Анализ эффективности технологий и синтез технологической структуры системы жизнеобеспечения экипажей космических летательных аппаратов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.26.02, кандидат технических наук Менькин, Евгений Викторович

• Менькин, Евгений Викторович
• кандидат технических наук
• 1999

Оглавление диссертации кандидат технических наук Менькин, Евгений Викторович

ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. Комплекс систем жизнеобеспечения как объект проектирования.

1.1. Комплекс систем жизнеобеспечения - составная часть эколо-го-технической системы обитаемого космического аппарата.

1.2. Методы проектирования систем жизнеобеспечения.

1.3. Модели эффективности, применяемые в проектировании СЖО.

1.4. Методы принятия решений и системы поддержки принятия решений.

1.5 Общая постановка задачи исследования.

ГЛАВА 2. Формирование модели эффективности для оценки проектных решений с учетом неопределенности в исходной информации.

2.1. Формирование состава количественных критериев модели эффективности СЖО.

2.2. Формирование состава качественных критериев модели эффективности СЖО.

2.3. Учет неопределенности в исходной информации.

2.4. Интерактивные системы поддержки принятия решений.

ГЛАВА 3. Анализ эффективности технологий при проектировании систем жизнеобеспечения.

3.1. Формирование базы данных альтернативных технологий

3.2. Оценка эффективности технологий для систем генерации кислорода.

3.2.1. Проверка модели эффективности на чувствительность.

3.2.2. Учет предпочтений лица, принимающего решение.

3.2.3. Определение значений мультипликативной функции полезности.

3.3. Методика анализа эффективности отдельных технологий

3.4. Анализ эффективности технологий систем жизнеобеспечения.

ГЛАВА 4. Синтез технологической структуры систем жизнеобеспечения.

4.1 Методика синтеза технологической структуры систем жизнеобеспечения.

4.2 Анализ эффективности исходного варианта технологической структуры.

4.3. Детальный анализ и модификация наименее эффективного элемента.

4.4 Анализ модифицированного варианта технологической структуры.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Анализ эффективности технологий и синтез технологической структуры системы жизнеобеспечения экипажей космических летательных аппаратов»

Решение задач, связанных с обеспечением жизни и деятельности экипажа является определяющим фактором выполнения современных программ космических исследований, характеризующихся увеличением длительности пилотируемых полетов.

Система жизнеобеспечения характеризуется наличием взаимосвязанных и взаимозависимых систем и блоков со сложными функциональными и структурными отношениями, зависимостью закономерностей функционирования отдельных систем от их места в комплексе, обусловленной наличием цели системы и частных целей функциональных блоков, входящих в систему. Создание СЖО КЛА, наиболее эффективно осуществляющих преобразование технологических потоков, возможно только при комплексном рассмотрении взаимодействия СЖО с экипажем и другими системами КЛА.

К настоящему времени решен ряд задач направленных на создание СЖО на основе системного подхода к проектированию. Однако, вопросам синтеза технологической структуры СЖО с учетом объективных характеристик отдельных систем и субъективных факторов их выбора уделено недостаточное внимание. Практически отсутствует единый подход к формированию технологической структуры СЖО с заданной эффективностью, учитывающий неопределенность в исходной информации. Задачи выбора предпочтительных технологических структур при создании СЖО решаются без учета предпочтений лица принимающего решения и без использования интерактивных систем поддержки принятия решений, необходимых для получения объективных результатов при решении многокритериальных задач выбора.

Целью диссертационной работы является создание методики анализа эффективности технологий и синтеза технологической структуры СЖО с учетом неопределенности в исходной информации.

Для достижения данной цели поставлены и решены следующие основные задачи:

Сформирована модель эффективности для оценки принимаемых проектных решений с учетом неопределенности в исходной информации.

Сформировано дискретное множество альтернативных вариантов технологий СЖО. Проведен анализ их эффективности.

Разработана методика анализа эффективности технологий СЖО.

Разработана методика синтеза технологической структуры СЖО.

Выработаны практические рекомендации по выбору отдельных технологий и состава комплекса СЖО с учетом неопределенности в исходной информации.

Научная новизна работы определяется: сформированной моделью эффективности СЖО, предназначенной для решения многокритериальной задачи выбора в условиях риска и неопределенности и включающей восемь количественных и три качественных частных критериев эффективности, независимых по предпочтению лица, принимающего решение; введением для учета неопределенности в исходной информации при установлении допусков на значения критериев модифицированных логарифмических функций принадлежности теории нечетких множеств, отражающих склонности лица, принимающего решение к риску; разработанной базой данных технологий систем жизнеобеспечения, сопряженной с интерактивной системой поддержки принятия решений на основе восстановления мультипликативных функций полезности. Практическая ценность работы заключается в предложенной методике анализа эффективности технологий и синтеза технологической структуры СЖО с учетом неопределенности в исходной информации.

Достоверность полученных результатов обеспечивается строгой математической постановкой задачи исследования, применением известных и апробиро8 ванных методов при решении и сопоставлением результатов модельных экспериментов с принятыми проектными решениями.

Апробация работы. Основные результаты и положения диссертации докладывались и обсуждались: на 28 — Международной Конференции по Системам Сред Обитания.

Данверс, Массачусетс, США. 1998 г.; на Научно - Техническом Совете НИИХИММАШа. Москва. 1999 г.;

Публикации. Основные результаты работы изложены в четырех опубликованных статьях и двух научно-технических отчетах.

Реализация полученных результатов. Результаты работы внедрены в Отделении систем жизнеобеспечения НИИХИММАШа при выполнении НИ и ОКР по разработке перспективных комплексов систем жизнеобеспечения, а также в учебном процессе МАИ при подготовке инженеров по специальности 1311.

Заключение диссертации по теме «Безопасность в чрезвычайных ситуациях (по отраслям наук)», Менькин, Евгений Викторович

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Исходя из постановки задачи синтеза технологической структуры комплекса систем жизнеобеспечения экипажей пилотируемых КЛА в виде: из дискретного множества элементарных структур {¡х,|} с законами функционирования |с/Х( |}, обеспечивающими преобразование продуктов метаболизма экипажа в исходные компоненты среды обитания синтезировать структуру |/| = е {¡Х;|}> с законом функционирования |/| = |с/х/|}., соответствующую целям эколого-технической системы пилотируемого аппарата с заданной эффективностью» [89], разработаны методики оценки эффективности технологий и синтеза технологической структуры.

По результатам проведенных исследований могут быть сделаны следующие выводы:

1. Разработана модель эффективности, включающая восемь количественных и три качественных частных критерия эффективности, не зависимых по предпочтению лица принимающего решения, и предназначенная для решения многокритериальной задачи выбора состава технологий для комплекса систем жизнеобеспечения в условиях риска и неопределенности.

2. Показано на основе анализа чувствительности предложенной модели эффективности, что выбранные частные критерии эффективности не требуют ранжирования по предпочтению, при этом исключается неопределенность, вызываемая введением весовых коэффициентов.

3. Предложены модифицированные логарифмические функции принадлежности теории нечетких множеств, для учета неопределенности в исходной информации при установлении допусков на значения частных критериев эффективности, отражающие склонности лица, принимающего решения, к риску.

4. Сформирована, на основе обработки отечественных и зарубежных источников информации, база данных технологий систем жизнеобеспечения в среде

105

Visual Fox Pro, включающая характеристики более тридцати различных технологий, сопряженная с системой поддержки принятия решений «Альтерна-тива-Ф».

5. Разработана методика оценки эффективности отдельных технологий и выбраны предпочтительные технологии для перспективных систем жизнеобеспечения.

6. Создана на основе эволюционного принципа методика синтеза технологической структуры комплексов систем жизнеобеспечения.

7. Осуществлен синтез технологической структуры перспективного комплекса систем ЖО, обеспечивающий при увеличении степени замкнутости по кислороду увеличение коэффициента преобразования эксергии на 27%, что эквивалентно уменьшению энергозатрат всего комплекса на 7% и уменьшения затрат массы на интеграцию на 68% по сравнению с КСЖО МКС.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Менькин, Евгений Викторович, 1999 год

1. Малоземов В.В., КурмазенкоЭ.А., и др. Анализ перспективных систем жизнеобеспечения с учетом эргономических факторов. НТО по теме «Ракурс МВО», этап № 4, М.: МАИ, 1989, 89 с.

2. ГОСТ Р 50804-95. «Среда обитания космонавта в пилотируемом полете»,1. М.: «Стандарты», 1995.

3. Малоземов В.В., Курмазенко Э.А., и др. Разработка алгоритма проектирования и перечня исходных данных. НТО по теме 607-01 «Анализ перспективных систем жизнеобеспечения с учетом эргономических факторов», этап 2, М.: МАИ, 1989, 105 с.

4. Вилкас Э. И., Майминас Е. 3. Решения: теория, информация, моделирование. М.: Радио и связь, 1981, 328 с.

5. King C.J., Lantz P.W., Barues F.J. Systematic Evolutionary Process Synthesis / Ind. a Eng. Chem. Process Des. a Develop., 1972, VI 1, №2, p.271.

6. Umeda Tomio, Hirai Akira, Ishikawa Astunobu. Synthesis of Optimal Processing System by an Integrated approach. Chemical Eng. Sei., 1972, v. 27, №4, p 795.

7. Дружинин B.B., Конторов Д.С. Системотехника. M.: Радио и связь, 1985, 356 с.

8. John В. Hall, Jr. and Carloyn С. Thomas. Alternative ECLSS technologies for Space Station applications. "SAE Technical Paper Ser., " 1994, # 941464.

9. Kurmazenko E. Functions Effectiveness Model for Design of integrated Regenerative Life Support System. "SAE Technical Paper Ser.", 1993, #932066.

10. X. Chatterjee S., Seagrave R.C. Using Second Law Analisys to Predict the Efficiency of ECLSS Subsystem "SAE Technical Paper Ser., " 1993, #932061.

11. Zookin G. Advanced LSS Analysis: Methodological Framework and Application Studies. "SAE Technical Paper Ser. ", 1993, #932129.

12. Robert C. DaLee and Thomas C. Lee. Expert System Based Tool for Advanced Life Support System Optimization A Mission Analysis Perspective. "SAE Technical Paper Ser., " 1993, # 932060.

13. Manousiouthankis V., Sourlas D., Wilcoxson M., etc. Multiobjective Optimization of Hybrid Regenerative Life Support Technologies. "SAE Technical Paper Ser., " 1995, # 951462.

14. Bratsev S. I., etc. First Level of ECLSS Clouser: Optimization of LSS Structure for Different Functioning Times. "SAE Technical Paper Ser., " 1996, # 961556.

15. Bratsev S.I., etc. Life Support System designing: Principle of Optimal Probability. "SAE Technical Paper Ser., " 1996, # 961365.

16. Oppenheimer K.R. A proxy approach to multiattribute decision making / Management Sei., 1978, vol. 24, p. 675-689.

17. Черевко В.П. и др. Автоматизированная система планирования технического развития производства. / Методы и системы принятия решений. Рига: РПИ. 1987, 75 с.

18. Пулико В.И. и др. Автоматизированные системы планирования и управления в строительстве. М; Наука, 1989, 282 с.

19. Эйдук Я.Ю. Интерактивные векторно-релаксационные методы многокритериальной оптимизации. Дис. на соискание учен. степ. канд. техн. наук. — Рига: Риж. политехи, ин-т, 1979. -142 с.

20. Sakawa М. An Interactive Computer program for Multiobjective Decision Making by the sequential Proxy Optimization Technique. "Intern J. Man-Mashine Studies", 1981, vol. 14.

21. Sakawa M. An Interactive Computer Program for Fuzzy Linear Programmning with Multiple Objectives. "Intern J. Man-Mashine Studies ",1983, vol. 18.

22. Sakawa M., Seo F. Interactive Multiobjective Decision-Making in Environmental Systems Using the Fuzzy Sequential Proxy Optimization Technique. "Large Sacle Systems." 1983, vol. 4, #3.

23. Жуковин B.E. Многокритериальные модели принятия решений с неопределенностью. Тбилиси: Мецниереба, 1983, 104 с.

24. S. Капустин С.Н. Автоматизированная система решения задачи выбо-ра./Интерактивные системы. В двух книгах. Тбилиси: Мецниереба, 1982, кн. 1, 61 с.

25. Борисов А.Н., Крумберг А. О., Логин Я. С. Интерактивная система анализа решений DELTA. / Принятие решений в условиях нестатической неопределенности. Рига: РПИ, 1982, С. 212-247.

26. Попов В.А. Выбор оптимального варианта развития электрической сети в условиях нечеткой исходной информации. / Методы и системы принятиярешений: прикладные задачи анализа решений в организационно технических системах. Рига: РПИ, 1983.

27. Кини P.JL, Райфа X. Принятие решений при многих критериях: замещенияи предпочтения /Пер. с англ. М.: Радио и связь, 1981, 560 с. 7. Холл А. Д. Опыт методологии для системотехники /Пер. с англ. - М.: Сов. радио, 1975, 534 с.

28. Бродянский В.М., Фратшер В., Михалек К. Эксергетический метод и его приложения / Под ред. В.М. Бродянского. М.: Энергоатомиздат, 1988, 288 с. Kotas T.J. The exergy method of thermal plant analysis. London: Butterworths, 1985.

29. Сорин M.B., Бродянкий В.М. Методика однозначного определения эксерге-тического КПД технических систем преобразования энергии вещества /

30. Изв. вузов Сер. энергетика. 1985. № 3. с. 78-88.

31. Szargut J., PetelaR. Egzergia. Warszawa: WNT, 1965. (русск. перевод: Шаргут Я., Петела Р. Эксергия. М.: Энергия, 1968, 351с.

32. Беляев JI.C. Решение сложных оптимизационных задач в условиях неопределенности. Новосибирск: Наука, 1978, 126 с.

33. Нечеткие множества и теория возможностей. Последние достижения: пер. с англ./Под ред. P.P. Ягера. М.: Радио и связь 1986, 408. с ил. Описание пакета прикладных программ «Альтернатива-Ф». Рига: Риж. политехн. ин-т, 1996, 43 с.

34. Dubois M., Mullender В., Schneider R., etc. Water Supply Assembly for Hermes ECLSS. "SAE Technical Paper Ser., " 1993, # 932071.

35. Samsonov N.M., Bobe L.S., Novikov V.M., etc. Hydrodynamic and Heat-and-Mass Transfer Processes in Space Station Water Recovery Systems. "SAE Technical Paper Ser., " 1993, # 932075.

36. Samsonov N.M., Sinjak Ju.E., Grigorov E.I., etc. A Physical/Chemical System for Water and Atmosphere Recovery Aboard a Space Station. "SAE Technical Paper Ser.," 1993, #932077.

37. Drysdale A., Sager J., Fortson R., etc. CELSS Engineering Parameters. "SAE Technical Paper Ser., " 1993, # 932130.

38. Hutchens C.F. A Description and Comparison of U.S. and Russian Urane Processing Hardware for the International Space Station. "SAE Technical Paper Ser., " 1994, # 941251.

39. Kurmazenko E.A., Fomichev A.A., etc. A Systems Approach for Design of Integrated Regenerative Life Support System: A Functions Analysis. "SAE Technical Paper Ser., " 1994, # 941295.

40. Kurmazenko E.A., Fomichev A.A., etc. A System Approach for Design of Integrated Regemerative Life Support System: A Formation of Alternatives and Synthesis of Technological Structures. "SAE Technical Paper Ser., " 1994, # 941296.

41. Kashiwai T., Matsumoto H., etc. Oxygen Recovery Using Reduction of Carbon Dioxide and Water Decomposition by Electrolyte. "SAE Technical Paper Ser.," 1994, # 941447.

42. Rifert V.G., Filonenko V.B., etc. Systems for Water Reclamation from Humidity Condensate and Urine for Space Station. "SAE Technical Paper Ser.," 1994, # 941536.

43. Herrmann C.C., Tleimat B. A Comparison of Power/Weight/Space Requirements for Water-recycling Processors. "SAE Technical Paper Ser., " 1994, #941538.

44. Herber N., Lucas J. The ECLS Subsystem for the European Crew Transfer Vehicle (CTV). "SAE Technical Paper Ser., " 1996, # 961373.

45. Carrasquillo R.L., Reuter J.L., etc. Summary of Resources for the International Space Station Environmental Control and Life Support System. "SAE Technical Paper Ser.," 1997, # 972332.

46. Wright J.D., Bahr J., etc. Development and Testing of a Non-Exprendable Contaminant Control System. "SAE Technical Paper Ser., " 1997, # 972433.

47. Samsonov N.M., Bobe L.S., etc. Updated Systems for Water Recovery from Humidity Condensate and Urine for the International Space Station. "SAE Technical Paper Ser.," 1997, # 972559.

48. Jacobs P., Paul P.G., etc. Integrated C02 and Humidity Control by Membrane Gas Absorption. "SAE Technical Paper Ser., " 1997, #972560.

49. Funke H., Tan G., etc. O2 Generation: A Key System for Extended Manned Space Missions. "SAE Technical Paper Ser., " 1997, # 972561.

50. Pinter L, Pinter S. Visual Fox Pro. New York. 1995, 286 c.

51. Сукур Л.Я. Диалоговая процедура структуризации целей сложной системы.

52. Методы и системы принятия решений: Прикладные задачи анализа решений в организационно-технических системах. Рига: Риж. политехи, ин-т, 1983, с. 8085

53. Внльюмс Э.Р., Малин А.В. Уменьшение объема экспертной информации при моделировании принятия решений в условиях неопределенности / Методы принятия решений в условиях неопределенности. Рига: Риж. политехи, ин-т, 1980, с. 83 90.

54. Вилюмс Э.Р. Выбор решений в условиях неопределенности при наличии качественных критериев / Методы и системы принятия решений: Методы и модели анализа решений. Рига: Риж. политехи, ин-т, 1981, с. 68 — 75.

55. Белкин А.Р., Левин М.Ш. Принятие решений: комбинаторные модели аппроксимации информации. М.: Наука. Гл. ред. физ-мат. лит., 1990, 160 с.

56. Nelson P., Rapozo R., etc. Design and Testing of a Dynamic Liquid/Gas Separator for Microgravity Applications. "SAE Technical Paper Ser.," 1993, # 932160.

57. Kazemi A.R., Mitchell S.M. Advanced Testing & Modeling of a Modified Solid Amine Regenerative C02 & H20 Removal System. "SAE Technical Paper Ser.," 1993, # 932293.

58. Samsonov N.M., Farafonov N.S., Gusenberg A.S., etc. A Complex of Systems for Oxygen Recovery Aboard a Manned Space Station. "SAE Technical Paper Ser., " 1993, # 932275.

59. Davenport R.J., Schubert F.H., etc. A Comparison of Russian and American Oxygen Generation Hardware. "SAE Technical Paper Ser., " 1994, # 941250.114

60. ЫА КШН KR.1L КИ2Н Ш2Ь КЯЗН КЯЗЬ КЕ.4Н КЛ4Ь КЯ5Н КЛ5Ь100 93,296 9,287711 8,99518 15,24 14,76 0 0 2,32 1,68100 94,248 100 98,4 10,16 9,84 0 0 0,348 0,252

61. Б14 100 93,296 16,3031 15,7896 3,048 2,952 0 0 2,9 2,1э15 100 86,828 6,919002 6,41241 10,38 9,62 0 0 2,8014 1,2586

62. Б16 100 86,524 35,59511 33,1213 10,36 9,64 0 0 2,7608 1,2992в17 100 86,828 52,31143 48,4813 15,57 14,43 0 0 2,829 1,271

63. Б18 100 94,724 36,37458 35,2289 3,048 2,952 0 0 2,32 1,68э19 100 90,981 5,939483 5,62718 25,675 24,325 0 0 2,54 1,46

64. ЫА КЮН KR.1L 1Ж2Н КЛ2Ь КЯЗН КЮЬ КЛ4Н КЯ4Ь КЫ5Н КЯ5Ьв1 100 95,06 9,232862 9,05003 15,15 14,85 0 0 2,2 1,8100 96,03 100 99 10,1 9,9 0 0 0,33 0,27

65. БЗ 60,564 57,036 100 99 11,11 10,89 0 0 4,4 3,6100 96,515 100 99 15,15 14,85 0 0 1,43 1,17в5 96,82 91,18 56,58851 55,4679 10,1 9,9 0 0 2,2 1,8ьб 100 96,515 1,337852 1,31136 7,07 6,93 0 0 1,98 1,62

66. Б7 100 96,03 1,569013 1,53794 30,3 29,7 0 0 1,21 0,99100 85,635 4,506943 4,11878 31,35 28,65 0 0 1,595 0,605з9 100 87,12 1,155138 1,06628 31,2 28,8 0 0 1,414 0,606вЮ 100 87,12 4,441844 4,10016 10,4 9,6 0 0 0,7 0,3

67. Б15 100 70,36 7,2923 6,0391 10,94 9,06 0 0 3,9382 0,1218816 100 69,06 37,657 31,06 10,96 9,04 0 0 3,9788 0,0812