Использование системы виртуального окружения для визуализации изображений земной поверхности, полученных на борту Международной космической станции

помощью верхней огибающей (рис. 7), для ТТ малого диаметра Б (менее 10 мм) помощью верхней огибающей.

Итак, в ходе исследования получены критерии оценки эффективности профиля аксиальных ТТ, использующих в качестве рабочего тела аммиак, а также критерии оценки эффективности профиля аксиальной ТТ для общего случая, которые может быть использован и для проектирования профилей под любую рабочую среду в любых условиях.

Библиографический список

1. Оптимизация геометрии конструкции капиллярной структуры ТТ из алюминиевых профилей / К. Г. Смирнов-Васильев [и др.] // Современное состояние разрабо-

ток и применение тепловых труб в космической технике и товарах народного потребления : сб. докл. Межреспубл. научно-практ. конф. Красноярск-26, 1993. С. 109-119.

2. Investigation Performance of Axial Grooved Heat Pipes with High Thermal Capacity / V. Barantsevich [et al.] //Heat pipes. Science Technology Application: Pros. of the 12th Int. Heat Pipe Conf. Moscow-Samara. 2002. P. 489-493.

3. Чи, С. Тепловые трубы: теория и практика / С. Чи. М. : Машиностроение, 1981. 207 с.

4. Варгафтик, Н. Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей / Н. Б. Варгафтик. М. : Наука, 1972, 720 с.

5. Гинзбург, И. П. Теория сопротивления и теплопередачи / И. П. Гинзбург ; Лениград. горс. ун-т им. А. А. Жданова. М. : Машиностроение, 1970, 376 с.

A.A. Loganov

ESTIMATION OF EFFICIENCY OF A STRUCTURE OF AXIAL THERMAL PIPES OF SMALL SPACE VEHICLES

The technique of choice of the best design data and parameters of the small space vehicles thermal control system efficiency of components in conditions of industrial and financial restrictions is offered. By results of the analysis of a statistical material on axial thermal pipes structures the technique of calculation of effective heat pipe structure geometric parameters for any operating conditions is offered.

УДК629.78

Д. Ю. Щербинин

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СИСТЕМЫ ВИРТУАЛЬНОГО ОКРУЖЕНИЯ ДЛЯ ВИЗУАЛИЗАЦИИ ИЗОБРАЖЕНИЙ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ, ПОЛУЧЕННЫХ НА БОРТУ МЕЖДУНАРОДНОЙ КОСМИЧЕСКОЙ СТАНЦИИ

Рассматриваются вопросы использования информационных технологий при анализе визуальной информации, поступающей с борта Международной космической станции. В качестве решения задачи повышения информативности изображений земной поверхности предлагается использовать на борту станции метод стереосъемки, а для визуализации данных - систему виртуального окружения.

Анализируется опыт использования средств получения стереоизображения в космосе, рассматривается перспектива использования систем виртуальной реальности при визуализации изображений земной поверхности, а также при подготовке экипажей пилотируемых космических аппаратов.

На протяжении более 40 лет космической эры средства наблюдения, устанавливаемые на борту отечественных орбитальных станций, активно развивались и совершенствовались, что позволяло получать достоверную информацию в интересах науки, народного хозяйства и безопасности страны.

Очередным шагом в развитии российской космонавтики является сотрудничество в рамках программы Международной космической станции (МКС). Орбита МКС дает возможность обозревать 85 % поверхности Земли, где проживает 95 % населения планеты, поэтому использование станции для решения задач дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) является актуальным. Это, прежде всего, мониторинг районов природных и техногенных катастроф, экологических зон, прогнозирование природ-

ных явлений, своевременное обнаружение объектов. Однако изменения в планах развертывания МКС привели к существенному сокращению количества бортовых средств ДЗЗ российского сегмента (РС) МКС. В настоящее время основным источником информации о поверхности Земли являются оптико-электронные средства. Таким образом, задача повышения информативности изображений земной поверхности, полученных с помощью бортовых фото-, видеосредств, является актуальной. Одним из путей ее решения может стать использование методов получения стереоизображения на борту МКС.

Космические системы стереосъемки земной поверхности. В основе пространственного восприятия лежит бинокулярный параллакс (binocular stereopsis) - построение объемного зрительного образа на основе разли-

чий проекций трехмерного пространства на сетчатку левого и правого глаза. Таким образом, стереоскопический эффект, или эффект ощущения протяженности пространства и рельефности предметов, создается за счет базиса зрения или расстояния между узловыми точками глаз человека. Данный эффект лежит в основе методов получения пространственной информации на основании стереосъемки. После применения алгоритмов обработки изображений возможно получить информацию о вертикальной составляющей рельефа местности.

В настоящее время основным источником изображений земной поверхности являются спутниковые системы. Работы в области космической съемки начались около 25 лет назад. За это время были выполнены многочисленные исследования в данной области. Искусственные спутники земли (ИСЗ) отличаются по различным параметрам: установленной аппаратуре, углу наклона орбиты, пространственному и спектральному разрешению снимков, возможностям стереосъемки, стоимости материалов дистанционного зондирования. Оценивая ситуацию на рынке данных дистанционного зондирования, можно с уверенностью сказать, что снимки высокого разрешения, получаемые со спутников, оснащенных оптико-электронными средствами наблюдения, являются основным видом данных дистанционного зондирования. Вместе с тем, космические радиолокаторы с синтезированием апертуры (РСА) заняли свою нишу, и уже существует целый ряд приложений, использующих в качестве данных дистанционного зондирования радиолокационные снимки. Это, прежде всего, относится к приложениям, требующим оперативного получения информации независимо от погодных условий и освещенности поверхности (экологический мониторинг, например определение площади разливов нефтепродуктов, затопленных площадей при наводнении, контроль за вырубкой леса). Кроме того, космическая радиолокационная информация может быть использована для геологических исследований (составление геологических карт районов, перспективных для добычи полезных ископаемых), изучения процессов в приповерхностном слое морей и океанов в целях картографирования.

Методы оптико-электронной цифровой съемки с помощью ПЗС-приемников стали развиваться с начала 90-х гг. Это позволило оперативно передавать на Землю пространственную информацию высокого разрешения. Этот метод получения данных, впервые примененный в системе МСУ-7 в 1980 г. на спутнике «Метеор-30», нашел широкое применение при съемке со спутников SPOT (разрешение 10 м), которые оставались наиболее детальными из оперативно получаемых до середины 90-х гг. После этого первенство перешло к индийскому спутнику IRS. Панхроматическая камера PAN на спутнике IRS-1C (1996) и IRS-1D (1997) обеспечивает разрешение 5,8 м в диапазоне 0,5-0,75 мкм. Существенное пополнение фонда оперативных снимков обеспечил запущенный в 1999 г. спутник Landsat-7 (где был добавлен панхроматический канал с разрешением 15 м). В конце 1999 г. запущен коммерческий спутник Ikonos-1 (разрешение 0,83 м). Впервые оперативный метод превзошел по детальности доступные потребителям фотоснимки. Панхроматические сним-

ки имеют разрешение около 1 м, многозональные - 4 м. Вынужденная плата за высокую детальность - небольшой охват, всего 11км. Следует заметить, что возможности получения стереоизображений у перечисленных выше оптико-электронных систем ограничены.

Вместе с тем, для получения стереоизображения наибольший практический интерес представляют изображения земной поверхности, выполненные аппаратурой высокого разрешения в видимом диапазоне с разрешающей способностью 1-4 м. Сейчас на орбите находятся несколько ИСЗ, способных выполнять стереосъемку

Система космического наблюдения SPOT (от франц. SPOT (Systeme Probatoire d’Observation de la Terre) - экспериментальная система наблюдения Земли) функционирует с 1986 г. За это время было запущено 5 спутников с различными характеристиками. Долгосрочной целью этого проекта является инвентаризация невозобновляемых и медленно возобновляемых ресурсов, таких как минералы и ископаемые топлива, водные запасы, наблюдение за состоянием сельского хозяйства и атмосферы. Программа ориентирована на возможность опознавать, прогнозировать и в ряде случаев контролировать некоторые процессы, относящиеся к океанографии, климатологии, эрозии почвы и загрязнению воды, а также следить за потенциально опасными природными явлениями, такими как наводнения, засуха, штормы, землетрясения и извержения вулканов. На сегодняшний день снимки SPOT по своим технико-экономическим показателям являются одними из наиболее привлекательных материалов ДЗЗ.

ИСЗ SPOT находится на солнечно-синхронной орбите высотой 832 км с наклонением 98 °, длительность цикла - 26 дней, позволяет выполнять стереосъемку с разрешением 2,5 м.

ИСЗ компании GeoEye Ikonos-2 обеспечивает стереосъемку объектов при разрешении 1м с одного витка при высоте орбиты 680 км.

Индийская организация по исследованию космоса ISRO (Indian Space Research Organisation ) 5 мая 2005 г. успешно осуществила запуск спутника Cartosat-1, предназначенного для стереосъемки поверхности Земли с высоты 618 км. Спутник несет на себе два панхроматических сенсора, один из которых установлен на платформе с наклоном (по отношению к направлению полета) вперед на 26 °, а второй - с наклоном назад на 5 °. Совместная работа этих двух камер обеспечивает получение стереоскопических пар снимков с пространственным разрешением 2,5 м за один проход спутника над снимаемой территорией. С учетом многих условий была избрана полярная солнечно-синхронная орбита с наклонением 97,87 °.

Вместе с тем, по мере развития программы МКС, происходит дооснащение бортового комплекта фото-, видеоаппаратуры современными оптико-электронными устройствами, обладающими более совершенными техническими характеристиками. Так, например, размер ПЗС матрицы фотоаппаратов увеличился с 2,74 Мп до 12,84 Мп, что в сочетании с объективом, обладающим фокусным расстоянием 800 мм, дает возможность рассматривать бортовой фотоаппарат в качестве аппаратуры высокого разрешения. Высота орбиты МКС над поверхностью Земли может находится в диапазоне от 335 до 460 км.

Наклонение орбиты 51,6 °. Предварительные расчеты показывают, что с учетом параметров орбиты и технических характеристик фотоаппаратуры на борту РС МКС можно получить изображения, в том числе и стереопары, подстилающей поверхности с разрешением 2,9 м.

Съемка Земли из космоса гораздо информативнее, чем наземная геоинформационная система. Она дает возможность оперативно получать большой объем информации с необходимым разрешением. Это позволяет создавать трехмерные модели подстилающей поверхности для визуализации рельефа и последующего решения различных прикладных задач.

Возможность использования системы виртуального окружения для визуализации изображений земной поверхности и подготовки космонавтов. В настоящее время существует большое количество программных комплексов, в том числе рассчитанных на персональные компьютеры, позволяющих извлекать из стереоизображений пространственную информацию, восстанавливать рельеф местности, объектовый состав и размещать восстановленную информацию на полученных трехмерных цифровых картах. Однако задача качественной визуализации трехмерной информации о поверхности Земли до конца не решена. В качестве решения предлагается использовать систему виртуального окружения (ВО) (virtual environmen). Предназначение установок виртуального окружения состоит в том, чтобы обеспечить отдельных пользователей или группы виртуальным рабочим пространством, в котором они могут наблюдать, исследовать и создавать в реальном времени необходимые им виртуальные данные [1].

Практически все установки виртуального окружения имеют следующие элементы:

- графический обработчик: специально разработанное для создания стереоскопических изображений программное обеспечение, работающее на SGI-суперкомпьютере или Linux-кластере;

- проекционная система, которая отображает просчитанную сцену на экран;

- многоканальная аудиосистема, способствующая погружению пользователя в виртуальный мир модели;

- устройство слежения (или трекинга), которое измеряет положение и ориентацию головы пользователя, а также возможно руки или указки; данные, произведенные устройством слежения читаются графическим обработчиком, чтобы определить перспективно правильное изображение для любой точки зрения пользователя и правильно распределить звук по каналам;

- специальные очки, необходимые пользователю для восприятия трехмерного изображения [2].

Используя данную технологию для визуализации стереокарт и виртуальных ландшафтов при подготовке космонавтов, можно существенно повысить эффективность обучения.

Система виртуального окружения дает возможность визуализировать процессы любой сложности, в том числе и такие, которые невозможно наблюдать в обычной обстановке. В условиях подготовки к полету космонавт часто сталкивается именно с такими процессами и явлениями. Например, на занятиях по навигации, баллистике,

сближению и спуску необходимо представить положение и траекторию движения космического аппарата в пространстве, реакцию на работу двигателей, полет при появлении нештатных ситуаций. Без хорошо развитого пространственно-образного мышления возникает вероятность ошибочного понимания процессов.

Очевидна актуальность использования системы виртуального окружения при решении задач подготовки к внекорабельной деятельности (ВКД) и ее обеспечении при выполнении работ на орбите. Система позволит «пройти» по маршрутам на внешней поверхности станции, оценить расстояния, возможности перемещения, доступность узлов и оборудования, расположенных вне станции.

При проведении занятий по изучению конструкции космического аппарата обучаемый получает возможность «проникать» под обшивку или за панели пультов для изучения монтажа, увидеть маршруты прокладки кабелей, трубопроводов, причем отображение этих элементов можно производить «по слоям» для изучения отдельных автономных систем либо в комплексе, соответственно со штатным изделием. Данная возможность обычно отсутствует на физическом тренажере или реальном объекте.

Космонавт может самостоятельно или под контролем преподавателя провести «виртуальную экскурсию», ознакомиться с оборудованием реального объекта.

Таким образом, виртуальная реальность становится связующим звеном между теоретической и практической подготовкой, способствуя установлению ассоциативных связей между содержательным смыслом явления и его информационной моделью, воспроизводимой в виртуальной среде и на тренажере [3].

Взаимодействие с объектами виртуальной среды может сопровождаться предъявлением обучаемому справочных сведений о назначении, составе, принципе действия, технических характеристиках объектов и узлов, с которыми работает обучаемый.

Система ВО может быть использована на всех этапах подготовки космонавтов для решения следующих задач:

- формирование знаний по теоретическим основам космонавтики (астрономия, геофизика, материаловедение и т. п.);

- ознакомление с конструкцией и принципами построения космического корабля, его служебных систем, научного и специального оборудования, приобретение первоначальных практических навыков работы с ними;

- ознакомление с теоретическими основами научных исследований и экспериментов, проводимых на космической станции;

- обзорное изучение систем орбитального пилотируемого комплекса;

- формирование навыков выполнения типовых операций по эксплуатации, инвентаризации оборудования, техническому обслуживанию и ремонту и монтажно-демонтажным работам;

- подготовка по задачам ВКД;

- проведение подготовок к тренировкам на тренажере и их разбор.

При выполнении космического полета система ВО может быть использована для сопровождения ВКД и визуализации моделей развития ситуаций, происходящих на орбите.

Таким образом, в статье рассмотрена возможность использования системы виртуального окружения для визуализации изображений земной поверхности и подготовки космонавтов. Данный подход может стать одним из путей практического решения существующих и прогнозируемых проблем подготовки экипажей ПКА. Можно надеяться, что положительный эффект от создания системы виртуального окружения и ее использования распространится за пределы рассматриваемой в статье области пилотируемой космонавтики.

Автор выражает благодарность своим коллегам из Института физико-технической информатики

Ю. М. Батурину, С. В. Клименко, А. И. Шурову за поддержку и помощь в подготовке статьи.

D. Yu. Shcherbinin

THE VIRTUAL ENVIRONMENT SYSTEM APPLICATION FOR VISUALIZATION OF THE EARTH SURFACE IMAGES WHICH MADE ON BOARD OF THE INTERNATIONAL SPACE STATION

It is considered the article covers questions of informational technologies use during the analysis of information coming from the International Space Station. In order to resolve the problem of earth s imagery informational capacity increase it is proposed to use a method of stereophotography onboard. For data visualization it is proposed to use the virtual environment system.

Space stereophotography systems are analyzed, prospects of computer-generated virtual environment use for Earth images visualization as well as for spacecrafts crew training are discussed.

Библиографический список

1. Байгозин, Д. А. Интерактивное повествование в виртуальном окружении: обучающая система «Виртуальный Планетарий» / Д. А. Байгозин [и др.] // Вычислительные методы программирования. 2004. Т. 5. № 2. С. 192-205.

2. Клименко, С. В. Аванго: система разработки виртуальных окружений / С. В. Клименко, И. Н. Никитин, Л. Д. Никитина. М. : ИФТИ, 2006. 250 с.

3. Шукшунов, В. Е. Тренажерные комплексы и тренажеры. Технологии разработки и опыт эксплуатации / В. Е. Шукшунов [и др.]. М. : Машиностроение, 2005. 384 с.

УДК 539.3

Р. А. Сабиров

К РАСЧЕТУ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ПЕРЕХОДНЫХ ФЕРМЕННЫХ ОТСЕКОВ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ

Предлагается подход к расчету пространственных шарнирно-стержневых систем с жесткими элементами типа переходных отсеков, заключающийся в приложении принципа возможных перемещений в сочетании с методом конечных элементов. Рассматриваются этапы расчета конструкций от формулировки краевой задачи и компьютерного моделирования до анализа напряженно-деформированного состояния. Рассмотрены вопросы точности и достоверности решений.

Ферменные переходные отсеки ракет-носителей состоят из двух кольцевых шпангоутов, соединенных с обшивкой каждой ступени ракеты и симметрично расположенных стержневых элементов фермы. В работах [1-3] рассматривается расчет напряженного состояния переходного отсека (рис. 1), в каждом узле которого сходятся только два стержня (рис. 1, а). При расчете типовых ферм предполагаются такие упрощения, при которых одинаковыми оказываются жесткость и длина стержней; учитывается симметрия конструкции и симметрия загружения типовыми нагрузками. Типовыми нагрузками являются продольная, перерезывающая силы и изгибающий момент. Задача сводится к статически определимой задаче.

Приложение МКЭ в сочетании с принципом возможных перемещений для учета жесткой вставки позволяет рассчитывать неограниченное разнообразие конструкций ферм переходных отсеков. В качестве примера расчета рассмотрим переходную ферму (рис. 1, б). Постановка задачи расчета состоит из двух этапов.

Этап постановки задачи МКЭ. Отделим диск от фермы и рассмотрим ее деформирование. Разберем получение матрицы жесткости пространственного прямолинейного элемента. Обозначим узлы стержня (конечный элемент) (рис. 2) в системе координат Охуі номерами 1 и 2 (рис. 2, а). Узел стержня 1 имеет проекцию перемещения на ось стержня, равную Д1 = 1и1 + ту1 + пм>1; проекция смещения узла 2 на ось стержня, записывается анало-