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

кавитационной эрозии лопатки насоса — статистическая струк-

тура сигнала меняется, и его фрактальная размерность либо пока-

затель Хёрста отклоняются от номинальных значений, вычислен-

ных по представительной выборке исправных полётов. В практи-

ке сопровождения эксплуатации ракет-носителей семейства

«Союз» и «Протон» подобные методики применялись для ранне-

го обнаружения аномалий в работе рулевых приводов и двига-

тельных установок, позволяя снять изделие с пуска без катастро-

фических последствий. Для беспилотных летательных аппаратов анализ фрактальных характеристик вибраций и токов двигателей становится основой предиктивного технического обслуживания,

когда дрон, возвращаясь из миссии, сам сообщает наземной стан-

ции о необходимости замены того или иного подшипникового узла до того, как его износ приведёт к отказу в полёте.

Тепловая защита и системы охлаждения, всегда бывшие одни-

ми из наиболее напряжённых подсистем ракет и гиперзвуковых аппаратов, также получают новый импульс развития благодаря фрактальной геометрии. Классическая теплозащита спускаемого аппарата представляет собой слой абляционного материала, в ко-

тором тепло отводится за счёт фазовых переходов и излучения.

Однако эффективность такого слоя можно радикально повысить,

если его внутренняя структура будет не сплошной, а фрактально-

пористой. Многоуровневая система пор, от крупных каналов, вы-

ходящих на поверхность, до микроскопических капилляров в глубине материала, обеспечивает распределённый вдув газооб-

разных продуктов пиролиза в пограничный слой, что снижает

конвективный тепловой поток. Самоподобие пористой структуры позволяет добиться равномерного газовыделения при неравно-

мерном нагреве различных участков поверхности. В ракетных двигателях многократного включения фрактальные каналы охла-

ждения, выфрезерованные в стенке камеры сгорания, способны интенсифицировать теплообмен за счёт непрерывного ветвления потока и разрушения теплового пограничного слоя на всех мас-

штабах. Экспериментальные камеры сгорания с фрактальной геометрией охлаждающего тракта, напоминающей дельту реки или бронхиальное дерево, демонстрируют повышение коэффици-

ента теплоотдачи на десятки процентов без увеличения гидрав-

лического сопротивления. Для беспилотных аппаратов с электри-

ческими силовыми установками фрактальные радиаторы и теп-

лоотводы, изготовленные аддитивными методами из алюминие-

вых сплавов, позволяют отводить тепло от аккумуляторов и си-

ловой электроники при минимальной массе и объёме.

В области аэродинамики и гидрогазодинамики фрактальные представления также находят всё более широкое применение.

Турбулентный поток, обтекающий ракету на активном участке траектории или крыло беспилотника в условиях порывистого ветра, по своей сути фрактален: в нём присутствуют вихри всех масштабов — от крупных энергосодержащих до мельчайших диссипативных колмогоровских вихрей, и распределение энергии по масштабам подчиняется степенным законам. Прямое числен-

ное моделирование турбулентности с разрешением всех масшта-

бов для реальных чисел Рейнольдса пока невозможно, но крупно-

вихревое моделирование в сочетании с фрактальными моделями подсеточной вязкости позволяет достичь приемлемой точности при умеренных вычислительных затратах. Инженеры, проекти-

рующие органы управления беспилотного аппарата, всё чаще об-

ращаются к концепции фрактальных законцовок крыла, напоми-

нающих оперение совы или многоуровневые гребёнки. Такие за-

концовки не просто снижают индуктивное сопротивление, но и трансформируют спектр концевого вихря, дробя его на множе-

ство более мелких, быстрее диссипирующих вихрей, что умень-

шает дальний акустический след и заметность. В конструкциях воздухозаборников высокоскоростных беспилотников фракталь-

ные генераторы турбулентности, установленные перед компрес-

сором или камерой сгорания, улучшают смешение топлива с воз-

духом, повышая полноту сгорания и снижая эмиссию вредных веществ.

Алгоритмический аспект самоподобия ярко проявляется в рас-

пределённых системах управления роем беспилотных летатель-

ных аппаратов. Классическая централизованная архитектура, при которой каждый дрон получает индивидуальные команды от наземного оператора или ведущего аппарата, плохо масштабиру-

ется и уязвима к потере центра. Фрактальный подход к управле-

нию предполагает, что рой делится на самоподобные кластеры, в

каждом из которых есть локальный лидер, взаимодействующий с лидерами кластеров более высокого уровня, а внутри кластера действуют те же правила координации, что и на верхнем уровне,

но в уменьшенном масштабе. Такая иерархия, рекурсивно вос-

производящая одну и ту же логическую структуру, естественным образом вытекает из принципа масштабной инвариантности. Ес-

ли алгоритм поддержания строя и обмена информацией спроек-

тирован как фрактальный, то добавление новых дронов не требу-

ет переписывания кода — они просто встраиваются на соответ-

ствующий уровень кластерной иерархии, наследуя все свойства.

Более того, потеря любого агента, включая лидера кластера, ав-

томатически компенсируется перестройкой иерархии, поскольку правила выбора нового лидера идентичны на всех уровнях. Экс-

периментальные рои квадрокоптеров, демонстрирующие фрак-

тальные паттерны построения — спирали, ветвящиеся цепочки,

самоподобные решётки, — доказали свою живучесть при глуше-

нии части каналов связи и физическом уничтожении отдельных аппаратов. Для ракетной техники аналогичная фрактальная логи-

ка может применяться в системах разделения и группового полё-

та боевых блоков, где каждый блок автономно координируется с соседями, образуя распределённую сеть с масштабируемой архи-

тектурой.

Нельзя обойти вниманием и чисто измерительные, диагности-

ческие применения фрактальных методов. Контроль качества сварных швов и композитных оболочек ракетных конструкций с помощью ультразвуковой и рентгеновской дефектоскопии часто сталкивается с проблемой интерпретации сложных, зашумлённых изображений. Трещина в металле или расслоение в углепластике на микроуровне обладает фрактальной геометрией, и её иденти-

фикация может быть автоматизирована путём вычисления ло-

кальной фрактальной размерности сканированного изображения.

Участки с размерностью, превышающей порог, характерный для бездефектного материала, отмечаются как подозрительные и пе-

редаются на детальный анализ оператору. Такой подход повыша-

ет производительность контроля в разы, что особенно актуально при серийном производстве малых беспилотников и одноразовых ракетных ступеней. Более того, исследование фрактальной раз-

мерности поверхности разрушения после стендовых испытаний позволяет восстановить историю нагружения и определить, был ли излом усталостным, хрупким или вязким, поскольку каждому механизму разрушения соответствует свой диапазон размерно-

сти. Эта информация бесценна при расследовании аварий и дора-

ботке конструкции.

Фрактальные структуры проявляют себя и в организации само-

го процесса проектирования и испытаний. Программа отработки ракеты-носителя или нового беспилотного комплекса традицион-

но строится по иерархическому принципу: испытания материа-

лов, затем элементов, затем узлов, затем подсистем, затем систе-

мы в целом. Если эту программу спроектировать как самоподоб-

ную, то есть с единым набором критериев успешности и методов анализа, применяемых на каждом уровне, то существенно сокра-

щается время на подготовку методик и повышается сопостави-

мость результатов. Моделирование нагрузок на каждой стадии может выполняться с использованием фрактальных интерполя-

ционных функций, позволяющих корректно переносить результа-

ты с малых образцов на натурную конструкцию. Такая методоло-

гия, известная как фрактальный скейлинг, уже применяется при оценке ресурса композитных баков высокого давления для кос-

мических аппаратов, где прямое испытание до разрушения каж-

дого бака экономически невозможно.

В материаловедении и производстве элементов конструкции фрактальный подход открывает путь к созданию метаматериалов с уникальными свойствами. Фрактальные композиты, в которых армирующие волокна уложены не хаотично и не однонаправлен-

но, а по самоподобным траекториям, демонстрируют повышен-

ную трещиностойкость, поскольку распространяющаяся трещина постоянно встречает на своём пути препятствия различных мас-

штабов, вынуждена ветвиться и терять энергию. Для корпусов ракетных двигателей твёрдого топлива и баллонов высокого дав-

ления, где сквозная трещина означает катастрофический разрыв,

такое свойство жизненно важно. Аддитивные технологии позво-

ляют выращивать фрактальные решётки непосредственно в теле металлической детали, создавая градиентные структуры, плавно переходящие от плотного материала на поверхности к пористому внутри, что оптимально сочетает жёсткость, прочность и способ-

ность поглощать вибрации. Беспилотные аппараты, чьи кон-

струкции всё чаще печатаются целиком, уже используют такие градиентные фрактальные заполнители, позволяющие настроить резонансные характеристики планера так, чтобы избежать совпа-

дения с частотами вращения винтов.

Следует отметить, что фрактальность и самоподобие не всегда привносятся в конструкцию осознанно; иногда они являются

эмерджентным свойством оптимальной структуры, полученной в результате топологической оптимизации. Современные про-

граммные пакеты, основанные на методе конечных элементов и алгоритмах типа BESO, способны генерировать силовые схемы,

которые удивительно напоминают природные фрактальные фор-

мы — ветви деревьев, паутину, костные трабекулы. Такая «есте-

ственная» фрактальность, выявленная компьютером, затем ин-

терпретируется инженером и превращается в рабочую конструк-

торскую документацию. Примером может служить кронштейн крепления двигателя беспилотника, полученный методом генера-

тивного дизайна: его итоговая геометрия содержит иерархию от-

ветвлений, каждое из которых оптимально передаёт нагрузку, и

будучи изготовленным из титанового сплава селективным лазер-

ным сплавлением, этот кронштейн весит вдвое меньше фрезеро-

ванного аналога при полном сохранении прочности и жёсткости.

Таким образом, фрактальные и самоподобные структуры из аб-

страктной математической экзотики превратились в мощный ин-

струментарий инженера, позволяющий решать задачи компакти-

зации антенных систем, снижения массы конструкций, повыше-

ния эффективности теплообмена, ранней диагностики отказов,

масштабирования алгоритмов управления роевыми группировка-

ми и оптимизации производственных процессов. Принцип мас-

штабной инвариантности, заключающийся в том, что некоторая закономерность воспроизводится на нескольких уровнях вложен-

ности, оказывается универсальным ключом к созданию систем,

которые одновременно и лёгкие, и прочные, и многофункцио-

нальные, и живучие. В ракетно-космической и беспилотной от-

раслях, где каждый процент улучшения массово-энергетических характеристик достигается ценой огромных интеллектуальных усилий, фрактальный подход даёт возможность совершить каче-

ственный скачок, перейдя от аддитивного наращивания функций к их интеграции через самоподобную организацию материи и информации. Можно с уверенностью прогнозировать, что по ме-

ре развития вычислительных методов, аддитивного производства и теории динамических систем роль фрактальных структур будет стремительно возрастать, а способность инженера мыслить в ка-

тегориях масштабной инвариантности станет одной из ключевых профессиональных компетенций в деле создания перспективных образцов ракетной и беспилотной техники.

2.7. Гибридные и многоуровневые структуры

Проектирование современной ракетно-космической техники и беспилотных летательных аппаратов представляет собой уни-

кальную по сложности инженерную задачу, успешное решение которой невозможно без глубокого осознания того факта, что ре-

альные системы практически никогда не являются воплощением какого-либо одного, чистого типа структурной организации. Если в учебных курсах и теоретических работах мы последовательно рассматриваем линейные, иерархические, сетевые, матричные,

циклические и фрактальные структуры как самостоятельные иде-

альные типы, то при переходе к конкретному проектированию

немедленно обнаруживается, что любое сколько-нибудь сложное изделие представляет собой причудливый гибрид, в котором пе-

речисленные формы тесно переплетаются, образуя многоуровне-

вую композицию. Эта гибридизация не является признаком несо-

вершенства или недоработки; напротив, она отражает объектив-

ную многокритериальность требований, предъявляемых к аэро-

космическим системам, и служит необходимым условием дости-

жения одновременно высокой эффективности, живучести, техно-

логичности и приемлемой стоимости. В настоящей статье мы ставим задачу рассмотреть феномен гибридных и многоуровне-

вых структур в ракетостроении и проектировании беспилотных летательных аппаратов во всей его сложности, проследив, каким образом различные топологии и принципы организации наклады-

ваются друг на друга, вступают в противоречия и синергетически усиливают друг друга, формируя целостные архитектуры.

Начнем с констатации очевидного факта: многоуровневость является имманентным свойством любой сложной технической системы, и ракета-носитель или беспилотный авиационный ком-

плекс не являются исключением. Уже на этапе эскизного проек-

тирования изделие декомпозируется в иерархическое дерево, ко-

торое, как мы знаем из теории, представляет собой частный слу-

чай направленного ациклического графа. Ракета-носитель «Анга-

ра», к примеру, на верхнем уровне представлена как совокуп-

ность универсальных ракетных модулей первой и второй ступе-

ней, головного обтекателя и разгонного блока; каждый модуль, в

свою очередь, членится на двигательную установку, топливные

баки, хвостовой и переходный отсеки, а двигательная установка

— на камеру, турбонасосный агрегат, газогенератор и систему автоматики. Эта иерархия абсолютно необходима для организа-

ции работы большого коллектива разработчиков, для каскадиро-

вания требований и распределения ответственности. Однако бы-

ло бы грубой ошибкой полагать, что реальные связи между эле-

ментами подчиняются исключительно древовидной логике.

Внутри той же двигательной установки мы обнаруживаем коль-

цевые магистрали охлаждения, по которым горючее циркулиру-

ет, прежде чем попасть в форсуночную головку, сетевые пере-

крестные связи трубопроводов наддува, обеспечивающие равно-

мерность давления в баках, и многочисленные контуры обратной связи, замыкающие циклы автоматического регулирования тяги и соотношения компонентов. Таким образом, уже на уровне от-

дельной подсистемы мы имеем дело не с чистым деревом, а с ги-

бридом иерархической, кольцевой и циклической структур. Си-

стема управления всей ракетой дополняет эту картину, выстраи-

вая многоуровневую пирамиду контуров: на верхнем этаже — навигационный контур, определяющий текущие координаты и сравнивающий их с программной траекторией; ниже — контур управления угловым положением, стабилизирующий тангаж,

рысканье и крен; еще ниже — контуры управления рулевыми приводами и поворотными соплами. Каждый из этих контуров цикличен, они вложены друг в друга по иерархическому принци-

пу, а их взаимодействие уже порождает многосвязную сетевую