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

фиксированным телеметрией отклонениям локализовать отка-

завший агрегат. Многомерное расширение этой идеи приводит к тензорам диагностики, где помимо отказа и симптома добавля-

ются оси режима полета, наработки и внешних условий, что де-

лает диагностику точнее и чувствительнее к контексту.

Нельзя обойти вниманием табличное представление баллисти-

ческих и массовых расчетов. Проектный расчет ракеты-носителя,

предшествующий детальному моделированию, традиционно вы-

полняется в электронных таблицах, где строки соответствуют ступеням, а столбцы - ключевым параметрам: стартовая масса,

конечная масса, запас топлива, удельный импульс, тяга, время работы, приращение характеристической скорости. Формулы в ячейках таблицы связывают эти величины через уравнение Циол-

ковского и эмпирические коэффициенты конструктивного со-

вершенства. Варьируя входные параметры, проектировщик мгно-

венно видит, как изменение одного параметра - например, увели-

чение конечной массы ступени из-за установки дополнительной аппаратуры - отражается на потребном запасе топлива и, в ко-

нечном счете, на массе выводимого полезного груза. Табличная форма позволяет проводить параметрический анализ чувстви-

тельности, который является обязательным элементом защиты эскизного проекта. В беспилотной авиации аналогичные таблицы связывают массу планера, энерговооруженность, аэродинамиче-

ское качество, запас топлива или емкость батарей и дальность полета, позволяя на ранней стадии оценить реализуемость такти-

ко-технических требований.

Особый класс табличных структур, широко применяемых при интеграции и испытаниях, - это матрицы верификации и валида-

ции. Строки такой матрицы представляют собой требования к си-

стеме, а столбцы - методы проверки: анализ, моделирование, ав-

тономные испытания, комплексные стендовые испытания, лет-

ные испытания. На пересечении указывается, каким методом бу-

дет подтверждаться выполнение данного требования, а также критерии успешности. Для ракеты-носителя матрица верифика-

ции насчитывает тысячи строк и охватывает всё - от проверки момента затяжки болтов до подтверждения точности выведения на целевую орбиту. Наличие такой матрицы является обязатель-

ным условием при сертификации носителя для коммерческих пусков. Она обеспечивает прослеживаемость и исключает ситуа-

цию, когда какое-либо требование остается непроверенным ни одним методом, что впоследствии могло бы проявиться отказом в полете.

В контексте современных цифровых технологий матричные структуры обретают новое звучание. Цифровой двойник ракеты или беспилотного аппарата по своей сути есть многомерная мат-

рица состояний, в которой каждому моменту времени и каждому элементу конструкции поставлены в соответствие векторы напряжений, деформаций, температур и степеней выработки ре-

сурса. Технологии машинного обучения, используемые для пред-

сказания отказов, оперируют таблицами обучающих выборок, где строки - это экземпляры (полеты, циклы нагружения), а столбцы -

признаки, включая как непосредственно измеряемые параметры,

так и вычисляемые производные показатели. Качество предска-

зания напрямую зависит от полноты и непротиворечивости этой табличной матрицы данных, что стимулирует внедрение единых информационных сред на всем протяжении жизненного цикла.

Завершая рассмотрение матричных, решетчатых и табличных структур применительно к ракетостроению и проектированию беспилотных летательных аппаратов, следует подчеркнуть их фундаментальную роль как языка системной инженерии. Если иерархии задают вертикаль власти и декомпозиции, а сети - гори-

зонталь гибких связей, то матрицы и таблицы обеспечивают пол-

ноту и регулярность описания, принуждая инженера явно зафик-

сировать каждое попарное отношение и не оставить неучтенных интерфейсов. Именно матричная дисциплина, требующая запол-

нить все ячейки, даже те, что кажутся тривиальными, позволяет выявить скрытые противоречия и пробелы на ранних стадиях проекта, когда цена их исправления минимальна. Решетчатые фи-

зические конструкции воплощают эту дисциплину в материале,

достигая выдающегося весового совершенства и эксплуатацион-

ной гибкости. Таким образом, владение матричным инструмента-

рием - от N-квадратных диаграмм и морфологических таблиц до изогридных оболочек и многомерных телеметрических кубов -

составляет неотъемлемый элемент профессиональной культуры системного архитектора аэрокосмических систем.

Морфология и инженерия структур

114в ракетно-космической технике и беспилотных летательных аппаратах

2.5.Циклические и кольцевые структуры

Циклические и кольцевые структуры занимают в арсенале про-

ектировщика ракетно-космической и беспилотной техники со-

вершенно особое место, представляя собой класс архитектурных решений, в которых связи между элементами замыкаются, обра-

зуя замкнутый контур. В отличие от линейных, иерархических,

сетевых или матричных форм, где взаимодействие чаще всего имеет явное начало и конец либо распределено по множеству па-

раллельных путей, кольцевая организация предполагает, что вы-

ход последнего элемента тем или иным способом связан со вхо-

дом первого, создавая непрерывную циркуляцию вещества, энер-

гии или информации. Это свойство придает системам принципи-

ально новые качества: способность к самоподдержанию, много-

кратному использованию одного и того же ресурса, выравнива-

нию параметров по замкнутому контуру и, что особенно важно, к

возникновению обратных связей, которые могут быть как стаби-

лизирующими, так и дестабилизирующими. В ракетостроении и проектировании беспилотных летательных аппаратов кольцевые и циклические структуры пронизывают все уровни — от микро-

скопических уплотнительных колец в агрегатах двигателей до глобальных циклограмм пуска и замкнутых траекторий полета, и

понимание их свойств столь же необходимо инженеру, как и вла-

дение математическим аппаратом анализа замкнутых контуров.

Наиболее наглядным воплощением кольцевой структуры в конструктивном плане является тороидальная или кольцевая

форма элементов, широко применяемая в ракетных двигателях и системах подачи топлива. Камера сгорания жидкостного ракетно-

го двигателя, как правило, имеет цилиндрическую или близкую к ней форму, и её охлаждение организуется по кольцевой схеме:

горючее или окислитель подаются в коллектор, опоясывающий сопло или камеру, затем проходят по системе каналов, равномер-

но распределенных по окружности, и собираются в другой коль-

цевой коллектор, откуда поступают в форсуночную головку. Та-

кая кольцевая разводка обеспечивает равномерность температур-

ного поля и расхода по всему периметру, предотвращая местные перегревы и разрушение стенки. Более того, если тракт охлажде-

ния выполнен по противоточной схеме с возвратом части потока,

образуется замкнутый циркуляционный контур, где хладагент со-

вершает полный оборот, повышая эффективность теплосъема. В

двигателях замкнутой схемы, например RD-180 или RD-191, вос-

становительный газогенераторный газ после привода турбины не выбрасывается, а направляется в камеру сгорания, замыкая цикл рабочего тела и исключая потери удельного импульса. Сам этот цикл является термодинамически замкнутым: продукты сгорания газогенератора в конечном счете покидают сопло вместе с основ-

ным потоком, но их энергия предварительно используется для привода насосов, что возможно только благодаря кольцевому движению вещества внутри системы. В турбонасосном агрегате также присутствуют кольцевые структуры: рабочее колесо насоса или турбины представляет собой диск с лопатками, закрепленный на валу, и поток жидкости или газа движется по спиральным и

кольцевым каналам, замыкая линии тока вокруг оси вращения.

Лабиринтные и торцовые уплотнения, предотвращающие утечки,

тоже являются кольцевыми — они образуют замкнутый по окружности барьер, и их эффективность напрямую зависит от точности соблюдения кольцевой геометрии и равномерности за-

зора.

В пневмогидравлических системах ракет-носителей кольцевая топология магистралей применяется для выравнивания давления и расхода между параллельными потребителями. Яркий пример

— система подачи топлива к многокамерной двигательной уста-

новке, такой как четырехкамерный РД-170 или его двухкамерный вариант РД-180. Чтобы все камеры работали идентично, питаю-

щие трубопроводы от турбонасосного агрегата прокладываются по кольцевой схеме: магистраль окислителя после выхода из насоса разделяется на две ветви, каждая из которых питает две камеры, а затем ветви вновь соединяются в кольцо, что позволяет гасить возможные пульсации и обеспечивать симметрию. Анало-

гично коллекторы горючего могут быть закольцованы, чтобы при засорении одного из каналов поток автоматически перераспреде-

лялся по параллельным ветвям. Кольцевая разводка наддува топ-

ливных баков также служит гарантией того, что газ наддува по-

ступает равномерно со всех сторон, не создавая локальных зон повышенного давления, способных деформировать оболочку. В

электрических системах ракет и беспилотных аппаратов кольце-

вые шины питания давно стали классическим решением: борто-

вые источники электроэнергии — аккумуляторы, генераторы с

приводом от турбины, солнечные батареи — подключаются к за-

мкнутой кольцевой магистрали, к которой, в свою очередь, под-

соединены потребители. При повреждении одного участка такой сети питание автоматически поступает к каждому потребителю по второму плечу кольца, что радикально повышает живучесть энергосистемы без необходимости прокладывать отдельные ре-

зервные линии к каждому блоку.

Чрезвычайно важную роль играет кольцевая структура в обес-

печении разделения ступеней и отделения полезной нагрузки.

Стык между ступенями или между носителем и космическим ап-

паратом, как правило, выполняется в виде кольцевого шпангоута,

по окружности которого равномерно размещены пироболты, раз-

рывные замки или детонирующие удлиненные заряды. При по-

ступлении команды на разделение подрыв осуществляется одно-

временно по всему кольцу, и соединение разрушается мгновенно,

без перекосов, которые могли бы возникнуть при последователь-

ном срабатывании отдельных узлов. Для синхронизации подрыва пиросредств часто применяется детонационная цепь, проложен-

ная по кольцу, которая сама является циклической структурой:

детонация распространяется по ней в обе стороны и встречается с противоположной стороны, обеспечивая надежность иницииро-

вания всех зарядов. Такое решение, многократно испытанное на

«Союзах», «Протонах» и Falcon 9, блестяще подтверждает тезис о том, что кольцевая топология способна обеспечить одновремен-

ность и симметрию там, где линейная или древовидная схема

неизбежно породили бы временной разброс и асимметрию уси-

лий.

Системы управления и навигации ракет и беспилотных лета-

тельных аппаратов буквально немыслимы без замкнутых цикли-

ческих контуров, которые, собственно, и превращают разомкну-

тую программную траекторию в адаптивное поведение. Автопи-

лот, стабилизирующий углы тангажа, крена и рысканья, образует классический замкнутый цикл: датчики измеряют текущие значе-

ния углов и угловых скоростей, вычислитель сравнивает их с за-

данными и формирует сигнал рассогласования, который через усилитель и сервоприводы воздействует на аэродинамические рули или поворотные сопла, изменяя динамику аппарата, что снова регистрируется датчиками. Устойчивость такого цикла за-

висит от фазовых сдвигов и коэффициентов усиления, и его ана-

лиз составляет предмет теории автоматического управления. На этапе проектирования инженер обязан убедиться, что замкнутый контур не только устойчив, но и обладает достаточными запаса-

ми по фазе и амплитуде, чтобы парировать разбросы аэродина-

мических характеристик и инерционных параметров, что прове-

ряется с помощью частотных критериев Найквиста и анализа корневого годографа. Для беспилотного летательного аппарата самолетного типа система управления может содержать несколь-

ко вложенных циклов: внутренний контур демпфирования угло-

вых скоростей, внешний контур стабилизации углов, ещё более внешний контур управления траекторией и, наконец, контур наведения на цель. Каждый из них замкнут, и настройка такого

многосвязного циклического каскада требует итерационных про-

цедур, моделирования и обязательных полунатурных испытаний на стенде с имитацией полетных условий.

Циклический характер носит и временная организация функ-

ционирования ракетно-космической техники. Циклограмма пуска представляет собой замкнутый во времени график операций, в

котором началом служит момент запуска предстартовых проце-

дур, а завершением — отделение полезной нагрузки, после чего циклограмма прекращается, однако внутри неё есть множество внутренних циклов: наддув баков, захолаживание двигательных магистралей, проверка готовности систем, которые могут повто-

ряться несколько раз по кольцевым алгоритмам. На более дли-

тельных интервалах мы имеем дело с орбитальными циклами — замкнутыми траекториями, по которым спутник или орбитальная станция обращаются вокруг Земли, периодически возвращаясь в одно и то же положение относительно звезд. Для средств выведе-

ния понятие цикла также актуально: многоразовая первая сту-

пень, совершив посадку, после межполетного обслуживания вновь стартует, и вся последовательность операций «взлёт — от-

деление — возврат — посадка — подготовка — взлёт» образует эксплуатационный цикл, оптимизация которого по стоимости и времени является одной из центральных задач современной кос-

монавтики. В беспилотной авиации цикл играет роль и в тактиче-

ском планировании: патрульный БПЛА может описывать в воз-

духе замкнутую траекторию, например эллипс или «восьмерку»,

постоянно возвращаясь в исходную точку цикла для обзора за-

данного района, что упрощает навигацию и позволяет предска-

зать моменты появления в зоне прямой радиовидимости.

Кольцевые аэродинамические схемы летательных аппаратов представляют собой особый и чрезвычайно интересный класс конструкций, где несущие и управляющие поверхности замыка-

ются в кольцо. Кольцевое крыло, известное также как замкнутое крыло, обладает рядом теоретических преимуществ: индуктивное сопротивление его ниже, чем у эквивалентного по размаху плос-

кого крыла, поскольку концевые вихри, замыкаясь, образуют упорядоченную вихревую систему с меньшими потерями энер-

гии. Кроме того, кольцевая поверхность может служить одновре-

менно и крылом, и оперением, и корпусом, вмещающим полез-

ную нагрузку, что приводит к очень компактной компоновке.

Практические реализации таких схем в ракетно-беспилотной сфере пока немногочисленны, но они есть: экспериментальные ракеты-носители с кольцевым стабилизатором, малые разведыва-

тельные БПЛА с кольцевым крылом для запуска из трубы, где аппарат в полете раскрывает замкнутое крыло наподобие юбки.

Более широко применяется кольцевое оперение в виде решетча-

тых рулей, которые по сути являются многоконтурной кольцевой структурой, разбитой на ячейки. Решетчатый руль, установлен-

ный на возвращаемой ступени Falcon 9, работает в сверхзвуковом потоке, и каждая его ячейка представляет собой миниатюрное кольцо, внутри которого формируется система скачков уплотне-

ния, создающая управляющую силу. Несмотря на свою кажущу-

юся ажурность, решетчатые рули благодаря замкнутой структуре