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

в программе прочностных испытаний или в документации смеж-

ников. Цифровой двойник, по сути, является многомерной ги-

бридной структурой, объединяющей иерархический, сетевой,

матричный и временной аспекты в единое целое.

Таким образом, структурный анализ и структурный синтез не являются изолированными операциями, выполняемыми одно-

кратно на ранней стадии проектирования. Они представляют со-

бой непрерывную, циклически возобновляемую деятельность,

пронизывающую весь жизненный цикл аэрокосмического изде-

лия. На каждом этапе востребуются различные типы структур:

иерархические деревья обеспечивают декомпозицию и распреде-

ление ответственности, матрицы и таблицы — полноту и непро-

тиворечивость интерфейсов и требований, сетевые графы — ана-

лиз живучести и оптимизацию производственных процессов,

циклограммы — временную координацию, а гибридные и фрак-

тальные архитектуры — масштабируемость и адаптивность. Глу-

бокое понимание места и взаимосвязи этих инструментов в жиз-

ненном цикле позволяет инженеру-системотехнику не только со-

здавать эффективные ракеты-носители и беспилотные летатель-

ные аппараты, но и сопровождать их эволюцию на протяжении десятилетий, своевременно модернизируя и адаптируя к новым задачам. Именно это сквозное структурное мышление, объеди-

няющее анализ и синтез в непрерывный итеративный процесс,

составляет ядро профессиональной культуры в ракетно-

космической и беспилотной отраслях.

Морфология и инженерия структур

162в ракетно-космической технике и беспилотных летательных аппаратах

3.2.Инструментарий структурного проектирования:

графовые модели, N-квадратные диаграммы,

морфологические матрицы

Современное ракетостроение и проектирование беспилотных летательных аппаратов немыслимы без систематического приме-

нения специального инструментария, позволяющего формализо-

вать и анализировать архитектуру сложных технических объек-

тов. В центре этого инструментария находятся три взаимосвязан-

ные группы методов: графовые модели, N-квадратные диаграммы и морфологические матрицы. Каждая из них обслуживает опре-

делённый срез инженерной деятельности — от концептуального поиска облика до верификации интерфейсов и анализа живуче-

сти, — но все вместе они образуют целостный язык системной инженерии, на котором формулируются и решаются ключевые задачи структурного синтеза и анализа. Их объединяет способ-

ность представлять устройство системы как совокупность эле-

ментов и связей, однако способы этого представления и вытека-

ющие из них аналитические возможности существенно различа-

ются, что и делает целесообразным совместное применение всех трёх инструментов на разных стадиях жизненного цикла аэро-

космического изделия.

Графовые модели являются, пожалуй, наиболее универсальным и математически проработанным средством описания структур. В

их основе лежит интуитивно ясная абстракция: вершины графа соответствуют элементам системы, а рёбра — связям между ни-

ми. Эта абстракция не накладывает ограничений на природу эле-

ментов и связей, что позволяет использовать один и тот же фор-

мализм для моделирования механических соединений, гидравли-

ческих магистралей, электрических цепей, информационных по-

токов и даже организационных отношений в проектной команде.

В ракетостроении графовые модели находят широчайшее приме-

нение начиная с самых ранних этапов проектирования. Когда инженер-системотехник приступает к синтезу облика ракеты-

носителя, он строит функциональный граф, отображающий, как основные функции — создание тяги, подача топлива, навигация,

отделение ступеней — связаны между собой потоками энергии,

вещества и команд. Такой граф позволяет уже на концептуальной стадии проверить, не пропущена ли какая-либо критически важ-

ная функция и корректно ли замкнуты все необходимые контуры управления. Позднее, когда функциональные элементы получают физическое воплощение в виде конкретных агрегатов, функцио-

нальный граф трансформируется в граф физических интерфей-

сов, вершинами которого становятся двигатели, баки, рулевые приводы, а рёбрами — стыковочные шпангоуты, трубопроводы,

кабельные жгуты. Такой граф насчитывает сотни вершин и тыся-

чи рёбер, и его анализ с использованием алгоритмов теории гра-

фов позволяет выявить узкие места в архитектуре. Например, вы-

числение минимального разреза графа даёт количественную оценку живучести системы: если существует разрез малой мощ-

ности, то разрушение небольшого числа связей способно разде-

лить систему на несвязные части, что эквивалентно катастрофи-

ческому отказу. В беспилотных летательных аппаратах графовые модели играют не менее важную роль, особенно при проектиро-

вании распределённых систем управления и роевых группировок.

Здесь каждый дрон выступает вершиной, а радиоканалы — рёб-

рами динамически изменяющегося графа. Анализ связности тако-

го графа в реальном времени позволяет предсказать, сохранит ли рой способность к коллективному выполнению задачи при выхо-

де из строя части аппаратов, и выработать стратегию перестрое-

ния, оптимизирующую, скажем, алгебраическую связность графа.

Более того, алгоритмы маршрутизации, обеспечивающие переда-

чу данных от любого дрона к наземному пункту, по существу,

решают классическую задачу поиска кратчайших путей в графе,

и выбор конкретного алгоритма напрямую влияет на задержки и надёжность связи. Помимо топологического анализа, графовые модели допускают назначение весов вершинам и рёбрам — масс,

стоимостей, интенсивностей отказов, — что открывает путь к па-

раметрической оптимизации структуры. Например, решая задачу о минимальном по массе остовном дереве, можно найти такую конфигурацию кабельной сети ракеты, которая при заданных требованиях по связности потребует наименьшего количества проводов и, следовательно, минимальной массы. Таким образом,

графовый инструментарий пронизывает все стадии проектирова-

ния, от концептуального синтеза до детального анализа надёжно-

сти и оптимизации.

Если графовые модели делают акцент на топологии и дости-

жимости, то N-квадратные диаграммы фокусируются на полноте

и систематичности описания интерфейсов. Исторически этот ин-

струмент возник в практике системной инженерии аэрокосмиче-

ских проектов как средство борьбы с пропущенными и недоку-

ментированными связями, которые нередко становились причи-

нами дорогостоящих переделок и аварий. N-квадратная диаграм-

ма представляет собой квадратную матрицу размером N на N, где по главной диагонали располагаются обозначения N подсистем рассматриваемого объекта. Каждая внедиагональная ячейка на пересечении строки i и столбца j описывает интерфейс, направ-

ленный от подсистемы i к подсистеме j. Это описание может включать тип связи, физическую среду, протокол обмена, пере-

даваемые сигналы или механические нагрузки. Для ракеты-

носителя, содержащей десятки подсистем, такая диаграмма быст-

ро становится весьма насыщенной, но именно эта насыщенность и представляет ценность: системный интегратор, охватывая взглядом всю матрицу, немедленно замечает как пустые ячейки,

которые могут указывать на отсутствие необходимых связей, так и ячейки с избыточными или конфликтующими интерфейсами.

Классический пример — проверка на наличие нежелательных об-

ратных связей, которые образуют циклы в матрице. Если из под-

системы A идёт связь к B, из B к C, а из C обратно к A, это может свидетельствовать о неконтролируемом контуре, способном по-

родить автоколебания или непредусмотренные нагружения. В

беспилотном аппарате N-квадратная диаграмма бортового радио-

электронного комплекса наглядно показывает, как автопилот,

приёмник GPS, передатчик видео и полезная нагрузка обменива-

ются данными, питанием и управляющими сигналами. Заполняя такую диаграмму, разработчик неизбежно сталкивается с необхо-

димостью явно специфицировать каждую связь, что является мощным дисциплинирующим фактором. Очень часто именно на этом этапе обнаруживается, что две подсистемы, разрабатывае-

мые разными группами, по-разному понимают параметры интер-

фейса, или что один из каналов оказывается перегруженным. N-

квадратная диаграмма служит не только средством анализа, но и документом, фиксирующим интерфейсы на весь период разра-

ботки, и её актуализация является обязательной процедурой при любых изменениях в составе или архитектуре системы.

Морфологические матрицы занимают особое место в инстру-

ментарии структурного проектирования, так как они ориентиро-

ваны преимущественно на начальную, наиболее творческую фазу

— синтез концептуальных вариантов. Метод морфологического анализа, восходящий к работам Фрица Цвикки, предполагает по-

строение таблицы, в которой строки соответствуют ключевым функциональным подсистемам или проектным параметрам бу-

дущего изделия, а столбцы — возможным способам реализации каждой из этих подсистем или значениям параметров. Для раке-

ты-носителя строками могут выступать тип топлива, схема дви-

гательной установки, компоновочная схема, конструкционный материал баков, способ разделения ступеней; в каждом столбце перечисляются конкретные альтернативы — жидкий кислород-

керосин, кислород-метан, твёрдое топливо; открытая, закрытая схема; тандемная, пакетная; алюминиевые сплавы, композиты,

сталь. Полное число теоретически возможных комбинаций равно произведению количества альтернатив по всем строкам и может измеряться десятками тысяч. Задача проектировщика на этом этапе — не перебрать все комбинации, а, пользуясь экспертными оценками, упрощёнными расчётами и эвристическими правила-

ми, отсеять заведомо несовместимые или неэффективные вариан-

ты и оставить ограниченное число перспективных для дальней-

шего углублённого анализа. Морфологическая матрица тем са-

мым структурирует процесс генерации идей, не позволяя пропу-

стить нетривиальные, но потенциально прорывные сочетания,

которые могли бы ускользнуть при традиционном последова-

тельном мышлении. Для беспилотного летательного аппарата морфологическая матрица может включать такие строки, как аэродинамическая схема, тип силовой установки, система нави-

гации, полезная нагрузка, и анализ комбинаций часто приводит к неочевидным выводам — например, что электрический двигатель в сочетании с крылом большого удлинения и мультиспектраль-

ной камерой способен обеспечить рекордную продолжительность полёта для задач мониторинга, хотя ни один из компонентов по отдельности не был оптимизирован для этого. Таким образом,

морфологическая матрица служит генератором альтернатив, а

последующий отбор использует уже иные инструменты, в том числе графовые модели для быстрой оценки реализуемости.

Эффективность рассмотренного инструментария многократно возрастает, когда он применяется не изолированно, а в тесной взаимосвязи, образуя единый цикл структурного синтеза и анали-

за. На концептуальной стадии морфологическая матрица генери-

рует множество возможных структурных схем, которые затем могут быть представлены в виде упрощённых графовых моделей,

позволяющих оценить потоки массы и энергии, проверить балан-

сы и отбросить нереализуемые варианты. Для оставшихся вари-

антов строятся N-квадратные диаграммы, уточняющие интерфей-

сы, после чего графовые модели детализируются и подвергаются анализу живучести и оптимизации. По мере перехода к рабочему проектированию N-квадратная диаграмма становится основным живым документом, а графовые модели начинают использоваться для анализа отказоустойчивости, расчёта вероятности безотказ-

ной работы и планирования испытаний. На этапе испытаний с помощью графовых моделей обрабатываются телеметрические данные, восстанавливаются траектории и локализуются отказы, а

N-квадратная диаграмма служит для верификации того, что все заложенные интерфейсы действительно функционируют в полё-

те. Морфологический анализ может вновь привлекаться при мо-

дернизации изделия или создании модификаций, когда требуется быстро оценить последствия замены одного из компонентов. Та-

ким образом, три инструмента образуют неразрывную триаду,

сопровождающую аэрокосмическое изделие от замысла до ути-

лизации.

Следует подчеркнуть, что владение этим инструментарием не сводится к механическому заполнению таблиц и вычерчиванию графов. Оно требует от инженера-системотехника глубокого по-

нимания как физических основ проектируемого объекта, так и

математических свойств применяемых моделей. Некорректно по-

строенный граф интерфейсов может ввести в заблуждение отно-

сительно действительной живучести системы, а непродуманная

N-квадратная диаграмма способна скрыть критическую пере-

крёстную связь. Морфологическая матрица, составленная без должной экспертизы, либо утонет в бессмысленных комбинаци-

ях, либо, напротив, окажется слишком узкой и упустит перспек-

тивные решения. Поэтому подготовка специалистов, способных квалифицированно применять графовые модели, N-квадратные диаграммы и морфологические матрицы, является одной из важ-

нейших задач образовательных программ по системной инжене-

рии в ракетно-космической и беспилотной отраслях. В конечном счёте, именно этот инструментарий превращает проектирование из искусства одиночек, опирающихся на интуицию и опыт, в вос-

производимую, документируемую и верифицируемую инженер-

ную дисциплину, способную справляться с вызовами, которые ставит перед человечеством освоение воздушно-космического пространства.

3.3. Критерии выбора и оценки структур: масса, надёжность,

живучесть, технологичность, стоимость

Выбор оптимальной структуры для ракеты-носителя или бес-

пилотного летательного аппарата представляет собой фундамен-

тальную многокритериальную задачу, решение которой пред-

определяет не только технические характеристики будущего из-

делия, но и его экономическую эффективность, эксплуатацион-

ную пригодность и в конечном счёте конкурентоспособность на рынке пусковых услуг или в сфере оборонных и гражданских беспилотных систем. Среди множества частных показателей, фи-

гурирующих в технических заданиях и проектных отчётах, мож-

но выделить пять интегральных критериев, которые в своей сово-

купности охватывают практически все значимые аспекты струк-

турного совершенства: масса, надёжность, живучесть, техноло-

гичность и стоимость. Эти критерии не являются независимыми;

напротив, они образуют сложную систему компромиссов, в кото-

рой улучшение одного показателя почти всегда сопряжено с ухудшением другого, и искусство системного инженера состоит в нахождении такого баланса, который при заданных ограничениях обеспечивает выполнение миссии с требуемой вероятностью и в рамках выделенных ресурсов.

Масса является, пожалуй, наиболее чувствительным и истори-

чески первым осознанным критерием в ракетной технике. Урав-

нение Циолковского связывает конечную скорость ракеты с лога-

рифмом отношения начальной массы к конечной, и из него прямо следует, что каждый сэкономленный килограмм конструкции увеличивает располагаемую характеристическую скорость или позволяет нарастить массу полезной нагрузки. В многоступенча-

тых носителях эта зависимость приобретает ещё более крутой ха-

рактер из-за эффекта мультиплицирования: масса, сэкономленная на верхней ступени, позволяет уменьшить потребное количество топлива и, следовательно, стартовую массу всей системы. Имен-