Подход к созданию системы управления для комплекса систем жизнеобеспечения экипажей космических станций

Развитие долговременных обитаемых космических станций (ОКС) и будущие планетные базы (ПБ) требуют соответствующих систем жизнеобеспечения (СЖО) экипажа и объединения их в единый комплекс СЖО (КСЖО). Это ставит задачу построения универсальной и эффективной автоматизированной системы управления (АСУ) для КСЖО [1, 2], включающего в себя СЖО:

•  различного назначения: системы обеспечения газового состава, системы водообеспечения, системы консервации, хранения и переработки отходов, системы обеспечения пищей, биотехнические системы (от экспериментальных до штатных);
•  на запасах компонентов и с частичной или полной переработкой продуктов жизнедеятельности экипажа (регенерационные СЖО);
•  различной степени технической сложности;
•  для работы в штатных условиях, при нештатной ситуации (НШС) и в условиях аварии;
•  с различным ресурсом;
•  для комических аппаратов разного назначения: транспортные корабли доставки, длительные полеты (Луна, Марс, астероид), ОКС, ПБ.

Сложность АСУ КСЖО:

•  большое количество составляющих элементов;
•  большое количество связей между элементами;
•  в перспективе — наличие биологоческих объектов (растения и животные);
•  экипаж — составная часть системы управления (система человек-машина);
•  необходимость и способность адаптации к изменениям условий среды обитания и внешним воздействиям (штатным или вынужденным в НШС).

При создании АСУ КСЖО стоит задача комплексной многокритериальной оптимизации с множеством противоречивых критериев эффективности, решение которой требует системного подхода. Предлагается все множество локальных (частных) критериев эффективности (ЛКЭ) разделить на 3 группы, введя для каждой из них глобальный критерий эффективности (ГКЭ) [3]. Эти ГКЭ:

1.  Живучесть — множество ЛКИ, связанных с показателями живучести технической системы, включая ее наблюдаемость – как необходимое условие адекватной оценки и прогноза технического состояния и распознания НШС. При этом основные задачи обеспечения высокого уровня наблюдаемости:

• выделение параметров, определяющих работоспособность и ресурс системы;
• выбор технологии эффективного контроля выделенных параметров;
• полнота, своевременность и достоверность получаемой информации.

2. Себестоимость — множество ЛКИ, связанных с затратами всех видов (деньги, время, масса, энергия, …), которые характеризуют процесс создания системы, и ее экономические и технические показатели при доставке и эксплуатации на борту.
3. Комфортность — множество ЛКИ, связанных с качеством функционирования системы (поддержания параметров среды обитания), включая адаптацию для взаимодействия с экипажем и взаимосвязанными системами.

На каждом этапе создания АСУ КСЖО [4] проводится оптимизация по одному из ГКЭ, при этом на два других ГКЭ накладываются соответствующие области ограничений.

Живучесть — характеристика поведения системы в НШС и после. Определяет общую структуру и идеологию АСУ КСЖО и отдельных СЖО.

Себестоимость — характеристика общих затрат. Определяет выбор средств технического обеспечения.

Комфортность — характеристика штатной работы. Определяет разработку программного обеспечения и выбор алгоритма управления отдельной СЖО в составе КСЖО.

Наиболее оптимальная структура АСУ КСЖО — распределенная система управления. Отдельная СЖО в комплексе имеет автономный блок управления (АБУ). Все АБУ связаны с центральным блоком управления (ЦБУ) как системой высшего уровня, взаимодействующего с системой сбора и обработки информации о параметрах среды обитания. При штатной работе ЦБУ выдает команды на включение-отключение отдельной СЖО и задает ее производительность, а АБУ осуществляют текущее управление и контроль параметров. При отказе (или необходимости временного отключения) АБУ — его функции берет на себя ЦБУ, а при отказе ЦБУ — все управление передается на АБУ.

Алгоритм управления производительностью каждой СЖО в КСЖО включает 3 составные части:

•  управление по возмущению, когда автоматически меняется производительность СЖО при изменении числа членов экипажа, исходя из средней производительности на человека («грубая настройка»);
•  управление по рассогласованию, когда идет сравнение фактически измеренного значения параметра среды обитания с его уставкой, и если рассогласование больше определенной величины, то меняется производительность СЖО («тонкая настройка»). В качестве механизма предлагается использовать известное в технике ПИД-регулирование (пропорционально-интегрально-дифференциальное регулирование), при этом дифференциальную составляющую можно подключать только при переходных процессах высокой интенсивности (при большой величине рассогласования);
•  дополнительное (кроме указанных) управление по возмущению, если СЖО в течение определенного времени по какой-то причине (внешней или внутренней) не работала или работала на меньшей производительности, чем было необходимо (или планируется подобная ситуация). Тогда автоматически увеличивается производительность СЖО на период времени, в течение которого будет скомпенсировано снижение производительности, после чего идет автоматическое возвращение производительности СЖО на прежний уровень («компенсация выпавшей производительности»).

Развитие описанного подхода — совместное управление производительностью взаимосвязанных между собой СЖО в КСЖО. Пример — поддержание состава атмосферы по содержанию О₂ и СО₂.

Экипаж потребляет О₂ и выделяет СО₂ (600 и 510 норм. л/сутки на 1 человека при дыхательном коэффициенте 0,85). Производство О₂ — в системе генерации кислорода (СГК) электролизом воды, при этом дополнительно выделяется Н₂ (1200 норм. л/сутки при производстве О₂ на 1 человека). Удаление СО₂ — двумя системами: системой очистки атмосферы от углекислого газа (СОА-УГ) – выброс за борт и системой концентрирования диоксида углерода (СКДУ) — на переработку. СКДУ имеет более высокие затраты энергии на литр удаляемого СО₂ и технически более сложная, чем СОА-УГ, поэтому использование СКДУ для удаления СО₂ без его переработки нерационально. Переработка СО₂ вместе с Н₂ из СГК — в системе переработки диоксида углерода (СПДУ) по реакции Сабатье: 4Н₂ + СО₂ = СН₄ + 2Н₂О, с последующим отделением воды для использования. СН₄ выбрасывается за борт, т. е. теоретически возможна переработка 300 из 510 л выделяемого человеком СО₂ (в реальности — меньше из-за потерь). Чтобы переработать больше СО₂ требуется возвращать Н₂, создав систему крекинга метана (СКМ): СН₄ = С + 2Н₂. Т. е. АСУ должна обеспечить согласованную по производительности работу СГК, СКДУ и СПДУ (и в перспективе СКМ), на фоне работы СОА-УГ. При этом:

•  в атмосфере требуется поддерживать содержание О₂ в границах верхнего и нижнего пределов и СО₂ не более верхнего предела;
•  производительность и эффективность работы СКДУ и СОА-УГ растут с ростом концентрации СО₂ в атмосфере;
•  демпфирующие свойства атмосферы во времени (при избытке или недостатке поступления О₂ или недостатке удаления СО₂ сохранять допустимые пределы по их содержанию) зависят от объема гермоотсека и численности экипажа.