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

Глава 3. Структурная методология в проектировании ракетно-беспилотных систем

3.1. Место структурного анализа и синтеза в жизненном цикле аэрокосмического изделия

Жизненный цикл аэрокосмического изделия — будь то ракета-

носитель тяжёлого класса или малоразмерный беспилотный лета-

тельный аппарат — представляет собой протяжённую во времени последовательность стадий, каждая из которых предъявляет соб-

ственные требования к методам описания, анализа и преобразо-

вания технического объекта. Традиционно выделяют этапы науч-

но-исследовательских и опытно-конструкторских работ, включа-

ющие аванпроект, эскизное и рабочее проектирование, наземную и лётную отработку, серийное производство, эксплуатацию и утилизацию. На всех этих этапах центральное место занимают процедуры структурного анализа и структурного синтеза, пони-

маемые соответственно как декомпозиция системы на элементы и выявление связей между ними, и как целенаправленное построе-

ние архитектуры из этих элементов, удовлетворяющей заданным требованиям. Именно структурная методология, опирающаяся на ранее рассмотренные фундаментальные категории «система», «элемент», «связь» и «структура», а также на широкий спектр конкретных структурных форм — линейных, иерархических, се-

тевых, матричных, циклических и гибридных, — обеспечивает сквозную прослеживаемость инженерных решений и позволяет управлять колоссальной сложностью современных ракет и бес-

пилотных комплексов, не теряя из виду ни интегративных свойств целого, ни тонких деталей реализации.

На самой ранней стадии — стадии концептуального проекти-

рования, или аванпроекта, — структурный анализ и синтез носят наиболее творческий и одновременно наиболее ответственный характер. Исходя из целевых показателей, таких как масса выво-

димого полезного груза, дальность и продолжительность полёта беспилотного аппарата или точность доставки, проектировщик формулирует функциональную структуру будущего изделия. Она описывает, какие функции должна выполнять система и как эти функции связаны потоками энергии, вещества и информации, но ещё не привязывает их к конкретным физическим элементам. Эта функциональная структура часто представляется в виде ориенти-

рованного графа или потоковой диаграммы, где вершинами слу-

жат функции, а дугами — входные и выходные воздействия.

Например, для ракеты-носителя функция «создание тяги» связы-

вается с функциями «подача топлива», «регулирование соотно-

шения компонентов» и «управление вектором тяги». Для беспи-

лотного разведчика функция «поиск цели» завязывается на функ-

ции «стабилизация полёта», «обработка видео» и «передача дан-

ных». На этом уровне уже закладываются основы будущей иерархической структуры, так как сложные функции подлежат декомпозиции на более простые, образуя дерево функций, кото-

рое впоследствии отобразится на дерево конструктивных элемен-

тов.

Следующий шаг — морфологический синтез, в котором функ-

циональная структура наполняется конкретными техническими решениями. Здесь в полной мере проявляет себя матричная фор-

ма организации знаний. Морфологическая матрица, или таблица,

по строкам перечисляет ключевые подсистемы или проектные параметры, а по столбцам — возможные варианты их реализа-

ции. Для ракеты-носителя это могут быть тип топлива, схема двигательной установки, компоновочная схема, конструкцион-

ный материал баков, способ разделения ступеней. Для беспилот-

ного аппарата — аэродинамическая схема, тип силовой установ-

ки, состав бортового радиоэлектронного оборудования. Полный перебор всех мыслимых комбинаций даёт тысячи вариантов, из которых методами экспертного анализа и упрощённых проект-

ных расчётов отбираются несколько перспективных. Уже на этой стадии явно просматриваются будущие иерархические, сетевые или гибридные черты архитектуры. Выбор между тандемной и пакетной схемой носителя, по сути, есть выбор между линейно-

последовательной и параллельно-древовидной структурой. Реше-

ние о централизованной или распределённой системе управления беспилотником определяет, будет ли доминировать звездообраз-

ная топология информационных связей или более сложная ячеи-

стая сеть. Структурный синтез, таким образом, уже в аванпроекте формирует облик, который на многие годы вперёд определит об-

щую логику разработки.

Когда концепция утверждена и начинается этап эскизного про-

ектирования, структурный анализ выходит на первый план как

инструмент детализации и координации. Изделие представляется в виде строгой иерархической структуры — дерева изделия, в ко-

тором ракета или беспилотник последовательно разбиваются на составные части: ступени, отсеки, агрегаты, узлы, детали. Каж-

дому элементу присваивается уникальный шифр, и вся конструк-

торская документация привязывается к узлам этого дерева.

Иерархия здесь выполняет не только организующую, но и дисци-

плинирующую функцию: она принуждает явно зафиксировать,

какой элемент в состав какого входит, исключая дублирование или пропуски. Параллельно с построением иерархии разворачи-

вается интенсивная работа по анализу и спецификации межэле-

ментных связей. На этом этапе рождается один из важнейших до-

кументов — матрица интерфейсов. Эта N-квадратная диаграмма,

где по осям отложены все подсистемы, а в ячейках указываются типы связей, позволяет системному интегратору единым взгля-

дом окинуть всю совокупность взаимодействий и немедленно выявить пропущенные или конфликтующие интерфейсы. Для ра-

кеты-носителя такая матрица может содержать тысячи ячеек, от-

ражающих механические стыки, электрические кабели, трубо-

проводы, потоки данных. Для беспилотного аппарата матрица интерфейсов увязывает планер, двигатель, автопилот, полезную нагрузку и канал связи, а её анализ нередко вскрывает неочевид-

ные проблемы, например, электромагнитную несовместимость близко расположенных передатчика и приёмника спутниковой навигации.

На этапе эскизного проектирования активно применяются и та-

кие структурные формы, как деревья отказов и деревья событий.

Анализ надёжности и безопасности требует построения иерархи-

ческих логических структур, на вершине которых находится не-

желательное событие — потеря миссии, разрушение носителя,

несанкционированное падение беспилотника. Декомпозируя это событие через логические операторы «И» и «ИЛИ» до элемен-

тарных отказов, инженер получает количественную оценку веро-

ятности и выявляет критические элементы, нуждающиеся в ре-

зервировании. Само резервирование может вводить в структуру циклические и сетевые черты, например, дублированные кольце-

вые шины данных или мажоритарные схемы голосования, кото-

рые превращают изначально линейную или древовидную архи-

тектуру в гибридную. Циклограммы полёта — ещё одна фунда-

ментальная структурная форма, рождающаяся на этапе эскизного проекта. Циклограмма ракеты-носителя или полётного задания беспилотника представляет собой временную последователь-

ность операций, выстроенную в линейную или ветвящуюся цепь,

где каждое событие инициируется при выполнении строго задан-

ных условий. Анализ этой временной структуры позволяет вы-

явить критические пути, оптимизировать последовательность и предусмотреть действия в нештатных ситуациях.

С переходом к рабочему проектированию и подготовке произ-

водства структурный анализ смещается в сторону технологиче-

ских и организационных аспектов. Конструкторское дерево изде-

лия трансформируется в технологическое дерево сборки, где

иерархия отражает последовательность сборочных операций. Па-

раллельно формируется сетевая структура производственного процесса, часто представляемая в виде сетевого графика, в кото-

ром вершинами служат работы, а дугами — зависимости между ними. Эта сетевая структура позволяет рассчитать критический путь, оптимизировать загрузку оборудования и минимизировать общее время изготовления. Матрицы ответственности, связыва-

ющие организационные единицы с элементами конструкции,

обеспечивают чёткое распределение обязанностей и исключают ситуацию, когда за какой-либо узел не отвечает никто или,

напротив, отвечают сразу несколько подразделений с разными приоритетами. Для беспилотных аппаратов, особенно малых и тактических, серийное производство которых достигает сотен и тысяч единиц, структурная оптимизация технологических про-

цессов может дать решающий выигрыш в стоимости и сроках.

Здесь находят применение и фрактальные принципы организации производства, когда одна и та же логика поточной линии воспро-

изводится на нескольких уровнях — от изготовления деталей до финальной сборки и тестирования.

Этап испытаний — наземных, стендовых и лётных — является,

пожалуй, наиболее показательной ареной взаимодействия струк-

турного анализа и синтеза. С одной стороны, именно на этом эта-

пе верифицируются все структурные решения, принятые ранее.

Проверка целостности конструкции осуществляется через мо-

дальные испытания, в ходе которых определяются собственные частоты и формы колебаний. Сравнение экспериментально полу-

ченной модальной структуры с расчётной конечно-элементной моделью позволяет выявить скрытые дефекты — непроклеи,

трещины, неправильно учтённые граничные условия. Эта мо-

дальная структура, по сути, представляет собой динамическую характеристику системы, отражающую её целостность и иерар-

хичность в частотной области. С другой стороны, обработка и анализ огромных массивов телеметрических данных невозможны без применения матричных и многомерных табличных структур.

Телеметрия современного ракетного пуска — это десятки милли-

онов измерений, которые организуются в многомерные кубы данных с осями времени, номера датчика, типа измеряемой вели-

чины и режима полёта. Специалисты по анализу могут запраши-

вать срезы этого куба, строить корреляционные матрицы и выяв-

лять аномалии, применяя методы статистического анализа и ма-

шинного обучения. Для беспилотных аппаратов телеметрический анализ дополняется обработкой видеопотоков и навигационных данных, которые также имеют внутреннюю структурную органи-

зацию — кадры, пакеты, временные метки, — и их совместный анализ требует согласования этих разнородных структур.

Матрица верификации и валидации, связывающая требования технического задания с методами их проверки, служит главным навигатором на всём протяжении испытаний. Её строки перечис-

ляют тысячи требований, столбцы — методы подтверждения:

анализ подобия, математическое моделирование, автономные ис-

пытания, комплексные стендовые испытания, лётные испытания.

Отметка на пересечении означает, что данное требование будет

проверено данным методом. Прослеживаемость, обеспечиваемая этой матрицей, является обязательным условием сертификации носителя для коммерческих пусков или допуска беспилотного комплекса к эксплуатации. Если какая-либо строка матрицы ока-

зывается пустой, это немедленно сигнализирует о пробеле в про-

грамме отработки.

Эксплуатационная фаза жизненного цикла выдвигает на перед-

ний план такие структурные свойства, как живучесть и реконфи-

гурируемость. Для многоразовых ракетных ступеней, подобных первой ступени Falcon 9, структура изделия уже не является ста-

тической. В полёте она претерпевает несколько дискретных из-

менений: отделение, вход в атмосферу с раскрытием решетчатых рулей и посадочных опор, повторное включение двигателей, по-

садка. Каждое из этих событий переводит систему из одного структурного состояния в другое, и анализ таких переходов тре-

бует применения аппарата гибридных автоматов и динамических графов. После посадки начинается цикл межполётного обслужи-

вания, в ходе которого структура вновь изменяется: часть компо-

нентов заменяется, часть проходит диагностику. Этот эксплуата-

ционный цикл, включающий профилактику, ремонт и модерни-

зацию, сам по себе может рассматриваться как циклическая структура, оптимизация которой направлена на минимизацию стоимости лётного часа или пуска. Для беспилотных авиацион-

ных комплексов эксплуатационная фаза дополнительно включает структуру логистики — цепочку поставок запасных частей, ре-

гламентные работы, обучение операторов, — и все эти элементы

увязываются в единую сетевую модель, позволяющую прогнози-

ровать коэффициент готовности парка.

Утилизация, завершающая жизненный цикл, также имеет свой структурный аспект. Разборка ракетного блока или беспилотного аппарата должна выполняться в последовательности, обратной сборке, но с учётом износа, повреждений и требований экологи-

ческой безопасности. Здесь вновь востребуется иерархическая структура изделия, дополненная информацией о материалах и токсичности компонентов. Для твёрдотопливных двигателей или аккумуляторных батарей беспилотников разрабатываются специ-

альные технологические цепочки утилизации, представляющие собой линейные или ветвящиеся последовательности операций,

оптимизированные по стоимости и воздействию на окружающую среду.

Особого внимания заслуживает роль структурного анализа и синтеза в современных методологиях системной инженерии, та-

ких как модельно-ориентированное проектирование. В рамках этого подхода создаётся единая цифровая модель изделия, кото-

рая на всех этапах жизненного цикла служит единственным ис-

точником достоверной информации о структуре — элементах,

связях и иерархии. Изменение, внесённое на любом уровне, ав-

томатически отражается во всех связанных представлениях: в де-

реве изделия, в матрице интерфейсов, в конечно-элементной мо-

дели, в циклограмме испытаний. Это резко снижает риск рассо-

гласования, который в прежние времена был причиной многих аварий, когда конструкторское изменение не находило отражения