От физических испытаний к цифровому прототипу
Мне всегда был интересен космос — это неисчерпаемая и полная загадок наука сегодня несет в себе и совершенно земной потенциал. Помимо интернета и навигации, космические спутники ведут мониторинг окружающей среды и отслеживают изменения в экосистемах, включая вырубку лесов, изменение водных ресурсов, критическое повышение температуры, а значит, и потенциальные очаги пожаров, загрязнение и другие экологические проблемы.
Для их запуска инженеры и будущие специалисты осваивают методы функционального моделирования спутников дистанционного зондирования земной поверхности на сложных компьютерных программах. Вместо дорогостоящих физических испытаний они создают цифровые модели аппаратов и исследуют работу бортовых систем спутника. В основе такого подхода лежит так называемый цифровой двойник (или функциональный двойник) ― модель в программе, воспроизводящая не столько внешний вид аппарата, сколько принцип работы. Основное внимание уделяется взаимодействию между его подсистемами, работе бортового компьютера с различными командами и событиями, а также алгоритмам управления.
И здесь найдется место для студенческой практики. Так, будущие инженеры в рамках ФП «Кадры для космоса» моделируют работу системы ориентации, средств связи, полезной нагрузки и других компонентов космического аппарата. Виртуальный спутник способен менять режимы работы, выполнять съемку поверхности Земли, сохранять полученные данные и передавать их на наземные станции.
Обучение через моделирование
В МФТИ одним из инструментов цифрового моделирования является программный комплекс «Интеграл», предназначенный для решения широкого круга задач, связанных с исследованием космических систем. Он позволяет моделировать как работу орбитальных группировок, рассматриваемых в виде совокупности материальных точек, так и функционирование отдельного космического аппарата как набора взаимосвязанных подсистем.
Так, на уровне группировки «Интеграл» дает возможность рассчитывать орбитальное движение спутников, определять зоны радиовидимости, планировать целевые операции и анализировать эффективность выполнения задач. Пример такого моделирования представлен на рисунке ниже — космический аппарат зондирует территорию РФ и, пролетая над станцией в Мурманске, сбрасывает данные. Моделирование с обобщенными характеристиками помогает определить требования к системе в целом и дальше спускать ограничительные рамки на отдельные устройства.
При переходе к более детальному моделированию спутник рассматривается уже не как абстрактный объект на орбите, а как сложная техническая система, включающая средства связи, систему энергоснабжения, полезную нагрузку, исполнительные органы и бортовые вычислители.
В работе по созданию перспективного космического аппарата и проведению моделирования студенты могут участвовать даже после первого курса, в рамках летней стажировки и работы в Молодежном конструкторском бюро. Важно сформировать требования к космическому аппарату и к группировке в целом, определить необходимое количество космических аппаратов для решения целевой задачи, рассчитать циклограммы работы.
Испытания в цифре: штатные режимы и аварийные сценарии
Особое значение функциональное моделирование имеет для спутников дистанционного зондирования Земли. Во время пролета над заданным районом аппарат должен за ограниченное время выполнить целую последовательность действий: развернуться в нужном направлении, стабилизировать положение, включить оптическое оборудование, провести съемку и отправить информацию на Землю.
Одновременно аппарат расходует электроэнергию, вырабатывает ее с помощью солнечных батарей и поддерживает требуемую ориентацию в пространстве. Во время виртуальных испытаний ученые используют циклограммы и временные ряды для анализа состояния космического аппарата, включая его угловое движение, работу исполнительных органов, точность наведения, энергетический баланс и процессы накопления и передачи данных. Такой подход позволяет заранее определить, сможет ли аппарат выполнить заданную циклограмму и как отдельные подсистемы влияют друг на друга.
Для управления космическим аппаратом создается специализированная система, содержащая несколько уровней абстракции. Начинается все с алгоритмов работы отдельных устройств и наш случай не исключение — это аппаратно-привязанные решения. Далее идут алгоритмы управления блоками устройств, алгоритмы базовых команд ― ориентация на солнце, трехосная ориентация и подобные. Заканчивается все абстрактными алгоритмами верхнего уровня, которые и отвечают за целевое решение задачи.
Отдельное направление работы связано с моделированием нештатных ситуаций. В программу намеренно вводят ошибки, сбои датчиков и некорректные команды. Это позволяет проверить, сможет ли аппарат распознать проблему, перейти в безопасный режим и восстановить нормальную работу. Подобный подход помогает выявлять недостатки программного обеспечения еще до создания реального спутника.
Почему это выгодно и важно для отрасли
Для космической отрасли это особенно важно: исправить ошибку после запуска значительно сложнее и дороже, чем обнаружить ее на этапе проектирования.
Кроме того, сегодня важно разрабатывать не только космический аппарат, а рассматривать спутник как основу для цифровых сервисов. Такие сервисы должны эффективно предоставлять полезные данные для многих отраслей народного хозяйства. Функциональное моделирование позволяет увидеть взаимосвязи внутри системы, понять как отдельные технические решения влияют на общий результат. Цифровые двойники предоставляют возможность инженерам проектировать архитектуру космических систем, анализировать сложные технические процессы и искать наилучшее решение в условиях технических и экономических ограничений. Такой подход сокращает сроки разработки космической техники и помогает подготовить на реальных проектах будущих специалистов, способных решать задачи современной ракетно-космической отрасли.
Ранее Наука Mail рассказывала, зачем ученые переводят горные породы в виртуальный мир.