1.3. Место баллистического и динамического проектирования в процессе разработки комплекса управляемого ла
Процесс разработки комплекса управляемого ЛА во времени может быть условно представлен в виде нескольких характерных этапов, (например, этап технического предложения, эскизное проектирование, рабочее проектирование (ОКР), натурные или летные испытания и др.). В то же время по существу этот процесс включает ряд конкретных видов проектирования, в том числе и проектирование свойств движения; будем условно называть этот вид динамическим проектированием. Динамическое проектирование как часть общего проектирования комплекса ЛА включает решение задач баллистики, динамики, управления, наведения, точности попадания и т.д. По результатам этих исследований и расчетов определяются основные характеристики ЛА и его компоновка, динамическая схема ЛА (т.е. схема создания сил и моментов), требуемая траектория ЛА и параметры движения по ней, характеристики устойчивости и управляемости ЛА на траектории.
Если учесть, что, в конечном счете, выполнение основной задачи полета ЛА означает движение ЛА по требуемой траектории с заданными свойствами, то становится понятной главенствующая роль динамического проектирования на всех этапах проектирования комплекса УЛА. Расчеты по динамике и их результаты, в конечном счете, являются критерием правильности выбора и результатов всех других видов расчетов (аэродинамических, баллистических, весовых, конструктивных и т.д.).
Решение задачи о проектировании движения ЛА с заданными свойствами является одной из важнейших проблем, на которых базируется проектирование ЛА в целом, т.к. движение – это тот процесс, в результате которого ЛА выполняет свою задачу. Движение ЛА должно быть организовано рационально, с учетом ограничивающих факторов, стесняющих наш выбор. В некоторых случаях возможно имеется единственная траектория, решающая поставленную перед ЛА задачу, - ее и надо найти; в других случаях из множества возможных решений надо выбрать одно, являющееся в каком-то смысле наилучшим. От того, насколько удачно решена задача о проектировании движения, зависят важнейшие характеристики самого аппарата (начальная масса, тяга ДУ, масса полезного груза и т.д.) и полета (точность попадания, дальность, эффективность функционирования и т.д.).
Исследование вопросов динамики сводится к исследованию динамической схемы ЛА. Изучая различные варианты уравнений, выбирают наиболее рациональную динамическую и, следовательно, компоновочную схему ЛА. При этом может обнажиться ряд противоречий (например, между баллистическими, навигационными, эксплутационными, конструктивно-технологическими требованиями и требованиями устойчивости и управляемости). В преодолении этих противоречий и проявляется искусство проектирования.
Несколько слов о методах решения поставленных задач. Для ранних стадий проектирования комплекса УЛА характерны относительно простые математические модели с постановкой задач баллистического и динамического проектирования в виде задач полного или частичного синтеза о применением теоретических (аналитических, либо графо-аналитических) методов, ЭВМ,
На более поздних стадиях модели движения ЛА усложняются за счет "проявления" и уточнения сведений об аппарате и его системах и задачи синтеза чередуются о задачами анализа с широким применением ЭВМ. Такое последовательное приближение является очень характерным для процесса проектирования в целом.
Но при решении задач динамического проектирования всегда следует помнить и учитывать, что всякое решение задачи влияет как на более высокие (или низкие – по вертикали) иерархические уровни системы, так и на соседние уровни, что является следствием тесного взаимодействия всех подсистем комплекса УЛА как БТС. Другими словами, всегда следует проявлять комплексный или системный подход.
Хотелось бы подчеркнуть еще раз упомянутую выше одну особенность баллистического и динамического проектирования. Эта особенность заключается в том, что в мире современной техники процессы проектирования направлены на поиск наилучших, ила оптимальных решений. Оптимальные задачи динамики полета - это сравнительно новый, интенсивно развивающийся раздел динамики ЛА, посвященный определению наивыгоднейших в том или ином смысле режимов движения и параметров ЛА методами теории оптимальных систем. Задача определения оптимальных режимов полета и параметров ЛА, обеспечивающих выполнение полетного задания при экстремальном значении какой-либо характеристики (минимуме стоимости, расходе топлива, продолжительности полета, максимуме точности попадания в заданную область и т.п.) сегодня является не столько похвальной, сколько необходимой при ограниченности материальных ресурсов. Решение ее позволяет наиболее полно использовать возможности существующей техники и создает предпосылки для создания новых образцов ЛА, наилучшим образом выполняющих задачу.
Возможность постановки и решения оптимальных задач механики полета, сущность соответствующих им математических проблем определяются тем, что отыскание режимов полета и параметров ЛА (т.е. изучение математической модели движения ЛА) связано с интегрированием системы дифференциальных уравнений, число неизвестных которой превышает число уравнений. Выбор лишних, так называемых управляющих функций и параметров как раз и может быть подчинен условию достижения экстремального значения одной из характеристик ЛА.
К 60-ым годам XX-го века примерно во всем мире сложилась технология разработки ЛА, базирующаяся, главным образом, на экспериментальных исследованиях. Именно для обслуживания этой технологии в нашей стране были созданы мощные экспериментальные центры – ЦАГИ, ЛИИ, ЦИАМ и др. Все исследования и проектирования проводились по цепочке:
Эксперимент
Уточнение ТТТ
ТТТ
Физическая модель
Доводка в летных
испытания
Гос.
испытания,
передача
в серию или заказчику
Опытный образец
Р ассчетным, численным методам в этой цепочке отводилась хотя и важная, но все же не основная роль. Эта технология (подход) для своего времени была достаточно передовой и позволяла успешно решать ракетно-авиационные задачи по развитию и наращиванию оборонной мощи страны. Однако, по мере усложнения летательной техники эта технология становилась все более и более затратной. Существенно расширился круг комплексных проблем, лежащих на стыке различных отраслей знаний. Экспериментальное решение их становилось либо малоэффективным, либо практически неосуществимым.
В результате многократно увеличился объем доводочных работ на этапе летных испытаний, резко возросли стоимость и время разработок. Часто к концу испытаний новый образец успевал морально устареть.
Недаром П.О. Сухой говорил ученым: “Помогите главному конструктору. Ему труднее всего. Постарайтесь разобраться в том, что происходит. Почему тридцать лет назад я один мог проектировать новые самолеты, а теперь, когда у меня много заместителей, помощников, армия инженеров, мне стало так трудно создавать те самолеты, которые нужны Родине.”
Особо остро недостатки сложившейся технологии проектирования ЛА, проявились в новых экономических условиях, когда важнейшее значение приобрел критерий “стоимость изделия”. В ряде случаев эти технологии оказались просто нежизнеспособными.
С
ТТТ
Математическая модель
Уточнение ТТТ
Серийный образец
Контрольные
испытания
Передача заказчику
Решающее значение в этом подходе имеет понятие математической модели объекта (или его “математический дублер”), которая представляет собой совокупность аналитических соотношений, алгоритмов и программ, способных с достаточной (требуемой) точностью и полнотой имитировать на ЭВМ (а, следовательно, и прогнозировать, и оптимизировать) процесс функционирования ЛА и всего комплекса в реальных условиях эксплуатации.
Возможности замены исходного объекта его “математической моделью” и дальнейшего диалого с ним на ЭВМ таят в себе большие преимущества. Они означают качественные изменения методологии и технологии научных исследований, что обеспечивает существенное сокращение сроков и стоимости разработок.
Математическое моделирование представляет собой естественное развитие и обобщение методов научных исследований, соединенных с современными информационными технологиями. Следует особо подчеркнуть, что технология маиематического моделирования ни в коем случае не отменяет ранее созданные экспериментальные методики. Она лишь меняет акценты, превращая эксперимент в важнейшее средство построения математических моделей, их тестирования и идентификации.
Преимущества этого подхода можно проиллюстрировать на примере создания зарубежного B-2 (Stels). Он был сразу построен как серийный, миновав стадии развития макета, прототипа и опытных образцов, необходимых при традиционных технологиях. Это позволило ускорить его разработку на ~9 лет.