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

но поэтому в ракетостроении укоренилась культура грамма, а

борьба за весовое совершенство пронизывает все уровни проек-

тирования — от выбора конструкционных материалов до опти-

мизации траектории выведения. Структурные решения напрямую влияют на массу через организацию силовых схем и количество соединений. Линейные и иерархические структуры, минимизи-

рующие число связей, как правило, оказываются легче сетевых или матричных при прочих равных, поскольку каждый дополни-

тельный интерфейс требует стыковочных узлов, крепежа, герме-

тизирующих прокладок. Топливный бак с изогридной или ва-

фельной оболочкой, изготовленный фрезерованием из цельной плиты, весит меньше бака, собранного из множества листов на заклёпках, так как отсутствуют концентраторы напряжений и нахлёсточные соединения. В то же время, переход к композици-

онным материалам и аддитивным технологиям открывает воз-

можность создавать решётчатые и фрактальные структуры, кото-

рые при меньшей массе обеспечивают требуемую жёсткость и прочность за счёт иерархического распределения материала по силовым линиям. Для беспилотных летательных аппаратов, осо-

бенно электрических, масса напрямую определяет продолжи-

тельность и дальность полёта, а также манёвренность. Здесь структурная оптимизация часто идёт по пути замены традицион-

ных наборных крыльев на монолитные углепластиковые кон-

струкции с интегрированными топливными баками или аккуму-

ляторными отсеками, что сокращает число деталей и стыков. Та-

ким образом, масса выступает как интегральный измеритель кон-

структивного совершенства, и при сравнении альтернативных структурных схем предпочтение, при прочих равных, отдаётся той, которая обеспечивает минимальную сухую массу при вы-

полнении всех функциональных требований.

Однако погоня за минимальной массой неизбежно вступает в противоречие с требованиями надёжности. Надёжность в аэро-

космическом контексте определяется как вероятность безотказ-

ного функционирования в течение заданного времени при задан-

ных условиях эксплуатации. Структура системы влияет на надёжность через два основных механизма: количество элемен-

тов и связей, каждый из которых может отказать, и способность системы парировать отказы. Линейная последовательная струк-

тура с точки зрения надёжности является наихудшей, поскольку отказ любого элемента приводит к отказу всей системы. Иерар-

хические структуры позволяют изолировать отказы в пределах ветвей, но всё равно сохраняют уязвимость на верхних уровнях.

Сетевые и кольцевые структуры, напротив, предоставляют аль-

тернативные пути для передачи усилий, энергии и информации,

что позволяет системе продолжать функционирование при оди-

ночных отказах. Однако за это приходится платить увеличением массы за счёт дублирующих элементов и каналов. Классическим примером является резервирование системы управления ракеты-

носителя: мажоритарная схема «два из трёх» утраивает массу критических датчиков и вычислительных модулей, но снижает вероятность отказа контура управления на порядки. В беспилот-

ных летательных аппаратах надёжность часто обеспечивается

дублированием каналов связи и питания, а также применением кольцевых шин, которые при обрыве автоматически переключа-

ются на резервную ветвь. При оценке структурных альтернатив инженер сопоставляет достигаемый уровень надёжности с требу-

емыми показателями, заданными в техническом задании, и выби-

рает решение, удовлетворяющее этим показателям с минималь-

ными затратами массы и стоимости. При этом важно различать надёжность как вероятность отсутствия отказов в течение миссии и живучесть, которая характеризует способность системы про-

должать выполнение задачи после получения повреждений, вы-

ходящих за рамки проектных условий.

Живучесть становится особенно актуальной для военных бес-

пилотных аппаратов и для пилотируемых космических систем,

где последствия отказа могут быть катастрофическими. В отли-

чие от надёжности, которая оперирует вероятностными характе-

ристиками случайных отказов в нормальных условиях эксплуата-

ции, живучесть рассматривает сценарии боевых повреждений,

столкновений с космическим мусором или экстремальных внеш-

них воздействий. Структурные решения, повышающие живу-

честь, часто идут вразрез с принципом минимизации массы: рас-

средоточение критических функций по нескольким физически разнесённым элементам, введение дополнительных связей с воз-

можностью реконфигурации, применение бронирования или са-

мозалечивающихся материалов. В ракетостроении ярким приме-

ром живучей структуры является пакетная схема с боковыми ускорителями, применённая на носителе «Союз». При отказе од-

ного из боковых блоков автоматика выключает противополож-

ный блок, и ракета продолжает полёт на оставшихся, сохраняя шанс на спасение экипажа. Сетевая организация информацион-

ных потоков позволяет маршрутизаторам обходить повреждён-

ные сегменты, а реконфигурируемые алгоритмы управления пе-

рераспределяют функции между исправными элементами. Для роя беспилотников живучесть закладывается на уровне группо-

вой архитектуры: потеря нескольких аппаратов не должна приво-

дить к срыву миссии, что достигается децентрализованным управлением и возможностью динамической смены ролей. Оцен-

ка живучести производится путём моделирования воздействия поражающих факторов на графовую модель системы и анализа остаточной связности и функциональности. Таким образом, вы-

бор структуры с требуемым уровнем живучести всегда предпола-

гает компромисс с массой и стоимостью, и решение принимается исходя из категории ответственности системы.

Технологичность как критерий отражает приспособленность конструкции к изготовлению, сборке, контролю и обслуживанию с использованием доступных производственных мощностей и в рамках заданных сроков. Этот критерий тесно связан со сложно-

стью структуры: линейные и иерархические схемы, как правило,

более технологичны, поскольку операции сборки носят последо-

вательный характер и легко поддаются автоматизации. Сетевые структуры с перекрёстными связями требуют более сложной оснастки, большего объёма контрольно-проверочных операций и зачастую порождают конфликты при монтаже, когда кабельные

жгуты разных подсистем пересекаются в ограниченном объёме.

Модульные структуры, напротив, могут существенно повысить технологичность, позволяя собирать изделие из ограниченного набора унифицированных блоков, прошедших автономную отра-

ботку. В ракетной программе «Ангара» универсальный ракетный модуль УРМ-1 изготавливается на одном производственном участке, а затем используется как в качестве бокового ускорите-

ля, так и в качестве центрального блока первой ступени, что ра-

дикально упрощает технологическую подготовку и снижает тру-

доёмкость. В беспилотной авиации технологичность часто выхо-

дит на первый план при серийном производстве малых тактиче-

ских дронов, где конструкция планера должна допускать литьё под давлением или штамповку с минимальной последующей ме-

ханической обработкой. Аддитивные технологии позволяют из-

готавливать фрактальные и решётчатые структуры, которые ра-

нее были немыслимы, но скорость печати и стоимость оборудо-

вания пока ограничивают их применение опытными и малосе-

рийными образцами. При оценке технологичности структурного варианта учитываются трудоёмкость изготовления, потребность в уникальной оснастке, уровень стандартизации и унификации, а

также возможности входного и выходного контроля. Нетехноло-

гичная, пусть и оптимальная по массе конструкция может приве-

сти к затягиванию сроков, перерасходу бюджета и снижению общего качества из-за неизбежных дефектов при освоении слож-

ных процессов.

Стоимость является тем критерием, в котором в конечном счё-

те фокусируются все остальные, и который наиболее прямо инте-

ресует заказчика. Структура изделия влияет на стоимость через целый ряд составляющих: затраты на проектирование и испыта-

ния, стоимость материалов и комплектующих, трудоёмкость из-

готовления, затраты на эксплуатацию и обслуживание. Сокраще-

ние массы, как правило, удорожает конструкцию, поскольку тре-

бует применения высокопрочных сплавов, композитов и слож-

ных технологических процессов. Повышение надёжности через резервирование увеличивает число покупных элементов и объём проверочных операций. Обеспечение живучести тянет за собой расходы на дополнительные защищённые каналы и системы ре-

конфигурации. Технологичные решения могут снизить производ-

ственные затраты, но иногда ценой увеличения массы и, следова-

тельно, эксплуатационных расходов. В ракетостроении историче-

ски доминировала парадигма минимальной массы любой ценой,

однако появление многоразовых систем радикально изменило экономическую модель. Для возвращаемой ступени Falcon 9 мас-

са посадочного оборудования — опор, решетчатых рулей, допол-

нительного топлива — является прямым вычетом из массы по-

лезной нагрузки, но эти затраты многократно окупаются за счёт многократного использования дорогостоящих двигателей и кор-

пуса. Таким образом, структурная схема, включающая элементы,

необходимые для возврата и посадки, оказывается экономически эффективной, несмотря на ухудшение массовых характеристик.

При выборе структуры стоимость не может рассматриваться изо-

лированно от массы, надёжности и живучести; она интегрирует их через экономические эквиваленты — цену килограмма выве-

денного груза, стоимость лётного часа беспилотника, страховые премии, зависящие от надёжности. Методы стоимостного инжи-

ниринга позволяют на ранних этапах оценить полную стоимость жизненного цикла для каждой структурной альтернативы и вы-

брать вариант, минимизирующий затраты при фиксированных значениях остальных критериев, либо решить оптимизационную задачу в многокритериальной постановке.

Все пять критериев существуют не разрозненно, а в тесной диалектической взаимосвязи, образуя сложное многомерное про-

странство, в котором проектировщик ищет допустимую и, по возможности, оптимальную область. Противоречие между мас-

сой и надёжностью является, пожалуй, наиболее фундаменталь-

ным и вездесущим. Любое резервирование — будь то дублирова-

ние трубопроводов, троирование вычислителей или введение кольцевых шин — добавляет массу, и инженер вынужден искать границу, за которой повышение надёжности перестаёт оправды-

ваться снижением риска потери миссии. В пилотируемой космо-

навтике эта граница сдвинута в сторону чрезвычайно высоких требований, тогда как для малоразмерных коммерческих дронов допустимый уровень риска существенно выше. Противоречие между живучестью и массой носит сходный характер, но усугуб-

ляется необходимостью предусматривать защиту от внешних воздействий. Технологичность вступает в конфликт с оптималь-

ностью по массе и аэродинамике: сложнопрофильные поверхно-

сти двойной кривизны, идеально обтекаемые, трудоёмки в изго-

товлении, и конструктор часто заменяет их на технологичные ци-

линдрические или конические обечайки, мирясь с некоторым аэродинамическим штрафом. Стоимость аккумулирует все эти противоречия, переводя их в денежное измерение. Унификация и модульность, упрощающие производство и снижающие стои-

мость, могут приводить к избыточности массы для конкретной модификации, но выигрыш на масштабе серии и сокращении но-

менклатуры запасных частей перекрывает этот проигрыш. Таким образом, окончательный выбор структуры всегда есть результат компромисса, достигаемого путём итерационного пересмотра требований и технических решений.

Методология такого многокритериального выбора опирается на системный анализ и математическое моделирование. На ранних стадиях проектирования, когда информация о детальном устрой-

стве агрегатов ещё ограничена, применяются параметрические модели массы и стоимости, основанные на статистических дан-

ных по ранее созданным образцам. Эти модели позволяют быстро оценить последствия перехода от одной структурной схемы к другой. Например, переход от тандемной к пакетной схеме уве-

личивает число межблочных стыков и, следовательно, массу, но может повысить живучесть и упростить транспортировку блоков.

Модели надёжности, строящиеся на основе деревьев отказов и марковских процессов, дают количественную оценку вероятно-

сти безотказной работы для каждой конфигурации. Для анализа живучести применяются имитационные модели, в которых гене-

рируются случайные повреждения графа структуры и оценивает-

ся доля миссий, завершившихся успешно. Технологичность оце-

нивается экспертно или с помощью баз данных трудоёмкости ти-

повых операций. Все эти частные модели интегрируются в еди-

ную расчётную среду, позволяющую варьировать структурные параметры и наблюдать за изменением критериев в реальном времени. При этом широко используются методы визуализации многомерных данных — лепестковые диаграммы, тепловые кар-

ты, — помогающие лицу, принимающему решение, интуитивно схватывать конфликты и компромиссы. Формальная оптимизация возможна, но на практике редко даёт однозначный ответ из-за неполноты исходных данных и субъективности весовых коэффи-

циентов; чаще она используется для выявления Парето-

оптимального множества, из которого уже руководство проекта выбирает окончательный вариант, руководствуясь стратегиче-

скими соображениями.

Примеры из реальной практики ракетостроения и беспилотной тематики наглядно иллюстрируют работу описанных критериев.

Ракета-носитель «Протон» с её тандемной компоновкой и ис-

пользованием токсичных, но высокоэффективных компонентов топлива демонстрирует приоритет массы и энергетических ха-

рактеристик над экологичностью и стоимостью межполётного обслуживания. Носитель Falcon 9, напротив, воплощает концеп-

цию, в которой стоимость пуска за счёт многоразовости и техно-

логичности является определяющим критерием, и ради неё до-

пущено увеличение сухой массы ступени и усложнение структу-

ры за счёт посадочных устройств. В классе беспилотных аппара-

тов стратегический разведчик RQ-4 Global Hawk оптимизирован по критериям дальности и продолжительности полёта, что потре-

бовало создания высокоэффективного крыла большого удлине-

ния из композиционных материалов, жертвуя при этом манёв-

ренностью и в определённой степени живучестью. Массовый тактический дрон-камикадзе «Герань» проектируется с приорите-

том технологичности и стоимости, что позволяет производить его в огромных количествах, и его структура предельно проста — линейная компоновка с минимальным числом элементов. Таким образом, критерии выбора структур не являются универсальны-

ми; их вес определяется назначением изделия, условиями его применения и рыночной нишей.

В заключение необходимо подчеркнуть, что осознанное, фор-

мализованное применение критериев массы, надёжности, живу-

чести, технологичности и стоимости к анализу структурных ре-

шений является фундаментом, на котором стоит современная си-

стемная инженерия в аэрокосмической отрасли. Игнорирование любого из этих критериев или непропорциональное увлечение одним из них в ущерб остальным неизбежно приводит к созда-

нию несбалансированных, неэффективных или неконкурентоспо-

собных изделий. Только системный подход, сочетающий инже-

нерную интуицию с математическим моделированием, позволя-

ющий прослеживать влияние структурных параметров на всю со-

вокупность эксплуатационных и экономических показателей,

способен обеспечить успех сложнейших проектов — от сверхтя-