Національний авіаційний університет

Мельниченко Андрій Володимирович

УДК 629.735.017.1.05:621:39(045)

Пасивне керування захистом трас електропроводки

повітряних суден від непрямого впливу блискавки"

спеціальність 05.13.03 "Системи та процеси керування"

Автореферат

на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ 2001

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Національному авіаційному університеті Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник:

доктор технічних наук, професор, Синєглазов Віктор Михайлович, завідувач кафедрою "Комп'ютерно-інтегровані комплекси", Національний авіаційний університет.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор, Ігнатов Володимир Олексійович, завідувач кафедрою "Телекомунікаційні системи", Національний авіаційний університет Міністерства освіти і науки України;

кандидат технічних наук, Ніколаєнко Володимир Федорович, доцент кафедри "Автоматизація та комп'ютерно-інтегровані комплекси", Український державний університет харчових технологій Міністерства освіти і науки України.

Провідна установа – Національний технічний університет України "КПІ", кафедра технічної кібернетики,

Захист відбудеться 22.11.2001 р. 15-00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д .062.05 при Національному авіаційному університеті за адресою: 03058, м. Київ, проспект космонавта Комарова,1 НАУ.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці НАУ.

Автореферат розісланий 11.10.2001 року.

Вчений секретар Жданов О.І.

Загальна характеристика роботи

Актуальність роботи: Обсяг і характер задач, висунутих нині перед цивільною авіацією України потребує не часткових поліпшень, а значних комплексних заходів, які б визначили подальший якісний стрибок у її розвитку.

Значне ускладнення конструкції виробів і систем авіаційної техніки, збільшення виконуваних функцій, автоматизація процесів функціонування складних авіаційних систем, застосування більш навантажених режимів роботи приладів, урахування різних ефектів конструкції загострили проблему забезпечення безпеки й регулярності польотів, рівень яких значною мірою визначається надійністю роботи електронних систем та пристроїв повітряних суден (ПС). Одним із найнебезпечніших джерел перешкод, впливаючих на роботу електронних систем, є розряд блискавки, що проходить по обшивці ПС.

У сучасних повітряних апаратах використовується напівпровідникова електронна техніка, що працює при малих рівнях потужності і, отже, вразлива до імпульсних струмів та напруг, що наводяться в її ланцюгах розрядом блискавки та полями від інших електричних мереж усередині літака. Також одним із слабких місць на борту літальних апаратів з точки зору захищеності від зовнішніх електромагнітних перешкод є провідні траси електропроводки (ТЕ).

Найдешевшим і, одночасно, ефективним методом захисту від впливу блискавки є топологічний підхід, що базується на оптимальному розміщенні.

Таким чином, актуальною являється задача оптимального, з урахуванням мінімізації впливу блискавки, розміщення ТЕ ПС. На оптимальність розміщення впливають ще й економічні фактори, що пов'язані з необхідністю скорочення довжини, маси та вартості системи ТЕ.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами: Дослідження, які склали основний зміст роботи, виконувалися у відповідності з темою №607-ГА95 "Створення програмного комплексу оптимального розміщення ліній зв'язку пілотажно-навігаційних комплексів повітряних суден, що забезпечує захист пілотажно-навігаційних комплексів від вражень блискавки".

Мета і задачі дослідження: Метою даної дисертаційної роботи є розробка методики керування зменшенням наводок, структури та алгоритмів системи автоматизованого проектування оптимальної схеми прокладки ТЕ ПС.

Для досягнення поставленої мети автором визначені та розв'язані наступі задачі.

1. Розробка метода знаходження точок контакту ПС з каналом блискавки.

2. Розробка алгоритму знаходження розподілення вільних зарядів на поверхні ПС.

3. Формування системи критеріїв оптимальності схеми прокладки.

4. Формування на основі часткових критеріїв складного, обґрунтування його вигляду.

5. Обґрунтування вибору нормуючих дільників для складових глобального критерію оптимальності.

6. Розробка метода вирішення багатокритеріальної задачі оптимізації схеми розміщення трас електропроводки.

7. Розробка структури та алгоритмів системи автоматизованого проектування схеми прокладки трас електропроводки повітряних суден.

Наукова новизна роботи полягає у наступному:

­ запропоновано представлення задачі керування процесом ослаблення впливу блискавки на електронне обладнання у вигляді задачі оптимального розміщення ТЕ ПС;

­ розроблено методику визначення точок контакту каналу блискавки з поверхнею ПС, що базується на багатократному визначенні розподілення вільних зарядів по поверхні ПС;

­ розроблено алгоритм визначення точок враження ПС, що дає можливість визначати ймовірні точки контакту при любих значеннях кутів крену та тангажу і початковому положенні лідера блискавки;

­ розроблено методику проведення чисельного експерименту, що дає можливість враховувати особливості польотів у різних умовах;

­ сформульовано задачу оптимального розміщення ТЕ ПС;

­ задача оптимального розміщення представлена у вигляді багатокритеріальної, де критеріями є мінімум електромагнітних наводок, викликаних наявністю зовнішніх (влучення в ПС блискавки) і внутрішніх (електромагнітна взаємодія між ТЕ) впливів, довжини, маси та вартості ТЕ;

­ обґрунтовано використання методів знаходження оптимальних маршрутів у графах для вирішення поставленої задачі;

­ обґрунтовано вибір метода Форда-Беллмана знаходження оптимального шляху в навантаженому графі;

­ розроблено структуру системи автоматизованого проектування схеми прокладки ТЕ ПС;

­ розроблено програмне забезпечення, до якого входять блоки завдання ваги ребрам графу розгортки, формування розгортки, завдання параметрів блокам обладнання та проводів, розміщення блоків обладнання, знаходження оптимальної схеми прокладки ТЕ ПС.

Практична значимість роботи:

­ Розроблено програмне забезпечення підсистеми визначення точок контакту ПС з каналом блискавки.

­ Розроблено програмне забезпечення оптимального розміщення ТЕ ПС, до якого входять блоки завдання ваги ребрам графу розгортки, формування розгортки, завдання параметрів блокам обладнання та проводів, розміщення блоків обладнання, знаходження оптимальної схеми прокладки.

Особистий внесок автора

Дисертаційна робота є узагальненням результатів теоретичних та експериментальних досліджень, виконаних автором особисто. В роботах з співавторами здобувачу належить розробка математичних моделей та алгоритмів, вибір методики досліджень і обчислювальних схем.

Апробація результатів роботи

Результати досліджень, проведених у дисертаційній роботі, доповідалися автором і обговорювалися на міжнародних науково-технічних конференціях: "Аэронавигация – 96" – м. Київ, 1996 р., "Аэронавигация и авионика – 98" – м. Київ, 1998 р., на III загальноукраїнській конференції по автоматичному керуванню "Автоматика – 96" – м. Севастополь, 1996 р., а також на конференціях і семінарах у національному авіаційному університеті (м. Київ).

Реалізація результатів роботи

1. Запропонована в роботі модель розвитку блискавки, що враховує вплив ПС, алгоритм знаходження точок контакту ПС із каналом блискавки, методика визначення вирогідностей враження блискавкою елементів конструкції, методика багатокритеріальної оптимізації схеми трас електропроводки використані в науково-дослідній роботі за темою №607-ГА95 "Створення програмного комплексу оптимального розміщення ліній зв'язку пілотажно-навігаційних комплексів повітряних суден, що забезпечує захист пілотажно-навігаційних комплексів від вражень блискавки".

2. Методика визначення точок враження повітряних суден впроваджена на АНТК ім. Антонова.

3. Система автоматизованого проектування схеми прокладки трас електропроводки повітряних суден впроваджена на АНТК ім. Антонова.

Публікації: За темою дисертації опубліковано 14 наукових праць (4 статті у виданнях, перелік яких стверджений ВАК України, та 10 тезах доповідей на наукових конференціях).

Структура та обсяг роботи: Дисертаційна робота складається з вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел з 84 найменувань, додатку. Обсяг роботи складає 147 сторінок машинописного тексту.

Зміст дисертаційної роботи

У вступі розкрита важливість досліджень і обґрунтована їх актуальність, сформульовані ціль і задачі дисертаційної роботи, зазначені наукова новизна і практична значимість роботи.

У першому розділі розглянуто вплив блискавки на літак. Проведений огляд методів визначення впливу блискавки на літак.

Обґрунтовано вибір методу математичного моделювання для визначення впливу блискавки на літак. Проведено структуризацію математичних моделей для резистивної, індуктивної й апертурної складових електрорушійної сили (ЕРС), що впливає на електроніку всередині ПС.

Розглянуто методи керування захистом електронних систем від впливу блискавки. Обґрунтовано вибір топологічного методу як методу керування захистом.

Розроблено ієрархічну структуру задачі керування процесом оптимального розміщення ТЕ ПС, що дає можливість звести загальну комплексну задачу до таких часткових:

­ визначення точок контакту літака з каналом блискавки;

­ визначення розподілу струмів блискавки по обшивці літака;

­ визначення наведень, що викликає блискавка в ТЕ;

­ оптимізація розміщення ТЕ ПС (знаходження оптимальних маршрутів прокладки).

Визначення розподілу струмів блискавки по обшивці пропонується проводити методом контурних струмів. Для цього необхідно вирішити відповідну систему рівнянь. В роботі визначен вигляд такої системи, формалізовані правила ії заполнення і вирішення для чисельної реалізації.

У другому розділі на основі аналізу фізики процесу розвитку лідера блискавки поблизу ПС побудована описова модель розвитку лідерного каналу блискавки, що заснована на обліку електростатичних факторів, що впливають на переміщення лідера.

Коли літак опиняється в зоні між грозовою хмарою й землею, на його поверхні, як і на поверхні будь-якого провідного тіла, поміщеного в електричне поле, відбувається перерозподіл вільних зарядів так, щоб вирівняти електричний потенціал усіх точок на поверхні і всередині.

Літак здобуває властивості диполя. Внаслідок цього значно збільшується напруженість і викривляються силові лінії поля в області літака. Він як би “притягає” до себе блискавку.

Рис.1. Силові лінії поля між грозовою хмарою й землею з літаком (а) і без нього (б).

При зближенні з лідером напруженість у поверхні літака зростає. Коли вона досягає критичної величини, з тих елементів, напруга між якими і лідером найбільша, розвиваються зустрічні електричні розряди. Це будуть елементи з найбільшою поверхневою щільністю заряду, розподіленого по поверхні, тому що вони вносять найбільші зміни в зовнішнє електричне поле. Далі основний заряд блискавки проходить по іонізованим доріжкам, вже прокладеним зустрічними розрядами, і попадає в обшивку. Тобто точками контакту літака з блискавкою будуть точки, з яких почали розвиватися зустрічні розряди (елементи з найбільшою поверхневою щільністю заряду). Для визначення цих точок розроблений електростатичний метод.

Розроблений електростатичний метод визначення точок контакту ПС із каналом блискавки заснований на моделюванні процесу розвитку блискавки поблизу літака. У ньому моделюються стрибки лідера блискавки. Перед кожним черговим стрибком перевизначається вектор електростатичних сил, що впливають на лідер, потім у напрямку цього вектора лідер переміщується на відстань стрибка. Стрибки лідера моделюються до перетинання (чи промаху) з літаком.

Напрямок чергового стрибка визначають:

­ електричне поле між грозовою хмарою й поверхнею землі. Це поле будемо вважати спрямованим вертикально;

­ поля вільних зарядів, розподілених на обшивці літака. Тут величина поля i-го заряду , що діє на k-й: , де  – відстань від i-го заряду до k-го,  – вектор одиничної довжини, спрямований від i-го до k-го заряда. Величина сумарного поля, що створюється окремими зарядами, розподіленими на обшивці, що діє на k-й заряд: , , , де n – число врахованих зарядів.

Отже, для визначення сумарного вектора поля, що діє на лідер, необхідно визначати розподіл вільних зарядів на поверхні літака.

Для вирішення задачі визначення розподілу зарядів розроблено метод, заснований на методі еквівалентних зарядів. Він дозволяє оцінити розподіл зарядів на провідній поверхні ізольованого тіла. Для цього в черговій ітерації розраховуються не величини нерухомих (фіксованих геометрично) еквівалентних зарядів, а положення на поверхні рухливих, із постійним значенням заряду (фіксованих електрично) еквівалентних зарядів.

Покладемо, що вектор напруженості поля, створюваного кінцевим числом точкових зарядів, що знаходяться на обшивці, спрямований так само, як і вектор напруженості поля реального літака, по поверхні якого розподілені вільні заряди. Число зарядів N вибираємо в залежності від необхідної точності. Величину такого заряду визначимо як q=QBC/N, де QBC – загальна величина заряду, розташованого на поверхні літака.

На розподіл таких зарядів впливають:

­ сила відштовхування від землі (пропорційна полю між грозовою хмарою й поверхнею землі, спрямована вертикально) ;

­ сила притягання до лідера блискавки (спрямована до центра лідера) ;

­ сила відштовхування від інших зарядів, розташованих на обшивці ПC .

В якості геометричної моделі поверхні літака обґрунтований вибір поверхневої моделі, що описується за допомогою трикутної сітки.

В обраній моделі заряди можуть переміщатися тільки по поверхні ПС. Виходить, на переміщення заряду впливає не весь вектор сили, а лише його проекція на поверхню обшивки (грань, на якій перебуває заряд). Зупинка заряду можлива в тому випадку, якщо вектор діючої на нього сили перпендикулярний (чи майже перпендикулярний) поверхні, на якій перебуває заряд.

Рис.2. Розподіл вільних зарядів по обшивці ПС.

При моделюванні розвитку лідера біля літака будемо вважати, що всі вільні заряди спочатку рівномірно розподілені по поверхні. Рівномірний розподіл означає, що на кожній грані, що складає модель обшивки ПС, міститься таке число зарядів , що пропорційне долі площі грані в сумарній площі ().

Для кожного заряду запам'ятовуються координати (x,y,z) і тип розташування (на грані, ребрі чи вершині, і на який). Тут, як і в моделі поверхні ПС, грань визначається своїм номером (по номеру грані можна визначити номера трьох вершин, що визначають грань); ребро визначається номерами двох вершин, що обмежують його; кожному номеру вершини відповідають три її координати.

Послідовно для кожного k-го заряду, , спочатку знаходимо поле, що діє на нього, і потім пересуваємо заряд по поверхні в напрямку вектора поля.

При цьому можливі випадки, коли заряд перебуває на грані, на ребрі чи у вершині. Алгоритми знаходження нового положення для цих початкових випадків відрізняються, але у загальному випадку заряд переміщається в напрямку проекції сумарної сили, що діє на заряд. Величина кроку пропорційна величині цієї проекції.

Після того як розподіл зарядів знайдено, знаходимо сумарний вектор сили, що діє на лідер. Для цього підсумовуємо діючі на нього сили притягання кожного заряду й землі. Перемістивши лідер у напрямку знайденого сумарного вектора, змоделюємо перший стрибок лідера:

Xлид=Xлид+KEx, Yлид=Yлид+KEy, Zлид=Zлид+KEz, (1)

де Xлид, Yлид, Zлид – координати лідера, К – коефіцієнт, Ex, Ey, Ez – складові напруженості сумарного поля Е.

Далі знайдемо розподіл зарядів для нового положення лідера і ще раз перемістимо його – другий стрибок. Так будемо повторювати доти, поки не виконається одна з умов:

­ напруга, що діє на який-небудь із вільних зарядів, перевищить напругу пробою – тоді з цієї точки повинний почати розвиватися зустрічний лідер;

­ лідер досягне поверхні ПС – установлюється контакт із каналом блискавки;

­ лідер пройде повз поверхневу модель – блискавка не потрапила у ПС.

Точка, у якій виконається перша чи друга умова, і є точкою контакту, де канал блискавки перетинається з поверхнею літака.

Для моделювання враження блискавкою літака розроблена така схема.

Модель літака розташовується в центрі уявлюваної сфери радіуса R, на поверхні якої, випадковим образом, виникає блискавка. Початкова точка (НТ на малюнку) блискавки буде визначатися двома кутами ? і ?.

Один кут ? визначає напрямок на блискавку (відхилення напрямку на блискавку від курсу ПС). Цей напрямок може бути любим з однаковою ймовірністю, і тому  – випадкова величина з рівномірним законом розподілу.

Інший кут ? визначає висоту блискавки відносно ПС, яка, у загальному випадку, залежить від висоти літака і грозових хмар. Тут, задаючи різні закони розподілу випадкової величини кута , можна моделювати умови польотів на різних висотах. Наприклад, для моделювання польотів на значній відстані під грозовими хмарами закон розподілу повинний бути нормальним.

Жорстко прив'яжемо систему координат до центра моделі літака. Тоді для моделювання різних кутів крену й тангажу досить буде змінювати не всі координати характерних точок літака, а тільки початкові координати лідера і напрямок вектора Езем, складові якого визначимо як

Тут  – кут крену (випадкова величина з нормальним законом розподілу і нульовим значенням математичного очікування);  – кут тангажу (випадкова величина з нормальним законом розподілу і нульовим значенням математичного очікування); E – модуль вектора Езем (випадкова величина з нормальним законом розподілу і математичним очікуванням, рівним середній очікуваній величині напруженості між грозовою хмарою і землею Естандарт).

Рис.3. Моделювання враження блискавкою ПС.

Для моделювання польотів на різних висотах потрібно змінювати значення величини вектора Естандарт. Грозові хмари створюють у поверхні землі електростатичні поля із середнім рівнем напруженості від 10 до 30 кВ/м, напруженість яких зростає в міру наближення до грозової хмари до 50-60 кВ/м. Отже, в залежності від моделюємої висоти, Естандарт повинна лежати в межах від 10 кВ/м до 60 кВ/м.

Початкове положення лідера НТ будемо визначати як точку, розташовувану у випадковому місці на сфері, в центрі якої знаходиться літак:

Тут R – відстань до лідера блискавки – випадкова величина з нормальним законом розподілу і математичним очікуванням, рівним середній очікуваній величині цієї відстані Rстандарт.

Для врахування фактора неоднорідності атмосфери, в описану вище схему визначення точок враження додамо фактор, що враховує неоднорідності атмосфери (накладемо шум на переміщення лідера). У такому випадку формула (1) визначення нового положення лідера прийме вигляд

Xлид=Xлид+KEx+Xслуч, Yлид=Yлид+KEy+Yслуч, Zлид=Zлид+KEz+Zслуч,

де Xслуч, Yслуч і Zслуч – випадкові величини з нормальним законом розподілу і нульовим значенням математичного очікування, К – теж випадкова величина з нормальним законом розподілу, значення її математичного очікування визначається середньою очікуваною величиною одиничного стрибка лідера блискавки (в середньому 50м).

Для кожного нового початкового розташування літака і блискавки за описаним вище алгоритмом визначимо точки враження.

Змоделював у такий спосіб достатню кількість випадків враження, можна одержати ряд статистичних характеристик, таких як імовірності враження різних елементів конструкції, імовірності проходження блискавки різними шляхами (по поверхні літака) і т.д.

У третьому розділі задача оптимального проектування проводних трас повітряних суден представлена у вигляді багатокритеріальної.

З урахуванням особливостей задачі визначені й сформульовані описані далі часткові критерії оптимальності.

Так як потужність, що наводиться в лінії, пропорційна квадрату ЕРС, то критерій, що враховує електромагнітні наведення, що виникають у ТЕ внаслідок впливу блискавки, пропорційний квадрату наводимої ЕРС і має вигляд

,

де t – час впливу імпульсу струму блискавки;  – область припустимого розташування ТЕ; x,y,z – вектор координат просторового розташування ТЕ;  – ЕРС індукції, що наводиться імпульсом блискавки в лінії зв'язку.

Тут ЕРС індукції будемо визначати на підставі виразів для трьох складових:

­ дифузійно-резистивної

,

де ;  – відносна магнітна проникливість матеріалу обшивки;  – питомий опір матеріалу об'єкта; d – товщина обшивки.

­ дифузійно-магнітної

,

де  – магнітна постійна;  – довжина петлі;  – координати точки, у якій визначається поле;  – площа контуру.

­ і апертурної

,

де  – еквівалентний периметр розрізу провідного тіла, що залежить від форми об'єкта (для циліндра );  – коефіцієнт, що враховує взаємний вплив диполів; I – струм блискавки, що проходить через об'єкт;  – коефіцієнт поляризуємості;  – кількість диполів.

Загальну наводиму ЕРС будемо визначати як суперпозицію складових:

Критерій, що враховує електромагнітний вплив силових ТЕ на інформаційні також залежить від потужності, що наводиться, має вигляд

де  – напруга і струм, що наводяться в i-ій ТЕ.

Далі в рішенні задачі враховувати цей критерій будемо просто як обмеження на зони можливого розміщення ТЕ. Усі ТЕ поділимо на групи сумісних по електромагнітній сумісності, і задамо обмеження на мінімум відстані між ТЕ різних груп.

Критерій сумарної маси ТЕ має вигляд

; ,

де  – довжина проводу k-ої ТЕ;  – маса одного погонного метра проводу k-ої ТЕ; K – загальна кількість ТЕ.

Критерій сумарної вартості визначимо у вигляді

; ,

де  – ціна одного погонного метра проводу k-ої ТЕ.

Для рішення задачі багатокритеріальної оптимізації обґрунтоване формування складового критерію шляхом скаляризації векторного (формального об'єднання часткових критеріїв у нормований адитивний)

де  – i-й частковий критерій;  – i-й нормуючий дільник;  – i-й ваговий коефіцієнт; m – число часткових критеріїв.

Часткові критерії мають різну розмірність і фізичну природу. У зв'язку з цим застосовується нормування до максимуму, де в якості нормуючих дільників використовуються максимальні значення часткових критеріїв, знайдені з розгляду області компромісів. При цьому, якщо нормований критерій лежить у межах [0,1], то, чим він ближче до нуля, тим це краще.

У даному випадку вибір нормуючих дільників зв'язаний з такими особливостями:

­ загальна маса чи вартість усіх ТЕ мало залежить від довжини проводів із малою питомою вартістю чи масою, таким чином, нормуючі дільники для критеріїв маси й вартості повинні вибиратися так, щоб величини відповідних критеріїв ставали значними тільки для проводів із значними величинами питомої вартості чи маси (критерії залежать від максимальних значень питомої вартості чи маси);

­ значення максимально припустимих величин потужностей, що наводяться, у кожної ТЕ залежать від величини порога чутливості конкретних приладів і в загальному випадку можуть бути різними, тому значення відповідних нормуючих дільників для критеріїв наведень від блискавки і від прилеглих ТЕ вибираються відповідно максимально припустимим наведенням для кожної ТЕ окремо.

У такому випадку вираз для нормованого адитивного критерію оптимальності буде мати такий вигляд

(2)

де ,,, – нормуючі дільники;  – припустима величина ЕРС, що наводиться в k-ій ТЕ (проводі);  – припустима величина наведень потужності від блискавки в k-ій ТЕ; ; ; ; ;  – максимальна з відстаней між точками розгортки, що відповідають двом (i-ій і j-ій) вершинам графа, що інциденті загальній дузі; n – кількість вершин графа розгортки літака.

Якщо точки перетинів стрингерів із шпангоутами пронумерувати так, щоби кожний перетин мав свій номер, то шлях між двома точками розгортки літака можна приймати як послідовність номерів таких точок, у якій перший номер відповідає першій точці шляху, а останній – останній точці шуканого шляху. При цьому будь-яка точка на розгортці визначається номером точки перетину стрингера і шпангоута й відстанями від них. Такі точки будемо визначати за допомогою трьох величин: номера точки перетину стрингера зі шпангоутом і зсувів точки від стрингера і від шпангоута. У такий спосіб шлях проводу на розгортці ПС будемо знаходити як вектор V параметрів вузлових точок, через які буде проходити провід. Визначимо його як

,

де  – номер точки перетину стрингера зі шпангоутом, що відповідає i-ій вузловій точці проводу;  – відстані i-ої точки проводу від відповідних стрингера і шпангоута;  – кількість вузлових точок проводу.

Оптимальний шлях проводу будемо шукати як маршрут, на якому мінімізується сформований адитивний критерій якості (2)

,

де W – множина точок, в яких можливо прокладання проводу; L(V) – значення критерію оптимальності для проводу, що проходить крізь послідовність точок V:

,

де  – значення критерію між i–ою та i+1–ою точками провода, що проходить через точки розгортки, визначаємі вектором V.

Якщо в якості математичної моделі розгортки літака прийняти навантажений граф, вага ребер якого визначається величиною загального критерію оптимальності на ділянці між двома точками розгортки, що відповідають вершинам графа з тими ж номерами, то оптимальний шлях проводу будемо шукати як послідовність дуг графа, що відповідає розгортці літака, по якій будуть проходити проводи. При цьому з усіх можливих треба вибирати такий шлях, що мінімізує суму ваг дуг графа, через які проходить провід.

Для вирішення такої транспортної задачі обґрунтовано використання методу Форда-Беллмана пошуку мінімального путі (маршруту) в навантаженому графі. Цей метод заснований на хвильовому алгоритмі.

Рішення поставленої оптимізаційної задачі будемо робити в такий спосіб.

Внутрішню поверхню фюзеляжу, де можуть розташовуватися ТЕ, представимо у вигляді графа, вершинам якого будуть відповідати точки перетинів стрингерів із шпангоутами, а ребрам – відповідні ділянки стрингерів та шпангоутів між цими точками.

Значення довжин ребер графа визначимо рівними значенню узагальненого критерію оптимальності J для відповідної лінії на внутрішній поверхні фюзеляжу.

Для сформованого графа знайдемо оптимальні шляхи прокладки (ті, на яких буде мінімізована сума ваг вхідних у них ребер).

У четвертому розділі на підставі запропонованих методів і алгоритмів рішення задач знаходження впливу блискавки на ТЕ ПС (точок контакту каналу блискавки з ПС, розподілу струму блискавки по поверхні ПС, наведень від струму блискавки), оптимальної схеми прокладки, розроблена структура система автоматизованого проектування оптимальної схеми прокладки ТЕ ПС.

На підставі розробленої структури розроблене програмне забезпечення, що включає блоки завдання ваг ребрам графа розгортки, формування розгортки, завдання параметрів блоків устаткування і проводів, розміщення трас, розміщення блоків устаткування, знаходження оптимальної схеми прокладки.

Висновки

1. На основі аналізу робіт із захисту електронного устаткування від впливу полів електричної блискавки запропоноване представлення задачі керування процесом ослаблення впливу блискавки на електронне устаткування як задачі оптимального розміщення ТЕ літака.

2. Розроблено ієрархічну структуру задачі керування процесом розміщення ТЕ на літаку, що дає можливість звести вихідну задачу до окремих задач:

­ Визначення точок контакту літака з каналом блискавки;

­ Визначення розподілу струмів блискавки по обшивці літака;

­ Визначення наведень, викликуваних блискавкою в ТЕ;

­ Оптимізація розміщення ТЕ ПС (пошук оптимального маршруту).

3. Розроблено метод визначення точок контакту літака з каналом лінійної блискавки.

4. Запропоновано багатокритеріальний підхід, для якого сформована така система критеріїв якості:

­ Критерій, що враховує електромагнітні наведення, що виникають у ТЕ ПС унаслідок впливу блискавки;

­ Критерій, що враховує електромагнітний вплив силових ТЕ на інформаційні;

­ Критерій сумарної маси ліній зв'язку;

­ Критерій сумарної вартості.

5. Розроблено алгоритм оптимального розміщення, заснований на:

­ Скаляризації векторного критерію оптимальності (у зв'язку з чим обґрунтований вибір нормуючих дільників для складових адитивного критерію);

­ Алгоритмі Форда-Беллмана знаходження найкоротшого шляху в навантаженому графі.

6. Обґрунтовано вибір алгоритму Форда-Беллмана для вирішення поставленої задачі.

7. Розроблена система автоматизованого проектування, що включає компоновочні модулі:

­ Завдання ваг ребрам графа розгортки;

­ Формування розгортки;

­ Розміщення блоків устаткування;

­ Розміщення трас прокладки;

­ Знаходження оптимальної схеми прокладки.

Список опублікованих праць

1. Синеглазов В.М., Мельниченко А.В. Автоматизированное проектирование линий связи воздушных судов по критерию минимальной длины // Управляющие системы и машины, № 6, 1997. – с. 81–88.

2. Синєглазов В.М., Мельниченко А.В. Використання багатокритеріальної оптимізації в задачі проектування ліній зв’язку повітряних суден // Вісник КМУЦА, №1, 1999. – с. 90–94.

3. Синеглазов В.М., Мельниченко А.В. Новый метод определения точек поражения самолета молнией // Технічна електродинаміка, №1, 2000. – с. 18–21.

4. Синеглазов В.М., Мельниченко А.В. Моделирование поражения молнией воздушного судна // Электронное моделирование, 2001, т. 23. №1. – с. 112–124.

В роботах, написаних у співавторстві, формулювання проблем і аналіз отриманих результатів проведено спільно із співавторами. Розробка математичних моделей та алгоритмів, вибір методики досліджень і обчислювальних схем здобувачем виконані особисто.

Анотація

Андрій Володимирович Мельниченко. Пасивне керування захистом трас електропроводки повітряних суден від непрямого впливу блискавки. – Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.03 – Системи та процеси керування, Національний авіаційний університет, Україна, Київ, 2001.

Дисертація присвячена розробці методики керування зменшенням наводок, структури та алгоритмів системи автоматизованого проектування оптимальної схеми прокладки трас електропроводки (ТЕ) повітряних суден (ПС).

У роботі на основі аналізу робіт із захисту електронного устаткування від впливу полів електричної блискавки запропоноване представлення задачі керування процесом ослаблення впливу блискавки на електронне устаткування як задачі оптимального розміщення ТЕ літака.

Для вирішення поставленої задачі розроблена ієрархічна структура керування процесом розміщення ТЕ на літаку, що дає можливість звести вихідну задачу до набору окремих задач:

­ Визначення точок контакту літака з каналом блискавки;

­ Визначення розподілу струмів блискавки по обшивці літака;

­ Визначення наведень, що викликає блискавка в ТЕ;

­ Оптимізація розміщення ТЕ ПС (пошук оптимального маршруту).

Для вирішення задачі визначення точок контакту літака з каналом лінійної блискавки розроблений електростатичний метод, заснований на моделюванні процесу розвитку блискавки поблизу літака. Розроблено методику та алгоритм визначення точок враження ПС, які дають можливість визначати ймовірні точки контакту при любих значеннях кутів крену та тангажу і початковому положенні лідера блискавки.

Для вирішення задачі оптимального розміщення запропоновано багатокритеріальний підхід, для якого сформована система критеріїв якості. Розроблено алгоритм оптимального розміщення, заснований на скаляризації векторного критерію оптимальності (у зв'язку з чим обґрунтований вибір нормуючих дільників для складових адитивного критерію) і алгоритмі Форда-Беллмана знаходження найкоротшого шляху в навантаженому графі.

На основі запропонованих методів і алгоритмів розроблено програмне забезпечення.

Ключові слова: блискавка, літак, траса електропроводки, непрямий вплив, точки враження, оптимальне розміщення.

Аннотация

Андрей Владимирович Мельниченко. Пасивное управление защитой трасс электропроводки воздушных судов от непрямого воздействия молнии. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.13.03 – Системы и процессы управления, Национальный авиационный университет, Украина, Киев, 2001.

Диссертация посвящена разработке методики управления уменьшением наводок, структуры и алгоритмов системы автоматизированного проектирования оптимальной схемы прокладки трасс электропроводки (ТЭ) воздушных судов (ВС).

В работе на основе анализа работ по защите электронного оборудования от воздействия полей электрической молнии предложено представление задачи управления процессом ослабления влияния молнии на электронное оборудование как задачи оптимального размещения ТЭ самолета.

Для решения поставленной задачи разработана иерархическая структура управления процессом размещения ТЭ, которая дает возможность свести исходную задачу к следующему набору частных задач:

­ определение точек контакта самолета с каналом молнии;

­ определение распределения токов молнии по обшивке самолета;

­ определение наводок, вызываемых молнией в ТЭ;

­ оптимизация размещения ТЭ ВС (поиск оптимального маршрута на развертке ВС).

Для решения задачи определения точек контакта самолета с каналом линейной молнии разработан электростатический метод, основанный на моделировании процесса развития молнии вблизи самолета. Разработана методика и алгоритм определения точек поражения ВС, которые дают возможность определить вероятные точки контакта при любых значениях углов крена и тангажа и начальном положении лидера молнии. Это поволяет проводить моделирование полетов в различных условиях и на разных высотах

Для решения задачи оптимального размещения предложен многокритериальный подход, для которого сформирована система критериев качества. В нее входят критерии минимума электромагнитных наводок, минимума массы ТЭ, минимума стоимости ТЭ. Разработан алгоритм оптимального размещения, основанный на скаляризации векторного критерия оптимальности (в связи с чем обоснован выбор нормирующих делителей для составляющих аддитивного критерия) и алгоритме Форда-Беллмана нахождения кратчайшего пути в нагруженном графе.

На основании предложенных методов и алгоритмов разработано программное обеспечение, включающее следующие компоновочные модули.

­ Модуль задания весов ребрам графа развертки.

­ Модуль формирования развертки.

­ Модуль размещения блоков оборудования.

­ Модуль размещения трасс электропроводки.

­ Модуль нахождения оптимальной схемы прокладки.

Ключевые слова: молния, самолет, трасса электропроводки, непрямое воздействие, точки поражения, оптимальное размещение.

Annotation

Andrey Vladimirovich Melnichenko. Passive control of aircraft electric wiring routes protection from lightning indirect effect. – Manuscript.

Thesis on competition of a scientific degree of the candidate of engineering science on a speciality 05.13.03 – System and control process, National Aviation University, Ukraine, Kiev, 2001.

The thesis is dedicated to mining of a technique of disturbance voltages reduction control, frame and algorithms of an automated design engineering system of the optimum routing scheme of aircrafts electric wiring routes (EWR).

In activity on the basis of the analysis of activities on protection of an electronic instrumentation against lightning effects the representation of a problem of process control of reduction of influencing of a lightning on an electronic instrumentation as problems of optimum EWR arrangement is offered.

For the solution of a put problem the outline of process control of arrangement EWR is designed, which one enables to reduce an initial problem to a set of individual problems:

­ definition of attachment points of an airplane with a lightning channel;

­ definition of a lightning current distribution on a surface of an airplane;

­ definition of disturbance called by a lightning in EWR;

­ optimization of arrangement EWR (looking up of a best route).

For the solution of an attachment points of an airplane with a linear lightning channel definition problem the electrostatic method is designed. It founded on lightning near to an airplane development process simulation. The technique and algorithm of definition of a lesion attachment points is designed. It enable to determine probable attachment points at any values of bank angles both pitch and initial position of the lightning leader.

For the solution of a problem of optimum arrangement the multicriteria approach is offered. For one the system of yardsticks of quality is formed. The algorithm of optimum arrangement is designed, founded on scalarization of vectorial yardstick of an optimality and Ford-Bellman algorithm of a shortest route in the loaded graph finding is justified.

It is ground of offered methods and algorithms the software is designed.

Key words: lightning, aircraft, electric wiring routes, indirect effects, attachment points, optimum arrangement.

Підписано до друку 26.09.01. Формат 6084/16. Папір газетний.

Офсетний друк. Уч. фарбовідб. 6. Ум. друк. арк. 1,16. Обл. -вид. арк. 1,25.

Тираж 100 прим. Замовлення № –1. Вид. №

Видавництво НАУ.

03058. Київ-58, проспект Космонавта Комарова, 1.