Методические вопросы разработки комплексных моделей на начальных стадиях создания ракетно-космической техники

Исследование направлено на определение методических основ современных цифровых технологий в области моделирования ракетно-космической техники. Проработаны вопросы использования технологий для получения целостного описания разрабатываемого объекта на начальных стадиях создания ракетно-космической техники. Дан обзор цифровых решений из разных областей авиационной и ракетно-космической промышленности. Приведена схема систематизации многочисленных примеров решения задач с помощью цифровых двойников. Рассмотрено соответствующее программное обеспечение, в том числе современные отечественные платформы. Предложен и обоснован подход к построению комплексных моделей ракет-носителей и космических аппаратов для решения исследовательских задач и отработки технологий интеграции моделей. Приведены программные средства и стартовые модели реализации подхода на примере выведения ракеты-носителя на орбиту. Результаты исследования могут быть полезны специалистам предприятий, сотрудникам и студентам учебных заведений аэрокосмической отрасли.
EDN: ZNWYDE, https://elibrary/znwyde

Литература

[1] Эффективное производство 4.0. Мат. практ. промышленной конф. URL: https://oee-conf.ru/materials?ysclid=lybh4trxlf617710582 (дата обращения: 20.06.2024)

[2] Кабанов А.А., Федоров И.А., Дацюк И.В. Содержание и опыт реализации направления модельно-ориентированной разработки ракетно-космических систем в профильных учебных заведениях. Известия высших учебных заведений. Машиностроение, 2022, № 11, с. 78–91, doi: https://doi.org/10.18698/0536-1044-2022-11-78-91

[3] Создание виртуальной платформы для проектирования цифровых двойников. borlas.ru: веб-сайт. URL: https://www.borlas.ru/projects/27/2907 (дата обращения: 20.06.2024).

[4] Ученые создадут цифровой двойник систем космического спутника «Аист» для защиты от сбоев. Дистанционное зондирование Земли из космоса, 2020, № 19, с. 21. URL: https://www.roscosmos.ru/media/files/2022/Dec/19..53..10.20.pdf

[5] Асанова Е.А., Денисов А.Ю., Ревяков Г.А. Научно-методические подходы к формированию модели технологического ресурса цифрового двойника предприятия. Ракетно-космическое приборостроение и информационные системы, 2023, т. 10, № 4, с. 3–14.

[6] Яхутин С.А. Виртуальные механические испытания объектов ракетно-космической техники с использованием цифровых двойников. Ракетно-космическое приборостроение и информационные системы, 2021, т. 8, № 3, с. 43–47, doi: https://doi.org/10.30894/issn2409-0239.2021.8.3.43.47

[7] Кочетков А.Ю. Повышение эксплуатационных и метрологических характеристик термовакуумной камеры ВК-48 путем создания ее цифрового двойника. Вестник РВО, 2024, № 2. URL: https://www.vestnik-rvo.ru/issues/2024-06/6097/ (дата обращения: 20.06.2024).

[8] Юдинцев А.Г., Дмитриев В.М., Ганджа Т.В. и др. Структурно-функциональная схема цифрового двойника испытательного комплекса системы электроснабжения космических аппаратов на основе многоуровневой компьютерной модели. Электротехнические и информационные комплексы и системы, 2022, № 3–4, с. 141–150, doi: https://doi.org/10.17122/1999-5458-2022-18-3-4-141-150

[9] Создание цифрового двойника космоса для управления спутниками. URL: https://www.tadviser.ru/index.php/%D0%9F%D1%80%D0%BE%D0%B4%D1%83%D0%BA%D1%82:%D0%A6%D0%9D%D0%98%D0%98%D0%BC%D0%B0%D1%88:_%D0%A6%D0%B8%D1%84%D1%80%D0%BE%D0%B2%D0%BE%D0%B9_%D0%B4%D0%B2%D0%BE%D0%B9%D0%BD%D0%B8%D0%BA_%D0%BA%D0%BE%D1%81%D0%BC%D0%BE%D1%81%D0%B0?ysclid=mele3auk (дата обращения: 25.05.2024).

[10] Потюпкин А.Ю., Волков С.А., Тимофеев Ю.А. Групповое управление многоспутниковой орбитальной группировкой на основе концепции режимов совместного функционирования. Ракетно-космическое приборостроение и информационные системы, 2021, т. 8, № 3, с. 11–19, doi: https://doi.org/10.30894/issn2409-0239.2021.8.3.11.19

[11] Лихтциндер Б.Я., Ольберг П.А. Моделирование и цифровые двойники. Вестник Самарского государственного технического университета. Сер. Технические науки, 2022, № 4, с. 20–32, doi: https://doi.org/10.14498/tech.2022.4.2

[12] Центр Келдыша завершил 3-й этап по внедрению отечественных IT технологий в ракетно-космическую технику. keldysh-space.ru: веб-сайт. URL: https://keldysh-space.ru/press-tsentr/novosti/zavershen-3-iy-etap-po-vnedreniyu-otechestvennykh-it-tekhnologiy-v-raketno-kosmicheskuyu-tekhniku/?sphrase_id=2702 (дата обращения: 20.06.2024)

[13] Булгаков Д.Г., Иванов А.В., Коновалов Р.А. и др. Применение современных САПР в цикле разработки ЖРД. Труды НПО Энергомаш, 2022, № S38-39, с. 259–289.

[14] Виноградов К.А., Никулин А.С., Шмотин Ю.Н. Опыт АО «ОДК» по внедрению технологий цифрового двойника при создании газотурбинных двигателей. Вестник Самарского университета. Аэрокосмическая техника, технологии и машиностроение, 2023, т. 22, № 4, с. 25–36, doi: https://doi.org/10.18287/2541-7533-2023-22-4-25-36

[15] Зильберберг В.Л., Куприянов Л.А., Мусеев А.А. Цифровой двойник вертолетного двигателя. В: Перспективы развития двигателестроения. Мат. межд. науч.-тех. конф. Им. Н.Д. Кузнецова. Т. 1. Самара, Самарский ун-т, 2023, с. 79–80.

[16] Демонстратор цифрового двойника в облике малоразмерного газотурбинного двигателя на базе отечественного программного обеспечения: первые результаты работы и перспективы развития. URL: https://ascon.ru/news/2023/10/20/demonstrator-cifrovogo-dvojnika-v-oblike-malorazmernogo-gazoturbinnogo-dvigatelya-na-baze-otechestvennogo-programmnogo-obespecheniya-pervye-rezultaty-raboty-i-perspektivy-razvitiya/?ysclid=melehrce1g588864793 (дата обращения: 25.05.2024).

[17] Коростелкин А.А., Клявин О.И., Алешин М.В. и др. Оптимизация массы кузова в контексте краш-теста автомобиля класса внедорожник. Вестник Машиностроения, 2019, № 9, с. 44–50.

[18] Боровков А., Бураков В., Мартынец Е. и др. Цифровая платформа по разработке и применению цифровых двойников "Digital Twins" CML-Bench®. Часть 1. САПР и графика, 2023, № 8, с. 42–51.

[19] Боровков А., Бураков В. Цифровая платформа по разработке и применению цифровых двойников "Digital Twins" CML-Bench®. Часть 2. САПР и графика, 2023, № 8, с. 54–64.

[20] Short C., Kay-Bunnell L., Cather D. et al. Revisiting trajectory design with STK astrogator. Part 2. AAS/AIAA Astrodynamics Specialist Conf., 2021, art. AAS 21-561.

[21] Roumeliotis I. et al. Dynamic simulation of a rotorcraft hybrid engine in Simcenter Amesim. Proc. ERF2018, 2018. URL: https://core.ac.uk/reader/200198060 (дата обращения: 20.06.2024).

[22] Audoire R., Colas T. NAVAIS webinar series: model based systems engineering in 3DEXPERIENCE. NAVAIS Webinars of 2021. URL: https://www.researchgate.net/publication/351455284_navais_webinar_series_model_based_systems_engineering_in_3dexperience (дата обращения: 20.06.2024).

[23] Моисеев Н.Н. Математические задачи системного анализа. Москва, Наука, 1981. 488 с.

[24] Моисеев Н.Н. Математика ставит эксперимент. Москва, Наука, 1979. 224 с.

[25] Краснощеков П.С. и др. Информатика и проектирование. Москва, Знание, 1986. 46 с.

[26] Трегуб В.Г. О математическом описании циклических технологических процессов в аппаратах периодического действия. Электронное моделирование, 1982, № 2, с. 85–88.

[27] Скурихин В.И., ред. Построение современных систем автоматизированного проектирования. Киев, Наукова думка, 1983. 248 с.

[28] Буч Г., Максимчук Р.А., Энгл М.У. и др. Объектно-ориентированный анализ и проектирование с примерами приложений. Москва, Вильямс, 2008. 720 с.

[29] Li T., Lockett H., Lawson C. Using Requirement-Functional-Logical-Physical models to support early assembly process planning for complex aircraft systems integration. J. Manuf. Syst., 2020, vol. 54, pp. 242–257, doi: https://doi.org/10.1016/j.jmsy.2020.01.001

[30] Childs P.R.N. Specification. In: Mechanical design engineering handbook. Butterworth-Heinemann, 2019, pp. 49–73, doi: https://doi.org/10.1016/C2016-0-05252-X

[31] Binder J. Planning space missions with FreeFlyer. Aerospace America, 2005, vol. 43, no. 7, pp. 24–25.

[32] Зухба Р.Д., Куракин П.В., Малинецкий Г.Г. и др. Система моделирования «КОСКОН» как инструмент поддержки принятия решений в космической отрасли. Препринты ИПМ им. М.В. Келдыша, 2015, № 113. URL: https://keldysh.ru/papers/2015/prep2015_113.pdf

[33] Балухто А.Н., Соколов Б.В., Карсаев О.В. Облачная платформа iWebsim как средство имитационного моделирования космических систем. Тр. Десятой всерос. науч.–практ. конф. ИММОД–2021. Санкт–Петербург, АО ЦТСС, 2021, с. 95–104.

[34] Клюшников В.Ю., Романов А.А. Концептуальное проектирование космических систем на основе Lean-принципов. Ракетно-космическое приборостроение и информационные системы, 2019, т. 6, № 3, с. 42–56.

[35] Овчинников М.Ю., Ткачев С.С., Ролдугин Д.С. и др. Программный комплекс для прецизионного моделирования орбитального и углового движения искусственных спутников Земли. Управление движением и навигация летательных аппаратов. Сб. тр. XVII Всерос. семинара по управлению движением и навигации летательных аппаратов. Ч. 1. Самара, Самарский ун-т, 2013, с. 121–123.

[36] Parker J., Conway D. Using the general mission analysis tool (GMAT). AAS Guidance, Navigation and Control Conf., 2017, doi: https://doi.org/10.13140/RG.2.2.12685.54249

[37] Schweiger M. Orbiter: a free spacecraft simulation tool. 2nd ESA Workshop on Astrodynamics Tools and Techniques ESTEC, 2004. URL: https://trajectory.estec.esa.int/Astro/2nd-astro-workshop-presentations/025%20ORBITERSIM,%20a%20free%20spacecraft%20simulation%20tool.pdf (дата обращения: 20.06.2024).

[38] Kawthalkar A., Shah M., Prachchhak I. Modeling and simulation of a direct-ascent anti-satellite missile using Kerbal Space Program (KSP). AS, 2022, vol. 5, no. 6, pp. 285–299, doi: https://doi.org/10.1007/s42401-022-00141-1

[39] Rothe D. When the world is an object: on the governmental promise of a digital twin earth. Int. Polit. Sociol., 2024, vol. 18, no. 3, art. olae022, doi: https://doi.org/10.1093/ips/olae022

[40] LM digital twin maturity model. Lockheed Martin Corporation — 2021. URL: https://www.lockheedmartin.com/content/dam/lockheed-martin/space/documents/digitaltwin/Lockheed%20Martin%20Digital%20Twin%20Maturity%20Model_2021.pdf/ (дата обращения: 10.06.2024).

[41] Erwin S. Slingshot wins 25 million space-force contract to develop digital-twin of the space environment. Spacenews. URL: https://spacenews.com/slingshot-wins-25-million-space-force-contract-to-develop-digital-twin-of-the-space-https://spacenews.com/slingshot-wins-25-million-space-force-contract-to-develop-digital-twin-of-the-space-environment/environment/ (дата обращения: 10.06.2024).

[42] Tadeja S., Lu Y., Seshadri P. et al. Digital twin assessments in virtual reality: an explorational study with aeroengines. IEEE Aerospace Conf., 2020, doi: https://doi.org/10.17863/CAM.47663

[43] Tadeja S.K., Seshadri P. AeroVR: An immersive visualisation system for aerospace design and digital twinning in virtual reality. Aeronaut. J., 2020, vol. 124, no. 1280, pp. 1615–1635, doi: https://doi.org/10.1017/aer.2020.49

[44] Key C., Ferris A., Geissbuhler M. et al. All-sky electro-optical tracking of mega-constellations in low earth orbit. AMOS Conf., 2022. URL: https://amostech.com/TechnicalPapers/2022/Optical-Systems_Instrumentation/Key.pdf (дата обращения: 20.06.2024).

[45] Gershenzon O. «Lenticularis» is the new approach in L-band ground stations for LEO satellites. CSPP Uses’s Group Conf., 2019. URL: https://www.ssec.wisc.edu/meetings/cspp/2019/presentations/files/24%20Gershenzon_Olga_Lorett_LLC_Presentation.pdf (дата обращения: 20.06.2024).

[46] Sun V.Z., Hand K.P., Stack K.M. et al. Overview and results from the Mars 2020 Perseverance rover’s first science campaign on the Jezero crater floor. JGR Planets, 2023, vol. 128, no. 6, art. e2022JE007613, doi: https://doi.org/10.1029/2022JE007613

[47] Betz E. The Skycrane: how NASA’s Perseverance rover will land on Mars. Astronomy Magazine, 2021. URL: https://www.astronomy.com/space-exploration/the-skycrane-how-nasas-perseverance-rover-will-land-on-mars/ (дата обращения: 20.06.2024).

[48] Широбоков В. Без права на ошибку. CADmaster, 2012, № 6, с. 40–44.

[49] Yue B. A hardware-in-the-loop test platform for planetary rovers. Master Thesis. University of Waterloo, 2011. 113 p.

[50] Azimi A., Holz D. et al. Mobility prediction of rovers on soft terrain: effects of wheel- and tool-induced terrain deformations. Adaptive Mobile Robotics, 2012, pp. 647–654.

[51] Saracco R. Digital twins: evolution in manufacturing. IEEE Digital Reality, 2022. 32 p.

[52] McElwain M.W., Feinberg L.D., Perrin M.D. et al. The James Webb space telescope mission: optical telescope element design, development, and performance. PASP, 2023, vol. 135, art. 058001, doi: https://doi.org/10.1088/1538-3873/acada0

[53] Erwin S. York Space Systems acquires emergent space technologies. URL: https://spacenews.com/york-space-systems-acquires-emergent-space-technologies (дата обращения: 28.06.2024).

[54] Wei R., Yang R., Liu S. et al. Towards an extensible model-based digital twin framework for space launch vehicles. J. Ind. Inf. Integration, 2024, vol. 41, art. 100641, doi: https://doi.org/10.1016/j.jii.2024.100641

[55] Norris M. 20 years of SPDM in successful production; towards a convergence of SPDM and PIDO. NAFEMS World Congress 2021 SPDM International Conference. 24 p.

[56] Britto Maria R., de Freitas Leal M., Sousa Junior E. et al. Applications of SPDM in aircraft structural analysis at Embraer. Adv. Model. and Simul. in Eng. Sci., 2019, vol. 6, art. 12, doi: https://doi.org/10.1186/s40323-019-0136-9

[57] Прохоров А.А., Назаренко А.М. Архитектура системы управления потоками работ с возможностью облачного и настольного развертывания. Четвертый НСКФ, 2015. URL: http://2015.nscf.ru/Presentations/08_Integraciya_visokoyrovnevix_resyrsov/8_05_347_ProkhorovAA.pdf (дата обращения: 20.06.2024).

[58] Gusev M.P., Nikolaev S.M., Uzhinsky I.K. et al. Application of optimization in the early stages of product development, using a small UAV case study. In: Product lifecycle management to support industry 4.0. Springer, 2018, pp. 294–303, doi: https://doi.org/10.1007/978-3-030-01614-2_27

[59] Биряльцев Е.В., Галимов М.Р., Демидов Д.Е. и др. Платформенный подход к выполнению исследовательских и проектных работ с использованием высокопроизводительных вычислений. Программные системы: теория и приложения, 2019, т. 10, № 2, с. 121–153, doi: https://doi.org/10.25209/2079-3316-2019-10-2-121-153

[60] Цымбал М.Р., Семичастнов А.Е., Балакин Д.А. и др. Разработка цифрового двойника наземной радионавигационной системы по принципам модельно-ориентированного проектирования с помощью математической среды моделирования Engee. Труды МАИ, 2024, № 136. URL: https://trudymai.ru/published.php?ID=180679

[61] Хабаров С.П., Шилкина М.Л. Основы моделирования технических систем. Среда Simintech. Санкт-Петербург, Лань, 2022. 120 с.

[62] Бойков В.Г., Юдаков А.А. Моделирование динамики системы твердых и упругих тел в программном комплексе Euler. Информационные технологии и вычислительные системы, 2011, № 1, с. 42–52.

[63] Карпенко А.П., Мухлисуллина Д.Т., Овчинников В.А. Разработка математической модели двигателя внутреннего сгорания с использованием программного комплекса PRADIS. Наука и образование: научное издание, 2015, № 1. EDN: KCKRWX

[64] Ганджа Т.В., Ушаков А.О., Молоков П.Б. и др. Разработка математических моделей для аппаратов ядерно-топливного цикла в среде моделирования МАРС и их интеграция в виртуальную лабораторию. Современное образование: интеграция образования, науки, бизнеса и власти. Мат. межд. науч.-метод. конф. Ч. 1. Томск, ТУСУР, 2024, с. 148–152.

[65] Боровков А., Рябов Ю., Марусев В. «Умные» цифровые двойники – основа новой парадигмы цифрового проектирования и моделирования глобально конкурентоспособной продукции нового поколения. Трамплин к успеху, 2018, № 13, с. 12–16.

[66] Партола И.С. Развитие средств математического моделирования двигательных установок ракет космического назначения. Труды МАИ, 2011, № 46. URL: https://trudymai.ru/published.php?ID=26017

[67] Сафуанов Р.Р., Хороших А.В., Сальников А.Ф. К некоторым вопросам математического моделирования работы жидкостных ракетных двигателей. Двигатель, 2019, № 2, с. 1–11.

[68] Mena D.J., Pluchart S., Mouvand S. et al. Rocket engine digital twin. TFAWS, 2019. URL: https://tfaws.nasa.gov/wp-content/uploads/TFAWS19-ID-04-Paper.pdf (дата обращения: 20.06.2024).

[69] Феодосьев В.И. Основы техники ракетного полета. Москва, Наука. 1979. 494 с.

[70] Фортескью П., ред., Суайдера Г., Старка Д. Разработка систем космических аппаратов. Москва, Альпина Паблишер, 2015. 764 с.

[71] Космический софт. forum.novosti-kosmonavtiki.ru: веб-сайт. URL: https://forum.novosti-kosmonavtiki.ru/index.php?topic=8151.0/ (дата обращения: 30.05.2024).

[72] Баранов Д.А., Еленев В.Д. Типовые решения в проектировании и конструировании элементов ракет-носителей. Самара, Изд-во Самарского ун-та, 2020. 112 с.

[73] Кабанов А.А. Прототипирование в разработке изделий ракетно-космической техники и систем их производства. Инженерный журнал: наука и инновации, 2022, № 8, doi: http://dx.doi.org/10.18698/2308-6033-2022-8-2202