СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДЕФОРМАЦИИ КОРПУСА ОБЪЕКТА ПРЕИМУЩЕСТВЕННО КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА
METHOD OF DETERMINING DEFORMATION OF HOUSING OF OBJECT OF MAINLY SPACECRAFT

Изобретение относится к способам технологического контроля технических средств и может быть использовано для определения величины деформации различных частей корпуса объекта, например, транспортной и/или аэрокосмической техники.
Определение деформаций корпусов объектов является важной задачей и ее решению посвящено большое количество работ: например, Телянер Б.Е. и др. Технология ремонта корпуса судна. - Л.: Судостроение, 1984; патент РФ 2380273 «Способ ведения измерений в ходе контроля местных остаточных деформаций корпуса судна» и др.
Корпуса разнообразных объектов - транспортных средств, аэрокосмических аппаратов и т.д. - подвержены деформации на разных этапах их жизненного цикла: этапах создания, испытаний, транспортировки, эксплуатации. Деформация корпуса объектов обусловлена двумя основными причинами: перепадом давления внутри объекта и снаружи и изменением температуры на корпусе объекта в процессе его эксплуатации. Указанные факторы приводят к деформации корпуса объекта, в том числе отклонению чувствительных осей установленных на корпусе приборов от их номинального положения, что, например, может ухудшать их целевое использование на объекте.
Известно измерение деформации рельсов (патент РФ 2143359 С1, МПК(1995.01): В61К 9/08) посредством устройства, содержащего две измерительные тележки с установленными на них рамам с измерительными элементами, колеса тележек контактируют с головками рельсов рельсового пути и связаны с измерительными элементами, при этом одна тележка вмонтирована в тележку грузового вагона, движение которого приводит к деформации рельса, а вторая измерительная тележка расположена вне зоны деформации.
Известно определение деформации в системе продольного управления и управления общим шагом несущего винта вертолета (патент РФ 2556043 С1, МПК (2006.01): B64F 5/00), включающее определение максимальной разницы между величинами шага винта, измеренными при выполнении летных испытаний и наземной градуировке, для чего определяют углы установки лопастей несущего винта, углы взмаха, углы качания лопасти, вычисляют линейные перемещения рукавов втулки несущего винта при различных значениях углов общего шага управления несущим винтом; измеряют усилия на бустерах, определяют зависимости отклонений углов установки лопасти и углов отклонения автомата перекоса в продольном направлении от шага винта, проводят наземную градуировку на ненагруженной системе управления, включая забустерную и вращающиеся части управления; по полученной разнице устанавливают величину деформации от забустерной части системы управления до втулки несущего винта, оценивают разницу между допустимым отклонением ручки управления по продольному каналу и полученным в полете, а затем регулируют перемещение ручки управления для получения устойчивого движения вертолета по скорости полета. Способ позволяет повысить точность оценки деформаций в системе продольного управления.
К недостаткам данного и аналогичных способов определения деформации с привлечением измерений угловых характеристик положения конструктивных элементов объекта, что данные способы могут быть использованы для определения деформации только в месте установки соответствующих измерительных датчиков/приборов. Как правило датчики и приборы стоят в определенных/фиксированных местах на корпусе объекта и в процессе его эксплуатации установка новых датчиков и приборов на корпусе объекта может являться сложной/затратной или невыполнимой задачей.
Известен способ определения деформации корпуса объекта -космического аппарата (патент РФ 2605232, МПК (2006.01) B64G 1/22, заявка №2015122901, 15.06.2015 - прототип), согласно которому фиксируют на объекте в заданном положении фотокамеру, выбирают в качестве реперных точек ориентиры на внешней поверхности объекта, попавшие в поле зрения фотокамеры, и фиксируют направления от фотокамеры на реперные точки, в процессе полета измеряют острый угол а между нормалью к плоскости, касательной к внешней поверхности объекта в реперной точке, и направлением на Солнце, измеряют острый угол β между оптической осью фотокамеры и направлением на Солнце, для достижения требуемой освещенности фотографируемой реперной точки изменяют ориентацию объекта до достижения углом α заданного значения, а углом β значения, превышающего величину угла поля зрения фотокамеры, выполняют серию снимков реперной точки за выбранный для определения деформации корпуса объекта интервал времени, последовательно накладывают полученные снимки реперной точки друг на друга и по смещению изображения реперной точки на снимке определяют деформацию корпуса объекта. Способ-прототип позволяет определить деформацию корпуса объекта в местах, не ограниченных установкой приборов измерения базовых направлений.
К недостаткам способа-прототипа можно отнести, в частности, то, что при его использовании могут возникать помехи, вызываемые вибрацией корпуса объекта, что может привести к ухудшению точности определения/идентификации изображения реперной точки на снимке и, как следствие, понизить точность последующего определения деформации корпуса объекта.
Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является выполнение гарантированного определения деформации корпуса объекта.
Технический результат предлагаемого изобретения заключается в повышении надежности и точности определения деформации корпуса объекта за счет минимизации/исключения помех от вибрации корпуса объекта.
Технический результат достигается тем, что в способе определения деформации корпуса объекта преимущественно космического аппарата, включающем измерение острого угла а между направлением от выбираемого на поверхности объекта ориентира на источник освещения и нормалью к плоскости, касательной к поверхности объекта в точке ориентира, измерение острого угла β между оптической осью установленной на объекте съемочной аппаратуры и направлением от съемочной аппаратуры на источник освещения, сравнение данного угла с задаваемой величиной, определяемой характеристикой поля зрения съемочной аппаратуры, изменение ориентации корпуса объекта до достижения углом α заданного значения, а углом β значения, превышающего сравниваемую с ним величину, выполнение серии снимков ориентира и определение деформации корпуса объекта по смещению изображения ориентира на снимках, в отличии от прототипа дополнительно измеряют текущие значения микроускорений жесткозакрепленным на корпусе объекта датчиком, сравнивают полученные измерения с задаваемым пороговым значением, определяемым требованиями к точности определения деформации корпуса объекта, съемку ориентира выполняют в моменты, в которые текущее измеренное значение микроускорения не превышает пороговое значение, при этом для определения деформации корпуса объекта отбирают снимки, выполненные в моменты времени, отстоящие от моментов, в которые измеренные значения микроускорения превышают пороговое значение, на задаваемые интервалы времени, определяемые из условия затухания амплитуды вибрационных колебаний корпуса объекта до требуемого уровня и величиной рассогласования временной привязки измерений микроускорений и снимков, а при упомянутом сравнении угла β данный угол сравнивают с полураствором конуса поля зрения съемочной аппаратуры.
Суть предлагаемого изобретения поясняется рисунком, на котором обозначено:
1 - ориентир на внешней поверхности объекта;
2-плоскость, касательная к внешней поверхности объекта в точке ориентира;
3 - съемочная аппаратура;
L - вектор оптической оси съемочной аппаратуры;
N- нормаль к плоскости, касательной к внешней поверхности объекта в точке ориентира;
S* - направление от ориентира на источник освещения;
S** - направление от съемочной аппаратуры на источник освещения;
V- направление от ориентира к съемочной аппаратуре;
α - острый угол между направлением от ориентира на источник освещения и нормалью к плоскости, касательной к внешней поверхности объекта в точке ориентира;
β - острый угол между оптической осью съемочной аппаратуры и направлением от съемочной аппаратуры на источник освещения;
ϕ - полураствор конуса поля зрения съемочной аппаратуры.
Поясним предложенные в способе действия на примере определения деформации корпуса объекта - например, космического аппарата (КА), -освещаемого источником освещения - Солнцем. Отметим, что в этом случае обозначенные на рисунке направления S* и S** параллельны (совпадают).
Устанавливают, например, в фиксированное положение на объекте съемочную аппаратуру (например, фотокамеру), с помощью которой можно выполнять обзор/съемку внешней поверхности объекта.
Выбирают на внешней поверхности объекта ориентиры (реперные точки), съемку которых можно выполнить с помощью данной съемочной аппаратуры. Например, ориентирами могут быть характерные элементы конструкции объекта: границы конструктивных элементов, приборов и т.д.
Измеряют острый угол α между направлением от выбираемого на поверхности объекта ориентира на источник освещения и нормалью к плоскости, касательной к внешней поверхности объекта в точке ориентира.
Измеряют острый угол β между оптической осью установленной на объекте съемочной аппаратуры и направлением от съемочной аппаратуры на источник освещения.
Сравнивают угол β с задаваемой величиной, определяемой характеристикой поля зрения съемочной аппаратуры, - а именно, с величиной, равной полураствору ϕ конуса поля зрения съемочной аппаратуры.
В процессе жизненного цикла функционирования объекта изменяют ориентацию корпуса объекта до одновременного выполнения следующих условий:
а) достижения углом а заданного значения α*
m
n
max
где [αj, α] - диапазон возможных значений угла α*, при котором обеспечивается требуемый уровень освещенности ориентира - уровень освещенности, необходимый и достаточный для получения/идентификации изображения ориентира на получаемом снимке;
б) достижения углом β значения, превышающего сравниваемую с ним величину полураствора ср конуса поля зрения съемочной аппаратуры,
Условие (1) обеспечивает достижение углом α значения α*, при котором реализуется требуемая освещенность снимаемого ориентира.
Условие (2) обеспечивает достижение углом β значений, при которых исключается попадание в поле зрения съемочной аппаратуры прямых лучей от источника освещения, чем исключается возможная засветка снимка и нештатная работа съемочной аппаратуры, которая может привести к ее поломке.
Измеряют текущие значения микроускорений жесткозакрепленным на корпусе объекта датчиком.
Сравнивают полученные измерения с задаваемым пороговым значением, определяемым требованиями к точности определения деформации корпуса объекта.
При нахождении корпуса объекта в описанной ориентации выполняют серию снимков ориентира (реперной точки) в течение выбранного для определения деформации корпуса объекта интервала времени, при этом снимки выполняют в моменты, в которые текущее измеренное значение микроускорения не превышает сравниваемое с ним пороговое значение.
f
ν
t
Из выполненных снимков отбирают те снимки, моменты выполнения которых отстоят от соответственно предшествующих и последующих моментов времени, в которые измеренные значения микроускорения превышают пороговое значение, на задаваемые интервалы времени соответственно Δ+Δ и Δ,
где ν(t) - измеренное значение микроускорения на момент времени t;
- задаваемое пороговое значение микроускорения;
- множество моментов времени, в которые текущее измеренное
значение микроускорения не превышает сравниваемое с ним пороговое значение;
- множество моментов выполнения снимков ориентира (например, моменты времени начала экспозиции снимков);
- момент времени выполнения снимка, отобранного для определения деформации корпуса объекта;
- множество моментов времени, в которые измеренные значения
микроускорения превышают пороговое значение, предшествующих моменту выполнения снимка;
- множество моментов времени, в которые измеренные значения
микроускорения превышают пороговое значение, следующих за моментом выполнения снимка;
ν
Δ - интервал времени, определяемый из условия затухания
амплитуды вибрационных колебаний корпуса объекта до требуемого уровня;
t
Δ - величина рассогласования временной привязки измерений
микроускорений и снимков.
Деформацию корпуса объекта определяют по смещению изображения ориентира на отобранных снимках. Для этого последовательно накладывают отобранные снимки ориентира (реперной точки) один на другой и деформацию корпуса объекта определяют по смещению изображения ориентира (реперной точки) на снимках.
Таким образом, величину деформации корпуса объекта определяют по серии снимков, последовательно полученных при выполнении перечисленных условий съемочной аппаратурой, например, жестко закрепленной на объекте.
Отметим, что условия (1)÷(5) направлены на обеспечение возможности максимально точного определения/идентификации изображения ориентира на снимке. При этом данные условия максимально лишены избыточности, что позволяет выполнять указанную съемку и последующее определение деформации корпуса объекта при максимально широком диапазоне возможных положений объекта. Так, исключение попадания в поле зрения съемочной аппаратуры прямых лучей от источника освещения гарантированно обеспечивается достаточной проверкой выполнения условия (2) - условия на превышение углом β величины ϕ полураствора конуса поля зрения съемочной аппаратуры, - что позволяет выполнять требуемую съемку ориентира при угловых положений объекта, определяемых, в том числе, значениями угла β, непосредственно примыкающими к значению β=ϕ.
Опишем технический эффект предлагаемого изобретения.
Предлагаемое техническое решение обеспечивает повышение надежности и точности определения деформации корпуса объекта за счет минимизации (исключения) помех от вибрации корпуса объекта.
Предлагаемая в настоящем способе методика учета негативного влияния вибрации корпуса объекта на надежность и точность определения деформации корпуса объекта обеспечивает достижение максимально-возможной точности определения/идентификации изображения реперной точки на выполняемых снимках и, как следствие, достижение максимально-возможной точности последующего определения деформации корпуса объекта.
Достижение технического результата обеспечивается за счет выполнения предложенных измерений и предложенного изменения ориентации объекта с обеспечением достижения выполнения предложенных условий в моменты реализации съемок выбранного ориентира (или ориентиров) на поверхности объекта.
Таким образом, выбирая ориентиры (реперные точки) в различных местах корпуса объекта предлагаемый способ позволяет гарантированно получить полную картину деформации объекта в процессе жизненного цикла его функционирования.
Промышленное исполнение существенных признаков, характеризующих изобретение, не является сложным и может быть выполнено по известным технологиям. В настоящее время технически все готово для реализации предложенного способа, например, на КА, на котором могут быть размещены датчики микроускорений, с помощью которых могут осуществляться измерения квазипостоянных значений микроускорений -микроускорений, обусловленых вращением КА вокруг центра масс, неоднородностью гравитационного поля в пределах конструкции КА и действием на КА сопротивления атмосферы (М.Ю. Беляев. «Научные эксперименты на космических кораблях и орбитальных станциях», М.: «Машиностроение», 1984; Д.М. Климов, В.И. Полежаев, М.Ю. Беляев, А.И. Иванов, СБ. Рябуха, В.В. Сазонов. «Проблемы и перспективы использования невесомости в экспериментах на орбитальных станциях». РКТ, серия 12, выпуск 1-2, 2011, и др.).