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

динамику, которую невозможно описать исключительно в терми-

нах одного структурного шаблона.

Беспилотный летательный аппарат самолетной схемы демон-

стрирует не менее выразительный пример структурного гибрида.

Его планер представляет собой линейную последовательность функциональных отсеков: носовой с целевой нагрузкой, цен-

тральный с топливным баком и аппаратурой управления, хвосто-

вой с двигателем и оперением. Эта линейность упрощает цен-

тровку и сборку, однако силовая схема крыла внутри себя орга-

низована строго иерархически: лонжероны воспринимают изги-

бающий момент, нервюры передают распределенную аэродина-

мическую нагрузку от обшивки к лонжеронам, стрингеры под-

крепляют обшивку. В то же время электрическая сеть беспилот-

ника, связывающая аккумуляторную батарею, регулятор оборо-

тов, полетный контроллер, приемник спутниковой навигации и сервоприводы, как правило, реализуется по звездообразной или кольцевой топологии, а канал связи с наземным пунктом управ-

ления добавляет в архитектуру еще и беспроводную сеть. Борто-

вое программное обеспечение функционирует как циклический диспетчер задач реального времени, внутри которого алгоритмы комплексирования навигационных данных реализованы в виде конвейера, а дерево принятия решений при возникновении не-

штатных ситуаций разворачивается в иерархическую логику.

Следовательно, один и тот же физический объект на разных уровнях рассмотрения и в разных аспектах проявляет свойства едва ли не всех известных структурных типов одновременно.

Причины такой тотальной гибридизации коренятся в много-

критериальности самой задачи проектирования. Требование ми-

нимальной массы конструкции толкает инженера к использова-

нию линейных и иерархических схем, которые порождают наименьшее количество соединений и, следовательно, миними-

зируют массу стыковочных узлов, кабелей и трубопроводов. Тре-

бование живучести и отказоустойчивости, напротив, диктует внедрение сетевых и кольцевых резервных магистралей, позво-

ляющих парировать одиночные отказы без потери функциональ-

ности. Требование точности управления заставляет замыкать об-

ратные связи, порождая циклические контуры. Требование мо-

дульности и унификации, критически важное для снижения сто-

имости и ускорения производства, приводит к матричным интер-

фейсным структурам, в которых каждый модуль должен быть совместим с каждым. Наконец, требование адаптивности к изме-

няющимся условиям функционирования, особенно ярко выра-

женное для беспилотных аппаратов, способствует применению реконфигурируемых сетевых топологий и фрактальных алгорит-

мов управления роем. Примирить все эти разнонаправленные требования в рамках одной «чистой» структуры невозможно, и

системный инженер вынужден идти на компромисс, сознательно конструируя гибрид, в котором каждая подсистема организована по наиболее подходящему для нее принципу, а переходы между разнородными топологиями оформляются специальными интер-

фейсными элементами.

В ракетной технике классическим примером такого гибрида служит пакетная компоновочная схема, реализованная в носите-

лях типа «Союз», «Энергия» или Ariane 5. С точки зрения общей архитектуры выведения, она сочетает параллельную работу боко-

вых блоков на первой ступени и последовательное включение последующих ступеней, что уже есть гибрид параллельной и по-

следовательной топологий. Внутри каждого бокового блока, од-

нако, царствует иерархия, а система управления пакетом в целом выстроена как централизованная звезда, в которой центральный блок выступает концентратором команд и телеметрии. При воз-

никновении аварии одного из боковых блоков специальная логи-

ка аварийной защиты разрывает связи с ним и перераспределяет тягу оставшихся, то есть динамически реконфигурирует сетевую структуру. Другой показательный пример — бортовая кабельная сеть современной ракеты, построенная на базе протокола

SpaceWire. Физически она может быть смонтирована как дерево с резервными ветвями, но благодаря наличию маршрутизаторов,

способных динамически выбирать путь пакета, логически она функционирует как сеть с ячеистой топологией, а в случае обры-

ва автоматически переходит в кольцевой режим, замыкая резерв-

ную ветвь. Таким образом, одна и та же подсистема проявляет свойства иерархии, сети и кольца в зависимости от режима и точ-

ки наблюдения.

В проектировании беспилотных летательных аппаратов гибри-

дизация зашла еще дальше, что обусловлено как более широким спектром решаемых задач, так и стремительным прогрессом в

области бортовой электроники и распределенных вычислений.

Возьмем для иллюстрации типичный разведывательно-ударный БПЛА большой продолжительности полета, аналогичный MQ-9

Reaper. Его планер, как уже говорилось, выполнен в линейно-

иерархической логике, однако силовая установка может быть ги-

бридной в прямом смысле этого слова: поршневой или турбовин-

товой двигатель для крейсерского полета дополняется электриче-

скими аккумуляторами и электромотором для бесшумного режи-

ма или аварийного возврата, что создает параллельную энергети-

ческую структуру. Система управления полетом организована как каскад вложенных циклических контуров — от демпфирова-

ния угловых скоростей до следования по маршруту, — но на верхнем уровне в нее встроена иерархическая машина состояний,

переключающая режимы полета. Канал связи с наземным пунк-

том представляет собой сеть с динамической маршрутизацией,

включающую прямую радиолинию, спутниковый ретранслятор и,

возможно, соседние беспилотники, что придает информационной структуре черты ячеистой сети с элементами безмасштабности,

если часть дронов выполняет функции хабов. Подсистема воору-

жения может управляться по матричному принципу, когда каж-

дому типу целей соответствует определенный набор средств по-

ражения, и решение о применении принимается на пересечении строки «цель» и столбца «доступное оружие».

Отдельного внимания заслуживают многоуровневые структуры в контексте отказоустойчивости и диагностики, где гибридизация проявляется особенно рельефно. На нижнем уровне, уровне дат-

чиков и исполнительных устройств, широко применяется мажо-

ритарное резервирование — чисто матричная по своей сути структура, в которой несколько идентичных каналов работают параллельно, а их выходы сравниваются по правилу «два из трех». На уровне информационных магистралей та же система переходит к кольцевой топологии, позволяющей обойти повре-

жденный сегмент. На уровне вычислительных модулей использу-

ется иерархическая схема с горячим резервом: основной модуль выполняет вычисления, а резервный находится в синхронизиро-

ванном состоянии и подхватывает управление при обнаружении сбоя. На верхнем уровне управления миссией включается сетевая логика: если один из дронов роя теряет связь с центром, его функции перераспределяются между оставшимися аппаратами посредством децентрализованного консенсуса. Таким образом,

эшелонированная защита от отказов реализуется как многоуров-

невый гибрид, в котором каждый уровень использует тот струк-

турный паттерн, который наилучшим образом соответствует ха-

рактеру возможных отказов и доступным ресурсам.

Многоуровневость не ограничивается физическими и аппарат-

ными аспектами, но пронизывает и цифровые модели, лежащие в основе современного проектирования. Концепция цифрового двойника ракеты или беспилотного аппарата предполагает созда-

ние целого ансамбля моделей разного уровня детализации, свя-

занных между собой. На верхнем уровне располагается систем-

ная модель, оперирующая агрегированными параметрами — мас-

сами, тягами, расходами, — и позволяющая оценить реализуе-

мость миссии в целом. Она передает граничные условия на уро-

вень подсистем, где используются уже более детальные, часто конечно-элементные или вычислительно-гидродинамические мо-

дели. Те, в свою очередь, транслируют локальные нагрузки на уровень прочностного анализа конкретных деталей. Информаци-

онные потоки между этими уровнями организованы по иерархи-

ческому принципу, однако внутри одного уровня могут домини-

ровать сетевые или матричные связи, отражающие взаимодей-

ствие различных физических процессов. Возникает многоуровне-

вая модельная структура, гибридная по своей природе, в которой корректность интерфейсов между уровнями не менее важна, чем точность каждой отдельной модели. Именно несогласованность моделей разного уровня часто является источником грубых про-

ектных ошибок, и борьба с ней составляет один из главных сти-

мулов внедрения модельно-ориентированной системной инжене-

рии.

При анализе гибридных структур нельзя обойти стороной и те проблемы, которые они порождают. Первая и наиболее серьезная

— это риск возникновения нежелательных эмерджентных взаи-

модействий между подсистемами, спроектированными в разной структурной логике. Классическим примером служит уже упоми-

навшийся Pogo-эффект, при котором гидравлическая подсистема,

сама по себе являющаяся пассивной линейной цепочкой трубо-

проводов, вступает в резонансное взаимодействие с упругими ко-

лебаниями корпуса, порождая замкнутый циклический контур, не предусмотренный проектировщиками ни одной из затронутых

подсистем. В беспилотном аппарате аналогичный сценарий мо-

жет разыграться при взаимодействии алгоритмов машинного зрения, работающих с переменной частотой кадров, и контура стабилизации, жестко привязанного к фиксированному такту: не-

детерминированные задержки в сетевом обмене данными между этими разнородными структурными компонентами способны вы-

звать автоколебания, которые не обнаруживаются при автоном-

ном тестировании каждой подсистемы. Вторая проблема — сложность верификации и сертификации гибридных архитектур.

Если для каждого отдельного структурного типа существуют хо-

рошо разработанные методы анализа — деревья отказов для иерархий, анализ связности графов для сетей, частотные методы для циклических контуров, — то их комбинация часто не подда-

ется ни одному из классических подходов в чистом виде. Инже-

нер вынужден прибегать к имитационному моделированию мето-

дом Монте-Карло, которое, давая статистические оценки, не обеспечивает формальных гарантий, столь ценимых в отрасли.

Третья проблема связана с интерфейсами: каждый переход от од-

ной топологии к другой требует установки специальных элемен-

тов — шлюзов, преобразователей, арбитров, — которые сами по себе добавляют массу, стоимость и являются потенциальными точками отказа. Искусство проектировщика во многом состоит в том, чтобы минимизировать количество таких переходов, подби-

рая структурные решения, которые органично вкладываются друг в друга без излишнего числа адаптеров.

Несмотря на перечисленные трудности, магистральный путь развития ракетной и беспилотной техники ведет не к отказу от гибридизации, а к ее более осознанному и систематическому применению. Концепция модульных открытых архитектур, ак-

тивно внедряемая сегодня в оборонных и космических програм-

мах, по сути, является методологией построения многоуровневых гибридных структур, в которых каждый уровень стандартизован,

а интерфейсы между уровнями жестко регламентированы. Уни-

версальный ракетный модуль УРМ-1 в семействе «Ангара» пред-

ставляет собой пример модуля, который может быть использован как в качестве бокового ускорителя, так и в качестве центрально-

го блока первой ступени, что превращает носитель в реконфигу-

рируемую гибридную систему, сочетающую свойства пакетной и тандемной схем. В области беспилотных летательных аппаратов наблюдается переход к архитектурам, в которых платформа, по-

лезная нагрузка и канал связи представляют собой независимые модули, взаимодействующие через стандартные интерфейсы, и

пользователь может собирать из них конфигурации, оптимальные для конкретной миссии, подобно тому, как из кубиков конструк-

тора собираются различные фигуры. Это становится возможным именно благодаря тому, что каждый модуль внутри себя органи-

зован по своим внутренним законам, которые могут быть сколь угодно сложными, но внешне он предоставляет простой и уни-

фицированный интерфейс, встраиваясь в общую матричную или сетевую структуру.

Особый интерес представляет наметившаяся тенденция к внед-

рению фрактальных и самоподобных принципов в организацию многоуровневых гибридных систем. Идея заключается в том,

чтобы алгоритмы управления и протоколы взаимодействия на разных уровнях иерархии были устроены одинаково, отличаясь лишь масштабом. Тогда группа дронов, образующих рой, управ-

ляется тем же самым программным кодом, что и отдельный дрон внутри группы, а взаимодействие между группами подчиняется тем же правилам, что и взаимодействие между дронами внутри группы. Это резко снижает затраты на разработку и верифика-

цию, а также придает системе свойство масштабной инвариант-

ности, когда добавление новых элементов или уровней не требует переписывания архитектуры. Фрактальная гибридная структура оказывается одновременно иерархической (поскольку содержит уровни вложенности), сетевой (поскольку на каждом уровне эле-

менты взаимодействуют по сетевым протоколам) и циклической

(поскольку каждый элемент содержит локальные контуры управ-

ления). Такой подход в настоящее время активно исследуется применительно к перспективным системам управления роевыми спутниковыми группировками и к сетецентрическим боевым беспилотным комплексам.

Следует подчеркнуть, что гибридные и многоуровневые струк-

туры — это не просто теоретическая конструкция или дань моде на сложность. Они являются естественным, эволюционно выра-

ботанным ответом инженерной мысли на многообразие и проти-

воречивость требований, предъявляемых к аэрокосмическим си-

стемам. Чистые структурные формы — линейные, иерархиче-

ские, сетевые, матричные, циклические, фрактальные — суть идеализированные абстракции, полезные на начальных этапах обучения и концептуального анализа. Но зрелый системный ин-

женер, работающий над реальным проектом ракеты-носителя или беспилотного летательного аппарата, мыслит не в терминах этих чистых форм, а в категориях их синтеза. Он видит, как в одном изделии иерархическая декомпозиция переходит в сетевую маршрутизацию, как линейная последовательность операций за-

мыкается в циклический контур обратной связи, как матрица ин-

терфейсов пронизывает древовидную структуру подсистем.

Именно эта способность к интеллектуальному синтезу разнород-

ных структурных начал, подкрепленная владением современны-

ми методами моделирования и анализа, и составляет суть про-

фессионального мастерства в ракетно-космической и беспилот-

ной отраслях. Можно с уверенностью утверждать, что по мере дальнейшего усложнения техники и роста требований к ее авто-

номности, живучести и эффективности, значение гибридных и многоуровневых структур будет только возрастать, а методоло-

гия их проектирования станет одним из центральных разделов системной инженерии будущего.