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

каждой ячейки обладают высокой жесткостью и эффективностью на режимах, где сплошное перо потеряло бы несущие свойства.

Отдельного рассмотрения заслуживают циклические процессы и связанные с ними нежелательные явления, которые способны разрушить конструкцию, если не принять меры на этапе проекти-

рования. Продольные колебания ракет-носителей типа «Pogo» —

классический пример паразитного замкнутого цикла, возникаю-

щего из-за связи между колебаниями давления в топливных ма-

гистралях, пульсациями тяги двигателя и упругими колебаниями корпуса. Контур замыкается следующим образом: продольная вибрация конструкции вызывает изменение объема топливных баков и колебания давления на входе в насосы, что меняет расход топлива и, следовательно, тягу, а переменная тяга усиливает виб-

рации. Если фазовый сдвиг в этом цикле оказывается близок к нулю, а коэффициент усиления превышает единицу, возникает самовозбуждающаяся неустойчивость, способная разрушить ра-

кету за считанные секунды. Борьба с Pogo-эффектом ведется пу-

тем установки в гидравлических магистралях специальных демп-

феров — газовых аккумуляторов, которые разрывают нежела-

тельную циклическую связь, сдвигая фазу и снижая добротность контура. Аналогичные автоколебательные явления возможны и в системах управления БПЛА при неудачном выборе коэффициен-

тов, когда рулевой привод входит в циклический режим перекла-

док, постепенно раскачивающий конструкцию. Поэтому анализ устойчивости замкнутых контуров с обязательным построением

диаграмм Боде и корневого годографа является неотъемлемой ча-

стью проектирования любых аэрокосмических систем.

В области передачи данных и бортовых вычислительных сетей кольцевая топология также нашла свое место, хотя и с известны-

ми оговорками. В 1980-е и 1990-е годы протоколы маркерного кольца применялись в авионике и космических аппаратах, где требовалась детерминированная задержка доступа к среде. В та-

кой сети маркер — специальный кадр — циркулирует по кольцу от узла к узлу, и только владеющий маркером узел может переда-

вать данные, после чего передает маркер дальше. Разрыв кольца мгновенно обнаруживается благодаря наличию замкнутого кон-

тура, и сеть может автоматически замкнуться через резервное кольцо, если оно предусмотрено. Современные бортовые сети ра-

кет и БПЛА чаще используют звездообразную или ячеистую то-

пологию с SpaceWire или AFDX, но идея кольцевого резервиро-

вания продолжает жить в виде двойных встречно направленных колец, обеспечивающих высочайшую живучесть при поврежде-

ниях. К примеру, система управления огнем боевого беспилотно-

го летательного аппарата может быть построена на двух оптиче-

ских кольцах, связывающих вычислитель, датчики и подвески вооружения, так что при боевом повреждении одного из колец все функции сохраняются по второму.

Циклические алгоритмы и циклическое планирование задач в бортовых вычислительных системах также подпадают под кате-

горию структурной организации, но уже на временном и про-

граммном уровне. Операционная система реального времени,

управляющая полетом ракеты, работает по принципу цикличе-

ского расписания: все критические задачи — опрос датчиков, вы-

числение управления, выдача команд — включаются в фиксиро-

ванный временной цикл, и диспетчер гарантирует, что каждая за-

дача будет запущена строго в своем временном окне. Этот цик-

лический подход исключает непредсказуемые задержки, харак-

терные для событийно-управляемых систем, и позволяет доказа-

тельно верифицировать временные характеристики, что критиче-

ски важно для сертификации. В пилотажно-навигационном ком-

плексе беспилотного аппарата циклически выполняются алго-

ритмы комплексирования инерциальных и спутниковых данных,

причем частота циклов может варьироваться от десятков герц для грубых оценок до сотен герц для контура стабилизации. Цикли-

ческая структура обработки информации, таким образом, обеспе-

чивает детерминизм и предсказуемость поведения, без которых немыслимо доверить управление дорогостоящей ракетой или бо-

евым дроном автоматике.

Следует отметить, что кольцевые и циклические структуры мо-

гут комбинироваться с другими формами организации, порождая гибридные архитектуры. Например, многоступенчатая ракета в целом представляет собой линейную последовательность ступе-

ней, но внутри каждой ступени двигательная установка может иметь кольцевую разводку, а система управления замыкается в контур стабилизации. Иерархическая система управления поле-

том беспилотного роя на верхнем уровне может быть построена как сеть с динамической топологией, а на нижнем уровне каждый

дрон содержит множество локальных циклических контуров управления и навигации. Такая комбинаторика форм — линей-

ных, иерархических, сетевых, матричных и циклических — дает инженеру неограниченную свободу синтеза архитектур, но и налагает высокую ответственность за корректное сопряжение разнородных структур, поскольку конфликт между требования-

ми, предъявляемыми разными структурными формами, способен привести к неработоспособности всей системы.

При проектировании циклических и кольцевых структур инже-

нер неизбежно сталкивается с рядом специфических проблем.

Первая из них — накопление ошибок и шумов при многократном прохождении сигнала по замкнутому контуру. Если в контуре присутствует интегрирующее звено, статическая ошибка накап-

ливается и может привести к выходу системы на ограничение. В

цифровых контурах управления накопление ошибок квантования способно вызвать автоколебания с малой амплитудой, но высо-

кой частотой, изнашивающей исполнительные механизмы. По-

этому в алгоритмы вводят зоны нечувствительности, ограничите-

ли интегральной составляющей и другие меры, разрывающие не-

желательные циклы. Вторая проблема — чувствительность к фа-

зовым задержкам в длинных кольцах, особенно если контур включает элементы с существенным транспортным запаздывани-

ем, как, например, в системе дистанционного управления с пере-

дачей сигналов через спутник-ретранслятор. Задержка вносит от-

рицательный фазовый сдвиг, снижающий запасы устойчивости, и

для компенсации приходится снижать быстродействие контура,

что может оказаться неприемлемым для маневренного БПЛА.

Третья проблема — тепловые и механические деформации коль-

цевых конструкций, которые при неравномерном нагреве или нагружении могут потерять осевую симметрию, что особенно опасно для кольцевых уплотнений турбонасосных агрегатов: за-

клинивание или потеря герметичности в одном месте нарушает работу всего агрегата.

Несмотря на эти сложности, преимущества циклических и кольцевых структур столь весомы, что отказ от них означал бы отказ от самой возможности создания современной ракетно-

космической и беспилотной техники. Замкнутые контуры управ-

ления обеспечивают точность и адаптивность, недостижимые для разомкнутых программ. Кольцевые магистрали подачи и распре-

деления гарантируют равномерность и живучесть. Кольцевые конструктивные элементы — шпангоуты, обечайки, уплотнения,

решетчатые рули — придают конструкции легкость и жесткость одновременно. Циклические алгоритмы и циклограммы вносят порядок и предсказуемость в работу сложнейших комплексов.

Более того, сама философия системного проектирования в отрас-

ли немыслима без итерационных циклов: разработка начинается с концепции, затем следует эскизный проект, рабочее проектиро-

вание, изготовление, испытания, доработка, снова испытания, и

так по спирали до достижения требуемых характеристик. Этот проектный цикл является мета-структурой, объемлющей все ра-

нее рассмотренные формы, и его оптимизация — сокращение числа итераций, улучшение сходимости, предсказание результа-

тов — составляет предмет постоянных усилий руководителей и методологов.

Таким образом, циклические и кольцевые структуры являются не просто одним из способов организации элементов, но фунда-

ментальным принципом, пронизывающим материальное и ин-

формационное тело ракеты или беспилотного летательного аппа-

рата. Они реализуют непрерывность процессов, где линейные и иерархические структуры вносят дискретность и направленность,

а сетевые и матричные — распределенность и многомерность.

Умение видеть замкнутые циклы там, где на первый взгляд при-

сутствует лишь последовательность, и понимать их свойства — устойчивость, добротность, склонность к автоколебаниям — яв-

ляется одной из ключевых компетенций инженера-

системотехника в аэрокосмической отрасли. В условиях непре-

рывного усложнения техники, когда системы становятся много-

связными, а контуры управления переплетаются, образуя слож-

ные циклические сети, значимость этого умения будет только возрастать, побуждая к развитию методов анализа и синтеза за-

мкнутых структур, основанных на современной теории динами-

ческих систем и вычислительных технологиях.

2.6. Фрактальные и самоподобные структуры

Фрактальные и самоподобные структуры, прочно вошедшие в научный лексикон благодаря работам Бенуа Мандельброта, дол-

гое время воспринимались преимущественно как математический курьёз или инструмент описания причудливых природных форм

— береговых линий, облаков, ветвящихся деревьев. Однако по мере углубления понимания их свойств выяснилось, что принцип масштабной инвариантности, заключающийся в повторении од-

ной и той же геометрической или функциональной закономерно-

сти на нескольких уровнях иерархии, обладает колоссальным по-

тенциалом для решения сугубо инженерных задач. В ракетно-

космической отрасли и проектировании беспилотных летатель-

ных аппаратов этот потенциал раскрывается особенно много-

гранно, затрагивая антенные системы, силовые конструкции, теп-

лозащиту, траекторный анализ, организацию вычислительных процессов и коллективное управление роевыми группировками.

Фрактальный подход не просто предлагает новую геометрию, но формирует особый стиль мышления, при котором сложность наращивается не путём добавления всё новых разнородных эле-

ментов, а через рекурсивное воспроизведение простых правил на последовательно уменьшающихся или увеличивающихся мас-

штабах. Именно это обстоятельство делает фрактальные и само-

подобные архитектуры столь привлекательными для создателей аэрокосмической техники, где каждый грамм массы и каждый

ватт энергии находятся под жесточайшим контролем, а требова-

ния к надёжности и многофункциональности неуклонно растут.

Одним из наиболее зрелых и практически внедрённых приме-

нений фрактальной геометрии в беспилотной авиации и ракетной технике являются фрактальные антенны. Традиционная антенна,

будь то диполь, рупор или микрополосковая структура, обладает характерным размером, жёстко привязанным к длине волны, и

обеспечивает приемлемые характеристики лишь в относительно узкой полосе частот. Современный беспилотный летательный аппарат, особенно разведывательный или ударный, вынужден одновременно работать в нескольких диапазонах: каналы управ-

ления и телеметрии, спутниковая навигация, широкополосная пе-

редача видео, радиолокационные станции бокового обзора, аппа-

ратура радиоэлектронной борьбы. Размещение на ограниченной поверхности планёра нескольких независимых антенн приводит к взаимному затенению, интерференции и увеличению массы.

Фрактальная антенна, построенная на основе итерационной кри-

вой Коха, ковра Серпинского или древовидной структуры, обла-

дает самоподобием, благодаря чему она эффективно излучает и принимает на нескольких кратных частотах одновременно. Фи-

зически это объясняется тем, что в такой антенне присутствуют проводящие элементы различного масштаба, каждый из которых резонирует на своей длине волны, а их суперпозиция создаёт многодиапазонный отклик. Компактность фрактальных антенн позволяет вписать их в обшивку крыла или фюзеляжа, а малое количество дискретных излучателей упрощает согласование и

снижает заметность. Известны примеры установки фрактальных патч-антенн на тактические БПЛА самолётного типа, где они за-

менили три отдельные антенны, обеспечив одновременную рабо-

ту GPS, командного канала L-диапазона и передатчика видео C-

диапазона. В ракетной технике подобные антенны начинают применяться в телеметрических системах и системах аварийной связи, где критична широкая полоса и отказоустойчивость при вибрациях.

Не менее впечатляющи перспективы фрактальных структур в механических силовых элементах ракет и беспилотников. Клас-

сические изогридные и вафельные оболочки, широко применяе-

мые в топливных баках и сухих отсеках ракет-носителей, пред-

ставляют собой по сути регулярные периодические решётки, в

которых ячейка одного масштаба равномерно повторяется. Одна-

ко исследования последних лет показывают, что введение иерар-

хичности в рёбра жёсткости — создание так называемых иерар-

хических, или фрактальных, решёток — способно дополнительно снизить массу при сохранении прочности и устойчивости. Идея состоит в том, что крупные рёбра, образующие основной каркас,

сами подкрепляются рёбрами меньшего масштаба, те — ещё бо-

лее мелкими, и так вплоть до технологически достижимого пре-

дела. Такой подход заимствован из природы: костная ткань, дре-

весина, стебли растений демонстрируют многоуровневую орга-

низацию, обеспечивающую выдающиеся удельные характеристи-

ки. Расчёты показывают, что замена традиционной изогридной оболочки бака на иерархически структурированную, где каждое

ребро первого уровня расчленено на пучок более тонких рёбер второго уровня, позволяет перераспределить напряжения более равномерно и отсрочить потерю местной устойчивости. Для бес-

пилотных аппаратов, особенно малых, фрактальный подход реа-

лизуется в конструкциях нервюр крыла и лонжеронов, изготавли-

ваемых аддитивными методами. Трёхмерная печать металлами и композитами снимает ограничения на сложность внутренней геометрии, и инженер может спроектировать нервюру, пронизан-

ную сетью самоподобных отверстий, которая весит в разы мень-

ше сплошной при той же изгибной жёсткости. Такие конструк-

ции уже проходят лётные испытания на экспериментальных БПЛА вертикального взлёта и посадки, где экономия массы напрямую конвертируется в продолжительность полёта.

Фрактальная размерность и связанный с ней математический аппарат оказались чрезвычайно продуктивны для анализа слож-

ных временных рядов, порождаемых ракетными двигателями и механическими системами. Вибрации турбонасосного агрегата,

пульсации давления в камере сгорания, акустические поля при старте — все эти процессы имеют непериодический, но не пол-

ностью случайный характер, в них присутствует масштабная ин-

вариантность, типичная для фракталов. Вычисление фрактальной размерности временного ряда телеметрического параметра,

например показаний акселерометра, позволяет отличить нор-

мальный режим работы от предотказного состояния задолго до того, как амплитудные пороги будут превышены. Метод основан на том, что при зарождении дефекта — трещины в подшипнике,