Муравьев АВ Морфология и инженерия структур в ракетно-космической технике и беспилотных летательных аппаратах

УДК 681.51.012

ББК 81.052.1

Рецензенты:

доктор технических наук, профессор, Российский университет транспорта А.В. Лагерев

кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Федерального государственного бюджетного учреждения науки Институт аналитического приборостроения РАН А.А. Федоров

М91 Муравьев А.В.

Морфология и инженерия структур в ракетно-космической технике и беспилотных летательных аппаратах: монография / А.В. Муравьев. –

Курск: Изд-во ЗАО «Университетская книга». 2026. – 243 с.

ISBN 978-5-00291-091-5

Монография посвящена систематизации фундаментальных представлений о структуре как ключевой категории системной инженерии в ракетно-космической отрасли и проектировании беспилотных летательных аппаратов. В работе обосновывается, что именно структурный анализ и синтез позволяют управлять колоссальной сложностью современных аэрокосмических изделий, обеспечивая их целостность, живучесть и эффективность при экстремальных нагрузках. На основе базовых понятий общей теории систем («система», «элемент», «связь») автор вводит развернутую морфологию структурных архитектур, выделяя три фундаментальных свойства - целостность, иерархичность и эмерджентность, - и предлагает многомерную классификацию структур по топологии, динамичности, детерминированности и модульности.

В книге последовательно раскрываются основные виды структур, встречающиеся в природе и технике: линейные цепи, иерархические деревья, сетевые, матричные, циклические и фрактальные конфигурации, - каждый из которых иллюстрируется реальными примерами из ракетостроения и авиационной робототехники. Отдельное внимание уделяется гибридным и многоуровневым архитектурам, характерным для реальных объектов. Третья глава переводит теоретические построения в практическую плоскость, описывая инструментарий структурного проектирования, критерии выбора оптимальных решений, методы верификации, а также эволюцию архитектурных парадигм - от монолитных схем к модульным, реконфигурируемым, роевым и фрактальным. Издание адресовано инженерам-системотехникам, конструкторам, научным работникам и студентам старших курсов, стремящимся овладеть языком системного мышления для создания конкурентоспособных образцов аэрокосмической техники.

Все права защищены. Никакая часть данной книги не может быть воспроизведена в какой бы то ни было форме без письменного разрешения владельцев авторских прав.

© Муравьев А.В., 2026

3.5.Методы верификации и валидации структурных решений (имитационное моделирование, анализ связности, полунатурные

3.7.Анализ структурных архитектур современных носителей и БПЛА (тандемная, пакетная, комбинированная схемы; централизованные и

Введение

Создание современных ракет-носителей, космических аппара-

тов и беспилотных летательных систем по праву считается одной из вершин инженерной мысли. Эти технические объекты пред-

ставляют собой сложнейшие комплексы, объединяющие в себе механику, аэродинамику, термодинамику, электронику, про-

граммное обеспечение, системы связи и управления. Их проекти-

рование, производство и эксплуатация требуют скоординирован-

ной работы тысяч специалистов самых разных профилей, а цена ошибки на любом из этапов жизненного цикла измеряется не только миллионами рублей или долларов, но зачастую и челове-

ческими жизнями, и национальным престижем. В этих условиях ключевое значение приобретает не столько знание отдельных дисциплин, сколько умение видеть объект как единое целое — как систему, обладающую свойствами, не сводимыми к сумме свойств её компонентов. Именно системный подход, системное мышление и системная инженерия становятся тем интеллекту-

альным инструментом, который позволяет обуздать колоссаль-

ную сложность аэрокосмических изделий и обеспечить их успешное функционирование в экстремальных условиях.

В основе системного подхода лежит понятие структуры — того инвариантного аспекта системы, который фиксирует состав её элементов и совокупность устойчивых связей между ними, обес-

печивая целостность и тождественность объекта при различных внешних и внутренних изменениях. Если элементы системы мо-

гут меняться в пределах совместимости, то структура образует тот архитектурный костяк, который определяет принципиальный облик изделия, его поведение, надёжность, живучесть и, в конеч-

ном счёте, эффективность. Именно структура ракетного блока — его компоновочная схема, силовой набор, пневмогидравлическая трасса, топология кабельной сети — предопределяет, выдержит ли конструкция стартовые перегрузки и вибрации, сможет ли си-

стема управления парировать возмущения, останется ли работо-

способной при частичных отказах. Именно структура беспилот-

ного летательного аппарата — его аэродинамическая схема, раз-

мещение полезной нагрузки, архитектура бортового радиоэлек-

тронного оборудования — диктует дальность и продолжитель-

ность полёта, манёвренность, радиолокационную заметность и многое другое.

Несмотря на очевидную фундаментальность категории струк-

туры, в инженерной практике долгое время доминировал подход,

ориентированный прежде всего на отдельные элементы и агрега-

ты, а не на систему в целом. Проектирование велось «снизу вверх»: сначала создавались детали и узлы, затем они компоно-

вались в подсистемы, а на завершающем этапе предпринималась попытка «собрать» из них работающее изделие. Такой путь неиз-

бежно приводил к несогласованности интерфейсов, избыточной массе, невыявленным эмерджентным эффектам, дорогостоящим переделкам и, в ряде случаев, к катастрофам. Лишь к середине

XX века, по мере усложнения аэрокосмической техники, инже-

нерное сообщество пришло к осознанию необходимости методо-

логического переворота: структура должна проектироваться не после, а до элементов, и именно она должна служить тем карка-

сом, на который впоследствии «нанизываются» конкретные тех-

нические решения. Этот принцип — структурный синтез как ос-

нова системного проектирования — лёг в основу современной системной инженерии и нашёл своё последовательное воплоще-

ние в данной книге.

Предлагаемое читателю издание посвящено всестороннему анализу феномена структуры применительно к наиболее слож-

ным и ответственным областям техники — ракетно-космической отрасли и проектированию беспилотных летательных аппаратов.

Автор, опираясь на многолетний опыт научной и педагогической работы, ставит своей целью не просто дать систематизированное описание различных типов структур, но и предложить целостную морфологию структурных архитектур, которая могла бы служить универсальным языком для инженеров-системотехников, кон-

структоров, баллистиков, прочнистов, электронщиков и про-

граммистов. Такой язык необходим для того, чтобы разные спе-

циалисты, работающие над общим проектом, могли чётко и одно-

значно понимать друг друга, обсуждать варианты компоновки,

оценивать риски, вырабатывать совместные решения и фиксиро-

вать их в формализованном виде. Без такого языка междисци-

плинарный диалог превращается в набор не связанных между со-

бой терминов, что неизбежно ведёт к потере целостности проек-

та.

Книга построена как логически развёрнутое и последователь-

ное движение от фундаментальных понятий к конкретным инже-

нерным методам и прикладным примерам. Первая глава заклады-

вает концептуальный фундамент, вводя читателя в мир базовых категорий общей теории систем — «система», «элемент», «связь» и, собственно, «структура». Особое внимание уделяется трём фундаментальным свойствам структур: целостности, иерархич-

ности и эмерджентности. Эти свойства, которые часто упомина-

ются в учебной литературе вскользь, здесь раскрываются на бо-

гатом материале реальных ракетных и беспилотных систем, пока-

зывая, как именно они проявляются в конструкциях топливных баков, контурах управления, алгоритмах роевого взаимодействия.

Читатель увидит, что целостность — это не философская аб-

стракция, а условие выживаемости конструкции, что иерархич-

ность — не бюрократический принцип, а необходимость управ-

ления сложностью, а эмерджентность — источник как выдаю-

щихся достижений (способность ракеты выйти в космос), так и опаснейших явлений (флаттер, эффект Пого), которые невозмож-

но предсказать без системного анализа. Также в первой главе вводятся и систематизируются принципы классификации струк-

тур по топологии, степени централизации, модульности, способу соединения, динамическим свойствам и характеру коллективного взаимодействия. Эта классификация не является самоцелью; она выступает как многомерная система координат, позволяющая конструктору позиционировать любое проектное решение и со-

поставлять альтернативы.

Вторая глава представляет собой панорамный обзор основных видов структур, встречающихся в природе, технике и обществе,

но с неизменным акцентом на их инженерную интерпретацию в ракетно-беспилотной тематике. Здесь последовательно рассмат-

риваются линейные и последовательные структуры (цепи, кон-

вейеры), иерархические (древовидные), сетевые, матричные и табличные, циклические и кольцевые, а также фрактальные и са-

моподобные образования. Каждый из этих типов иллюстрируется конкретными примерами: от тандемной компоновки ракеты и пневмогидравлической схемы двигателя до кольцевых шин дан-

ных и решётчатых аэродинамических рулей, от иерархии кон-

структорской документации до матриц интерфейсов и морфоло-

гических таблиц, от автоколебаний в контурах управления до фрактальных антенн и самоподобных алгоритмов управления ро-

ями. Особое внимание уделяется не только достоинствам, но и ограничениям каждого структурного типа, а также методам ком-

пенсации недостатков, что даёт читателю не отвлечённое знание,

а действенный инструментарий для практической работы. В за-

вершение главы поднимается ключевая тема гибридных и много-

уровневых структур, поскольку реальные системы никогда не яв-

ляются воплощением одного чистого типа; они представляют со-

бой сложные композиции, в которых линейные цепи переплета-

ются с сетевыми ветвями, иерархии насыщаются циклическими контурами, а матричные интерфейсы связывают элементы, при-

надлежащие разным топологическим уровням. Именно это пони-

мание синтетической природы архитектуры является, по мнению автора, главным результатом морфологического анализа.

Третья глава переходит от теории к методологии и практике,

сосредоточиваясь на структурной методологии в проектировании ракетно-беспилотных систем. Здесь показывается, какое место занимает структурный анализ и синтез на каждом этапе жизнен-

ного цикла аэрокосмического изделия — от аванпроекта до ути-

лизации. Вводятся и подробно разбираются ключевые инстру-

ментальные средства: графовые модели, позволяющие формали-

зовать топологию и вычислять показатели связности и живуче-

сти; N-квадратные диаграммы, обеспечивающие полноту и не-

противоречивость описания межсистемных интерфейсов; морфо-

логические матрицы, структурирующие процесс генерации и от-

бора концептуальных вариантов. Эти методы не рассматриваются изолированно: показано, как они взаимодополняют друг друга,

образуя единый цикл системного проектирования. Отдельное внимание уделено многокритериальной оценке структур — тому,

как на основе противоречивых требований по массе, надёжности,

живучести, технологичности и стоимости выбирать оптимальную или компромиссную архитектуру. Этот раздел особенно важен,

поскольку в реальной инженерной практике не существует иде-

ального решения, и лишь осознанное управление компромиссами позволяет создать конкурентоспособный продукт.

Далее в третьей главе рассматриваются методы верификации и валидации структурных решений: имитационное моделирование,

анализ связности и полунатурные испытания. Эти методы обра-

зуют триаду, покрывающую все аспекты проверки — от стати-

стического исследования миллионов сценариев на виртуальных прототипах до строгого топологического доказательства отсут-

ствия критических уязвимостей и до натурной отработки на стен-

дах с реальной аппаратурой. Читатель познакомится с тем, как строится мультифизическая модель ракеты или БПЛА, как вы-

числяется алгебраическая связность графа роя, как организуются

HIL-испытания и как их результаты соотносятся с лётными экс-

периментами. Важное место занимает обсуждение эволюции структурных парадигм — от монолитных и жёстко централизо-

ванных схем к модульным, реконфигурируемым, роевым и фрак-

тальным архитектурам. Эта историческая ретроспектива не толь-

ко демонстрирует логику развития техники, но и позволяет про-

гнозировать направления будущих прорывов. Наконец, глава за-

вершается анализом конкретных структурных архитектур совре-

менных ракет-носителей (тандемная, пакетная, комбинированная схемы) и БПЛА (классическая самолётная, «летающее крыло»,

конвертопланы, рои), а также сопоставлением централизованных,

распределённых и гибридных систем управления. Этот аналити-

ческий обзор служит своеобразным «мостом» между теорией и повседневной инженерной практикой, показывая, как рассмот-

ренные ранее абстрактные категории и методы воплощаются в реальных изделиях, стоящих на вооружении или поступающих на рынок.

Особую ценность книге придаёт её ориентация на сквозную практическую применимость. Каждая теоретическая конструк-