Проектирование механических систем, как правило, является заключительным этапом проектирования ЛА, когда его конструктивно-структурная схема уже выбрана, рассчитана на все случаи нагружения, кроме случая работы этих систем.

Например, так обстоит дело с раскрывающимися антеннами, панелями солнечных батарей, раскрывающимися стабилизаторами и т. д. Исходя из этого и формируются основные требования к системам их раскрытия - это ограничения на время раскрытия, нагрузки (перегрузки), требование надежности фиксаций, последовательности фиксаций (для панелей солнечных батарей) и т. п.

На практике эти требования задаются в виде ограничений. Некоторые из них определяются несущей способностью раскрывающихся конструкций, полученной в результате проведения серии оценочных расчетов.

Ограничения представляются в виде математических неравенств и указывается в технических условиях (ТУ) проекта системы.

Функционирование механических систем описывается дифференциальными уравнениями. Ими, например, могут быть системы дифференциальных уравнений в обычных производных при описании кинематической картины срабатывания систем, или в частных производных при определении нагружения в интересующих сечениях конструкции. Поскольку уравнения включают в себя управляющие параметры или функции, исследование срабатывания систем с математической точки зрения сводится к решению задач управления.

При исследовании поведения управляемой системы возникают две задачи: анализ и синтез системы. Более простой из них является задача анализа. Обычно она сводится к составлению решения дифференциальных уравнений, которые описывают поведение данной системы при различных управляющих переменных и анализу приемлемости характеристик системы.

Таких характеристик может быть довольно много, поэтому обычно рассматриваются основные, главные с точки зрения исследователя.

Задача синтеза является обратной по отношению к задаче анализа и формулируется следующим образом: задаются определенные условия и ограничения, стесняющие поведение системы, и требуется построить систему или процесс, удовлетворяющий этим заранее заданным условиям и ограничениям. После построения системы необходимо проанализировать ее поведение.

Одним из наиболее часто применяемых на практике методов исследования механической системы является метод перебора и анализа при различных значениях управляющих переменных и выбор тех из них, при которых поведение системы можно считать удовлетворительным. Недостатком такого метода перебора (при наличии сравнительно большого числа управляющих переменных) является практическая неосуществимость перебора всех вариантов и возможность упущения наиболее характерных случаев.

Наиболее эффективным методом является метод с использованием аппарата оптимизации.

При проектировании механических систем возникает, по крайней мере, две основные задачи.

Вторая задача заключается в разработке системы для вновь создаваемого ЛА, не имеющей прототипа. Здесь уже необходимо найти такие конструктивные характеристики системы, чтобы в рамках выбранной структуры и принципа действия она обладала заданными свойствами.

В этом случае технические условия также задаются в виде неравенств, ограничивающих значения технических показателей системы.

Часть неравенств или все могут быть как односторонними, так и двухсторонними. Все зависит от конкретного физического смысла этих неравенств. Например, ограничение по перегрузке в момент фиксации панелей солнечных батарей записывается в виде одностороннего неравенства, а по величине угловой скорости в момент фиксации в виде двухстороннего.

Величины критериев зависят от геометрических и энергетических характеристик систем, например от начального усилия и жесткости пружин, мест их установки, характера изменения площади дроссельной щели гидравлического демпфирующего устройства и т. п. Эти характеристики называют управляющими переменными, а вектор, составленный из компонент управляющих переменных, вектором управления.

Рис. 1.

Необходимо отметить, что в такой постановке задача не оптимизационная, так как в ней нет оптимизируемого критерия. Это задача управления, целью которой является достижение любой точки из допустимого множества критериев. Задачу в такой постановке будем называть задачей аналитического проектирования.

Термин аналитическое означает, что рассматриваются механические системы, описываемые аналитически равенствами и неравенствами.

Целью проектирования системы является решение конкретной инженерной задачи, модель которой представлена математически. При этом необходимо учесть следующие обстоятельства.

Во-первых, очевидно, что в реальных условиях работы системы могут быть всякого рода случайные отклонения параметров, влияющих на работу системы и не предусмотренные моделью.

Во-вторых, ограничения, заданные в технических условиях являются ресурсными ограничениями, нарушение которых не допускается даже в незначительной степени во избежание нерасчетных режимов работы, как самой системы, так и в целом КА.

В-третьих, система в дальнейшем может заимствоваться на различные модификации КА с незначительными отличиями в условиях эксплуатации.

Эти обстоятельства приводят к совершенно естественному стремлению получить, если окажется, что имеется принципиальная возможность, такие конструктивные параметры системы при которых обеспечивается выполнение требований технических условий с возможно большими запасами.

Наличие таких запасов создает определенную гарантию того, что введение некоторых упрощений в математическую модель задачи, технологические отклонения конструктивных параметров системы и возможные отклонения режимов функционирования в реальных условиях не вызовут нарушений заданных ограничений при практическом применении системы с конструктивными характеристиками, полученными по результатам решения математической задачи.

Получение решения с определенными запасами выполнения требований технических условий необходимо также и из следующих соображений. Обычно, при проектировании механической системы из-за излишней громоздкости аналитического представления массы системы в функции искомых управлений, этот критерий в задачу не вводится. Однако, масса системы является одной из важнейших характеристик и в результате проектирования должен быть найден вариант системы, удовлетворяющий ограничению по массе. Поэтому, контроль массы можно осуществлять косвенно. Если в результате решения задачи будет получен вариант с достаточно большими запасами по требованиям технических условий, то некоторую долю запаса можно рассматривать как резерв, который в случае необходимости можно использовать для улучшения массовой характеристики системы и силового воздействия на конструкцию элементов системы и КА.

С учетом сказанного, решение задачи проектирования механической системы целесообразно производить поэтапно. На первом этапе определяется принципиальная возможность существования решения задачи, на втором - отыскивается решение с возможно большими запасами.

В своем большинстве, проектируемые механические системы относятся к сложным многокритериальным системам, что предполагает при их решении использование математического аппарата теории управления. Универсального общего "рецепта" их решения не существует. Некоторые задачи могут быть сведены к оптимизационным. Каждая задача, как показывает практика, требует своего индивидуального подхода.