1. Техническое задание на проектирование

Формирование целей, для достижения которых будет использоваться ЛА, обоснование необходимости новой разработки осуществляются на основе анализа и предсказания изменений во внешней среде - естествен­ной, т.е. в природе, и искусственной, т.е. созданной руками человека, -и последствий (экологических, политических, технических), к которым приведут разработка проекта, производство ЛА и его функционирова­ние. Эта работа (иногда ее называют внешним проектированием) ведется совместно организациями заказчика и разработчика, например в гражданской авиации авиакомпанией, которая намерена эксплуатировать новый самолет, и Государственным научно-исследовательским институтом гражданской авиации (заказчик) совместно с опытным конструкторским бюро (разработчик). В результате определяются потребные летно-технические характеристики (ЛТХ), технологические, эксплуатационные и другие требования к ЛА, выбираются критерии (показатели) эффективности выполнения ЛА поставленной задачи и формируется техническое задание (ТЗ) на проект ЛА.

Рассматривая в самом общем виде задачу, решаемую с помощью ЛА, как транспортную операцию, ТЗ на проектирование ЛА можно представить следующим образом.

Необходимо спроектировать ЛА, который способен заданную полезную нагрузку в определенных условиях комфорта и обслуживания при заданных условиях эксплуатации и применения доставить за определенное время на определенное расстояние с заданными критериями (показателями) эффективности выполняемой транспортной операции.

2. Сложные (большие) системы, их основные свойства

Очевидно, что приведенную выше общую формулировку задания на проектирование можно отнести к различным ЛА: и к самым современ­ным самолетам, и к самолетам, созданным на заре развития авиации. Очевидно и то, что современные самолеты существенно отличаются не только от самых первых самолетов, но и от самолетов десяти-, двадцати­летней давности. Изменились не только внешний облик и размеры самолета, что весьма важно. Изменились его силовая установка, система управления, электрооборудование и другие системы. На борту самолета появились принципиально новые системы, например бортовая ЭВМ, система автоматического пилотирования и т.д. Изменились и конструк­ция самолета, и технология его изготовления. Усложнение решаемых задач и, как следствие, увеличение сложности и стоимости проектирова­ния, изготовления и эксплуатации ЛА, насыщенность разнообразными сложными системами и оборудованием, широкое применение новых материалов, конструктивно-технологических решений, высокая трудоемкость изготовления, увеличение времени полного цикла создания - эти тенденции характерны для всех типов ЛА. И хотя целью проектирования всегда является создание проекта ЛА, изменились подход к проектированию, его методология.

Разработка (синтез) проекта ведется в настоящее время методом моделирования. Разрабатывается ряд частных моделей (логических, физических, математических, графических и др.), которые описывают (отражают) отдельные свойства ЛА (функциональные, аэродинамические, прочностные, весовые и др.). Используя достаточно большое число таких взаимосвязанных моделей, можно весьма точно описать ЛА, отразить всю совокупность его свойств.

Одним из частных, но прогрессивных подходов к описанию свойств объекта является системный подход, при котором объект исследования описывают как систему, описывают его системные свойства.

Система (греч. systеma - целое, составленное из частей, соединение), или системный объект, - это обладающий определенной завершенностью, целостностью объект (например, самолет), состоящий из взаимосвязанных элементов, отличающийся от окружающей его внешней среды и взаимо­действующий с ней (взлетает и садится на взлетно-посадочную полосу аэродрома- взаимодействие с искусственной внешней средой, совершает полет в атмосфере - взаимодействие с естественной внешней средой). Системный объект в наиболее общем виде обладает следующими свойствами.

1. Объект создается ради определенной цели и в процессе достижения этой цели функционирует и развивается (изменяется).

Так, для нового пассажирского самолета целью разработки и постройки может являться более комфортабельная, безопасная и экономически выгодная (по сравнению с существующими самолетами) перевозка пассажиров. В процессе функционирования (эксплуатации, например, в течение 60 000 летных часов за 20 лет полетов) самолет ремонтируется, оснащается новыми оборудованием и системами.

2. В составе системного объекта имеется источник энергии и материалов для его функционирования и развития.

Двигатели и запас топлива на борту самолета обеспечивают возможность полета, наземные службы, например аэродромные, проводят наземное обслуживание и подготавливают самолет к полету, система управления воздушным движением обеспечивает навигацию, ремонтные службы - ремонт и оснащение самолета новыми оборудовани­ем и системами.

3. Системный объект — управляемая система. Для управления системным объектом используется информация о его собственном состоянии и о состоянии внешней среды и моделируется поведение объекта во внешней среде.

В процессе полета летчик (или автоматическая система управления) изменяет траекторию движения самолета на основании информации о положении самолета в пространстве, о работе всех его бортовых систем и в соответствии с указаниями службы управления воздушным движением.

4. Объект состоит из взаимосвязанных компонентов, выполняющих определенные функции в его составе.

4. Свойства системного объекта не исчерпываются суммой свойств его компонентов (свойство эмерджентности).

Все компоненты ЛА при их совместном функционировании обеспечивают новое свойство, которым не обладает в отдельности ни один из них, - возможность управляемого полета.

Системный подход предполагает, что компоненты ЛА также могут рассматриваться как системы. С другой стороны, сам ЛА является компонентом системы более высокого уровня. Например, пассажирский самолет является компонентом транспортной системы страны) включаю­щей в себя авиационный, железнодорожный и другие виды транспорта. Следовательно, существует иерархия (от греч. hieros - священный и arche- власть) систем, т.е. расположение частей или элементов целого в порядке от высшего к низшему ("пирамида" систем).

Таким образом, проект ЛА объединяет частные, взаимоувязанные, взаимообусловленные модели. Он отражает большое число параметров и связей между ними, весьма сложных для формализованного описания (т.е. описания с помощью последовательности взаимосвязанных формул). В этом смысле о проекте ЛА можно говорить как о большой, сложной модели, которая отражает все свойства будущего реального ЛА и, как правило, представляет собой ряд зависимостей между целями проектиро­вания, возможными средствами их достижения, окружающей средой и ресурсами. Средства достижения целей проектирования - это возможные варианты проектных решений - альтернативы (франц. alternative от лат. alter - один из двух).

Для выбора из ряда альтернативных вариантов некоторого проектного решения определяют критерий выбора - некоторый показатель, обобщенно характеризующий степень достижения поставлен­ной цели тем или иным вариантом проекта. В качестве обобщенного критерия для выбора рационального варианта и для оптимизации его параметров обычно используют показатель эффективность - стоимость, отражающий соотношение между эффективностью решения поставлен­ной задачи и суммарными затратами на ее решение (стоимостью данного варианта). Задача может быть сформулирована двояко:

1. обеспечить максимальную эффективность системы при заданных затратах;

2. обеспечить минимальную стоимость системы при заданном уровне эффективности.

Таким образом, на всех стадиях проектирования, изготовления и эксплуатации ЛА можно рассматривать как систему, как совокупность взаимосвязанных управляемых компонентов (подсистем), объединенных общей целью функционирования для решения заданной проблемы в некотором диапазоне условий. Именно с этих позиций мы должны рассматривать летательные аппараты и отдельные их компоненты.

Поскольку всякая система взаимодействует с внешней средой, то любые изменения внешней среды влияют на систему и в то же время свойства внешней среды изменяются в результате работы системы. Внешняя среда (естественная и искусственная), в которой существует и функционирует ЛА, является динамической системой (ее параметры изменяются во времени). Следовательно, проектируя ЛА на достаточно длительный период эксплуатации, мы должны не только учитывать сегодняшнее состояние внешней среды, но и уметь прогнозировать ее изменения. Прогноз должен учитывать изменения внешней среды, вызванные функционированием создаваемого ЛА и других систем, не только в техническом, но и в экологическом, социально-политическом и других аспектах.

Поскольку всякая система состоит из взаимосвязанных компонентов и представляет определенную целостность, то изменение параметров любого из компонентов системы вызывает изменение работы системы и ее выходных параметров. Следовательно, при проектировании ЛА необходимо предусмотреть возможные отказы (нарушения работоспо­собности) систем и агрегатов ЛА и обеспечить либо возможность передачи функций отказавшей системы или агрегата другой системе или агрегату ЛА, либо резервирование (от лат. reserve - сберегаю, сохраняю) систем и агрегатов. Простейшим видом резервирования является дублирование (от франц. doubter - удваивать), при котором наряду с основной системой имеется еще одна (резервная), включаемая в работу при отказе основной системы.

К сожалению, наши прогнозы на будущее не являются абсолютно точными. Поэтому при проектировании необходимо предусмотреть возможность различных модификаций (от позднелатинского modifico - видоизменяю, меняю форму), т.е. принципиальных изменений систем и ЛА в целом, если произойдут непредусмотренные изменения внешней среды.

В соответствии с существующей иерархией систем при проектирова­нии мы должны рассматривать ЛА как часть системы высшего уровня (авиационного или ракетно-космического комплекса) и выбирать параметры ЛАтак, чтобы они обеспечивали оптимальное функциониро­вание этой системы (комплекса). Поэтому критерием оценки системы должен являться ее показатель, обеспечивающий оптимальность вышестоящей системы.

Таким образом, можно считать, что проектирование с системных позиций (системное проектирование) — это проектирование части целого как элемента целого.