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

связи. Рой беспилотных аппаратов являет собой практически чи-

стую сетевую структуру на макроуровне, однако внутри каждого аппарата по-прежнему преобладает иерархическая архитектура бортовой электроники. Таким образом, мастерство современного системного инженера заключается в умении выбрать для каждой подсистемы и каждого уровня адекватную топологию, баланси-

руя между простотой и предсказуемостью линейных и иерархи-

ческих схем и гибкостью с живучестью сетевых решений. По ме-

ре развития технологий - микроминиатюризации, лазерных ком-

муникаций, распределённых вычислительных платформ - сетевые структуры будут играть всё большую роль, постепенно проникая в те области, которые ранее считались исключительной монопо-

лией централизованных архитектур. Понимание фундаменталь-

ных свойств различных сетевых топологий и умение применять теорию графов к анализу надёжности, задержек и связности ста-

новится одной из ключевых компетенций проектировщика аэро-

космических систем двадцать первого века.

2.4.Матричные (решетчатые) и табличные структуры

Впрактике создания сложных аэрокосмических объектов наря-

ду с иерархическими, сетевыми и линейными формами организа-

ции элементов особое место занимают матричные, решетчатые и табличные структуры. Их объединяет фундаментальный принцип размещения информации или материальных компонентов в узлах регулярной двумерной либо многомерной решетки, где каждое

пересечение строки и столбца (или координатных осей) фиксиру-

ет определенный тип связи, атрибут или взаимодействие. Если графовые модели подчеркивают топологию связей, а иерархии -

отношение подчинения, то матричные структуры акцентируют полноту и систематичность попарных отношений, делая обозри-

мым все множество интерфейсов в системе. В ракетно-

космической технике и проектировании беспилотных летатель-

ных аппаратов матрицы и таблицы пронизывают все стадии жиз-

ненного цикла - от формирования облика и распределения требо-

ваний до анализа отказов и управления производственной коопе-

рацией, а решетчатые физические конструкции, такие как изо-

гридные оболочки и решетчатые аэродинамические поверхности,

доводят матричный принцип до материального воплощения,

обеспечивая уникальное сочетание прочности, легкости и ком-

пактности.

Одним из центральных применений матричного подхода в ра-

кетостроении является представление межсистемных интерфей-

сов с помощью так называемых N-квадратных диаграмм. В этой форме по осям откладываются все подсистемы носителя или бес-

пилотного аппарата - двигательная установка, система подачи топлива, бортовой комплекс управления, энергосистема, полезная нагрузка, конструкция, теплозащита, - а в ячейках на пересечении строки и столбца указываются тип и направление связей: меха-

нические нагрузки, потоки данных, электрическое питание, гид-

равлические или пневматические магистрали. Матрица интер-

фейсов позволяет системному интегратору одним взглядом охва-

тить всю совокупность взаимодействий, немедленно выявить пропущенные или избыточные связи, оценить сбалансирован-

ность архитектуры. В проекте ракеты «Ангара» матричная форма анализа интерфейсов между универсальными ракетными моду-

лями и центральным блоком позволила гарантировать, что любой модуль может быть использован в любой позиции без перепроек-

тирования, поскольку все связи были жестко унифицированы и верифицированы на пересечениях матрицы. Для беспилотного летательного аппарата самолетной схемы подобная матрица свя-

зывает аэродинамические поверхности, силовую установку, авто-

пилот и целевую нагрузку, и именно анализ недиагональных яче-

ек помогает обнаружить, например, неучтенное электромагнит-

ное влияние передатчика на навигационный приемник, что по-

требует либо перекомпоновки, либо экранирования.

Прослеживаемость требований - еще одна область, где матрич-

ные структуры абсолютно незаменимы. В современной систем-

ной инженерии принято связывать требования заказчика верхне-

го уровня с функциями, которые должна выполнять система, а

функции - с конкретными элементами конструкции и программ-

ного обеспечения. Матрица прослеживаемости «требование -

функция - компонент» строится как прямоугольная таблица, где строки соответствуют пунктам технического задания, а столбцы -

подсистемам и агрегатам. Наличие отметки на пересечении озна-

чает, что данный компонент участвует в удовлетворении данного требования. Обратная прослеживаемость позволяет для каждого компонента указать, какие именно требования он закрывает, что

исключает появление «золотых» узлов, не привязанных к целям миссии. При сертификации ракеты-носителя, например, для пи-

лотируемых пусков, регулирующие органы требуют предостав-

ления полной матрицы прослеживаемости требований безопасно-

сти, демонстрирующей, что каждое опасное событие покрыто по меньшей мере одним проектным решением или защитным барье-

ром. В проектировании БПЛА такая матрица становится карка-

сом для управления изменениями: если заказчик ужесточает тре-

бование по помехозащищенности, матрица мгновенно высвечи-

вает все компоненты, которые могут быть затронуты, и инженеры могут оценить объем переделок.

Риск-менеджмент в ракетно-космической отрасли немыслим без матриц вероятности и тяжести последствий. Эти двумерные таблицы, где строки соответствуют уровням вероятности отказа -

от «практически невероятно» до «ожидается в каждом полете», -

а столбцы - категориям тяжести от незначительного снижения эффективности до катастрофической потери носителя или гибели экипажа, служат основой для классификации рисков и назначе-

ния приоритетов их снижения. Каждый идентифицированный от-

каз, будь то разрушение турбонасосного агрегата или сбой в ка-

нале связи с беспилотником, попадает в определенную ячейку матрицы, и правила, выработанные многолетней практикой,

предписывают для ячеек с недопустимым риском обязательное резервирование или конструктивное изменение, для умеренных -

количественный анализ и контроль, для пренебрежимых - приня-

тие без доработок. Так, для ракеты-носителя Falcon 9 возвраще-

ние первой ступени потребовало построения обширной матрицы рисков посадочных режимов, в которой анализировались комби-

нации отказов посадочных опор, решетчатых рулей, двигателей торможения и навигационных датчиков, и ячейки с высоким риском были закрыты дополнительным резервированием или из-

менением алгоритмов.

Морфологическая матрица, восходящая к методологии швей-

царского астрофизика Фрица Цвикки, широко применяется на этапе концептуального проектирования для систематического пе-

ребора возможных вариантов облика ракеты или беспилотного аппарата. По строкам такой матрицы откладываются ключевые проектные параметры или подсистемы: тип топлива, схема дви-

гательной установки, конструкционный материал баков, компо-

новочная схема, способ управления, тип полезной нагрузки. В

каждом столбце перечисляются допустимые альтернативы: жид-

кий кислород-керосин, кислород-метан, твердое топливо; откры-

тая или закрытая схема двигателя; алюминиевые сплавы, компо-

зиты, нержавеющая сталь; тандемная или пакетная схема и так далее. Общее число теоретически возможных комбинаций равно произведению количества альтернатив по каждой строке и может достигать тысяч и десятков тысяч. Проектировщик, вооруженный морфологической матрицей, последовательно сужает простран-

ство перебора, отбрасывая явно несовместимые или неэффектив-

ные сочетания, и в итоге выходит на несколько рациональных концепций, которые уже подвергаются детальному баллистиче-

скому и массовому анализу. При создании перспективного разве-

дывательного БПЛА большой продолжительности полета морфо-

логическая матрица может включать такие строки, как аэродина-

мическая схема, тип силовой установки, расположение воздухо-

заборников, компоновка полезной нагрузки, тип антенн связи, и

на пересечениях обнаруживаются нетривиальные комбинации,

способные дать выигрыш в дальности или малозаметности.

Табличная форма организации данных пронизывает все стадии испытаний и эксплуатации. Циклограмма пуска ракеты-носителя представляет собой таблицу, в которой для каждого момента времени от отсчета «минус три часа» до отделения космического аппарата перечислены все выполняемые операции, ответствен-

ные исполнители, ожидаемые значения параметров и критерии перехода к следующей фазе. Такая таблица-циклограмма являет-

ся не просто документом, а логическим ядром автоматизирован-

ной системы подготовки пуска: вычислительный комплекс по-

следовательно опрашивает строки таблицы, выдавая команды и контролируя их исполнение. Для беспилотного летательного ап-

парата табличная форма применяется при составлении полетного задания: в виде таблицы координат поворотных пунктов маршру-

та, высот, скоростей и режимов работы целевой аппаратуры, ко-

торая загружается в автопилот и интерпретируется им в процессе выполнения миссии. Обработка телеметрической информации после полета также немыслима без многомерных табличных структур. Типичный пуск ракеты-носителя порождает десятки миллионов измерений, снятых с тысяч датчиков с частотой от де-

сятков до тысяч герц. Эти данные организуются в многомерные

кубы, где измерениями выступают время, номер датчика, тип из-

меряемой величины, режим полета. Специалист по анализу теле-

метрии может запросить срез этого куба, например, значения давления в камере сгорания всех двигателей первой ступени на участке максимального скоростного напора, - и получить ком-

пактную таблицу, в которой аномалия одного из двигателей сразу бросается в глаза на фоне остальных. Современные OLAP-

системы, адаптированные для ракетно-космических применений,

позволяют в реальном времени вращать и агрегировать такие многомерные таблицы, выявляя скрытые корреляции и тренды,

незаметные при традиционном поканальном анализе.

Решетчатые конструкции, представляющие собой физическое воплощение матричного принципа, играют в ракетной и беспи-

лотной технике не менее важную роль. Наиболее яркий пример -

изогридные, или вафельные, оболочки, широко применяемые для изготовления топливных баков и сухих отсеков ракет-носителей.

Изогридная структура состоит из тонкой металлической или композитной обшивки, подкрепленной регулярной сеткой пере-

секающихся ребер, образующих треугольные или прямоугольные ячейки. При нагружении такая оболочка ведет себя подобно сплошной плите значительно большей толщины, но при этом масса ее в разы меньше. Изготовление изогридных панелей осу-

ществляется фрезерованием из цельной плиты либо химическим травлением, что полностью исключает заклепочные и сварные соединения, являющиеся концентраторами напряжений. Баки ра-

кет Atlas и Delta, а также многие советские и российские носите-

ли, включая «Протон» и «Зенит», широко использовали изогрид-

ные панели, позволившие достичь рекордных показателей кон-

структивного совершенства. С точки зрения структуры изогрид представляет собой матрицу, где строки и столбцы соответству-

ют направлениям ребер, а узлы их пересечения - точкам передачи усилий между обшивкой и подкрепляющим набором. Расчет та-

кой конструкции требует применения методов строительной ме-

ханики регулярных систем, и оптимизация шага ребер, их высоты и угла перекрестия под заданные поля нагрузок составляет клас-

сическую задачу параметрической оптимизации.

Решетчатые аэродинамические поверхности, часто называемые решетчатыми крыльями или рулями, представляют собой еще один класс конструкций, в которых матричная решетка выходит на первый план. В отличие от сплошных плоскостей, решетчатое крыло состоит из набора параллельных пластин, скрепленных поперечными перегородками, образуя в сечении регулярную прямоугольную матрицу. Такая структура обладает рядом уни-

кальных свойств, делающих ее незаменимой в определенных применениях. Во-первых, решетчатое крыло складывается в очень компактный объем, что удобно для размещения на старту-

ющем носителе или в контейнере: система аварийного спасения корабля «Союз» оснащена четырьмя решетчатыми стабилизато-

рами, которые в сложенном состоянии прижаты к корпусу, а в случае аварии раскрываются, обеспечивая устойчивый полет от-

деляемого головного блока. Во-вторых, решетчатые поверхности при малых удлинениях обладают благоприятными характеристи-

ками на больших углах атаки и в широком диапазоне скоростей,

включая сверхзвуковые режимы, где обычные рули теряют эф-

фективность из-за отрыва потока. Решетчатые рули, установлен-

ные на возвращаемой первой ступени Falcon 9, работают на участке входа в плотные слои атмосферы, где скорость достигает нескольких чисел Маха, и обеспечивают точное наведение на по-

садочную площадку. В беспилотных летательных аппаратах ре-

шетчатые аэродинамические поверхности находят применение в малогабаритных барражирующих боеприпасах, где требуется складывание в пусковой трубе и высокая маневренность при пи-

кировании на цель. Здесь матричная структура выступает как оп-

тимальное решение компромисса между компактностью, жестко-

стью и аэродинамической эффективностью.

Организационные матричные структуры в управлении проек-

тами ракетно-космической отрасли заслуживают отдельного внимания, поскольку именно через них абстрактная идея матри-

цы проецируется на человеческие коллективы. В матричной ор-

ганизации сотрудники находятся в двойном подчинении: функ-

циональному руководителю, отвечающему за профессиональный стандарт и развитие компетенций, и руководителю проекта или продуктового направления, ответственному за выполнение кон-

кретного контракта в срок и в рамках бюджета. Для опытно-

конструкторского бюро, одновременно ведущего несколько тем -

разработку модернизированной ракеты-носителя, проектирова-

ние разгонного блока и создание беспилотного комплекса, - мат-

ричная структура позволяет гибко перераспределять специали-

стов между проектами по мере изменения их трудоемкости. Ин-

женер-прочнист, числящийся в отделе прочности, может утром выполнять расчеты для ракеты, а днем - для беспилотника, что обеспечивает загрузку и препятствует дублированию компетен-

ций. Сложность матричной организации заключается в неизбеж-

ных конфликтах приоритетов, когда функциональный руководи-

тель требует соблюдения методических стандартов, а проектный

- ускорения любой ценой. Для разрешения таких конфликтов в ракетных КБ традиционно создаются советы главных конструк-

торов, играющие роль арбитров на пересечении строк и столбцов организационной матрицы.

Матричные структуры пронизывают и сферу анализа надежно-

сти и диагностики. Матрица «отказ — симптом» является цен-

тральным инструментом при создании экспертных систем поиска неисправностей. Строки этой матрицы перечисляют возможные отказы - от обрыва датчика до прогара камеры, а столбцы -

наблюдаемые «симптомы»: повышенная вибрация, падение дав-

ления, рост температуры, аномалии в телеметрическом сигнале.

На пересечениях проставляются вероятностные или булевы оценки наличия симптома при данном отказе. При возникнове-

нии нештатной ситуации на борту беспилотного аппарата борто-

вая диагностическая система опрашивает матрицу и выдает наиболее вероятную причину, которую затем может попытаться парировать, например, переключением на резервный канал. Для ракеты-носителя наземный диагностический комплекс послепус-

кового анализа использует аналогичную матрицу, чтобы по за-