаться в журнале «Исследования наукограда». Наша совместная деятельность направлена на устойчивое развитие космических технологий и информационных спутниковых систем, используемых для социально-экономического развития России и ее регионов, на сохранение и расширение позиций российских высокотехнологичных предприятий на мировом рынке информационных услуг. Позиционирование Российской Федерации как одной из ведущих мировых космических держав, развитие национального информационного пространства на основе космических систем являются ответом на глобальные вызовы развития нашего государства.

В. И. Халиманович

Координатор технологической платформы «НИСС»,директор отраслевого центра крупногабаритных трансформируемых механических систем АО «ИСС»

В номере

А. Ю. Власов, М. В. Сержантова, Я. А. АндрееваИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

СОЗДАНИЯ ИЗДЕЛИЙ ИЗ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

НА БАЗЕ РЕСУРСНОГО ЦЕНТРА «КОСМИЧЕСКИЕ АППАРАТЫ И СИСТЕМЫ»

СибГАУ

ПО МАТЕРИАЛАМ IV НАУЧНО‑ПРАКТИЧЕСКОЙ КОНФЕРЕНЦИИ

«ВЫЗОВЫ И ДОЛГОСРОЧНЫЕ ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ИНФОРМАЦИОННЫХ

КОСМИЧЕСКИХ СИСТЕМ»

С. С. КукушкинИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

ПОВЫШЕНИЯ ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТИ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ И ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЕЕ

КОМПЛЕКСНОЙ ЗАЩИТЫ

Ю. Е. Шейнин, В. Л. Оленев, И. Я. Лавровская, Д. В. Дымов, С. Г. Кочура

РАЗРАБОТКА, АНАЛИЗ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ ТРАНСПОРТНОГО ПРОТОКОЛА СТП-ИСС

ДЛЯ БОРТОВЫХ КОСМИЧЕСКИХ СЕТЕЙ SPACEWIRE

А. C. Толстиков, А. С. Томилов, А. А. Карауш, Е. А. Ханыкова

ИНФОРМАЦИОННО-АНАЛИТИЧЕСКИЙ ЦЕНТР НА БАЗЕ ПУНКТА МЕТРОЛОГИЧЕСКОГО

КОНТРОЛЯ ГСВЧ ФГУП «СНИИМ»

С. В. Верховец, С. П. Панько, В. Н. Тяпкин, В. В. Сухотин, П. Н. Сильченко

РЕЗУЛЬТАТЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ СФУ И АО «ИСС» ИМЕНИ АКАДЕМИКА

М. Ф. РЕШЕТНЁВА»

НОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ТЕХНОЛОГИИ В КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКЕ

Р. А. СабировНЕЛИНЕЙНОЕ ДЕФОРМИРОВАНИЕ ТОНКОЙ

СФЕРИЧЕСКОЙ ОБОЛОЧКИ ПОД ДАВЛЕНИЕМ

Г. Г. Крушенко, С. Н. Решетникова, Г. В. ДвирныйНАНОЭКСТРУЗИОННАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ

АЛЮМИНИЕВЫХ ПРОФИЛЕЙ

Contents

A. U. Vlasov, M. V. Serzhantova, Ya. A. AndreevaINNOVATIVE TECHNOLOGY OF PRODUCTS MADE OF COMPOSITE MATERIALS IN THE RESOURCE CENTRE «SPACECRAFT AND SYSTEMS» SibSAU

MATERIALS FOURTH RESEARCH AND PRACTICE CONFERENCE «CHALLENGES AND LONG‑TERM DEVELOPMENT PROSPECTS FOR SPACE INFORMATION SYSTEM»

S. S. KukuschkinINNOVATIVE TECHNOLOGIES FOR INCREASE IMMUNITY TRANSFER INFORMATION AND ITS INTEGRATED SOFTWARE PROTECTION

Yu. E. Sheynin, V. L. Olenev, I. I. Lavrovskaya, D. V. Dymov, S. G. KochuraDEVELOPMENT, ANALYSIS AND MODELING OF STP-ISS TRANSPORT PROTOCOL FOR SPACEWIRE ONBOARD NETWORKS

A. S. Tolstikov, A. S. Tomilov, A. A. Karaush, E. A. KhanykovaINFORMATION ANALYSYS CENTER BASED ON THE STATION OF METROLOGICAL CONTROL AT FSUE «SNIIM» TIME AND FREQUENCY SERVICE

S. V. Verkhovets, S. P. Panko, V. N. Tyapkin, V. V. Sukhotin, P. N. SilchenkoRESULTS OF COOPERATION SIBERIAN FEDERAL UNIVERSITY AND JSC «INFORMATION SATELLITE SYSTEMS» RESHETNEV COMPANY»

NEW MATERIALS AND TECHNOLOGIES IN SPACE EQUIPMENT

R. A. SabirovNONLINEAR DEFORMATION OF A THIN SPHERICAL SHELL UNDER PRESSURE

G. G. Krushenko, S. N. Reshetnikova, G. V. Dvirniy

NANOEXTRUSIONS THE TECHNOLOGY OF MANUFACTURE OF STRUCTURAL ALUMINIUM PROFILES

8

13

21

31

36

42

46

ISSN 2225-9449

Издается с января 2012 года

Научный журнал

№ 1-2 (16)ноябрь 2016

Выходит один раз в три месяца

Красноярский край Железногорск

2016

Главный редакторТестоедов Николай Алексеевич

чл.-кор. РАН, д-р техн. наук, председатель редакционного совета (Железногорск)

Заместитель главного редактораХалиманович Владимир Иванович

канд. физ.-мат. наук, профессор (Железногорск)

Ответственный секретарьХныкин Антон Владимирович

канд. техн. наук (Железногорск)

Редакционная коллегияГарин Евгений Николаевич

д-р техн. наук, профессор (Красноярск)Головёнкин Евгений Николаевич

д-р техн. наук, профессор (Железногорск)Двирный Валерий Васильевич

д-р техн. наук, профессор (Железногорск)Князькин Юрий Михайлович

д-р техн. наук, профессор (Железногорск)Ковель Анатолий Архипович

д-р техн. наук, профессор (Железногорск)Косенко Виктор Евгеньевич

д-р техн. наук, профессор (Железногорск)Лопатин Александр Витальевич

д-р техн. наук (Красноярск)Охоткин Кирилл Германович

д-р физ.-мат. наук, доцент (Железногорск)Пономарев Сергей Васильевич

д-р физ.-мат. наук (Томск)Цибульский Геннадий Михайлович

д-р техн. наук, профессор (Красноярск)Чеботарёв Виктор Евдокимович

д-р техн. наук, профессор (Железногорск)Матвеев Станислав Алексеевич

канд. техн. наук (Санкт-Петербург)Непомнящий Олег Владимирович

канд. техн. наук, доцент (Красноярск)Смотров Андрей Васильевич

канд. техн. наук (Жуковский)Сухотин Виталий Владимирович

канд. техн. наук, доцент (Красноярск)Хартов Станислав Викторович

канд. техн. наук (Красноярск)Глез Мари-Пьер

профессор (Тулуза, Франция)Фернандес Кабальеро Антонио

профессор (Альбасете, Испания)Нинкович Деян

д-р техн. наук (Белград, Сербия)

Редакционный советАннин Борис Дмитриевич

академик РАН, д-р физ.-мат. наук (Новосибирск)Шабанов Василий Филиппович

академик РАН, д-р физ.-мат. наук (Красноярск)Попов Гарри Алексеевич академик РАН, д-р техн. наук (Москва)

Васильев Валерий Витальевич чл.-кор. РАН, д-р техн. наук (Хотьково)

Махутов Николай Андреевич чл.-кор. РАН, д-р техн. наук (Москва)

Псахье Сергей Григорьевич чл.-кор. РАН, д-р физ.-мат. наук (Томск)

Шайдуров Владимир Викторович чл.-кор. РАН, д-р физ.-мат. наук (Красноярск)

Чернявский Александр Григорьевич (Королёв)

Медвецкий Александр Леонидович д-р физ.-мат. наук (Жуковский)

Ковалев Игорь Владимирович д-р техн. наук, профессор (Красноярск)

Овчинников Сергей Геннадьевич д-р физ.-мат. наук, профессор (Красноярск)

Пчеляков Олег Петрович д-р физ.-мат. наук, профессор (Новосибирск)

Хартов Виктор Владимирович д-р техн. наук, профессор (Королёв)

Исследования наукоградаНаучный журналИздается с января 2012 года№ 1-2 (16)ноябрь 2016

ISSN 2225-9449

Журнал «Исследования наукограда» – рецензируемый научный журнал технологической платформы «Национальная информационная спутниковая система».Журнал зарегистрирован Федеральной службой по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций (свидетельство ПИ № ФС 77 - 61605 от 07.05.2015 г.)Пятилетний импакт-фактор РИНЦ за 2015 г. – 0,128 (без самоцитирования – 0,103)«Исследования наукограда» публикуют оригинальные работы, обзорные статьи, очерки и обсуждения, охватывающие последние достижения в области космонавтики.Тематические направления журнала:

- ракетно-космическая техника;- новые материалы и технологии в космической

технике;- космическое приборостроение;- космические услуги;- инновации и экономика космической отрасли.

К публикации принимаются статьи, ранее нигде не опубликованные и не представленные к печати в других изданиях. Статьи, отбираемые для публикации в журнале, проходят закрытое (слепое) рецензирование. Все материалы размещаются в журнале на бесплатной основе.Полнотекстовый доступ к электронной версии журнала возможен на сайтах www.elibrary.ru, scholar.google.com, www.cyberleninka.ru

Свидетельство о регистрации ПИ № ФС 77 - 61605 от 07.05.2015

Адрес редакции: 662971, г. Железногорск, ул. Кирова, 12а E-mail: isercit@gmail.com; http://www.smarcity.ru/journal.html

Допечатная подготовка: ООО «Центр информации» 660079, г. Красноярск, ул. Свердловская, 23, к. 32 lev_zhivilo@mail.ru Разработка макета Л. М. Живило Редактор Н. Ф. Ткачук Компьютерная верстка: Л. М. Живило, И. В. Манченкова

Тираж 200 экз. Заказ 4207 Распространяется бесплатно

Отпечатано Библиотечно-издательским комплексомСибирского федерального университета660041, Красноярск, пр. Свободный, 82аТел. (391) 206-26-67; http://bik.sfu-kras.ruE-mail: publishing_house@sfu-kras.ru

ISSN 2225-9449

№ 1-2 (16)November 2016

Published since 2012Scientific quarterly journal

Zheleznogorsk Krasnoyarsk region

2016

Chief Editor Testoyedov N. A.

Corresponding Member of RAS, Doctor of Engineering, Chairman of Editorial Board

Deputy Chief Editor Khalimanovich V. I.

PhD in Physics and Mathematics, Professor

Executive SecretaryKhnykin A. V.

PhD in Engineering

Editorial StaffGarin E. N.

Doctor of Engineering, Professor (Russia)Golovenkin E. N.

Doctor of Engineering, Professor (Russia)Dvirny V. V.

Doctor of Engineering, Professor (Russia)Knyazkin Yu. M.

Doctor of Engineering, Professor (Russia)Kovel A. A.

Doctor of Engineering, Professor (Russia)Kosenko V. E.

Doctor of Engineering, Professor (Russia)Lopatin A. V.

Doctor of Engineering (Russia)

Okhotkin K. G. Doctor of Physics and Mathematics, Associate Professor (Russia)

Ponomarev S. V. Doctor of Physics and Mathematics (Russia)

Tsybulsky G. M. Doctor of Engineering, Professor (Russia)

Chebotarev V. E. Doctor of Engineering, Professor (Russia)

Matveev S. A. PhD in Engineering (Russia)

Nepomnyashy O. V. PhD in Engineering, Associate Professor (Russia)

Smotrov A. V. PhD in Engineering (Russia)

Sukhotin V. V. PhD in Engineering, Associate Professor (Russia)

Khartov S. V. PhD in Engineering (Russia)

Gleizes Marie-Pierre Professor (France)

Fernández-Caballero Antonio Professor (Spain)

Ninković Dejan Doctor of Engineering (Serbia)

Editorial BoardAnnin B. D.

Academician of RAS, Doctor of Physics and Mathematics (Russia)Shabanov V. Ph.

Academician of RAS, Doctor of Physics and Mathematics (Russia)

Popov G. A. Academician of RAS, Doctor of Engineering (Russia)

Vasiliev V. V. Corresponding Member of RAS, Doctor of Engineering (Russia)

Makhutov N. A. Corresponding Member of RAS, Doctor of Engineering (Russia)

Psakhie S. G. Corresponding Member of RAS, Doctor of Physics and Mathematics (Russia)

Shaidurov V. V. Corresponding Member of RAS, Doctor of Physics and Mathematics (Russia)

Cherniavsky A. G. (Russia)

Medvedtskiy A. L. Doctor of Physics and Mathematics (Russia)

Kovalev I. V. Doctor of Engineering, Professor (Russia)

Ovchinnikov S. G. Doctor of Physics and Mathematics, Professor (Russia)

Pchelyakov O. P. Doctor of Physics and Mathematics, Professor (Russia)

Khartov V. V. Doctor of Engineering, Professor (Russia)

The Research of the Science cityScientific quarterly journalPublished since 2012№ 1-2 (16)November 2016

ISSN 2225-9449

«The Research of the Science city» is peer-reviewed scientific journal of Technology Platform «National Information Satellite System».The journal is registered by the the Federal Service for Supervision of Communications, Information Technology and Mass Communications (PI certificate no. FS 77 - 61605, May 05, 2015).The journal publishes original papers, reviews articles, rapid communications and discussions covering recent advances in space.The journal directions:

- Rocket and space equipment;- New materials and technologies in space equipment;- Space instrument engineering;- Space Services;- Innovation and economics of the space industry.

«The Research of the Science city» publishes only original research articles. All articles are peer reviewed by international experts. Both general and technical aspects of the submitted paper are reviewed before publication.The publication of manuscripts is free of charge.The journal is on open access on www.elibrary.ru, scholar.google.com, www.cyberleninka.ru

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ СОЗДАНИЯ ИЗДЕЛИЙ ИЗ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

НА БАЗЕ РЕСУРСНОГО ЦЕНТРА «КОСМИЧЕСКИЕ АППАРАТЫ И СИСТЕМЫ» СибГАУ

А. Ю. Власов, М. В. Сержантова, Я. А. АндрееваСибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнёва,

г. Красноярск, Российская Федерация

Статья посвящена описанию современной системы подготовки кадров, основанной на проектно-ориентированном подходе. Представлены основные направления деятельно-сти Ресурсного центра коллективного пользования «Космические аппараты и систе-мы» СибГАУ. Особое внимание уделено производству изделий сложной геометрической формы из полимерных композиционных материалов, разработанных при поддержке технологической платформы «Национальная информационная спутниковая система»

для АО «Информационные спутниковые системы».

Ключевые слова: композиционные материалы, подготовка кадров, элемент крепления, рефлектор, антенна.

* Основой успешного функционирования и развития предприятий аэрокосмической отрасли являются высококвалифицированные сотрудни-ки, обладающие набором компетенций, соответ-ствующих специфике деятельности предприятия. Существуют различные методы подготовки спе-циалистов, однако лишь применение в техниче-ском образовании современных методов обучения позволяет сформировать у выпускников необхо-димые профессиональные компетенции. В ре-зультате достигается новое качество образования – люди с гибким мышлением и интеграционной компетенцией.

Непрерывная подготовка кадров и функци-онирование управляемого инновационного меха-низма в условиях проектно-ориентированной под-готовки специалистов осуществляется с помощью Ресурсного центра коллективного пользования «Космические аппараты и системы» Сибирского государственного аэрокосмического университета имени академика М. Ф. Решетнёва (РЦКП «КАС»). Подразделение было создано в 2009 году в рам-ках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России».

Особенностью работы РЦКП «КАС» яв-ляется активное участие в решении актуальных промышленных, экономических и социальных задач за счет организации взаимодействия между ведущими сотрудниками предприятий, препода-вателями и лучшими студентами университетов.

* © Власов А. Ю., Сержантова М. В., Андреева Я. А., 2016

В процессе применения проектно-ориентирован-ных технологий в образовании предприятия под-ключают к процессу обучения не только ведущих специалистов, но и свою инфраструктуру, что по-зволяет при подготовке кадров использовать ин-теллектуальные и материальные ресурсы базово-го предприятия. Вклад преподавателей в данном случае заключается в обеспечении теоретической базой знаний.

Основными направлениями деятельности являются научно-исследовательские работы и опытно-конструкторские разработки по приори-тетным направлениям развития технологий в об-ласти изготовления изделий космической отрасли.

Организационная структура РЦКП «КАС»: отдел композиционных материалов, отдел меха-нических систем и механической обработки, от-дел электронных систем и электромагнитной со-вместимости, отдел качества и отдел обучения и развития.

Производственная база включает парк со-временного металлообрабатывающего оборудо-вания (токарные и фрезерные станки с числовым программным управлением, сверлильные станки, оборудование для раскроя металла, сварочное оборудование), где студенты технологических на-правлений получают навыки обработки деталей любой сложности, составления технологических процессов обработки деталей, написания управ-ляющих программ и т. д.

В отделе электронных систем и электро-магнитной совместимости специалистами РЦКП «КАС» совместно со студентами-физиками и сту-дентами информационных направлений проводят-

9

А. Ю. Власов, М. В. Сержантова, Я. А. Андреева

Инновационные технологии создания изделий из композиционных материалов

ся испытания бортовой аппаратуры и кабельных сетей космических аппаратов на электромагнит-ную совместимость, ведутся разработки испыта-тельного оборудования и управляющих программ для испытательных комплексов.

В отделе механических систем и механиче-ской обработки разрабатываются различные из-делия для аэрокосмической отрасли, проектиру-ются корпуса для электроприборов, проводятся работы по визуализации функционирования ме-ханизмов, моделируется широкий ряд съемных грузозахватных приспособлений. В конструк-торских работах активное участие принимают студенты, что позволяет им получить навыки твердотельного 3D-моделирования, разработки чертежей, проведения прочностных расчетов, рендеринга и анимации.

Особое внимание в РЦКП «КАС» уделя-ется контролю качества продукции, который осуществляется на всех этапах производства. В процессе контроля определяется соответствие показателей качества продукции требованиям конструкторской документации, техническим условиям, показателям опытных образцов. Для этого используется современное измерительное

оборудование, позволяющее провести контроль геометрии деталей с высокой точностью, выпол-ненных абсолютно из любых материалов. Также отдел качества занимается непрерывной разра-боткой методик, рабочих программ, следит за исполнением трудовой дисциплины, тем самым выводит деятельность РЦКП «КАС» на новый более высокий уровень.

Композитное производство позволяет осу-ществлять работы, связанные с отработкой тех-нологических этапов изготовления сложных конструкций из полимерных композитных мате-риалов и элементов силовых конструкций косми-ческих аппаратов (КА). Ключевыми разработками в этой сфере являются рефлектора антенн для раз-личных диапазонов связи наземного и космиче-ского применения, производство которых включа-ет в себя множество этапов, в том числе расчеты на прочность, изготовление оснастки, формование изделия, температурную обработку и тестирова-ние. Для этого была сформирована база уникаль-ного аналитического, измерительного и техноло-гического оборудования, которая обеспечивает полный цикл изготовления продукции из ПКМ, начиная от проведения научно-исследовательских

Работа на универсальном токарном и фрезерном станках

Рис. 1. Проведение испытаний на электромагнитную совместимость

10

№ 1-2 (16) 2016

и проектных работ, заканчивая получением гото-вых изделий.

Современный рынок услуг, связанный с ис-пользованием телекоммуникационных космиче-ских аппаратов, выдвигает высокие требования к геометрической точности поверхности рефлек-торов приемопередающих комплексов. Поэтому сотрудниками РЦКП «КАС» ведется разработка технологий создания прецизионных антенных рефлекторов из полимерных композиционных материалов в условиях действия дестабилизиру-ющих факторов космического пространства для телекоммуникационных КА.

Совместная работа РЦКП «КАС» СибГАУ и АО «Информационные спутниковые системы» им. академика М. Ф. Решетнёва» (АО «ИСС») насчи-тывает множество успешно выполненных проектов, связанных с разработкой изделий в данной области.

Показательным проектом является разра-ботка механических моделей элементов крепле-ния (ЭК) из композиционных материалов, изго-товленных методом безавтоклавного формования. ЭК относятся к космической технике, предназна-чены для установки и крепления оборудования КА на силовую конструкцию корпуса и имеют точки крепления оборудования. В результате было пред-ложено пять вариантов элементов крепления, ко-торые представлены на рис. 6.

При поддержке технологической платфор-мы «Национальная информационная спутнико-вая система» в рамках реализации комплексных проектов по созданию высокотехнологичного производства, утвержденных постановлением Правительства РФ от 09.04.2010 № 218, был вы-полнен проект по теме «Организация произ-водства прецизионных элементов конструкций телекоммуникационных космических аппаратов с использованием высокомодульных композици-онных материалов, геометрически стабильных в условиях космоса» для АО «ИСС». В ходе про-екта была разработана технология изготовления прецизионных изделий сложной геометрической

Рис. 5. Процесс производственного контроля изделий с помощью КИМ Romer и штангенциркуля

Рис. 2. Оператор гидроабразивного

станка с ЧПУ

Рис. 3. Оператор токарного станка с ЧПУ

Рис. 4. Конструктор в процессе создания 3D-модели

11

А. Ю. Власов, М. В. Сержантова, Я. А. Андреева

Инновационные технологии создания изделий из композиционных материалов

формы из полимерных композиционных матери-алов, таких как размеростабильные рефлектора для КА, силовые элементы конструкций, состав-ные элементы спиц трансформируемых крупно-габаритных антенн, части конструкций платформ КА нового поколения. Применение таких элемен-тов обеспечивает повышение размеростабиль-ности и расширение температурного диапазона надежной работы антенно-фидерных устройств КА, а также повышение начальной геометриче-ской точности и размерной стабильности узлов конструкции КА в условиях эксплуатации в ши-роком диапазоне температур.

Кроме того, была разработана технология нанесения многослойного радиоотражающего по-крытия, предназначенного для обеспечения задан-ных радиотехнических характеристик и стойкости к условиям эксплуатации высокоточных рефлек-торов антенн из ПКМ. Применение такого покры-тия позволяет увеличить коэффициент радиоотра-жения в см-диапазоне, что обеспечит уменьшение потери мощности и увеличит точность получаемо-го и передаваемого сигналов антенн. Повышенная стойкость конструкций АФУ с разработанным покрытием к воздействию плазмы двигателей КА позволит снизить уровень загрязнения опти-ческих поверхностей КА продуктами распыления, что повысит стабильность поддержания теплового режима КА, надежность оптических систем, ста-бильность характеристик фотопреобразователей солнечных батарей.

В настоящий время идет работа по ново-му проекту, также при поддержке ТП «НИСС», в рамках постановления Правительства РФ № 218 по теме «Организация импортозамещающего производства крупногабаритных трансформи-руемых рефлекторов наземных и космических антенн из интеллектуальных полимерных ком-позиционных материалов на основе безавто-

клавных технологий». В ходе совместной реа-лизации проекта с СКТБ «Наука» предполага-ется разработать две технологии. Первая – по разработке конструкции и опытной отработки технологии изготовления образца сегментного крупногабаритного рефлектора антенны (диаме-тром не менее 9 м) наземного применения Q/Ka (42,5–45,5 ГГц/18,2–21,2 ГГц) частотного диа-пазона. Вторая – по разработке конструкции и опытной отработке технологии изготовления об-

Рис. 6. Виды элементов крепления для установки оборудования КА на силовую конструкцию

корпуса

Рис. 7. Элемент силовой конструкции: трехрожковый фитинг

Рис. 8. Элементы силовой конструкции:

X-образный фитинг и кронштейн

12

№ 1-2 (16) 2016

разца трансформируемого прецизионного круп-ногабаритного рефлектора антенны (диаметром не менее 4,5 м) космического применения Q/Ka частотного диапазона.

На текущем этапе выполнения проекта раз-работаны концепции обоих видов рефлекторов.

Ресурсный центр «Космические аппараты и системы» использует передовые методы и тех-нологии в области полимерных композиционных материалов для разработки изделий и опытных образцов продукции. Совместная деятельность с предприятиями аэрокосмической отрасли по-зволяет получать качественно новые результаты в разработке конкурентоспособной импортозаме-щающей продукции из ПКМ.

INNOVATIVE TECHNOLOGY OF PRODUCTS MADE OF COMPOSITE MATERIALS IN THE RESOURCE CENTRE

«SPACECRAFT AND SYSTEMS» SibSAU

A. U. Vlasov, M. V. Serzhantova, Ya. A. AndreevaReshetnev Siberian State Aerospace University, Krasnoyarsk, Russian Federation

The article describes the current training system, based on design-oriented approach. The main activities of the Resource Center for collective use «Spacecraft and Systems» SibSAU. Particular attention is paid to the production of complex geometric forms of polymer composite materials, developed with the support of a technological platform «National Information Satellite Systems»

for the «Information Satellite Systems».

Key words: composite materials, training, fixing element, reflector, antenna.

Рис. 9. Рефлектор антенны с ребрами

жесткости в оснастке

Рис. 11. Рефлектор антенны

с радиоотражающим покрытием

Рис. 10. Рефлектор антенны с ребрами жесткости

УДК 621.396.6

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПОВЫШЕНИЯ ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТИ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ

И ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЕЕ КОМПЛЕКСНОЙ ЗАЩИТЫ

С. С. КукушкинВоенная академия ракетных войск стратегического назначения имени Петра Великого,

г. Балашиха, Московская обл., Российская Федерация

Рассмотрены нетрадиционные методы обнаружения и исправления ошибок данных, со-общений и сигналов, передаваемых по каналам связи при испытаниях и штатной экс-плуатации ракетно-космической техники в условиях помех. Основу синтеза предлагае-мых методов составляет математический аппарат разработанной конструктивной теории конечных полей. Посредством его можно определить такие структурно-алго-ритмические преобразования передаваемых структурно-кодовых и сигнально-кодовых конструкций передаваемой информации, которые используют ее естественную избы-точность для противостояния разрушающей способности помех. Показано, что при традиционных методах, отличающихся высокой степенью универсальности их при-менения, не могут быть выполнены многие из требований, которые предъявляются к современному метрологическому обеспечению испытаний ракетно-космической тех-ники. Предлагается инновационный системный подход к повышению эффективности передачи информации и контролю ее достоверности на основе расширенного множе-ства инвариантов, основу создания которого составляют диагностические методы получения оценок результатов измерений при нетрадиционном представлении резуль-татов измерений образами-остатками. Это позволяет использовать не только ста-тистические, но и детерминированные методы контроля достоверности принятой инфор мации. К такой возможности при представлении данных и сообщений приводят не только инварианты в виде групповых свойств равноостаточности преобразован-ных значений, обладающих свойствами корреляционной зависимости, но и применение математического аппарата конечных разностей. При этом новизна в применении по-следнего заключается в том, что абсолютные разности первого и второго порядков определяют между предшествующими и последующими значениями образов-остат-

ков, найденными по одному и тому же модулю сравнения.

Ключевые слова: ракетно-космическая техника, искажение сообщений помехами, обра-зы-остатки сообщений, инварианты переданных сообщений, групповые свойства рав-

ноостаточности, контроль достоверности информации.

Введение

* При испытаниях и штатной эксплуатации РКТ особое внимание уделено вопросам помехо- устойчивой передачи, приема и обработки сооб-щений и результатов радиотехнических измере-ний неизвестной скалярной величины. Это могут быть для примера выходные сигналы датчиков, передаваемых изображений или навигационные параметры. При этом сам эксперимент классифи-цируется в зависимости от представительности выборки полученных данных и результатов изме-рений как метрологический и технический [1].

* © Кукушкин С. С., 2016

Актуальность. Технические измерения в от-личие от метрологических, представляющих со-бой измерения высшей достигнутой точности, характеризуются тем, что приходится иметь дело с непредсказуемыми ошибками, вызванными по-мехами [1]. Потребности практики приводят к су-щественному усугублению этого положения дел, поскольку предъявляются все более высокие тре-бования к скорости передачи информации и опе-ративности ее получения, достоверности приня-тых данных и результатов измерений. Подобные противоречивые требования составляют основу проблемы, решение которой уже не может быть обеспечено существующими экстенсивными ме-тодами, например, за счет увеличения мощности

ПО МАТЕРИАЛАМ IV НАУЧНО-ПРАКТИЧЕСКОЙ КОНФЕРЕНЦИИ «ВЫЗОВЫ И ДОЛГОСРОЧНЫЕ ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ИНФОРМАЦИОННЫХ

КОСМИЧЕСКИХ СИСТЕМ»

14

№ 1-2 (16) 2016

передатчиков и эффективной поверхности пере-дающих и приемных антенных систем, чему по-священо множество публикаций, в том числе и ав-тора статьи [2–7]. В них показано, что необходимо более активно развивать интенсивное направле-ние, ориентированное на поиск дополнительных резервов повышения эффективности, которые, прежде всего, заключены в разработке новых при-кладных математических методов. При этом появ-ляются задачи, связанные с расширением возмож-ностей использования в практической деятель-ности многих абстрактных теорий, относящихся к числу выдающихся достижений человеческой мысли, но используемых до настоящего времени преимущественно для упражнения ума и создания дополнительных сложностей у студентов при их изучении. К числу таких теорий относится и клас-сическая теория конечных полей Э. Галуа. То, как она используется в настоящее время в вопросах передачи информации при синтезе помехоустой-чивых кодов, уже не может удовлетворить требо-вательных разработчиков РКТ. Прежде всего, это связано с необходимостью введения дополнитель-ной, искусственно вводимой избыточности симво-лов кода, которая увеличивает и без того высокие требования по скорости передачи информации, уменьшая при этом физическое соотношение сиг-нал/шум (с/ш) на входе приемника. Но возмож-ность компенсации отмеченных потерь за счет обнаружения и исправления ошибок передачи и повышения пересчитанного (эквивалентного) соотношения с/ш достигается не всегда, а только при вероятностях искажения бит (Рб) меньших Рб = 10-2. Однако практика передачи информации при испытаниях и штатной эксплуатации РКТ по-казывает, что это условие не выполняется. Чаще всего приходится иметь дело с Рб ≥ 10–2. А в этом случае применение известных методов помехо-устойчивого кодирования может привести к до-полнительным искажениям восстановленной ин-формации. Об этом, в частности, свидетельствуют проведенные стендовые испытания при модели-ровании различных условий передачи и приема телеметрической и навигационной информации.

Предложения по разрешению отмеченных противоречий в активно развивающемся интенсивном направлении совершенствования РКТ

Новые возможности появляются при ис-пользовании нетрадиционного представления получаемых и передаваемых сообщений х их об-разами-остатками bi, полученными в результате сравнений по модулю mi (mod mi):

х ≡ bi (mod mi). (1)

Представленное аналитическое представле-ние представляет собой сокращенную форму опи-сания основной теоремы арифметики:

х = mi li + bi, (2)

где mi – делитель (модуль), на который необ-ходимо поделить делимое число х; li – непол-ное частное от деления; bi – остаток.

В настоящее время сжатие данных измере-ний при их представлении и передаче составляет основу множества новых информационно-изме-рительных технологий, которые используются для разрешения существующих противоречий в области телеизмерений. Однако принципиально новые возможности для их синтеза и реализации появляются при использовании математических методов. В нашем случае представление (1) при использовании методов теории конечных полей является сжатой формой традиционного представ-ления (2), поскольку в ней отсутствует неполное частное li.

Более выраженная степень сжатия отме-чается при использовании системы сравнений, простейшей из которых является система из двух сравнений (система остаточных классов (СОК2) (рис. 1):

х ≡ b1 (mod m1) х ≡ b2 (mod m2). (3)

При этом на рис. 1 представлен случай, ког-да объем передаваемых данных остается неизмен-ным. В этом случае увеличивается минимальное кодовое расстояние между переданными значе-ниями и обеспечивается возможность создания внутренней структуры данных, сообщений и сиг-налов. При этом ранее формируемая структура S включает в себя две составляющие, условно на-зываемые внешней (S(внеш)) и внутренней (S(внутр)):

S → S(внеш) + S(внутр). (4)

Такое представление позволяет более точ-но определить те внутренние резервы повышения эффективности систем передачи информации, ко-торые не были использованы. Например, никто ранее не учитывал специфические особенности передаваемой информации для повышения эффек-тивности систем передачи данных (СПД), напри-мер, естественную ее избыточность. Кроме того, предлагаемый методический подход встраивания одной структуры (S(внутр)) в другую (S(внешн)) при-обретает определяющее значение для обеспечения унификации различной аппаратуры, что особенно актуально в условиях различных ограничений на структуры формирования данных, определяемые в том числе и различными международными стан-дартами. В рамках предлагаемого методического

15

С. С. Кукушкин

Инновационные технологии повышения помехоустойчивости передачи информации

требования международных стандартов могут быть выполнены при формировании S(внеш). При этом возможности проблемной ориентации СПД, реализующей экономичные адаптивные принци-пы организации передачи информации в условиях помех, обеспечивают за счет S(внутр).

Появление внутренней структуры S(внутр) передаваемых сообщений оказывается незаме-ченным с позиций традиционно используемой структуры, условно названной внешней S(внешн), поскольку при этом разрядность представления ее слов и их местоположение внутри цикла или

Рис. 2. Иллюстрация основных положений методики обнаружения и исправления ошибок передачи информации, осуществляемых за счет групповых свойств равноостаточности закодированных значений при наличии свойств внутренней избыточности передаваемых данных и сообщений

Рис. 1. Иллюстрация одного из предлагаемых методов создания внутренней структуры S(внутр) передаваемых сообщений с использованием двух их образов-остатков

16

№ 1-2 (16) 2016

кадра остались неизменными. Поэтому приемная система, ориентированная на внешнюю струк-туру данных, не замечает их внутренние струк-турно-алгоритмические преобразования (САП). Для восстановления истинного значения данных в соответствии с предлагаемыми инновацион-ными технологиями применяют два режима де-кодирования, условно называемые «жестким» и «мягким». При этом режим «жесткого» деко-дирования является универсальным, поскольку обеспечивает возможность восстановления ис-тинного значения данных независимо от свойств передаваемой информации. При этом по законам природы за универсальность придется распла-титься потерей эффективности, проявляющейся в крайне низком проценте обнаружения и ис-правления ошибок передачи. Но этого недостатка лишен параллельно работающий режим «мягко-го» декодирования, основные операции которого представлены на рис. 2, а главное окно програм-мы – на рис. 3.

Однако достаточно высокий процент обна-ружения и исправления ошибок при использова-нии режима «мягкого» декодирования будет свя-зан с естественной избыточностью передаваемой информации – он будет тем выше, чем больше избыточность исходных данных. Поэтому про-цедура «мягкого» декодирования осуществляется под управлением «жесткого» декодера и работает с высоким коэффициентом полезного действия

при передаче изображений с КА ДЗЗ, телеме-трии и навигационной информации. Проведенные стендовые испытания для информации подобно-го типа обеспечивают возможность исправления более 90 % ошибок. В то же время режим «жест-кого» декодирования не приводит к ухудшению показателей достоверности приема информации в условиях помех по сравнению с традиционным ее приемом в тех случаях, когда корреляционная взаимозависимость соседних значений контроли-руемых параметров отсутствует.

На рис. 4 приведены результаты стендовых испытаний разработанных методов и инноваци-онных технологий при передаче телеметрической информации (ТМИ). Верхний график получен при использовании существующей технологии пред-ставления и передачи тестового цифрового сину-соидального сигнала.

Последующие графики, приведенные на рис. 4, получены при использовании внутренней структуры S(внутр) формирования цифровых значе-ний передаваемого сигнала на основе предлагае-мой технологии нетрадиционного представления передаваемых данных их образами. Новые пред-ставления передаваемых сообщений входят во внешнюю структуру S(внеш) формирования данных, как вложенные по принципу «матрешки». Для внешнего наблюдателя такое структурно-алгорит-мическое преобразование (САП) остается незаме-ченным, поскольку их суммарная разрядность не

Рис. 3. Иллюстрация основополагающих принципов обнаружения и исправления ошибок в режиме «мягкого» декодирования, показывающая, как изменение значения равноостаточности

связано с появлением ошибки

17

С. С. Кукушкин

Инновационные технологии повышения помехоустойчивости передачи информации

выходит за пределы исходной разрядности пере-даваемых традиционных информационных слов, а использованные признаки их разделения на со-ставные части известны только получателю ин-формации.

При этом средний график (рис. 4) соответ-ствует случаю «жесткого» декодирования полу-чаемой информации без существенного улучше-ния качества полученной информации, а нижний график характеризует, насколько ее достоверность может быть повышена при использовании пред-лагаемой технологии «мягкого» декодирования, использующей для обнаружения и исправления

ошибок групповые свойства равноостаточности (рис. 3). В результате при мощности принимаемо-го сигнала, равной чувствительности приемника, было обнаружено и исправлено 94 % ошибок. Ни один из существующих методов помехоустойчи-вого кодирования такой корректирующей способ-ностью не обладает. В этом заключается одно из основных преимуществ предлагаемых технологий замещения внешних структур данных S(внеш) их внутренней структурой S(внутр), сформированной по принципу безызбыточного помехоустойчивого кодирования на основе сжатых образов исходных передаваемых сообщений.

Рис. 5. Выделенный для визуального анализа участок восстановленной информации с большим растяжением временной шкалы без исправления ошибок

Рис. 4. Иллюстрация качества принимаемого оцифрованного сигнала при традиционном приеме (верхний график) и при использовании предлагаемых технологий в режиме «жесткого»

декодирования (средний график) и в режиме «мягкого» декодирования (нижний график)

18

№ 1-2 (16) 2016

Еще одна особенность предлагаемых техно-логий заключается в том, что разработанные мето-ды и алгоритмы САП могут быть использованы на Земле после приема информации даже в том случае, когда в бортовой аппаратуре они не реализованы.

Но, как показывают проведенные экспе-риментальные исследования, корректирующая способность при этом будет примерно в 2 раза хуже, о чем свидетельствуют результаты сравне-ния информации, полученной при использовании средств приема, оснащенных высокоэффективной наземной антенной системой (рис. 5), и исправ-ленной после «нулевой» ее обработки при исполь-зовании предлагаемых методов, алгоритмов и ме-тодик (рис. 6).

Результаты сравнительного анализа пока-зывают, что применение нового этапа «нулевой» обработки информации, осуществляемой при ис-пользовании предлагаемых технологий с целью ее очищения от ошибок и искажений, обеспечивает исправление более 40 % ошибок, что оказывается сравнимым с увеличением эффективной поверх-ности приемной антенны в 2 раза.

Также проведены стендовые испытания с ис-пользованием реальной навигационной инфор-мации. Подтверждена возможность обнаружения и исправления ошибок по различным выделенным навигационным параметрам от 55 % до 97 % при входных сигналах – 450 дБВт и различных уров-нях помех, создаваемых генератором помех.

Рис. 6. Выделенный для визуального анализа участок восстановленной информации после исправления ошибок

Рис. 7. Иллюстрация математической модели контроля достоверности единичного сообщения при нетрадиционном представлении данных образами-остатками

19

С. С. Кукушкин

Инновационные технологии повышения помехоустойчивости передачи информации

В тех случаях, когда возможности повтор-ной передачи искаженных сообщений исключе-ны, предлагается использовать ряд алгоритмов оценивания достоверности переданных сообще-ний детерминированными методами. Один из них представлен в виде иллюстрации, приведен-ной на рис. 7.

При традиционном подходе к передаче данных нет возможности оценить достоверность приема результата измерений. Например, нельзя сказать, что последовательность сообщений: {116, 136, 118, 142, 119, 141} при передаче по каналам связи с помехами принята верно. Однако при представлении данных двумя образами-остатками b1 и b2 такая возможность обеспечивается на ос-нове определения последовательных абсолютных разностей первого и второго порядков.

Абсолютной разностью первого порядка ∆1хi называется разность между предшествующим и последующим значениями сообщений хi и хi+1: ∆1хi = |хi – хi+1|. Например, первое значение резуль-тата телеизмерения – это число 116. Следующее за ним значение второго результата – число 136. Тогда ∆1х1 = |х1 – х2| = |116 – 136| = 20. Затем сле-дует ∆1х2 = |х2 – х3| = |136 – 118| = 18. Далее ∆1х3 = = |х3 – х4| = |118 – 142| = 24. Абсолютной разно-стью второго порядка ∆2хi называется разность между предшествующим и последующим значени-ями телеизмерения ∆1хi и ∆1хi+1: ∆2хi = |∆1хi – ∆1хi+1|. Например, ∆2х1 = |∆1х1 – ∆1х2|. = |20 – 18| = 2, ∆2х2 = |∆1х2 – ∆1х3|.= |18 – 24| = 6, ∆2х3 = |∆1х3 – ∆1х4|. = = |24 – 23| = 1 и т. д. Передаче подлежат слова, составленные только из остатков. Такая же проце-дура определения абсолютных разностей первого и второго порядков производится и по отношению к принятым значениям образов-остатков.

Таблица, приведенная на рис. 7, разделена на две части. Первая часть, включающая в себя 5 первых столбцов, представляет собой последо-вательность сообщений (второй столбец), которые подлежат передаче традиционным 8-разрядным двоичным кодом (2n = 8) (пятый столбец). Третий столбец – это абсолютные разности первого по-рядка ∆1хi. В четвертом столбце представлены аб-

солютные разности второго порядка ∆2хi. Вторая часть отображает результаты приема сообщений

хп = <b1(mod 15), b2(mod 16)>.

В ней в первом и четвертом столбцах приве-дены значения принятых образов-остатков b1 и b2, соответственно, которые представлены четырех-разрядным двоичным кодом. Далее по отношению к каждому из значений образов-остатков последо-вательно определены разности первого порядка ∆1b1i. и ∆1b2i, а также разности второго порядка ∆2b1i. и ∆2b2i.

При этом те принятые значения сообще-ний, по отношению к которым выполняются тож-дества: ∆1b1i. = ∆1b2i и ∆2b1i. = ∆2b2i, должны быть признаны достоверными. Установленные тожде-ства могут быть расширены и на значения исход-ных сообщений:

∆1b1i. = ∆1b2i = ∆1хi(mod m1 или mod m2)

и ∆2b1i. = ∆2b2i = ∆2Хi. (5)

Таким образом, использование предлага-емых методов и подходов позволяет определить приоритетные направления развития информаци-онных технологий передачи информации и обе-спечения ее защиты от помех.

Заключение

В настоящее время разработано множество инновационных технологий, способствующих развитию интенсивного направления совершен-ствования бортовой и наземной ракетно-косми-ческой техники. Получены фундаментальные результаты. Некоторые из разработанных техно-логий были реализованы в бортовой телеметриче-ской аппаратуре. Опубликовано более 130 статей, в том числе 15 статей в журнале «Measurement techniques, Springer Science+Businnes Media, Inc». За последние пять лет получено 19 патентов на способы.

Список литературы1. Мироновский Л. А., Слаев В. А. Инварианты в метрологии и технической диагностике // Измерительная тех-

ника. 1996. № 6. С. 3–14.2. Кукушкин С. С., Захаров В. Н. Математические и методические основы использования конструктивной тео-

рии конечных полей при обработке результатов измерений // Измерительная техника. 2006. № 10. С. 18–22.3. Кукушкин С. С. Модели векторного представления и нетрадиционного преобразования данных в системе

остаточных классов // Измерительная техника. 2007. № 3. С. 15–20.4. Кукушкин С. С., Гулый Н. Н. Новые методы и технологии обработки видеоизображений при натурных испы-

таниях сложных технических систем // Измерительная техника. 2009. № 4. С. 20–24.5. Кукушкин С. С., Потюпкин А. Ю., Антипов В. А. Теоретические основы синтеза ультраоператора комплекс-

ной обработки информации дистанционного мониторинга // Измерительная техника. 2009. № 7. С. 10–15.

20

№ 1-2 (16) 2016

6. Кукушкин С. С. Теория конечных полей и информатика : в 2 т. Т. 1. Методы и алгоритмы, классические и не-традиционные, основанные на использовании конструктивной теоремы об остатках. М. : МО РФ, 2003. 284 с.

7. Кукушкин С. С., Гладков И. А., Чаплинский В. С. Методы и информационные технологии контроля состояния динамических систем. М. : МО РФ, 2008. 327 с.

INNOVATIVE TECHNOLOGIES FOR INCREASE IMMUNITY TRANSFER INFORMATION AND ITS INTEGRATED

SOFTWARE PROTECTION

S. S. KukuschkinMilitary Academy of Strategic Missile Forces named after Peter the Great

Balashikha, Moscow region, Russian Federation

Are considered non-traditional methods of detecting and correcting data errors, messages and signals transmitted through the communication channels during testing and normal operation rocket and space technology in noisy environments. The basis of the proposed methods of synthesis of mathematical formalism developed constructive theory of finite fields. Its use allows to identify such structurally-algorithmic transformation structurally transmitted code and signal-code constructions of the transmitted information, which used her natural redundancy to withstand the destructive interference ability. It is shown that traditional methods with a high degree of universality of their application cannot be met many of the requirements that apply to modern metrological support of space technology test. It offers an innovative system approach to improve the efficiency of information transmission and control of its reliability on the basis of an expanded set of invariants, which constitute the basis for the creation of diagnostic methods for the measurement of evaluation findings on the representation of non-traditional measurements images residues. This allows the use not only statistical, but reliability and deterministic methods of control of the received information. By this possibility when presenting data and reports lead not only invariants of the group properties of congruence transformed values with properties correlation, but also the use of the mathematical apparatus of finite differences. In this latter application a novelty is that the absolute difference between the first and second order is determined between the preceding and

subsequent values residues images found on the same comparison module.

Key words: rocket and space technology, the distortion of messages interference, residues images messages, invariants sent messages, the group properties of congruence, the control accuracy of the information.

References1. Mironovsky L. A., Slaev V. A. Invariants in metrology and technical diagnostics // Measurement Techniques. 1996.

No 6. P. 3–14.2. Kukooschkin S. S., Zacharov V. N. Mathematical and methodical bases by using constructive theorem about the

tailings for processing of measuring results // Measurement Techniques. 2006. No 9. P. 18–22.3. Kukooskin S. S. Models for vector presentation and nontraditional transformation of data in a residual classes system

// Measurement Techniques. 2007. No 3. P. 15–20.4. Kukooskin S. S., Gooluy N. N. New methods and technologies of video images processing at full scale tests of

complicated technical systems // Measurement Techniques. 2009. No 6. P. 20–24.5. Potupkin A. Yu., Antipov V. A. Theoretical bases of information processing ultraoperators synthesis of remote

monitoring // Measurement Techniques. 2007. No 8. P. 10–15.6. Kukushkin S. S. The theory of finite fields and informatics: The 2m. Volume 1. Methods and algorithms, classic and

innovative, based on the use of constructive remainder theorem. M. : MDRF, 2003. 284 s.7. Kukushkin S. S., Gladkov I. A., Chaplinskiy V. S. Methods and information technology monitoring states of dynamical

systems. M. : MDRF, 2008. 327 s.

УДК 629.783.051

РАЗРАБОТКА, АНАЛИЗ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ ТРАНСПОРТНОГО ПРОТОКОЛА СТП-ИСС

ДЛЯ БОРТОВЫХ КОСМИЧЕСКИХ СЕТЕЙ SPACEWIRE

Ю. Е. Шейнин1, В. Л. Оленев1, И. Я. Лавровская1, Д. В. Дымов2, С. Г. Кочура2

1Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения, г. Санкт-Петербург, Российская Федерация

2АО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнёва», г. Железногорск, Красноярский край, Российская Федерация

В данной статье представлены результаты проекта по разработке нового транс-портного протокола СТП-ИСС для бортовых космических сетей. Приведено краткое сравнение существующих транспортных протоколов для SpaceWire, которое обо-сновывает разработку нового протокола. Описаны все фазы разработки протокола СТП-ИСС начиная со сбора технических требований от представителей космической индустрии. После первой версии спецификации протокола, в которой описывались все его механизмы, было проведено моделирование, тестирование и верификация протоко-ла СТП-ИСС по средствам трех разных реализаций: референсного кода на языке С++, SDL-модели протокола и сетевой SystemC модели, описывающей поведение устройств, работающих при помощи СТП-ИСС в сети. Следующим этапом работы была реали-зация IP-ядра для СТП-ИСС и создание рабочего места для тестирования оборудова-ния, работающего по разработанному протоколу. По результатам проекта в статье

представлены две редакции протокола СТП-ИСС и приведено их краткое сравнение.

Ключевые слова: транспортный протокол, бортовые сети, SpaceWire, СТП-ИСС, тес-тирование, IP-ядро, моделирование.

Введение

* SpaceWire – это сетевая технология для кос-мических аппаратов, совмещающая в себе просто-ту и низкую цену реализации наравне с высокой производительностью и гибкостью архитекту-ры [1]. Благодаря этому SpaceWire широко при-меняют мировые космические агентства и пред-ставители космической индустрии. Технология SpaceWire использовалась в более 30 миссиях и является доминирующей для бортовых систем малых космических аппаратов, посадочных моду-лей и т.п.

Длительное время основной технологи-ей, применяемой в космическом и авиационном оборудовании, была коммуникационная шина MIL-STD 1553. Однако в условиях растущих тре-бований MIL-STD 1553 уже не справляется с по-ставленными задачами, поскольку его средняя скорость передачи данных в 1 Мбит/с и шинная топология накладывают серьезные ограничения

* © Шейнин Ю. Е., Оленев В. Л., Лавровская И. Я., Дымов Д. В., Кочура С. Г., 2016

[2–3]. Поэтому для передачи данных в бортовых сетях сейчас переходят на стандарт SpaceWire; необходимость в малых спутниках, посадочных модулях и т.п. резко подняла возможности его ис-пользования.

Применение SpaceWire в сочетании с транс-портными протоколами, обеспечивающими раз-личные качества сервиса, дает возможность удов-летворять требованиям авионики, а также значи-тельно повысить надежность передачи данных на борту космических аппаратов.

Проект по разработке транспортного про-токола СТП-ИСС стартовал в начале 2013 года. Первой поставленной задачей был сбор требова-ний для транспортных протоколов от космической индустрии. Подробный обзор требований к транс-портным протоколам представлен в [4]. В допол-нение к требованиям был проведен обзор транс-портных протоколов для различных типов сетей, а также механизмов, которые предоставляют раз-личные типы качества сервиса на транспортном уровне.

Полученные требования и обзор протоко-лов были обработаны, и в результате была вы-

ПО МАТЕРИАЛАМ IV НАУЧНО-ПРАКТИЧЕСКОЙ КОНФЕРЕНЦИИ «ВЫЗОВЫ И ДОЛГОСРОЧНЫЕ ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ИНФОРМАЦИОННЫХ

КОСМИЧЕСКИХ СИСТЕМ»

22

№ 1-2 (16) 2016

пущена первая версия спецификации протокола СТП-ИСС. Эта версия была проверифицирована и промоделирована при помощи нескольких раз-личных моделей. Эта часть работы подробно опи-сана в [5].

Основная задача данной статьи состоит в том, чтобы описать весь процесс разработки протокола СТП-ИСС от сбора требований до реа-лизации первой версии протокола в IP-ядре и соз-дания рабочего места аппаратно-программной отработки СТП-ИСС. Также в статье представле-на вторая, расширенная редакция транспортного протокола СТП-ИСС.

Современной космической индустрии не-обходим транспортный протокол, работающий поверх SpaceWire, который будет предоставлять надежность, гарантированную доставку данных и детерминизм. Протокол SpaceWire охватывает три нижних уровня модели OSI и не охватывает транс-портный уровень [6]. На данный момент суще-ствует целый ряд транспортных протоколов, ори-ентированных на работу в сетях SpaceWire. Это такие протоколы, как RMAP, CCSDS, PTP, STUP, JRDDP и STP (см. рис. 1). Каждый из этих про-токолов предназначен для решения конкретных узконаправленных задач, что неудобно, поскольку может возникнуть ситуация, когда необходимо ис-пользовать несколько транспортных протоколов на одном устройстве одновременно.

В табл. 1 представлено сравнение транс-портных протоколов семейства SpaceWire, кото-рое позволит проанализировать их на соответ-ствие техническим требованиям.

Анализ транспортных протоколов SpaceWire показывает, что не существует транспортного про-токола для SpaceWire, который обеспечивает на-дежность, гарантированную доставку данных, планирование [4] и гибкость конфигурации.

Транспортный протокол СТП‑ИСС‑13

Принимая во внимание технические требо-вания от индустрии и обзор транспортных прото-колов, разработали первую версию спецификации транспортного протокола СТП-ИСС, она получила название СТП-ИСС-13. В данном разделе приве-дены обзор и описание механизмов СТП-ИСС-13.

Бортовая сеть SpaceWire для малого косми-ческого аппарата (рис. 1) является одним из при-меров применяемой топологии, но использование протокола СТП-ИСС планируется и в намного более сложных сетях. Максимальное количество узлов регламентируется технологией SpaceWire.

Более того, сеть может быть разбита на не-сколько регионов. Технология SpaceWire отвечает этим требованиям благодаря масштабируемости и возможности разбиения на регионы с использова-нием региональной логической адресации.

Общее описание СТП‑ИСС‑13. Протокол СТП-ИСС-13 выполняет функции транспортного уровня и определяет информационно-логическое взаимодействие, регламентирует форматы пере-даваемых данных и правила передачи сообщений между абонентами бортовой сети SpaceWire. При этом бортовое программное обеспечение косми-ческого аппарата может выполнять функции при-кладного, представительского и сеансового уров-ней в соответствии с моделью OSI [14]. Место СТП-ИСС в семействе стандартов SpaceWire в соответствии с эталонной моделью OSI показа-но на рис. 2.

Интерфейсы СТП‑ИСС‑13. Для взаимо-действия с прикладными процессами предусмо-трены три интерфейса: интерфейс данных, конфи-гурационный интерфейс и интерфейс системных

Таблица 1Сравнение транспортных протоколов

Протокол

Свойство RM

AP

PTP

STU

P

JRD

DP

STP

SpW

-D

Контроль потока – – – √ √ –

Гибкость конфигурации – – – – – –

Передача данных с установкой соединения – – – √ √ –

Проверка корректности данных √ – √ √ √ –

Проверка последовательности данных

– – – √ – –

Качество сервиса «С планированием» – – – – – √

Качество сервиса «С приоритетом» – – – √ – –

Повторная отправка данных – – – √ – –

Подтверждение получения данных √ – – √ – – Рис. 1. Пример топологии бортовой сети

23

Ю. Е. Шейнин, В. Л. Оленев, И. Я. Лавровская, Д. В. Дымов, С. Г. Кочура

Разработка, анализ и проектирование транспортного протокола СТП-ИСС

кодов. Через интерфейс данных передаются коман-ды управления и информационные сообщения.

Сообщения прикладных процессов и ко-манды управления на удаленные узлы переда-ются в пакетах SpaceWire. Конфигурационный интерфейс служит для смены значений конфигу-рационных параметров СТП-ИСС-13, передачи статусной информации и команд сброса. В свою очередь, интерфейс системных кодов отвечает за распространение маркеров системного времени и системных прерываний во все узлы сети посред-ством технологии SpaceWire.

Для взаимодействия со SpaceWire – два ин-терфейса: интерфейс пакетов SpaceWire и интер-фейс системных кодов (рис. 3).

Сообщения прикладных процессов СТП‑ИСС. Одна из основных задач транспортного протокола СТП-ИСС – это обеспечение транс-портировки сообщений прикладных процессов на удаленные узлы сети. Сообщение приклад-ного процесса – это блок данных, поступающий в СТП-ИСС от протокола прикладного уровня.

Сообщения разделяются по типу в соответствии с их приоритетом: срочные (высокоприоритет-ные) и обычные (низкоприоритетные). Сообщения прикладных процессов на транспортном уровне должны быть помещены в пакеты SpaceWire и пе-реданы на удаленный узел (рис. 4).

Блок данных СТП-ИСС-13 имеет ограничен-ную длину. Размер каждого сообщения приклад-ного процесса не должен превышать 2048 байт. Функция сегментации сообщений выполняется прикладным уровнем. Для этих целей вводится вторичный заголовок пакета СТП-ИСС-13, в ко-тором прикладной процесс может передавать ин-формацию, необходимую для сборки сообщений из сегментов.

СТП-ИСС-13 обеспечивает надежную пере-дачу данных посредством защиты передаваемых данных и заголовка пакета контрольной суммой CRC-16, проверяемой на приемнике. CRC-16 ох-ватывает поле заголовка пакета и поле данных, начиная с первого байта пакета и заканчивая по-следним байтом данных, не включая символ конца пакета EOP.

Таймеры жизни СТП‑ИСС‑13. В прото-коле СТП-ИСС предусмотрен механизм тайме-ра времени жизни пакетов, который отсчитывает время, пока пакет с данной информацией актуален для передачи по сети SpaceWire. Каждый пакет хранится в соответствующем буфере на передат-чике в течение времени жизни, которое для него определено. Каждому типу пакетов соответствует отдельная величина таймера времени жизни.

Буферы повтора. На передающей стороне транспортного протокола предусмотрен отдель-ный логический буфер на каждый из приоритетов передаваемых данных: буфер команд управления; буфер срочных сообщений; буфер обычных со-общений. Размеры этих буферов задаются в со-ответствии с размером сообщения, которое будет использовать сетевой узел для обмена с другими узлами, а также в соответствии с типом устрой-

Рис. 2. Соотнесение протокола СТП-ИСС с моделью OSI

Рис. 4. Инкапсуляция сообщения в пакет SpaceWire в СТП-ИСС-13

Рис. 3. Интерфейсы транспортного протокола СТП-ИСС-13

24

№ 1-2 (16) 2016

ства. Организация буферов на передающей сторо-не изображена на рис. 5.

Если происходит переполнение буфера, то приложение должно ждать, пока появится свобод-ное место для очередного сообщения.

Приемный буфер. На приемной стороне транспортного протокола СТП-ИСС-13 предусмо-трен единый буфер на все типы информационных потоков. Буфер должен иметь возможность хра-нить минимум два пакета.

Если приемный буфер переполнен, то СТП-ИСС-13 должен об этом сообщить приклад-ному уровню.

Качество сервиса СТП‑ИСС‑13. Одним из преимуществ протокола СТП-ИСС-13 является обеспечение передачи сообщений и команд управ-ления со следующими типами качества сервиса: «С приоритетом»; «Гарантированная доставка данных»; «Негарантированная доставка данных».

Качество сервиса «С приоритетом» является основным и должно поддерживаться всеми устрой-ствами, на которых реализован транспортный про-токол СТП-ИСС-13. Согласно данному типу каче-ства сервиса данные с более высоким приоритетом должны быть переданы первыми. СТП-ИСС-13 поддерживает 7 уровней приоритетов.

СТП-ИСС-13 анализирует заявки на переда-чу пакетов во время арбитража. Пакет содержит специальный флаг «Тип пакета» и признак по-вторной отправки пакета. В зависимости от этого СТП-ИСС делает вывод, какой пакет должен быть отправлен первым.

Качество сервиса «Гарантированная до-ставка данных» обеспечивает подтверждение корректной доставки данных посредством отправ-ки пакетов подтверждения, а также повторную пе-ресылку данных источником в случае отсутствия подтверждения. Повторная отправка осуществля-ется на основе нумерации пакетов, которая вы-полняется на прикладном уровне. При отправке данных на сетевой уровень должен быть взведен таймер повтора. Он определяет временной интер-вал, по истечении которого считается, что пакет не был доставлен до адресата корректно либо был

потерян пакет подтверждения. По истечении тай-мера повтора пакет, соответствующий данному таймеру, повторно отправляется адресату.

Для того чтобы уведомить отправителя о кор-ректном приеме пакета, используются пакеты под-тверждения. Они отправляются, если отсутствует ошибка CRC, длина поля данных корректна или в заголовке пакета выставлен флаг «Требование подтверждения приема», определяющий для дан-ного пакета качество сервиса «Гарантированная доставка данных».

При приеме пакета подтверждения пакет, соответствующий принятому номеру, должен быть удален из буфера повтора передатчика. Все таймеры, ассоциированные с номером этого паке-та, должны быть остановлены и удалены.

Качество сервиса «Негарантированная до-ставка данных» обеспечивает передачу данных без подтверждений приема. Такие пакеты содер-жат в заголовке бит ‘Требование подтверждения приема’, установленный в 0, и для них не взводит-ся таймер повтора. При приеме информационного пакета, не требующего подтверждения, приемник также проверяет CRC и корректность длины поля данных, но в случае обнаружения ошибки дан-ные пакета все равно должны быть переданы на прикладной уровень с уведомлением об ошибке. Передатчик не хранит такой пакет в буфере, не ждет подтверждения и не пересылает пакет.

Конфигурационные параметры. Важной особенностью протокола СТП-ИСС-13 являет-ся его гибкость конфигурации. Протокол имеет ряд конфигурационных параметров, которые по-зволяют настраивать протокол в зависимости от требований к качеству предоставляемого сервиса и типа используемой аппаратуры. Конфигурация протокола СТП-ИСС-13 производится через кон-фигурационный интерфейс и выполняется в сле-дующих случаях: включение устройства; пере-загрузка устройства; переключение комплектов; восстановление из аварийного состояния.

В текущей версии протокола СТП-ИСС-13 определено 5 конфигурационных параметров:

- время жизни пакета команды управления; - время жизни пакета срочного сообщения; - время жизни пакета обычного сообщения; - тайм-аут повтора (длительность таймера повтора);

- гарантированная или негарантированная доставка данных.Сигналы Reset и Flush. Через конфигу-

рационный интерфейс могут подаваться сигна-лы Reset и Flush. Команда Reset соответствует горячему сбросу, в то время как команда Flush используется для очищения буферов приемника и передатчика протокола СТП-ИСС. По приходе сигнала Reset буферы на передатчике и приемни-ке транспортного протокола очищаются, все тай-

Рис. 5. Буферы повтора СТП-ИСС

25

Ю. Е. Шейнин, В. Л. Оленев, И. Я. Лавровская, Д. В. Дымов, С. Г. Кочура

Разработка, анализ и проектирование транспортного протокола СТП-ИСС

меры, связанные с данными в буферах, должны быть сброшены, и конфигурационные параметры устанавливаются в значения по умолчанию. Если же в СТП-ИСС подается команда Flush, то также очищаются буферы и сбрасываются таймеры, но конфигурационные параметры остаются преж-ними.

Моделирование СТП‑ИСС‑13

После создания предварительной версии спецификации СТП-ИСС-13 необходимо было ее проверить, проанализировать и протестиро-вать. Для проведения верификации и тестиро-вания механизмов, предложенных в протоколе СТП-ИСС-13, были разработаны три модели: С++ референс-код; SDL модель; сетевая SystemC мо-дель. На основании результатов анализа, тестиро-вания и моделирования была создана финальная версия спецификации СТП-ИСС-13.

Под референс-кодом понимается программ-ная реализация протокола транспортного уровня СТП-ИСС на языках С++ и С [15]. Эта реализация представляет собой программный код, наиболее точно соответствующий спецификации протокола. Он описывает логическую структуру протокола, его интерфейсы и внутренние механизмы, тестовое окружение, которое позволяет проверить функцио-нирование протокола в различных условиях. В ре-зультате запуска сценариев генерируются файлы отчетов, содержащие информацию о возникающих в процессе работы протокола событиях.

Язык SDL [16] использовался для написа-ния спецификации и моделирования СТП-ИСС. Разработанная SDL модель отражает структуру протокола СТП-ИСС и формально описывает все механизмы и функциональности, которые заявле-ны в спецификации СТП-ИСС. Тестовая система СТП-ИСС-13 представляет собой 2 узла, взаимо-действующих через упрощенный канал SpaceWire. Настройка и генерация тестов выполняются по-средством тестового окружения. Проведение та-кого рода моделирования позволило провести верификацию и тестирование всех внутренних механизмов, а также выполнить валидацию спе- цификации на логичность и связанность и прове-рить, выполняются ли функциональные требова-ния, предъявляемые к протоколу.

Цель разработки сетевой модели СТП-ИСС-13 – имитация сетевого взаимодействия устройств (коммутаторов и узлов) через канал SpaceWire. Она разрабатывалась на языке SystemC [17–19]. Сетевая модель СТП-ИСС состоит из мо-дели протокола SpaceWire (узлы, коммутаторы и каналы с помехами), модели СТП-ИСС-13 и ге-нераторов различных тестовых последовательно-стей для тестирования СТП-ИСС-13 и сетевого взаимодействия устройств.

Проведенная работа по моделированию и тестированию помогла исправить некоторое количество алгоритмов и механизмов протокола, найти более удачные решения и протестировать СТП-ИСС-13 и взаимодействие по SpaceWire.

Разработка IP‑ядра СТП‑ИСС‑13

Следующим этапом работы после модели-рования и внесения изменений в спецификацию СТП-ИСС-13 была разработка IP-блока СТП-ИСС-13. IP-блок – это дизайн логического модуля, ячейки или чипа, который может быть использо-ван много раз при производстве [20]. Чип был соз-дан для проверки работоспособности механизмов протокола СТП-ИСС-13 при аппаратной реализа-ции. Архитектура контроллера СТП-ИСС-13 по-казана на рис. 6.

IP-блок СТП-ИСС-13 был разработан как конфигурируемое IP-ядро таким образом, чтобы была возможность исключать разные его компо-ненты. Компоненты, выделенные серым цветом на рис. 6, – это те компоненты, которые могут быть исключены для различных реализаций кон-троллера СТП-ИСС-13.

Рабочее место аппаратно‑программной отработки СТП‑ИСС‑13Реализованный для СТП-ИСС-13 референс-

код лег в основу рабочего места аппаратно-про-граммной отработки СТП-ИСС-13 (РМ АПО-С). Эта референсная реализация протокола должна быть расположена на одной стороне соединения, а тестируемая программная или аппаратная реали-зация протокола – на другой. Референс-код может генерировать различные типы пакетов, и объект те-

Рис. 6. Архитектура контроллера СТП-ИСС-13

26

№ 1-2 (16) 2016

стирования должен отвечать на них. В зависимости от результатов обмена данными мы можем сделать вывод, работает ли тестируемое устройство в соот-ветствии со спецификацией СТП-ИСС или нет.

Общая архитектура аппаратно-программ-ного тестера и пример использования аппарат-но-программного тестера на базе ноутбука пред-ставлены на рис. 7. Программное обеспечение РМ АПО-С состоит из следующих элементов: тесто-вое окружение; референс-код; модуль генерации ошибок; драйвер к аппаратуре.

Программная часть РМ АПО-С должна быть установлена на персональном компьютере. Текущая версия тестера работает под операцион-ной системой Ubuntu. Для связи компьютера со SpaceWire устройством используется Star-Dundee SpaceWire Brick Mk2 [21].

Транспортный протокол СТП‑ИСС‑14

Первая версия протокола СТП-ИСС (СТП-ИСС-13) не реализует часть технических требований, которые были озвучены индустрией: это планирование, передача данных с установкой соединения, контроль потока и обнаружение по-вторных команд управления. Эти четыре пункта включены во вторую редакцию СТП-ИСС, кото-рая названа СТП-ИСС-14. Каждый из этих меха-низмов будет описан в текущем разделе.

Качество сервиса «С планированием». Планирование подразумевает наличие единого расписания для всей сети SpaceWire. Это распи-сание дает возможность узлу отправлять данные только во время конкретных временных интерва-лов. Расписание, длительность временного интер-вала и длительность эпохи устанавливаются на этапе конфигурации протокола и хранятся в каж-дом узле. Эпоха содержит постоянное количество временных интервалов, описываемых в таблице расписания.

Таймер временных интервалов считает дли-тельность текущего временного интервала для конкретного узла. Истечение таймера временного интервала для последнего временного интервала и получение метки времени сообщает о начале но-вой эпохи, в которой таймер снова будет считать с нуля. Начало новой эпохи соответствует факту получения метки времени. Есть две ситуации, ко-торые могут возникнуть в сети: следующая метка времени получена перед или после срабатывания таймера эпохи. Для узла эти ситуации означают, что внутренний таймер временного интервала и мастер времени не синхронизированы, поэтому узел должен начать процедуру синхронизации. Синхронизация выполняется один раз в эпоху. Во время синхронизации узел должен вычислить новое значение для таймера временных интервалов. Новое значение должно быть применено для тай-мера во время следующего временного интерва-ла. Новая эпоха начинается, когда получен новый тайм-код. В каждой эпохе есть K временных ин-тервалов, в течение которых принятая метка вре-мени считается актуальной – это «окно ожидания метки времени». Метка времени, принятая вне окна ожидания, считается неактуальной, и син-хронизация в этом случае не выполняется (рис. 8).

Если срабатывание таймера временного интервала для последнего временного интервала и получение метки времени произошли одновре-менно, то корректировка длительности временно-го интервала производиться не должна.

СТП-ИСС-14 должен вести учет принятых неактуальных меток времени. Приём трёх неакту-альных меток времени в трёх эпохах подряд озна-чает значительную рассинхронизацию локального счётчика времени и мастера времени. Приём тре-тьей неактуальной метки времени должен опреде-лять начало новой эпохи. Узел должен остановить таймер временного интервала и ожидать прием сле-дующей метки времени. В этот период узел не дол-жен отправлять данные до получения следующей

Рис. 7. Архитектура РМ АПО-С

27

Ю. Е. Шейнин, В. Л. Оленев, И. Я. Лавровская, Д. В. Дымов, С. Г. Кочура

Разработка, анализ и проектирование транспортного протокола СТП-ИСС

метки времени. После этого узел должен обновить значение длины временного интервала и продол-жить передачу данных в соответствии с расписани-ем. Детальное описание механизма планирования и его исследование описано в статье [23].

Передача данных с установкой соедине‑ния. Передача данных с установкой соединения дает возможность передавать большие объемы данных с минимальными накладными расходами. Только срочные пакеты и обычные пакеты дан-ных могут передаваться по транспортному соеди-нению. Максимальное количество транспортных соединений должно быть не более 8 в одном на-правлении. Каждое транспортное соединение яв-ляется однонаправленным.

Максимальный объем пакета, передаваемо-го по транспортному соединению, составляет 64 Кбайта. Установка транспортного соединения должна быть инициирована приложением. Уста нов-ка транспортного соединения выполняется посред-ством классического трехфазного протокола.

Во время установки транспортного соеди-нения устанавливаются различные параметры со-единения, такие как номер соединения, тип и на-правление передаваемых данных, качество серви-са и т.п. Удаленный узел проверяет, может ли он установить соединение с такими параметрами, и отвечает подтверждением или отказом. Для каж-дого транспортного соединения на приемной и пе-редающей стороне есть таймер времени простоя, который считает время ожидания следующего па-кета по текущему соединению. По истечении это-го таймера транспортное соединение должно быть разорвано, а приложение уведомлено об этом.

Закрытие соединения инициируется при-ложением, которое было инициатором установки. Оно также производится посредством трехфазно-го протокола.

Механизм управления потоком. Управление потоком выполняется посредством отправки ин-формации о количестве свободного места в буфе-

ре приемника. Этот механизм применяется только для транспортных соединений с гарантированной доставкой данных.

Принимающий узел во время установки транспортного соединения должен резервиро-вать запрошенное буферное пространство и счи-тать его. Каждое транспортное соединение имеет счетчик свободных кредитов и счетчик исполь-зованного пространства в буфере. Информация о свободном месте в буфере должна отправляться в пакете подтверждения. В случае если свободное пространство меняется после отправки пакета подтверждения (например, приложение считало данные из буфера), то приемник отправляет пакет подтверждения с особым флагом, который сооб-щает, что это не пакет подтверждения, а информа-ция о новом значении счетчика кредитов. В свою очередь, передающий узел считает количество данных, которое может быть отправлено с исполь-зованием кредитов для каждого транспортного соединения. Оно должно быть равно зарезервиро-ванному месту в буфере приемника.

Потеря или повреждение пакета подтверж-дения с кредитами может повлечь за собой потерю информации о новых кредитах в приемнике. Чтобы избежать этого, СТП-ИСС-14 предоставляет меха-низм синхронизации кредитов. Передающий узел начинает синхронизацию кредитов после каждых 10 отправленных пакетов. Для этих целей передаю-щий узел отправляет пакет запроса синхронизации кредитов. Принимающий узел получает его и отве-чает пакетом с текущим значением кредитов в при-емнике. Затем передатчик должен проверить, верно ли его локальное значение счетчика кредитов.

Качество сервиса «С приоритетом» в СТП‑ИСС‑14. Для качества сервиса с приори-тетами было сделано несколько изменений для СТП-ИСС-14. Новая редакция поддерживает три новых типа пакетов, которые используются для режима с установкой соединения. СТП-ИСС-14 теперь поддерживает 9 уровней приоритетов.

Рис. 8. Пример неактуального тайм-кода

28

№ 1-2 (16) 2016

Обнаружение дублирующих команд управ‑ления. Протокол СТП-ИСС-14 обеспечивает об-наружение повторных команд управления на при-емнике. Повторная команда управления может воз-никнуть в случае потери пакета подтверждения и может быть обнаружена по комбинации логического адреса передатчика, номера приложения и номера команды управления. Эта комбинация однозначно идентифицирует каждую команду. Приемник дол-жен хранить историю последних полученных ко-манд управления. Информация о каждой команде управления должна сопровождаться таймером. По истечении таймера информация о команде управле-ния удаляется из истории, хранящейся в приемнике.

Гибкость конфигурации СТП‑ИСС‑14. Гибкость при конфигурации дает возможность отключать или даже не реализовывать отдель-ные механизмы СТП-ИСС-14. Таким образом, СТП-ИСС-14 имеет много различных профилей реализации. Есть набор механизмов, обязатель-ных к реализации: качество сервиса «С при-оритетом»; негарантированная доставка данных; CRC-16; буфер на передатчике (как минимум для одного типа данных); буфер на приемнике (как

минимум для одного типа данных). Другие ме-ханизмы рассматриваются как расширения про-токола и могут быть реализованы опционально. В табл. 2 показано сравнение СТП-ИСС-13 и СТП-ИСС-14. Сохранена обратная совместимость этих редакций.

Заключение

В данной статье приведено описание наше-го опыта в сфере разработки транспортного про-токола для сетей SpaceWire. Работа над протоко-лом была начата со сбора технических требований от индустриального партнера, затем был проведен обзор существующих протоколов транспортного уровня для SpaceWire.

Краткое сравнение транспортных протоко-лов в сравнении с техническими требованиями показало, что не существует транспортных прото-колов для сетей SpaceWire, которые предоставля-ют надежность, гарантированную доставку и пла-нирование. По этой причине были предложены основные решения для некоторых механизмов протокола: форматы данных, CRC, буферизация на стороне передатчика, качество сервиса и кон-фигурирования. Эти предложения стали основой для нового транспортного протокола СТП-ИСС. Этот протокол описан в двух редакциях, кото-рые описывают основные механизмы СТП-ИСС. СТП-ИСС-14 удовлетворяет техническим требо-ваниям индустрии.

Более того, в статье описаны направления, в которых велась работа по разработке, верифи-кации и тестированию СТП-ИСС: спецификация на языке SDL, разработка референс-кода и сете-вое моделирование. Как результат, были исправ-лены несколько ошибок в спецификации и вы-пущена финальная версия СТП-ИСС. В текущей статье также дан обзор процесса разработки IP-ядра для первой редакции протокола, а также ра-бочего места аппаратно-программной отработки СТП-ИСС, предназначенного для тестирования готовых устройств, работающих с применением СТП-ИСС.

Первое аппаратно-программное тестирова-ние протокола СТП-ИСС в составе функциональ-ных узлов бортовой аппаратуры КА планируется провести в 2017–2018 годах.

Таблица 2Сравнение редакций СТП-ИСС

Механизм СТП-ИСС-13 СТП-ИСС-14Качество сервиса «С приоритетом» √ √

Гарантированная доставка данных √ √

Негарантированная доставка данных √ √

Планирование ─ √Передача данных без установки соединения √ √

Передача данных с установкой соединения ─ √

CRC16 √ √Reset и Flush √ √Таймер времени жизни √ √Конфигурация протокола √ √Максимальная длина данных 2 Kb 64 Kb

(для TС)Контроль потока ─ √Обнаружение повторных КУ ─ √

Список литературы1. Parkes S. SpaceWire-RT (SpWRT). Let’s Embrace Space, Volume II. Luxembourg : Publications Office of the

European Union, 2012.2. AIM GMBh. MIL-STD-1553 Tutorial // AIM GMBh, 2010.3. Condor Engineering, Inc. MIL-STD-1553 Tutorial // Condor Engineering, 2000.4. Olenev V., Lavrovskaya I., Korobkov I., Dymov D. Analysis of the Transport Protocol Requirements for the

SpaceWire On-board Networks of Spacecrafts // Proc. of 15th Seminar of Finnish-Russian University Cooperation in Telecommunications (FRUCT) Program. Saint-Petersburg, SUAI university publisher house, 2014. P. 65–71.

29

Ю. Е. Шейнин, В. Л. Оленев, И. Я. Лавровская, Д. В. Дымов, С. Г. Кочура

Разработка, анализ и проектирование транспортного протокола СТП-ИСС

5. Sheynin Y., Olenev V., Lavrovskaya I., Korobkov I., Kochura S., Openko S., Dymov D. STP-ISS Transport Protocol Overview and Modeling // Proceedings of 16th Conference of Open Innovations Association Finnish-Russian University Cooperation in Telecommunications (FRUCT) Program. Oulu : University of Oulu, 2014. P. 185–191.

6. ESA (European Space Agency). Standard ECSS-E-50-12C, Space engineering. SpaceWire – Links, nodes, routers and networks // European cooperation for space standardization. Noordwijk : ESA Publications Division ESTEC, 2008.

7. ESA (European Space Agency). Standard ECSS-E-ST-50-52C, Space engineering. SpaceWire – Remote memory ac-cess protocol // European cooperation for space standardization. Noordwijk : ESA Publications Division ESTEC, 2010.

8. ESA (European Space Agency). Standard ECSS-E-ST-50-53C, SpaceWire – CCSDS Packet Transfer Protocol // Noordwijk : Publications Division ESTEC, 2010.

9. EADS Astrium GmbH, ASE2. SMCS-ASTD-PS-001 1.1, STUP SpaceWire Protocol // Germany, EADS Astrium GmbH, 2009.

10. Sandia National Labortories. Joint Architecture System Reliable Data Delivery Protocol (JRDDP) // Albuquerque, New Mexico, Sandia National Labortories, 2011.

11. Sheynin Y., Suvorova E., Schutenko F., Goussev V. Streaming Transport Protocols for SpaceWire Networks // International SpaceWire Conference. St. Petersburg : SUAI university publisher house, 2010.

12. Parkes S., Ferrer-Florit A. SpaceWire-D – Deterministic Control and Data Delivery Over SpaceWire Networks, Draft B. // International SpaceWire Conference. St. Petersburg : SUAI university publisher house, 2010.

13. Koblyakova L., Sheynin Y., Raszhivin D. Real-time signaling in networked embedded systems // International SpaceWire Conference. St. Petersburg : SUAI university publisher house, 2010. P. 385–388.

14. Tanenbaum A. Computer Networks, Fifth Edition // New Jersey : Prentice Hall, 2011.15. Stroustrup B. The C++ Programming Language, 4th Edition // USA, Addison-Wesley, 2013.16. International Telecommunication Union. Recommendation Z.100. Specification and Description Language (SDL) //

Geneva, 2007. 17. Open SystemC Initiative (OSCI). IEEE 1666™-2011 Standard for SystemC [Электронный ресурс]. URL: http://

www.systemc.org (дата обращения: 09.11.2015).18. Esperan. Introduction to the SystemC Tutorial [Электронный ресурс]. URL: http://homepages.cae.wisc.edu/~ece734/

SystemC/Esperan_SystemC_tutorial.pdf (дата обращения: 04.10.2016).19. Black D., Donovan J., Bunton B., Keist A. SystemC: From the Ground Up // NY, Springer, 2010.20. Ben Abdallah A. Multicore Systems On-Chip: Practical Software/Hardware Design. Second Edition. Atlantic Press.21. Star-Dundee website, SpaceWire-USB Brick Mk2 [Электронный ресурс]. URL: https://www.star-dundee.com/prod-

ucts/spacewire-usb-brick-mk2 (дата обращения: 04.10.2016).22. Qtwebsite [Электронный ресурс]. URL: http://www.qt.io (дата обращения: 04.10.2016).23. Olenev V., Podgornova E., Lavrovskaya I., Korobkov I., Matveeva N. Development of the transport layer scheduling mech-

anism for the оnbоаrd SрасеWirе networks // Proceedings of 16th Conference of Open Innovations Association Finnish-Russian University Cooperation in Telecommunications (FRUCT) Program. Oulu : University of Oulu, 2014. P. 164–170.

DEVELOPMENT, ANALYSIS AND MODELING OF STP-ISS TRANSPORT PROTOCOL FOR SPACEWIRE ONBOARD

NETWORKS

Yu. E. Sheynin1, V. L. Olenev1, I. I. Lavrovskaya1, D. V. Dymov2, S. G. Kochura2

1Saint Petersburg State University of Aerospace Instrumentation, Saint-Petersburg, Russian Federation 2JSC Academician M. F. Reshetnev Information Satellite Systems, Zheleznogorsk, Krasnoyarsk region, Russian Federation

The paper presents results of a project for development of a new transport protocol STP-ISS for SpaceWire onboard networks. Authors shortly overview the existing transport protocols for SpaceWire and prove that development of a new protocol is reasonable. Then the paper describes all phases of the STP-ISS development. The development started from the gathering of technical requirements from the space industry. Then authors wrote the first version of the STP-ISS specification, wich describes its main mechanisms. After that authors performed modeling, testing and verification of a protocol by three different models: C++ reference code, SDL model and SystemC networking model, which describes the networking mechanisms of STP-ISS. The next step was the development of IP-core and implementation of a Workplace for the testing of a hardware, which works with STP-ISS usage. As a result, paper presents

two revisions of STP-ISS transport protocol and shortly compares them.

Key words: transport protocol, onboard network, SpaceWire, STP-ISS, Tester, IP-core, modeling.

30

№ 1-2 (16) 2016

References

1. Parkes, S. SpaceWire-RT (SpWRT). Let’s Embrace Space, Volume II. Luxembourg : Publications Office of the European Union, 2012.

2. AIM GMBh. MIL-STD-1553 Tutorial. AIM GMBh, 2010.3. Condor Engineering, Inc. MIL-STD-1553 Tutorial. Condor Engineering, 2000.4. Olenev V., Lavrovskaya I., Korobkov I., Dymov D. Analysis of the Transport Protocol Requirements for the

SpaceWire On-board Networks of Spacecrafts, Proc. of 15th Seminar of Finnish-Russian University Cooperation in Telecommunications (FRUCT) Program. Saint-Petersburg : SUAI university publisher house, 2014. Р. 65–71.

5. Sheynin Y., Olenev V., Lavrovskaya I., Korobkov I., Kochura S., Openko S., Dymov, D. STP-ISS Transport Protocol Overview and Modeling. Proceedings of 16th Conference of Open Innovations Association Finnish-Russian University Cooperation in Telecommunications (FRUCT) Program. Oulu : University of Oulu, 2014. Р. 185–191.

6. ESA (European Space Agency). Standard ECSS-E-50-12C, Space engineering. SpaceWire – Links, nodes, routers and networks. European cooperation for space standardization. Noordwijk : ESA Publications Division ESTEC, 2008.

7. ESA (European Space Agency). Standard ECSS-E-ST-50-52C, Space engineering. SpaceWire – Remote memory access protocol. European cooperation for space standardization. Noordwijk : ESA Publications Division ESTEC, 2010.

8. ESA (European Space Agency). Standard ECSS-E-ST-50-53C, SpaceWire – CCSDS Packet Transfer Protocol. Noordwijk : Publications Division ESTEC, 2010.

9. EADS Astrium GmbH, ASE2. SMCS-ASTD-PS-001 1.1, STUP SpaceWire Protocol. Germany, EADS Astrium GmbH, 2009.

10. Sandia National Labortories. Joint Architecture System Reliable Data Delivery Protocol (JRDDP). Albuquerque, New Mexico, Sandia National Labortories, 2011.

11. Sheynin Y., Suvorova E., Schutenko F., Goussev V. Streaming Transport Protocols for SpaceWire Networks. International SpaceWire Conference. St. Petersburg : SUAI university publisher house, 2010.

12. Parkes S., Ferrer-Florit A. SpaceWire-D – Deterministic Control and Data Delivery Over SpaceWire Networks, Draft B. International SpaceWire Conference. St. Petersburg : SUAI university publisher house, 2010.

13. Koblyakova L., Sheynin Y., Raszhivin D. Real-time signaling in networked embedded systems. International SpaceWire Conference. St. Petersburg : SUAI university publisher house, 2010. Р. 385–388.

14. Tanenbaum A. Computer Networks, Fifth Edition. New Jersey : Prentice Hall, 2011.15. Stroustrup B. The C++ Programming Language, 4th Edition. USA, Addison-Wesley, 2013.16. International Telecommunication Union. Recommendation Z.100. Specification and Description Language (SDL).

Geneva, 2007. 17. Open SystemC Initiative (OSCI). IEEE 1666™-2011 Standard for SystemC, 2011. Available at: http://www.systemc.

org (accessed 09.11.2015).18. Esperan. Introduction to the SystemC Tutorial. 2005. Available at: http://homepages.cae.wisc.edu/~ece734/SystemC/

Esperan_SystemC_tutorial.pdf (accessed 04.10.2016).19. Black D., Donovan J., Bunton B., Keist A. SystemC: From the Ground Up. NY : Springer, 2010.20. Ben Abdallah A., Multicore Systems On-Chip: Practical Software/Hardware Design. Second Edition. Atlantic Press.21. Star-Dundee website, SpaceWire-USB Brick Mk2. Available at: https://www.star-dundee.com/products/spacewire-

usb-brick-mk2 (accessed 04.10.2016).22. Qt website. Available at: http://www.qt.io (accessed 04.10.2016).23. Olenev V., Podgornova E., Lavrovskaya I., Korobkov I., Matveeva N. Development of the transport layer scheduling

mechanism for the оnbоаrd SрасеWirе networks. Proceedings of 16th Conference of Open Innovations Association Finnish-Russian University Cooperation in Telecommunications (FRUCT) Program. Oulu : University of Oulu, 2014. Р. 164–170.

УДК 621.396

ИНФОРМАЦИОННО-АНАЛИТИЧЕСКИЙ ЦЕНТР НА БАЗЕ ПУНКТА МЕТРОЛОГИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ

ГСВЧ ФГУП «СНИИМ»

А. C. Толстиков, А. С. Томилов, А. А. Карауш, Е. А. ХаныковаСибирский государственный ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательский

институт метрологии, г. Новосибирск, Российская Федерация

Информационно-аналитический центр создается для целей мониторинга эфемеридно-временной информации и обеспечения информацией о состоянии орбитальных группи-ровок ГЛОНАСС и GPS потребителей Сибири, а также метрологического и информаци-онного обеспечения региональных систем дифференциальной коррекции. Метрологиче-ское обеспечение осуществляется на базе Государственной службы времени и частоты ФГУП «СНИИМ». Улучшение точностных характеристик видится за счет передачи к аппаратуре сети опорных сигналов от эталона времени и частоты ВЭТ 1-19, ин-формирования потребителей о состоянии орбитальной группировки ГНСС. В насто-ящее время сотрудниками Государственной службы времени, частоты и определения параметров вращения Земли ФГУП «СНИИМ» для реализации информационно-анали-тического центра разработано специальное программное обеспечение: программный комплекс для восстановления текущих навигационных параметров КА по данным без-запросных траекторных кодовых и фазовых измерений; программный комплекс для вос-становления текущих моментов бортовых шкал времени орбитальных группировок навигационных спутников ГЛОНАСС и GPS; программный комплекс для сравнения шкал времени пространственно-разнесенных высокостабильных часов и для сравнения ча-стот генераторов этих часов по данным ГНСС-измерений; программный комплекс PVZ

для расчета прогнозов параметров вращения Земли на 90 дней.

Ключевые слова: фазовые траекторные измерения, эфемеридно-временное обеспечение, навигационные параметры КА, бортовая шкала времени, параметры вращения Земли,

синхронизация пространственно-разнесенных часов.

Введение

* В ФГУП «СНИИМ» создается информаци-онно-аналитический центр на базе пункта метро-логического контроля ГСВЧ для целей:

- мониторинга бортовой эфемеридно-вре-менной информации орбитальных груп-пировок ГЛОНАСС и GPS по данным беззапросных траекторных измерений в метрологических пунктах ГСВЧ и другим данным;

- обеспечения потребителей Сибирского федерального округа информацией о со-стоянии орбитальных группировок ГНСС ГЛОНАСС и GPS;

- метрологического и информационного обеспечения региональных систем диффе-ренциальной коррекции.

* © Толстиков А. C., Томилов А. С., Карауш А. А., Ханыкова Е. А., 2016

Центр представляет собой организацион-ную структуру и аппаратно-программный ком-плекс, включающий:

- Государственный вторичный эталон еди-ниц времени, частоты и национальной шкалы времени ВЭТ 1-19;

- аппаратуру приема навигационных сигна-лов ГНСС;

- аппаратуру синхронизации пространствен-но-разнесенных высокостабильных часов;

- средства вычислительной техники и паке-ты СПО;

- комплексы методик выполнения измере-ний и пакеты нормативной и конструктор-ской документации.

В настоящее время для реализации инфор-мационно-аналитического центра разработано следующее специальное программное обеспече-ние.

ПО МАТЕРИАЛАМ IV НАУЧНО-ПРАКТИЧЕСКОЙ КОНФЕРЕНЦИИ «ВЫЗОВЫ И ДОЛГОСРОЧНЫЕ ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ИНФОРМАЦИОННЫХ

КОСМИЧЕСКИХ СИСТЕМ»

32

№ 1-2 (16) 2016

Программный комплекс для восстановления текущих навигационных параметров КА по данным беззапросных фазовых измерений

Высокая точность оценивания достигнута за счет:

- использования в качестве исходных дан-ных для расчетов беззапросных фазовых измерений с сети станций отечественной системы СДКМ (для ГЛОНАСС) и станций IGS (для GPS) [1];

- привлечения метода инструментальных пе-ременных при формировании системы нор-мальных алгебраических уравнений [2];

- расчета прогнозов в режиме UltraRapid. На рис. 1 представлены результаты восста-

новления текущих навигационных параметров КА (координат x, y, z) систем GPS и ГЛОНАСС по данным траекторных измерений.

Рис. 2 иллюстрирует среднесуточную по-грешность значений параметров орбит КА GPS и ГЛОНАСС.

Программный комплекс для восстановления текущих моментов бортовых шкал времени орбитальных группировок навигационных спутников ГЛОНАСС и GPS

Высокая точность оценивания достигнута за счет:

- использования в качестве исходных дан-ных для расчетов оценок беззапросных фазовых измерений, выполняемых в пун-ктах метрологического контроля ГСВЧ РФ, оснащенных эталонными комплексами единиц времени, частоты и национальной шкалы времени [3];

- применения математических моделей не-стабильности бортовых стандартов часто-ты, учитывающих, помимо собственной нестабильности, влияние факторов реля-тивистской и гравитационной природы [4];

- использования технологии Precise Point Positioning (PPP);

Рис. 1. Абсолютное отклонение орбит КА GPS и ГЛОНАСС от эталонных орбит на суточном интервале времени

Рис. 2. Среднесуточная погрешность параметров орбит КА: R – по радиус-вектору; A – вдоль орбиты; N – по бинормали к орбите

33

А. C. Толстиков, А. С. Томилов, А. А. Карауш, Е. А. Ханыкова

Информационно-аналитический центр на базе пункта метрологического контроля

- оценивания погрешностей представления текущих моментов бортовых шкал време-ни с помощью бортовых частотно-времен-ных поправок [3];

- расчета прогнозных значений поправок к бортовым шкалам времени в режиме UltraRapid.

В качестве иллюстрации приведены резуль-таты оценивания погрешностей уходов действи-тельных шкал времени по орбитальной группи-ровке системы ГЛОНАСС (рис. 3). Фазовые из-мерения проводились 20 мая 2015 г. и получены в метрологических пунктах Государственной службы времени и частоты в г. Новосибирске, г. Москве и г. Иркутске.

Программный комплекс для сравнения шкал времени пространственно‑разнесенных высокостабильных часов и для сравнения частот генераторов этих часов

Проводились экспериментальные иссле-дования по оцениванию изменений частоты с помощью водородного стандарта типа Ч1-1006.

Перемещая этот стандарт на разные уровни гра-витационного поля Земли и выполняя синхронные фазовые траекторные измерения по навигацион-ным спутникам GPS, удалось получить оценку влияния этих уровней на частоту стандарта [5]. Использовались приемник Javad Sigma в местах расположения перемещаемого стандарта Ч1-1006 и однотипный приемник из состава вторично-го эталона времени и частоты ВЭТ 1-19 (ФГУП «СНИИМ»).

Результаты измерений разностей текущих значений моментов шкал времени для пунктов нахождения стандарта Ч1-1006 в п. Шебалино и на перевале Семинский показаны на рис. 4. Трендовая составляющая к изменению моментов шкал времени, полученная МНК, характеризует значения частот стандарта Ч1-1006 в пунктах на-хождения стандарта.

В п. Шебалино ход шкалы времени составил 1,75 нс на интервале времени 63 900 секунд, что соответствует частоте 2,736·10-14. На перевале Семинский ход шкалы времени стандарта соста-вил 2,55 нс на интервале времени 23 790 секунд, что соответствует частоте стандарта 10,71·10-14. Таким образом, изменение частоты стандар-та Ч1-1006, связанное с его перемещением от

Рис. 3. Диаграммы математического ожидания и СКО оценок погрешностей компенсации уходов бортовых часов с помощью частотно-временных поправок

34

№ 1-2 (16) 2016

п. Шебалино на перевал Семинский, измеренное в системе вторичного эталона ВЭТ 1-19, состави-ло 7,964·10-14. Это основной результат эксперимента.

В эксперименте использовалась орбиталь-ная группировка навигационных спутников GPS, радиовидимая одновременно в г. Новосибирске и в республике Алтай (п. Шебалино). Для обработ-ки результатов траекторных измерений использо-валось СПО, разработанное в ФГУП «СНИИМ».

Программный комплекс PVZ для расчета прогнозов параметров вращения Земли

Также одной из задач, решаемых на базе пункта ГСВЧ, является проведение регулярных определений параметров вращения Земли (ПВЗ) посредством спутниковых средств измерений.

Прогнозы рассчитываются на период в 90 дней и предоставляются в главный метрологиче-ский центр ГСВЧ и в международную службу вра-щения Земли (МСВЗ).

Прогнозы, рассчитанные с помощью СПО PVZ, участвуют в международном проекте МСВЗ Earth Orientation Parameters Combination of Prediction Pilot Project (EOPCPPP, http://maia.usno.navy.mil/eopcppp/results.html). Результаты сравне-

ния прогнозов ПВЗ участников проекта EOPCPPP показали, что рассчитанные по СПО PVZ прогно-зы обладают высоким уровнем точности и досто-верности.

Заключение

Информационно-аналитический центр на базе пункта метрологического контроля ГСВЧ ФГУП «СНИИМ» создан для решения задач мо-ниторинга эфемеридно-временной информации и обеспечения информацией о состоянии орбиталь-ных группировок ГЛОНАСС и GPS потребителей Сибири, а также для метрологического и инфор-мационного обеспечения региональных систем дифференциальной коррекции.

Улучшение точностных характеристик ко-ординатно-временных определений потребите-лей ГНСС-услуг видится за счет привлечения Государственного вторичного эталона единиц времени, частоты и национальной шкалы време-ни ВЭТ 1-19, аппаратуры приема навигационных сигналов ГНСС, аппаратуры синхронизации про-странственно-разнесенных высокостабильных ча-сов, оригинальных средств вычислительной техни-ки и пакетов СПО, разработанных сотрудниками ГСВЧ ФГУП «СНИИМ».

Рис. 4. Изменение частоты стандарта Ч1-1006 в п. Шебалино и на перевале Семинский

Список литературы1. Blewitt G. Carrier Phase Ambiguity Resolution for the Global Positioning System Applied to Geodetic Baselines up to

2000 km // Journal of Geophysical Research. 1989. Vol. 94, No 8. Р. 10187–10203.2. Карауш А. А., Толстиков А. С. Использование метода инструментальных переменных в задаче оценивания те-

кущих навигационных параметров КА // Успехи современной радиоэлектроники. 2015. № 1. С. 44–48.3. Ханыкова Е. А., Толстиков А. С. К задаче контроля частотно-временных параметров навигационного поля

ГЛОНАСС // Известия Томского политехнического университета. 2015. № 5. С. 114–120.

35

А. C. Толстиков, А. С. Томилов, А. А. Карауш, Е. А. Ханыкова

Информационно-аналитический центр на базе пункта метрологического контроля

4. Kouba J. Improved relativistic transformations in GPS // GPS Solutions. 2004. Vol. 8. P. 170–180.5. Chronometric Measurement of Orthometric Height Differences by Means of Atomic Clocks / A. S. Tolstikov, S. M.

Kopeikin, A. A. Karaush, E. A. Khanykova et al. // Gravitation and Cosmology. 2016. Vol. 22, No. 3. P. 234–244.

INFORMATION ANALYSYS CENTER BASED ON THE STATION OF METROLOGICAL CONTROL AT FSUE «SNIIM» TIME AND

FREQUENCY SERVICE

A. S. Tolstikov, A. S. Tomilov, A. A. Karaush, E. A. KhanykovaSiberian State Scientific Research Institute of Metrology, Novosibirsk, Russian Federation

The Center performs GLONASS and GPS satellites clock drift and ephemeris data monitoring, provides constellations status data for users in Siberian Federal District and provides metrological and informational support for regional augmentation systems. Metrological maintenance is carried out on the basis of the State Time and Frequency Service of the FSUE «SNIIM». Improved accuracy characteristics seen by the transfer to the hardware network of reference signals from standard time and frequency VET 1-19, informing consumers about the state of the orbital grouping of GNSS. Currently, officers of the State service of time, frequency and determination of the Earth rotation parameters FSUE «SNIIM» for the implementation of information-analytical center developed a special software: software package to restore the current navigation satellites parameters according unrequested trajectory code and phase measurements; software package for recovery currently onboard time scales of GLONASS constellations of navigation satellites and GPS; software package for the comparison of time scales spatially separated and highly stable clock generators for comparing the frequency of the clock according to the GNSS measurements; PVZ software package to calculate forecasts of the Earth rotation parameters for 90 days.

Key words: phase trajectory measurements, ephemeris and clock drift data, satellites navigational parameters, satellites clock time scale, the Earth orientation parameters, remote clocks synchronization.

References

1. Blewitt G. Carrier Phase Ambiguity Resolution for the Global Positioning System Applied to Geodetic Baselines up to 2000 km // Journal of Geophysical Research. 1989. Vol. 94, No 8. P. 10187–10203.

2. Karaush А. А., Tolstikov А. С. Using instrumental variables method in problems of estimating current navigation pa-rameters of GNSS satellites // Uspehi sovremennoi radioelectronki. 2015. Vol. 1. P. 44–48.

3. Khanykova Е. А., Tolstikov А. С. On the Problem Of Time-Frequency Parameters Control Of GLONASS Navigation Field // Izvestiya Tomskogo politexnicheskogo universiteta. 2015. Vol. 5. P. 114–120.

4. Kouba J. Improved relativistic transformations in GPS // GPS Solutions. 2004. Vol. 8. P. 170–180.5. Chronometric Measurement of Orthometric Height Differences by Means of Atomic Clocks / A. S. Tolstikov,

S. M. Kopeikin, A. A. Karaush, E. A. Khanykova et al. // Gravitation and Cosmology. 2016. Vol. 22, No. 3. P. 234–244.

УДК 629.783

РЕЗУЛЬТАТЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ СФУ И АО «ИСС» ИМЕНИ АКАДЕМИКА М. Ф. РЕШЕТНЁВА»

С. В. Верховец, С. П. Панько, В. Н. Тяпкин, В. В. Сухотин, П. Н. Сильченко

Сибирский федеральный университет, г. Красноярск, Российская Федерация

Дано краткое описание истории создания Сибирского федерального университета. При-водятся количественные и качественные характеристики вуза. Говорится о взаимо-действии четырёх институтов, таких как Военно-инженерный институт, Институт инженерной физики и радиоэлектроники, Политехнический институт и Институт космических и информационных технологий Сибирского федерального университета, и АО «ИСС» имени академика М. Ф. Решетнёва». Отмечается роль межинститутской базовой кафедры «Прикладная физика и космические технологии». Дается описание результатов работ в рамках научно-исследовательских и опытно-конструкторских технологических работ Сибирского федерального университета с АО «ИСС» имени ака-демика М. Ф. Решетнёва». Сделаны выводы и раскрываются перспективы дальнейшего

взаимодействия.

Ключевые слова: автоматизированная контрольно-проверочная аппаратура, команд-но-измерительная система, бортовые комплексы управления, Сибирский федеральный университет, АО «ИСС», спутниковая радионавигационная система, имитатор сигна-лов, приемник сигналов, прецизионные приводы, волноводно-распределительные систе-

мы, космический аппарат.

* Для подготовки высококвалифицированных специалистов, способных работать в любом реги-оне нашей страны, в том числе и в жёстких усло-виях севера, в 2006 году в Красноярске был соз-дан Сибирский федеральный университет (СФУ) путем слияния 4 крупных вузов города Красноярс- ка: Красноярского государственного техниче-ского университета (КГТУ), Красноярского госу- дарственного университета (КрасГУ), Красноярской государственной архитектурно-строительной ака-демии (КрасГАСА) и Государственного универ-ситета цветных металлов и золота (ГУЦМиЗ). В 2012 году в состав СФУ вошел Красноярский государственный торгово-экономический универ-ситет (КГТЭИ).

Миссия СФУ: создание передовой образова-тельной, научно-исследовательской инновацион-ной инфраструктуры, продвижение новых знаний и технологий для решения задач социально-эко-номического развития Сибирского федерального округа, а также формирование кадрового потен-циала – конку рен то спо собных специалистов по приоритетным направлениям развития Сибири и Российской Федерации, соответствующих совре-

* © Верховец С. В., Панько С. П., Тяпкин В. Н., Сухотин В. В., Сильченко П. Н., 2016

менным интеллектуальным требованиям и отве-чающих мировым стандартам.

В настоящее время в составе СФУ 20 инсти-тутов, 3 филиала, 31 базовая кафедра, более 31 000 студентов и аспирантов, профессорско-преподава-тельский состав насчитывает более 7000 человек. 151 направление подготовки бакалавриата, ма-гистратуры и специалитета. В 2016 году выпуск составил более 7000 тысяч человек. В научно-ис-следовательских и опытно-конструкторских тех-нологических работах (НИОКТР) задействовано более 100 докторов наук, свыше 500 кандидатов наук и более 200 студентов и аспирантов. Учебно-научных лабораторий около 200. В университете открыта 121 специальность аспирантуры и 18 спе-циальностей докторантуры.

Вуз обладает всеми необходимыми лицен-зиями и сертификатами для выполнения работ как по гособоронзаказу, так и в космической отрасли. СФУ очень плотно взаимодействует как по подго-товке специалистов, так и в НИОКТР с ведущими предприятиями города – АО «ИСС» имени акаде-мика М. Ф. Решетнёва», АО «НПП «Радиосвязь», АО «Красмаш», АО «КБ «Искра», ОАО «Русал», ФГУП ФЯО «ГХК» и др.

Сотрудничество высшей школы Красноярска с АО «ИСС» им. М. Ф. Решетнёва» (в современ-

ПО МАТЕРИАЛАМ IV НАУЧНО-ПРАКТИЧЕСКОЙ КОНФЕРЕНЦИИ «ВЫЗОВЫ И ДОЛГОСРОЧНЫЕ ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ИНФОРМАЦИОННЫХ

КОСМИЧЕСКИХ СИСТЕМ»

37

С. В. Верховец, С. П. Панько, В. Н. Тяпкин, В. В. Сухотин, П. Н. Сильченко

Результаты взаимодействия СФУ и АО «ИСС» имени академика М. Ф. Решетнёва»

ном наименовании) продолжается более полуве-ка. Основы этих отношений были заложены М. Ф. Решетневым, который глубоко понимал необходи-мость вовлечения вузовской науки в решение про-изводственных задач предприятия. Сотрудники университетов принимают участие в поисковых исследованиях, НИОКТР, разработке рабочей тех-документации, в испытаниях аппаратуры, обра-ботке результатов экспериментов. Наиболее под-готовленные сотрудники предприятия обучаются в аспирантуре и докторантуре, защищают канди-датские и докторские диссертации в диссертаци-онных советах СФУ. С другой стороны – задачи предприятия дают мощный толчок к аспирант-ским исследованиям не только сотрудникам пред-приятия, но и аспирантам СФУ – будущему препо-давательскому резерву университета.

Если говорить о прошлом и настоящем, то во взаимодействии с АО «ИСС» участвуют 4 ин-ститута: Военно-инженерный институт (дирек-тор – Е. Н. Гарин, д-р техн. наук, профессор), Институт инженерной физики и радиоэлектрони-ки (директор – Г. С. Патрин, д-р физ.-мат. наук, профессор), Поли тех нический институт (дирек-тор – В. И. Пантелеев, д-р техн. наук, профес-сор) и Институт космических и информационных технологий (директор – Г. М. Цибульский, д-р техн. наук, профессор). На предприятии создана и функционирует межинститутская базовая кафедра «Прикладная физика и космические технологии», которую возглавляет д-р техн. наук, доцент, пер-вый заместитель генерального директора – пер-вый заместитель генерального конструктора АО «ИСС» имени академика М. Ф. Решетнёва» В. Е. Косенко. Кафедра обучает студентов по 5 маги-стерским программам (4 направления). Ежегодно от предприятия в стены университета приходят абитуриенты по целевому набору.

СФУ и АО «ИСС» ежегодно проводят со-вместные НИОКТР. Так, под руководством д-ра техн. наук, профессора С. П. Панько ведутся раз-работки в области создания автоматизированных испытательных комплексов на всех этапах произ-водства космического аппарата и его составных частей [1–5].

Коллектив под руководством профессора Ю. П. Сало матова разрабатывает высокоточные ими та то ры и помехозащищённые приемники сигналов ГЛОНАСС (L1, L2 и L3), GPS, Galileo и Beidou.

Лаборатория «Радионавигационные систе-мы» под руководством канд. техн. наук, доцен-та В. Н. Тяп ки на разрабатывает перспективные методы и средства повышения автономности функционирования космического аппарата [6–10], и участвует в разработках и создании бортового комплекса управления малыми космическими ап-паратами.

Очень активно и плодотворно работает кол-лектив д-ра техн. наук, профессора П. Н. Сильчен-ко по тематике исследований: «Методы, способы и средства обеспечения вопросов по созданию прецизионных приводов и волноводно-распреде-лительных систем космических аппаратов связи со сроком активного существования более 15 лет» [11–15].

Результатом совместных работ является раз-работанная и созданная автоматизированная кон-трольно-проверочная аппаратура для высокотех-нологичного производства бортовой аппаратуры командно-измерительной системы космического аппарата (рис. 1, руководитель С. П. Панько).

Контрольно-проверочная аппаратура позво-ляет осуществлять контроль и проверку более ста параметров на всех этапах производства бортовой аппаратуры космического аппарата, имеет воз-можность проведения испытаний в ручном и ав-томатическом режимах, а также позволяет прово-дить полную функциональную проверку БА КИС различной конфигурации.

На рис. 2 и рис. 3 соответственно пред-ставлены универсальный перепрограммируемый имитатор сигналов СРНС и многофункциональ-ный навигационный приемник (руководитель Ю. П. Саломатов).

Имитатор предназначен для разработки, ка-либровки и испытаний новой приемной аппарату-ры спутниковых радионавигационных систем.

Рис. 1. Автоматизированная контрольно-проверочная аппаратура

38

№ 1-2 (16) 2016

Коллективом П. Н. Сильченко совместно с АО «ИСС» разработаны и созданы прецизи-онная волновая зубчатая передача и планетар-ный зубчатый редуктор механизма раскрытия с Мном = 8 кгс·м, которые представлены на рис. 4 и рис. 5 соответственно.

В табл. 1 приведены основные технические характеристики прецизионной волновой зубчатой передачи.

В табл. 2 приведены основные технические характеристики планетарного зубчатого редуктора механизма раскрытия.

Разработаны и созданы бортовые комплек-сы управления малыми космическими аппаратами

Рис. 2. Перепрограммируемый имитатор сигналов СРНС

Рис. 3. Многофункциональный навигационный приемник

Рис. 4. Прецизионная волновая зубчатая передача

Рис. 5. Планетарный зубчатый редуктор механизма раскрытия с Мном = 8 кгс∙м

Таблица 1Технические характеристики прецизионной

волновой зубчатой передачи

Основные параметрыПрецизионная

волновая зубчатая передача

Передаточное число 135Номинальный развиваемый момент (постоянно действующий), кгс∙м

2

Максимальный развиваемый момент (длительность воздействия не более 1 с, количество воздействий не более 50), кгс∙м, не менее

10

Погрешность перемещения входного вала, секунд, не более 13

Люфт, секунд, не более (проверка моментом ±0,2 кгс∙м) 8

Повторяемость перемещения выходного вала, секунд, не более ±3

Жёсткость на кручение при номинальной нагрузке Н∙м/рад, не менее

1,25·105

Момент проворота входного вала, кгс∙см, не более 0,8

Габаритные размеры:диаметр, мм, не болеедлина, мм, не более

9045

39

С. В. Верховец, С. П. Панько, В. Н. Тяпкин, В. В. Сухотин, П. Н. Сильченко

Результаты взаимодействия СФУ и АО «ИСС» имени академика М. Ф. Решетнёва»

(МКА), один из которых приведен на рис. 6, и программно-аппаратный комплекс моделирова-ния процессов позиционирования и измерения пространственной ориентации КА на НО и ГСО, осуществляющихся с использованием в соста-ве бортовой аппаратуры космических аппаратов многоканальных ГНСС-приемников (рис. 7, лабо-ратория В. Н. Тяпкина).

Все работы подкреплены соответствующи-ми публикациями, патентами и свидетельствами на ПО.

Однако объективно все эти отношения носят спорадический характер и по завершении текущей НИР остаётся чувство некой незавершенности, как всегда бывает, когда изделие начинает рабо-тать и рождается понимание о путях его улучше-ния. Такой характер отношений между заказчиком и исполнителем приводит к сложностям форми-рования группы исполнителей в виде временного творческого коллектива. Основа этого заключена в отсутствии в вузе штатного контингента сотруд-ников, которые могли бы привлекаться к выполне-нию очередной НИР.

Производственная тематика и загружен-ность предприятия не позволяют ему в полной мере провести анализ мирового опыта и предло-жить новые решения, обеспечивающие приоритет отечественной науки и техники. Представляется целесообразным создание в вузах под эгидой Национальной технологической платформы НИСС специализированных тематических научно-ис-следовательских групп. Целью таких групп будет являться научно-техническое и технологическое обоснование, а также разработка новых высоко-технологичных изделий в интересах курирующего предприятия.

Рис. 6. Бортовой комплекс управления МКА

Рис. 7. Программно-аппаратный комплекс

Таблица 2Технические характеристики планетарного

зубчатого редуктора для механизмов раскрытия

Основные параметрыПланетарный

зубчатый редуктор механизма раскрытия

Передаточное число 495Номинальный развиваемый момент (постоянно действующий), кгс∙м

8

Максимальный развиваемый момент (длительность воздействия не более 1 с, количество воздействий не более 10), кгс∙м, не менее

16

Коэффициент полезного действия 96Момент проворота входного вала, кгс∙см, не более 0,08

Габаритные размеры:диаметр, мм, не болеедлина, мм, не более

4547

Список литературы1. Gorchakovskiy A. A., Evstratko V. V., Mishurov A. V., Panko S. P., Ryabushkin S. A., Shatrov V. A., Sukhotin V. V.

Some Design Aspects of Command and Control Systems for Spacecrafts.2013 International Siberian Conference on Control and Communications (SIBCON). Proceedings. Krasnoyarsk : Siberian Federal University. Russia, Krasnoyarsk, September 12–13, 2013. IEEE Catalog Number: CFP13794-CDR. ISBN: 978-1-4799-1060-1. DOI: 10.1109/SIBCON.2013.6693649.

2. Принципы построения автоматизированной контрольно-проверочной аппаратуры космических аппаратов / А. В. Мишуров, С. П. Панько, В. В. Сухотин и др. // Исследования наукограда. 2015. № 4. С. 30–32.

3. Рябушкин С. А., Ноженкова Л. Ф., Сухотин В. В., Исаева О. С., Грузенко Е. А., Вогоровский Р. В., Мишуров А. В., Марков А. А., Камышников А. Н., Евсюков А.А., Колдырев А. Ю., Горчаковский А. А., Евстратько В. В.,

40

№ 1-2 (16) 2016

Петренко В. Л., Шатров В. А. Программное обеспечение контрольно-проверочной аппаратуры командно-из-мерительной системы космического аппарата (ПО КПА КИС). Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2014662250, Заявка № 2014660214, Заявлено 09.10.2014, Зарегистрировано 26.11.2014.

4. Пат. 2563925 Российская Федерация, МПКB64G 5/00, G01R 31/00. Контрольно-проверочная аппаратура кос-мического аппарата / Горчаковский А. А., Евстратько В. В., Мишуров А.В., Панько С. П., Рябушкин С. А., Сухотин В. В., Шатров В. А., Петренко В. Л. № 2014118450/11; заявл. 06.05.2014; опубл. 27.09.2015.

5. Камышников А. Н., Панько С. П., Евстратько В. В. и др. Автоматизированная контрольно-проверочная аппара-тура командно-измерительной системы космического аппарата // Орбита молодежи» и перспективы развития российской космонавтики : сборник материалов Всероссийской молодежной научно-технической конферен-ции (8–9 сентября 2016 г.). Самара : Самарский университет, 2016. 213 с.

6. Methods of assessing the characteristics of the multiprocessor computer system adaptation unit / S. N. Efimov, V. N. Tyapkin, D. D. Dmitriev, V. A. Terskov // Журнал Сибирского федерального университета. Серия: Математика и физика. 2016. Т. 9, № 3. С. 288–295.

7. The use of computer models in the software and hardware complex of research methods of navigation spacecrafts / V. N. Bondarev, D. D. Dmitriev, N. S. Kremez, V. N. Tyapkin // Журнал Сибирского федерального университета. Серия: Техника и технологии. 2016. Т. 9, № 3. С. 302–309.

8. Анализ бюджета радиолинии спутниковой связи командно-измерительной системы наземного комплекса управления на базе активных фазированных антенных решеток / А. Ю. Ершов, А. С. Кочура, В. Н. Тяпкин // Наукоемкие технологии. 2016. Т. 17, № 8. С. 34–38.

9. Алгоритм адаптивной пространственной фильтрации с сохранением постоянного уровня ДН в направлении полезного сигнала / В. Н. Тяпкин // Наукоемкие технологии. 2016. Т. 17, № 8. С. 39–43.

10. The synthesis algorithm for spatial filtering to maintain a constant level of the useful signal / V. N. Tyapkin, D. D. Dmitriev, Yu. L. Fateev, N. S. Kremez // Журнал Сибирского федерального университета. Серия: Математика и физика. 2016. Т. 9, № 2. С. 258–268.

11. Обоснование выбора способов упрочнения мелкомодульных зубчатых колёс приводов устройств исполни-тельной автоматики космических аппаратов / П. Н. Сильченко, Е. С. Новиков, А. В. Леканов // Техника и техно-логии. Журнал СФУ. 2011. № 6. С. 670–673.

12. Пат. № 2478853 Российская Федерация, МПКF16Н1/48. F16Н57/08. Способ работы электропривода с трёх-ступенчатым планетарным редуктором / Халиманович В. И., Сильченко П. Н., Леканов А. В., Новиков Е. С., Овечкин Г. И. ; опубл. 10.04.2013, Бюл. № 10.

13. Пат. № 2478854 Российская Федерация, МПКF16Н1/48. Способ работы электропривода с планетарным редук-тором / Халиманович В. И., Сильченко П. Н., Леканов А. В., Новиков Е. С., Овечкин Г. И. ; опубл. 10.04.2013, Бюл. № 10.

14. Леканов А. В., Новиков Е. С., Сильченко П. Н. Обеспечение основных качественных показателей приводов устройств исполнительной автоматики механических систем космических аппаратов // Материалы XVIII международного симпозиума «Динамические и технологические проблемы механики и сплошных сред» им. А. Г. Горшкова. М., 2012. С. 127–129.

15. Сильченко П. Н., Новиков Е. С., Леканов А. В. и др. Обоснование проектно-конструкторских решений плане-тарных передач для приводов раскрытия крупногабаритных устройств с большими инерционными массами // Решетневские чтения : материалы XIV НТК : в 2 ч. / под общ. ред. Ю. Ю. Логинова ; Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т. Красноярск, 10–12 ноября 2010. Ч. 1. С. 150–151.

RESULTS OF COOPERATION SIBERIAN FEDERAL UNIVERSITY AND JSC «INFORMATION SATELLITE SYSTEMS

«RESHETNEV COMPANY»

S. V. Verkhovets, S. P. Panko, V. N. Tyapkin, V. V. Sukhotin, P. N. Silchenko

Siberian Federal University, Krasnoyarsk, Russian Federation

In article the short description of history creation of the Siberian federal university is given. Quantitative and qualitative characteristics of higher education institution are provided. It is told about cooperation of 4 institutes such as Military and engineering institute, Polytechnical institute and Institute of space and information technologies the Siberian Federal University and JSC «Information Satellite Systems» Reshetnev Company». It is mentioned interinstitute basic department «Applied Physics and Space

41

С. В. Верховец, С. П. Панько, В. Н. Тяпкин, В. В. Сухотин, П. Н. Сильченко

Результаты взаимодействия СФУ и АО «ИСС» имени академика М. Ф. Решетнёва»

Technologies». Description of results of works within research and developmental technological works under Siberian Federal University with JSC «Information Satellite Systems» Reshetnev Company».

Conclusions are drawn and the prospects of further cooperation reveal.

Key words: automated testing equipment, command and telemetry system, on-board spacecraft control, Siberian Federal University, JSC «Information Satellite Systems» Reshetnev Company», satellite radio navigational system, simulator of signals, receiver of signals, precision drives, waveguide and distributive

systems, spacecraft.

References

1. Gorchakovskiy A. A., Evstratko V. V., Mishurov A. V., Panko S. P., Ryabushkin S. A., Shatrov V. A., Sukhotin V. V. Some Design Aspects of Command and Control Systems for Spacecrafts. 2013 International Siberian Conference on Control and Communications (SIBCON). Proceedings. Krasnoyarsk : Siberian Federal University. Russia, Krasnoyarsk, September 12–13, 2013. IEEE Catalog Number: CFP13794-CDR. ISBN: 978-1-4799-1060-1. DOI: 10.1109/SIBCON. 2013. 6693649

2. Principy postroenija avtomatizirovannoj kontrol'no-proverochnoj apparatury kosmicheskih apparatov / A. V. Mishurov, S. P. Pan'ko, V. V. Suhotin i dr. // Issledovanija naukograda. 2015. № 4. S. 30–32.

3. Ryabushkin S. A., Nozhenkova L. F., Sukhotin V. V., Isaeva O. S., Gruzenko E. A., Vogorovskiy R. V., Mishurov A. V., Markov A. A., Kamyshnikov A. N., Evsyukov A. A., Koldyrev A. Yu., Gorchakovskiy A. A., Evstrat'ko V. V., Petrenko V. L., Shatrov V. A. Programmnoe obespechenie kontrol'no-proverochnoy apparatury komandno-izmeritel'noy siste-my kosmicheskogo apparata (PO KPA KIS). Svidetel'stvo o gosudarstvennoy registratsii programmy dlya EVM № 2014662250, Zayavka № 2014660214, Zayavleno 09.10.2014, Zaregistrirovano 26.11.2014.

4. Pat. 2563925 Rossijskaja Federacija, MPK B64G 5/00, G01R 31/00. Kontrol'no-proverochnaja apparatura kosmi-cheskogo apparata / Gorchakovskij A. A., Evstrat'ko V. V., Mishurov A.V., Pan'ko S. P., Rjabushkin S. A., Suhotin V. V., Shatrov V. A., Petrenko V. L. № 2014118450/11 ; zajavl. 06.05.2014 ; opubl. 27.09.2015.

5. Kamyshnikov A. N., Pan'ko S. P., Evstrat'ko V. V. i dr. Avtomatizirovannaya kontrol'no-proverochnaya apparatura ko-mandno-izmeritel'noy sistemy kosmicheskogo apparata // «Orbita molodezhi» i perspektivy razvitiya rossiyskoy kos-monavtiki» : sbornik materialov Vserossiyskoy molodezhnoy nauchno-tekhnicheskoy konferentsii (8–9 sentyabrya 2016 g.). Samara : Samarskiy universitet, 2016. 213 s.

6. Methods of assessing the characteristics of the multiprocessor computer system adaptation unit / S. N. Efimov, V. N. Tyapkin, D. D. Dmitriev, V. A. Terskov // Zhurnal Sibirskogo federal'nogo universiteta. Serija: Matematika i fizika. 2016. T. 9, № 3. S. 288–295.

7. The use of computer models in the software and hardware complex of research methods of navigation spacecrafts / V. N. Bondarev, D. D. Dmitriev, N. S. Kremez, V. N. Tyapkin // Zhurnal Sibirskogo federal'nogo universiteta. Serija: Tehnika i tehnologii. 2016. T. 9, № 3. S. 302–309.

8. Analiz byudzheta radiolinii sputnikovoy svyazi komandno-izmeritel'noy sistemy nazemnogo kompleksa upravleniya na baze aktivnykh fazirovannykh antennykh reshetok / A. Yu. Ershov, A. S. Kochura, V. N. Tyapkin // Naukoemkie tekhnologii. 2016. T. 17, № 8. S. 34–38.

9. Algoritm adaptivnoy prostranstvennoy fil'tratsii s sokhraneniem postoyannogo urovnya dn v napravlenii poleznogo signala / V. N. Tyapkin // Naukoemkie tekhnologii. 2016. T. 17, № 8. S. 39–43.

10. The synthesis algorithm for spatial filtering to maintain a constant level of the useful signal / V. N. Tyapkin, D. D. Dmitriev, Yu. L. Fateev, N. S. Kremez // Zhurnal Sibirskogo federal'nogo universiteta. Seriya: Matematika i fizika. 2016. T. 9. № 2. S. 258–268.

11. Obosnovanija vybora sposobov uprochnenija melkomodul'nyh zubchatyh koljos privodov ustrojstv ispolnitel'noj av-tomatiki kosmicheskih apparatov / P. N. Sil'chenko, E. S. Novikov, A. V. Lekanov // Tehnika i tehnologii. Zhurnal SFU. 2011. № 6. S. 670–673.

12. Pat. № 2478853 Rossijskaja Federacija, MPK F16N1/48 , F16N57/08. Sposob raboty jelektroprivoda s trjohstupen-chatym planetarnym reduktorom / Halimanovich V. I., Sil'chenko P. N., Lekanov A. V., Novikov E. S., Ovechkin G. I. ; opubl. 10.04.2013, Bjul. № 10.

13. Pat. № 2478854 Rossiyskaya Federatsiya, MPK F16N1/48. Sposob raboty elektroprivoda s planetarnym reduktorom / Khalimanovich V. I., Sil'chenko P. N., Lekanov A. V., Novikov E. S., Ovechkin G. I. ; оpubl. 10.04.2013, Byul. № 10.

14. Lekanov A. V., Novikov E. S., Sil'chenko P. N. Obespechenie osnovnykh kachestvennykh pokazateley privodov ustroys-tv ispolnitel'noy avtomatiki mekhanicheskikh sistem kosmicheskikh apparatov // Materialy XVIII mezhdunarodnogo simpoziuma «Dinamicheskie i tekhnologicheskie prob. Mekh.…» im. A. G. Gorshkova. Moskva, 2012. S. 127–129.

15. Sil'chenko P. N., Novikov E. S., Lekanov A. V. i dr. Obosnovanie proektno-konstruktorskikh resheniy planetarnykh peredach dlya privodov raskrytiya krupnogabaritnykh ustroystv s bol'shimi inertsionnymi massami // Reshetnevskie chteniya: materialy XIV NTK : V 2 ch. / pod obshch. Red. Yu.Yu. Loginova; Sib. gos. aerokosmich. un-t. Krasnoyarsk, 10–12 noyabrya 2010. Ch. 1. S. 150–151.

УДК 539.3

НЕЛИНЕЙНОЕ ДЕФОРМИРОВАНИЕ ТОНКОЙ СФЕРИЧЕСКОЙ ОБОЛОЧКИ ПОД ДАВЛЕНИЕМ

Р. А. СабировСибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнёва,

г. Красноярск, Российская Федерация

Сосуды высокого давления, в том числе сферические баки, используются в аэрокосми-ческой технике. Если не допускаются большие деформации, тогда для решения вопроса обеспечения прочности конструкции применяется уравнение равновесия Лапласа с при-ложением нормативных коэффициентов запаса по назначению. Составлено уравнение равновесия сферической оболочки по деформированной схеме, то есть с учетом величи-ны прогиба, на которую увеличивается первоначальный радиус оболочки от действия давления. Неизвестными параметрами здесь являются прогиб и внутреннее мембран-ное усилие, возникающее в оболочке. Считается, что первоначальный объем матери-ала оболочки при ее деформировании не изменяется, так что толщина есть величина переменная. Учет этих параметров преобразует уравнение равновесия в нелинейное уравнение, связывающее прогиб и величину внутреннего давления. Постоянными па-раметрами в это уравнение входят первоначальный радиус, исходный объем матери-ала оболочки и модуль Юнга. В примере деформирования шара рассмотрена взаимо- связь прогиба с внутренним давлением, внутренним объемом, напряжением и толщиной стенки при условии несжимаемости материала. Приведены графики увеличения вну-треннего объема шара, уменьшения толщины стенки, увеличения напряжения и изме-нения внутреннего усилия. Вывод, что в шаровой тонкой оболочке так связаны между собой внутреннее давление, прогиб, внутренний объем и толщина стенки, что давление увеличивается до определенного значения, затем оно начинает уменьшаться, привел

к экспериментам с сообщающими сосудами – воздушными шариками.

Ключевые слова: расчет напряженного и деформированного состояния, большие пере-мещения, давление в шаре.

Введение

Сосуды высокого давления, в том числе и сферические баки, используются в аэрокосмиче-ской технике, также имеют широкое применение в быту. Если не допускаются большие деформа-ции, тогда для решения вопроса обеспечения прочности конструкции применяется уравнение равновесия Лапласа [1] с приложением норматив-ных коэффициентов запаса в соответствии с на-значением. Для тонкостенных сосудов давления, изготовленных из композиционных материалов, резины или иных каучуковых материалов, вопро-сы деформирования от действия давления, в том числе и от изменения давления при стыковке сосу-дов, в литературе по строительной механике при-водятся недостаточно [2–3].

Формулировка задачи. Рассмотрим модель деформирования сферической оболочки. Пусть срединная поверхность оболочки имеет первона-

чальный радиус R0. От действия давления q перво-начальный радиус оболочки увеличивается на ве-личину w, которую назовем прогибом. Составим уравнение равновесия по деформированной схеме, из которого вычислим внутреннее мембранное усилие

( )0 .2

q R wN

+= (1)

Положим упругое деформирование матери-ала в рамках закона Гука [4]:

σ = Eε, (2)где E – модуль Юнга; ε – относительная про-дольная деформация оболочки [4],

0

.wR

ε = (3)

Допуская равномерное распределение на-пряжения σ по толщине t, имеем

N = σt. (4)

*

* © Сабиров Р. А., 2016

НОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ТЕХНОЛОГИИ В КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКЕ

43

Р. А. Сабиров

Нелинейное деформирование тонкой сферической оболочки под давлением

Объем материала оболочки вычислим по формуле

20 04 .mV R t= π (5)

Здесь t0 – начальная толщина.Учитывая, что объем материала Vm оболочки

при ее деформировании не изменяется, толщина t будет величиной переменной,

( )2

0

.4

mVtR w

=π +

(6)

Подставив соотношения (2)–(6) в уравнение (1), получим нелинейное уравнение, связывающее нагрузку и прогиб:

( )

03

0

2 0.m

R qwEVR wπ

− =+

(7)

Решение. Рассмотрим оболочку в виде шара с начальным радиусом R0 = 0,1 м и начальной тол-щиной t0 = 10–3 м. Материал примем из группы каучуковых, имеющих Е = 1 МПа. Примем вну-треннее давление q = 2000 Па. Для этих данных на рис. 1 покажем графическое решение уравне-ния (7). Из рисунка видим, что одной и той же на-грузке соответствуют три корня, из которых от-рицательное значение отбрасываем. Принимаем во внимание два прогиба, равные w = 1,5·10–2 м и w = 14·10–2 м.

Рассмотрим взаимосвязь прогиба с внутрен-ним давлением, внутренним объемом шарового баллона, напряжением и толщиной стенки при ус-ловии несжимаемости материала.

Выразив из уравнения (7) давление, полу-чим

( )3

0 0

.2

mEV wqR R w

=π +

(8)

Тогда из условия dq/dw = 0 получим значе-ние максимального давления 3

02 / 27 .mq EV R= π Максимальное давление соответствует прогибу w* = R0/2. Изобразим функцию изменения дав-ления (8) в области 0 ≤ w ≤ 0,5 м на рис. 2, где максимальное давление q = 3000 Па, а прогиб w* = 5·10–2 м. Из графика видно, что одной и той же нагрузке q соответствуют два значения проги-ба, кроме точки *w .

Приведем еще четыре графика на рис. 3: – увеличение внутреннего объема оболочки

V = 4π(R0 + w)3/3 (рис. 3, а); – уменьшение толщины t = Vm / 4π(R0 + w)2

(рис. 3, б); – изменение напряжения (рис. 3, в), вычисляемо-

го по формулам (2) и (3); – изменение внутреннего усилия, найденного по

формуле (4) (рис. 3, г).Заметим, что напряжения в области

0 ≤ w ≤ 0,5 м не превышают значения 5 МПа, что не пре восходит предела прочности резины 13–14 МПа.

Анализ решений. Рассмотрим соединяю-щиеся шаровые сосуды давления (рис. 4).

1. Надуем два одинаковых шарика разны-ми давлениями qа и qb, но не превышающими давления qmax (рис. 1). Затем шарики соединим. Давления в шариках выравниваются, и шарики приобретают одинаковый радиус.

2. Если первый шарик надуть давлением qc < qmax в области w < w* (рис. 1), а второй надуть давлением qd < qmax в области w < w* (пусть qc > qd), тогда при выравнивании давления шарик меньше-го диаметра раздувает шарик большего диаметра.

3. Вновь одинаковые шарики надуем давле-ниями qe и qf (рис. 1), превышающими qmax, но раз-ными (qe > qf). Шарик меньшего диаметра умень-шается, накачивая шарик большой.

Физические эксперименты по взаимодей-ствию сообщающихся сосудов давления – воз-душных шариков проведены в [5]. На рис. 4 пред-ставлены фотографии примера раздувания шарика большего диаметра шариком, который изначально имел меньший диаметр, но большее давление.

Рис. 2. График, связывающий давление и прогиб

Рис. 1. График невязки нелинейного уравнения

44

№ 1-2 (16) 2016

Заключение

В шаровой оболочке внутреннее давление, прогиб, внутренний объем и толщина стенки так связаны между собой, что давление увели-чивается до определенного значения, затем оно

а бРис. 4. Фотографии раздувания шарика большего диаметра шариком, который изначально имел

меньший диаметр, но большее давление

в г

а б

Рис. 3. Графики, характеризующие изменения переменных параметров шара: а – увеличение внутреннего объема; б – уменьшение толщины; в – изменение напряжения; г – изменение

внутреннего усилия

начинает уменьшаться. Одному и тому же дав-лению соответствуют два деформированных со-стояния.

Вопросы деформирования тонкостенных оболочек, допускающих существенные прогибы, требуют изучения.

Список литературы1. Ван Цзи-де. Прикладная теория упругости. М. : Физматгиз, 1959. 400 с.2. Вольмир А. С. Устойчивость упругих систем. М. : Физматгиз, 1963. 880 с.3. Саусвел Р. В. Введение в теорию упругости для инженеров и физиков. М. : Гос. изд-во иностр. лит., 1948. 675 с. 4. Тимошенко С. П., Гудьер Дж. Теория упругости. М. : Наука, 1975. 576 с.

45

Р. А. Сабиров

Нелинейное деформирование тонкой сферической оболочки под давлением

5. Моделирование шарового сосуда по деформированной схеме / А. В. Изохватов, С. А. Полеготченков, Л. А. Бурым, Т. В. Дадыко, И. А. Моторкин ; науч. рук. – канд. техн. наук Р. А. Сабиров // Сборник материалов Международной конференции студентов, аспирантов и молодых учёных «Проспект Свободный-2016», по-свящённой Году образования в Содружестве Независимых Государств, Сибирский федеральный университет, 15–25 апреля 2016, г. Красноярск, с. 34–38. [Электронный ресурс] http://conf.sfu-kras.ru/mn2016/. (дата обраще-ния: 01.09.2016).

NONLINEAR DEFORMATION OF A THIN SPHERICAL SHELL UNDER PRESSURE

R. A. SabirovReshetnev Siberian State Aerospace University, Krasnoyarsk, Russian Federation

Pressure vessels, including spherical tanks, used in aerospace technology. If not allowed large deformation, then to resolve the issue ensure the integrity of the design is the balance equation of Laplace with the regulatory application of safety factors on purpose. The equations of equilibrium of a spherical shell on the deformed scheme, i.e. taking into account the magnitude of deflection, which increases the initial radius of the shell from the action of pressure. The unknown parameters are the bending and membrane internal stress occurring in the shell. It is believed that the initial amount of shell material during its deformation does not change, so the thickness is a variable. Consideration of these parameters transforms the equation of equilibrium in a nonlinear equation linking the deflection and the magnitude of internal pressure. Constant parameters in this equation include the initial radius, the initial volume of the shell material and the Young's modulus. An example of the deformation of the ball, which examined the relationship of the deflection on the internal pressure, internal volume, pressure and wall thickness assuming incompressibility of the material. Graphs of increase in the internal volume of the balloon, reducing the wall thickness, increase the voltage and change of internal stress. The conclusion is that in the ball thin shell, connected the internal pressure, deflection, internal volume and wall thickness, the pressure increases to a certain value, then it starts to decrease, has led to experimentation with communicating vessels – balloons.

Key words: calculation of the stress and deformations, large displacements, the pressure in the balloon.

References1. Van Czi-de. Prikladnaja teorija uprugosti [Applied theory of elasticity]. Moscow : Fizmatgiz, 1959. 400 p.2. Vol'mir A. S. Ustojchivost' uprugih sistem [Stability of elastic systems]. Moscow : Fizmatgiz, 1963. 880 p.3. Sausvel R. V. [Southwell R. V.] Vvedenie v teoriju uprugosti dlja inzhenerov i fizikov. Gosudarstvennoe izdatel'stvo

inostrannoj literatury [An introduction to the theory of elasticity for engineers and physicists]. M., 1948. 675 p.4. Timoshenko S. P., Gud'er Dzh. Teorija uprugosti [Theory of elasticity]. Moscow : Nauka, 1975. 576 p.5. Modelirovanie sharovogo sosuda po deformirovannoj sheme [Simulation of ball vessel on the deformed scheme] /

A. V. Izohvatov, S. A. Polegotchenkov, L. A. Burym, T. V. Dadyko, I. A. Motorkin ; Nauchnyj rukovoditel' – kand. tehn. nauk R. A. Sabirov // Sbornik materialov Mezhdunarodnoj konferencii studentov, aspirantov i molodyh uchjonyh «Prospekt Svobodnyj-2016», posvjashhjonnoj Godu obrazovanija v Sodruzhestve Nezavisimyh Gosudarstv, Sibirskij federal'nyj universitet, 15–25 aprelja 2016, Krasnojarsk, p. 34–38. [Jelektronnyj resurs] http://conf.sfu-kras.ru/mn2016/.

УДК 621.762

НАНОЭКСТРУЗИОННАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ АЛЮМИНИЕВЫХ ПРОФИЛЕЙ

Г. Г. Крушенко1, 2, С. Н. Решетникова2, Г. В. Двирный2

1Институт вычислительного моделирования СО РАН, г. Красноярск, Российская Федерация 2Сибирский государственный аэрокосмический университет

имени академика М. Ф. Решетнёва, г. Красноярск, Российская Федерация

Одной из важных задач космического машиностроения является максимально возмож-ное снижение массы при одновременном обеспечении требуемых механических харак-теристик как основных деталей и узлов космического аппарата (КА), так и средств запуска, в состав которых входит вспомогательный узел – адаптер, предназначенный для механического соединения КА с ракетой-носителем. И снижение его массы решалось разными средствами. Например, адаптер ракеты-носителя «Ариан-5» собирали из сегментов, заполненных алюминиевой пеной. При этом выигрыш в применении пеноза-полненного адаптера заключался как в уменьшении массы по сравнению с массой адап-тера из листового материала, так и в повышении его сопротивления деформации и вибрации. Следующий шаг на пути к облегчению массы адаптера – изготовление его из композитной анизогридной «сетки». Такие адаптеры пришли на смену металлическим. Возможен еще один вариант изготовления адаптеров и других сетчатых конструкций с применением алюминиевых профилей с волокнистым внутренним строением, кото-рые получают путем прессования (экструзии) композиции, состоящей из частиц алю-миния и нанопорошков (НП) химических соединений. Волокнистая структура профилей обеспечивает их высокие механические свойства, включая прочность на изгиб, а также

способность к погашению вибрации.

Ключевые слова: космический аппарат, адаптер: цельнометаллический, пенозаполнен-ный, анизогридный, волокнистый.

Введение

Одной из проблем, связанной с космическим машиностроением, является максимально возмож-ное снижение массы как основных деталей и уз-лов собственно космического аппарата (КА), так и средств запуска, в состав которых входит вспомога-тельный узел – адаптер, предназначенный для ме-ханического соединения КА с ракетой-носителем.

Пенозаполненный адаптер

В работе [1] с целью уменьшения массы адаптера (Сone 3936 – Конус 3936), одного из компонентов ракеты-носителя «Ариан-5» (длина – 59 м, диаметр – 5,4 м), его собирали из сегментов, заполненных алюминиевой пеной (aluminium foam sandwiches). Технология изготовления сегментов включала следующие последовательные опера-ции. Контейнер из листового металла заполняли порошковым сплавом состава (6,0 % Si; 10,0 % Cu;

Al – ост.), легирующими элементами и порошком гидрида титана TiH2 с последующим уплотнени-ем. Полученный компактный продукт (прекурсор) помещали между алюминиевыми листами толщи-ной 1,5 мм и подвергали его прокатке, затем на-гревали до расплавления металлических компо-нентов и разложения TiH2 с выделением водорода, который и образовывал пенопористую структуру, фиксирующуюся при последующем охлаждении. Толщина сэндвича составляла 25 мм.

Для придания сэндвичу требуемой толщины и устранения деформации поверхности, вызван-ной образованием пены, его подвергали повтор-ному прессованию. Полученные заготовки резали лазером до нужных размеров. Сегмент с требуе-мой криволинейной геометрией получали путем прессования заготовок с помощью специального штампа, а конечные его размеры получали обра-боткой резанием. На рис. 1 показан готовый сег-мент с хорошо видимой пенопористой структурой.

Отдельные сегменты собирали в конструк-цию конического адаптера с помощью сварки плавлением. Адаптер, собранный из 12 пеноалю-миниевых сегментов (рис. 2), показан на рис. 3.

*

* © Крушенко Г. Г., Решетникова С. Н., Двирный Г. В., 2016

НОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ТЕХНОЛОГИИ В КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКЕ

47

Г. Г. Крушенко, С. Н. Решетникова, Г. В. Двирный

Наноэкструзионная технология изготовления конструкционных алюминиевых профилей

Диаметр верхней его части составляет 2,6 м, ниж-ней − 3,9 м, высота 0,8 м, масса 200–210 кг.

Выигрыш в применении пенозаполненного адаптера можно показать на примере применения пены в авиации при изготовлении крыльев само-лета. На рис. 4 показан фрагмент передней кром-ки крыла самолета [2], изготовленного из листо-вого деформируемого алюминиевого сплава, до (а) и после (б) заполнения полости пеной сплава Al – 10 % Si (ρ = 0,90 г/см3). В качестве порофо-ра применяли гидрид титана TiH2. Толщина листа пустотелой кромки стандартной конструкции со-ставляла 2,5 мм, а в результате заполнения пено-

сплавом ее уменьшили до 1,5 мм. Испытания на удар показали, что деформация пустотелой кром-ки составляет 9,8 ± 0,4 %, тогда как заполненной пеносплавом – 2,5 ± 0,1 % (меньше ~ в 4 раза). Очевидно, такими же преимуществами обладает и пенозаполненный адаптер.

Анизогридные конструкции. В различных отраслях техники, в строительной индустрии и в других областях широко применяются металли-ческие детали, длина которых значительно пре-вышает размеры профильного сечения. Из таких деталей создают ажурные пустотелые объемные конструкции, такие, например, как Эйфелева баш-

а бРис. 1. Пеноалюминиевый сегмент: а – общий вид; б – увеличенный фрагмент [1]

а бРис. 4. Передняя кромка крыла самолета: до (а) и после (б) заполнения пеносплавом Al – 10 % Si [2]

Рис. 2. Конструкция конуса, состоящего из 12 сегментов, собранных между

верхним кольцом и нижним фланцем [1] Рис. 3. Собранный адаптер [1]

48

№ 1-2 (16) 2016

ня и многие объемные конструкции российского инженера В. Г. Шухова, из которых хорошо извест-на телевизионная башня на Шаболовке. К таким конструкциям относятся и анизогридные сетчатые конструкции, широко применяемые в космической технике [3] для изготовления различных объемных трубчатых и конических конструкций, включая «переходный отсек» (адаптер), обеспечивающий механическое соединение космического аппарата с ракетой-носителем. Такие адаптеры пришли на смену металлическим адаптерам (рис. 5).

Алюминиевые профили с волокнистой структурой. При этом возможен еще один вариант изготовления адаптеров и других сетчатых кон-струкций с применением алюминиевых профилей с волокнистым внутренним строением, которые получают путем прессования (экструзии) компо-зиции, состоящей из частиц алюминия и нанопо-рошков (НП) химических соединений. Следует отметить, что этому новому классу материалов в последнее время уделяется большое внимание. НП представляют собой сверхмелкозернистые об-разования с размерами частиц, не превышающими 100 нм (1 нм = 10–9 м) [4], которые обладают уни-кальными физико-химическими и механически-ми свойствами, существенно отличающимися от свойств материалов того же химического состава в массивном состоянии [5], которые могут в опре-деленной степени передаваться получаемым из них или с их участием изделиям. Причина уни-кальности свойств НП заключается в том, что ко-личество атомов в их поверхностном слое и в объ-еме оказывается соизмеримым [6]. Наночастицы обладают существенно искаженной кристалличе-ской решеткой, что влияет на энергию активации большинства процессов, в которых они участвуют, меняя их привычный ход и последовательность.

Обладающие специфическими свойствами НП при их применении в технике могут обеспе-чить получение новых материалов с заданными характеристиками [7], что было нами установ-лено на целом ряде чугунов, сталей и алюмини-

евых сплавов в виде повышения механических свойств литых изделий в результате введения в расплав различных НП (нитриды, карбиды, окси-ды и др.) [8].

Технология получения профилей. В тонко-стенный алюминиевый контейнер засыпали плаки-рованные нанопорошком частицы алюминия или конструкционных алюминиевых деформируемых сплавов. Затем отверстие в контейнере закрывали

а бРис. 5. Металлический (а) и сетчатый композитный (б) адаптеры [3]

Рис. 6. Типичные профили с волокнистой структурой, отпрессованные из

алюминиевого деформируемого сплава Д1 и нанопорошка нитрида титана TiN.

Для оценки размеров профилей – см. в левом верхнем углу фотографии –

показаны две цилиндрические технологические пробы ∅ 72 мм

Рис. 7. Пруток, отпрессованный из алюминиевых гранул и НП

49

Г. Г. Крушенко, С. Н. Решетникова, Г. В. Двирный

Наноэкструзионная технология изготовления конструкционных алюминиевых профилей

алюминиевой крышкой и производили ее заваль-цовку. Контейнер помещали в контейнер гидравли-ческого пресса и с усилием прессования 100…120 тс со скоростью 3,5 см/с производили прессование прутков диаметром от 5 до 9,5 мм. В результате по-лучали профили, геометрия которых определялась геометрией отверстия фильеры (рис. 6).

Полученные таким способом профили име-ли тонкостенную оболочку (десятые доли мм) и внутреннее волокнистое строение, что видно на примере прутка (рис. 7). Это объясняется тем, что из-за нахождения на поверхности гранул частиц НП в процессе экструзии гранулы деформирова-лись изолированно друг от друга, что подтверж-дается результатами микроскопического изучения поверхности как плакированных частиц алюми-ния, так и волокон.

В прутках диаметром 9,5 мм насчитывалось от 1100 до 1200 волокон сечением 0,005…0,075 мм2. Расчет показал, что длина таких волокон в за-висимости от размера гранул находилась в диапа-зоне 400…3200 мм.

При испытании механических свойств профилей, отпрессованных из гранул алюмини-евых деформируемых сплавов, были получены:

σв = 98,1 МПа, σ0,2 = 48,1 МПа и δ = 42,8 мм, тог-да как при прессовании таких же профилей из гранул + НП BN σв повышается до 113,8 МПа (больше на16,0 %), σ0,2 до 56,9 МПа (больше на 18,3 %) и δ до 43,2 (больше на 0,9 %), а из гранул + НП TiCN – σв до 121,6 МПа (больше на 24,0 %), σ0,2 до 59,9 МПа (больше на 22,5 %) и δ до 43,9 (больше на 2,6 %).

В процессе проведения экспериментов (большая часть исследований выполнена в про-изводственных условиях) было установлено, что независимо от химического состава НП, их кри-сталлической системы и класса, элементов сим-метрии, пространственной группы, структурного типа, периода решетки, плотности, температуры плавления и других рассмотренных параметров все они создавали близкий рост механических свойств изделий.

Заключение

На основании полученных результатов мож-но считать, что профили с волокнистой структу-рой могут найти применение для изготовления сетчатых конструкций.

Список литературы1. Schwingel D. et al. Aluminium foam sandwich structures for space applications // Acta Astronautica. 2007. V. 61.

Issue 1–6. P. 326−330.2. Reglero J. A. Rodriguez-Perez M. A., Solуrzano E. et al. Aluminium foams as a filler for leading edges: Improvements

in the mechanical behavior under bird strike impact tests // Materials and design. 2011. Vol. 32, № 2. P. 907–910.3. Васильев В. В., Барынин В. А., Разин А. Ф., Петровский С. А., Халиманович В. И. Анизогридные композитные

сетчатые конструкции – разработка и приложение к космической технике // Композиты и наноструктуры. 2009. № 3. С. 38–50.

4. Морохов И. Д., Трусов Л. И., Чижик С. П. Ультрадисперсные металлические среды. М. : Атомиздат, 1977. 264 с.5. Характерные особенности ультрадисперсных сред / И. В. Тананаев, В. Б. Федоров, Л. В. Малюкова и др. //

ДАН СССР. 1985. Т. 283, № 6. С. 1364–1367.6. Зубов В. И. Об особенностях термодинамики ультрадисперсных систем // Физикохимия ультрадисперсных си-

стем : материалы IV Всерос. конф. М. : МИФИ, 1998. С. 23–26.7. Гусев А. И. Эффекты нанокристаллического состояния в компактных металлах и их соединениях // УФН. 1998.

Т. 168, № 1. С. 55–83.8. Нанопорошковые технологии в машиностроении / В. В. Москвичев, Г. Г. Крушенко, А. Е. Буров и др.

Красноярск : Сибирский федеральный университет, 2013. 186 с.

NANOEXTRUSIONS THE TECHNOLOGY OF MANUFACTURE OF STRUCTURAL ALUMINIUM PROFILES

G. G. Krushenko1, 2, S. N. Reshetnikova2, G. V. Dvirniy2

1Institute Computational Modeling SB RAS, Krasnoyarsk, Russian Federation 2Reshetnev Siberian State Aerospace University, Krasnoyarsk, Russian Federation

One of the important tasks of space engineering is a maximum weight reduction while ensuring the required mechanical characteristics as the main parts of the spacecraft (SC) and launcher, which includes an auxiliary host adapter designed for mechanical connection of the SC with the launch vehicle. And the

50

№ 1-2 (16) 2016

reduction of its mass were solved by different means. For example, the adapter of the launch vehicle «Ariane-5» was assembled from segments filled with aluminum foam. In this case, the gain was how to reduce the weight compared to the weight of the adapter from the sheet material and to increase its resistance to deformation and vibration. The next step on the way to the relief of the mass of the adapter is the manufacture of composite anisakidae «grid». These adapters replaced the metal. There is one more option of making adapters and other mesh designs with the use of aluminum profiles with a fibrous internal structure, which are obtained by extrusion (extrusion) of the composition consisting of particles of aluminum and nanopowder (NP) chemical compounds. Fibrous structure of the profiles ensures their high

mechanical properties, including bending strength, and the ability to repay vibration.

Key words: spacecraft, adapter: all-metal, foam filled, anizogrid, fibrous.

References1. Schwingel D. et al. Aluminium foam sandwich structures for space applications // Acta Astronautica. 2007. V. 61.

Issue 1–6. P. 326−330.2. Reglero J. A. Rodriguez-Perez M. A., Solуrzano E. et al. Aluminium foams as a filler for leading edges: Improvements

in the mechanical behavior under bird strike impact tests // Materials and design. 2011. Vol. 32, № 2. P. 907–910.3. Vasil'ev V. V., Barynin V. A., Razin A. F., Petrovskiy S. A., Khalimanovich V. I. Anisogrid composite lattice structures –

development and application to space technology // Kompozity i nanostruktury. 2009. № 3. P. 38–50. (In Russ.)4. Morokhov I. D., Trusov L .I., Chizhik S. P. Ultrafine metal environment. M. : Atomizdat, 1977. 264 p. (In Russ.)5. Characteristic features of ultradispersed media / I. V. Tananaev, V. B. Fedorov, L. V. Malyukova i dr. DAN SSSR. 1985.

Т. 283, № 6. P. 1364–1367. (In Russ.)6. Zubov V. I. [About the features of the thermodynamics of ultra-dispersed systems]. Materials of the IV Russian. Conf.

M. : MIFI, 1998. P. 23–26. (In Russ.)7. Gusev A. I. Effects of the nanocrystalline state in compact metals and their compounds. UFN. 1998. Т. 168. № 1.

P. 55–83. (In Russ.)8. Nanoporoshkov engineering technologies / V. V. Moskvichev, G. G. Krushenko, A. E. Burov et al. Krasnoyarsk :

Sibirskiy federal'nyy universitet, 2013. 186 p. (In Russ.)

Сведения об авторах

51

Сведения об авторах

Андреева Яна Анатольевна – инженер. Область научных интересов: гуманитарные науки. Место ра-боты: Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнёва.

E-mail: yana.anatoljevna@gmail.com

Верховец Сергей Владимирович – кандидат сельскохозяйственных наук, проректор по науке и международному сотрудничеству Сибирского фе-дерального университета. Окончил Красноярскую технологическую академию в 1997 году. Область на-учных интересов: экология бореальных и умеренных лесов, устойчивое лесопользование; пожары расти-тельности, пожароуправление; климатические изме-нения, биогеохимические циклы.

E-mail: sverhovec@sfu-kras.ru

Власов Антон Юрьевич – кандидат физико-ма-тематических наук, доцент, директор РЦКП «КАС». Область научных интересов: физико-математиче-ские науки. Место работы: Сибирский государствен-ный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнёва.

E-mail: vlasov.anton@gmail.com

Двирный Гурий Валерьевич – кандидат тех-нических наук. Окончил Сибирский федеральный университет в 2008 году. Область научных интере-сов: испытания космической техники. Место рабо-ты: АО «Информационные спутниковые системы» им. академика М. Ф. Решетнёва».

E-mail: DG1802@iss-reshetnev.ru

Дымов Дмитрий Валерьевич – начальник ба-зового центра системного проектирования бортовой электронной аппаратуры космических аппаратов АО «ИСС». Окончил Сибирскую аэрокосмическую академию по специальности «Системы автомати-ческого управления» в 1994 году. Область научных интересов: бортовые системы управления автоном-ных космических аппаратов, распределённые вы-числительные и информационные системы, борто-вые измерительные системы и сенсоры, бортовые информационно-коммуникационные сети, системная электронная компонентная база классов SoC и SiP. Место работы: АО «Информационные спутниковые системы» им. академика М. Ф. Решетнёва».

Карауш Артем Андреевич – научный сотруд-ник отдела № 8 «Государственная служба времени, частоты и определения параметров вращения Земли» ФГУП «Сибирский государственный научно-ис-следовательский институт метрологии». Окончил Новосибирский государственный технический уни-

верситет в 2011 году. Область научных интересов: спутниковые навигационные технологии.

E-mail: karaush.a@gmail.ru

Кочура Сергей Григорьевич – кандидат тех-нических наук, заместитель генерального конструк-тора по электрическому проектированию и систе-мам управления космических аппаратов АО «ИСС». Окончил Новосибирский электротехнический инсти-тут по специальности «Промышленная электроника» в 1978 году. Область научных интересов: бортовые системы управления автономных космических ап-паратов, распределённые вычислительные и инфор-мационные системы, силовая энергопреобразующая аппаратура систем электропитания спутников. Место работы: АО «Информационные спутниковые систе-мы» им. академика М. Ф. Решетнёва».

Крушенко Генрих Гаврилович – доктор техни-ческих наук, профессор. Окончил Омский машино-строительный институт в 1955 году. Область научных интересов: нанотехнологии, литейные производства и инновации в машиностроении.

E-mail: genry@icm.krasn.ru

Кукушкин Сергей Сергеевич – доктор техниче-ских наук, профессор. Окончил Харьковское высшее командно-инженерное училище (ХВКИУ) в 1972 году. Область научных интересов: синтез составных слож-ных шумоподобных сигналов, помехоустойчивая пе-редача информации и обеспечение ее защиты от не-санкционированного доступа.

E-mail: adaptermetod@mail.ru

Лавровская Ирина Яковлевна – научный сотруд-ник. Окончила Санкт-Петербургский государствен-ный университет аэрокосмического приборостроения (ГУАП), факультет информационных систем и за-щиты информации по специальности «Информатика и вычислительная техника» в 2011 году. Область науч-ных интересов: встроенные системы, моделирование, коммуникационные протоколы, язык SDL, бортовое космическое оборудование. Место работы: Институт высокопроизводительных компьютерных и сетевых технологий ГУАП.

Оленев Валентин Леонидович – кандидат тех-нических наук, зав. лабораторией ВКТ МК. Окончил Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения (ГУАП), факуль-тет информационных систем и защиты информации по специальности «Информатика и вычислительная техника» в 2007 году. Область научных интересов: встроенные системы, моделирование, коммуника-

Заменить « – » после ФИО на «^h – » (со знаком «конец вложенного стиля») и будет всё Ок. Но лучше не автоматом, а «в ручную». Хотя, не важно.

№ 1-2 (16) 2016

52

ционные протоколы, сетевые технологии, бортовое космическое оборудование. Место работы: Институт высокопроизводительных компьютерных и сетевых технологий ГУАП.

Панько Сергей Петрович – доктор техниче-ских наук, профессор Военной кафедры Сибирского федерального университета. Окончил Красноярский политехнический институт в 1965 году. Область на-учных интересов: биомедицинская электроника, ко-мандно-измерительные системы.

E-mail: psp410@mail.ru

Решетникова Светлана Николаевна – заведую-щий методическим отделом при диссертационных со-ветах Сибирского государственного аэрокосмическо-го университета имени академика М. Ф. Решетнёва.

Сабиров Рашид Альтавович – кандидат техни-ческих наук, доцент кафедры технической механики Института космической техники Сибирского государ-ственного аэрокосмического университета имени ака-демика М. Ф. Решетнёва. Окончил Красноярский по-литехнический институт в 1974 году по специально-сти «Промышленное и гражданское строительство». Область научных интересов: приложения методов строительной механики космических летательных аппаратов к расчету деформирования стержневых систем, пластин, оболочек с учетом анизотропных свойств материалов и нелинейностей.

Е-mail: rashidsab@mail.ru

Сержантова Мария Викторовна – кандидат физико-математических наук, доцент, старший на-учный сотрудник СибГАУ. Область научных интере-сов: физико-математические науки. Место работы: Сибирский государственный аэрокосмический уни-верситет имени академика М. Ф. Решетнёва.

E-mail: 2074213@gmail.com

Сильченко Петр Никифорович – доктор тех-нических наук, профессор-наставник кафедры при-кладной механики Сибирского федерального универ-ситета. Окончил Могилевский машиностроительный институт в 1969 году. Область научных интересов: динамика и прочность механических систем косми-ческого аппарата.

E-mail: Psilchenko@sfu-kras.ru

Сухотин Виталий Владимирович – канди-дат технических наук, доцент Военной кафедры Сибирского федерального университета. Окончил Красноярский государственный технический универ-ситет в 1999 году. Область научных интересов: фазо-вые измерения, командно-измерительные системы, безопасность спутниковых информационных систем.

E-mail: vsuhotin@sfu-kras.ru

Толстиков Александр Сергеевич – доктор техни-ческих наук, начальник отдела № 8 «Государственная служба времени, частоты и определения параметров вращения Земли» ФГУП «Сибирский государствен-ный научно-исследовательский институт метроло-гии». Окончил Новосибирский государственный тех-нический университет в 1968 году. Область научных интересов: спутниковые навигационные технологии.

E-mail: tolstikov@mail.ksn.ru

Томилов Андрей Сергеевич – заместитель на-чальника отдела № 8 «Государственная служба вре-мени, частоты и определения параметров вращения Земли» ФГУП «Сибирский государственный научно-исследовательский институт метрологии». Окончил Ростовское высшее военное командное училище ракетных войск им. Главного маршала артиллерии Неделина М. И. в 1998 г. Область научных интересов: спутниковые навигационные технологии.

E-mail: tomber1@yandex.ru

Тяпкин Валерий Николаевич – кандидат тех-нических наук, профессор Военно-инженерного института Сибирского федерального университета. Окончил Военную инженерную радиотехническую академию им. Маршала Говорова Л. А. в 1992 году. Область научных интересов: радиолокация и радио-навигация.

E-mail: tyapkin58@mail.ru

Ханыкова Екатерина Андреевна – научный сотрудник отдела № 8 «Государственная служба вре-мени, частоты и определения параметров вращения Земли» ФГУП «Сибирский государственный научно-исследовательский институт метрологии». Окончила Сибирскую государственную геодезическую акаде-мию в 2012 году. Область научных интересов: спут-никовые навигационные технологии.

E-mail: hanikovak@mail.ru

Шейнин Юрий Евгеньевич – доктор техни-ческих наук, профессор, директор Института вы-сокопроизводительных компьютерных и сетевых технологий ГУАП, зав. кафедрой аэрокосмических компьютерных и программных систем. Окончил Ленинградский институт авиационного приборостро-ения (ЛИАП), факультет вычислительной техники по специальности «Электронные вычислительные машины» в 1973 году. Область научных интересов: встроенные системы, системы и сети-на-кристалле, микропроцессорные системы, моделирование, ком-муникационные протоколы, сетевые технологии, бор-товое космическое оборудование, параллельное про-граммирование. Место работы: Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического при-боростроения.