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

3.7. Анализ структурных архитектур современных носителей и БПЛА (тандемная, пакетная, комбинированная схемы;

централизованные и распределённые системы управления)

Современное ракетостроение и проектирование беспилотных летательных аппаратов находятся в точке пересечения множества инженерных дисциплин, и выбор структурной архитектуры — как компоновочной схемы носителя или планера, так и топологии системы управления — оказывает решающее влияние на все ас-

пекты создаваемого изделия: от массово-габаритных характери-

стик и надёжности до живучести, стоимости и эксплуатационной гибкости. Структурная архитектура в данном контексте понима-

ется как совокупность двух тесно связанных, но аналитически различимых аспектов: пространственно-компоновочной органи-

зации агрегатов и связей между ними и логико-информационной организации потоков управления. Оба аспекта эволюционирова-

ли от простейших линейных и централизованных схем к слож-

ным гибридным и распределённым архитектурам, и сегодняшний облик ракет-носителей и беспилотных систем является результа-

том многолетнего отбора, в котором каждый архитектурный ва-

риант доказывал свою состоятельность в жёсткой конкурентной борьбе технических и экономических требований.

Тандемная компоновочная схема ракеты-носителя является ис-

торически первой и до сих пор наиболее распространённой архи-

тектурой, в которой ступени располагаются последовательно друг за другом вдоль продольной оси, а их двигатели включаются

поочерёдно, после отделения отработавшей ступени. Эта схема,

впервые реализованная в ракете Р-7, хотя и с боковыми блоками,

которые придавали ей черты пакетной схемы, в чистом виде до-

стигла совершенства в носителях семейства «Тор-Дельта», а

позднее — в Atlas V и Delta IV. В основе тандемной архитектуры лежит принцип линейной последовательности: первая ступень сообщает ракете начальную скорость, отделяется, вторая ступень продолжает разгон, и так вплоть до выведения полезной нагрузки на целевую орбиту. Каждая ступень функционально самодоста-

точна, имеет собственные баки, двигательную установку и, как правило, собственные органы управления, что упрощает межсту-

пенчатые интерфейсы, сводя их к силовым стыковочным шпан-

гоутам, пиросредствам разделения и нескольким электрическим связям для передачи команд. Такая простота стыков обеспечивает минимальную массу переходных отсеков и снижает вероятность отказов, связанных с разделением. Вся ракета в тандемной схеме представляет собой, по существу, линейную структуру, где выход из строя любой ступени однозначно ведёт к аварии, поскольку резервный путь отсутствует. Это обстоятельство предъявляет ис-

ключительно высокие требования к надёжности каждой ступени,

компенсируемые резервированием внутренних элементов, но не дублированием самих ступеней.

Несмотря на кажущуюся архаичность, тандемная схема сохра-

няет прочные позиции в классе носителей среднего и тяжёлого классов благодаря своим неоспоримым достоинствам. Во-первых,

она минимизирует лобовое сопротивление на атмосферном

участке, так как ракета имеет минимально возможный мидель,

определяемый диаметром головного обтекателя и верхних ступе-

ней. Во-вторых, она технологична в производстве: ступени могут изготавливаться и испытываться независимо, а окончательная сборка сводится к стыковке нескольких крупных блоков. В-

третьих, тандемная схема хорошо сочетается с концепцией мно-

горазовости верхних ступеней или центральных блоков, как по-

казала программа Space Shuttle и современные разработки. Одна-

ко у неё есть и принципиальные ограничения. По мере роста стартовой массы носителя увеличивается и потребная тяга первой ступени, что при ограниченных возможностях одного двигателя ведёт к необходимости устанавливать многокамерные двигатель-

ные установки или несколько двигателей на общем силовом кольце, что усложняет конструкцию хвостового отсека и систему управления вектором тяги. Кроме того, тандемная схема не поз-

воляет гибко наращивать грузоподъёмность без глубокой модер-

низации самой ракеты, поскольку ступени жёстко оптимизирова-

ны под определённый диапазон масс.

Ответом на эти вызовы стала пакетная компоновочная схема, в

которой вокруг центрального блока группируются несколько бо-

ковых ускорителей, работающих параллельно с ним на старте.

Классическим представителем пакетной архитектуры является ракета-носитель «Союз», унаследовавшая эту черту от Р-7. В «Союзе» четыре боковых блока первой ступени конической фор-

мы крепятся к центральному блоку второй ступени, и все пять двигателей запускаются одновременно на стартовом столе. Такая

схема позволяет набрать огромную суммарную тягу без создания единого двигателя-монстра и без чрезмерного удлинения ракеты,

поскольку боковые блоки увеличивают поперечный габарит, но не длину. Более поздние носители, такие как Ariane 5 и Delta IV Heavy, используют пакетную схему с крупными твердотоплив-

ными ускорителями, которые крепятся к центральному водород-

ному блоку. В пакетной архитектуре структура носителя уже не является чисто линейной или иерархической; она приобретает черты параллельно-последовательной сети, где боковые блоки одновременно выполняют функцию первой ступени, но при этом могут иметь собственные системы управления, синхронизируе-

мые с центральным блоком. С точки зрения надёжности, пакет-

ная схема более живуча, поскольку при отказе одного из боковых блоков возможно аварийное выключение симметричного блока для сохранения управляемости, как это предусмотрено системой аварийной защиты «Союза». Более того, пакетная архитектура естественным образом поддерживает модульность: один и тот же боковой блок может использоваться в разных конфигурациях.

Именно этот принцип лёг в основу российского проекта «Анга-

ра», где универсальный ракетный модуль УРМ-1 применяется и как боковой ускоритель, и как центральный блок первой ступени,

а варьируя число модулей (от одного до пяти), можно получать носители различной грузоподъёмности — от лёгкой «Ангары-

1.2» до тяжёлой «Ангары-А5». Таким образом, пакетная схема становится инструментом не только повышения тяги, но и реали-

зации модульной стратегии, снижающей стоимость разработки и производства.

Комбинированные, или смешанные, схемы стремятся объеди-

нить достоинства тандемной и пакетной компоновок, а также иногда включают элементы, которые не укладываются в эти две классические категории. Примером комбинированной схемы мо-

жет служить носитель Falcon Heavy компании SpaceX. В этой ра-

кете центральный блок первой ступени выполнен по тандемной логике и несёт на себе вторую ступень и полезную нагрузку, а

два боковых ускорителя, являющиеся модифицированными пер-

выми ступенями Falcon 9, присоединены к нему по бокам, обра-

зуя пакетную конфигурацию на участке работы первой ступени.

После отделения боковых ускорителей центральный блок про-

должает работать, реализуя уже тандемную схему с верхней сту-

пенью. Все три блока оснащены средствами возврата и посадки,

что добавляет в архитектуру черты реконфигурируемой структу-

ры, меняющей свою конфигурацию несколько раз за полёт. Дру-

гим ярким примером комбинированной схемы был советский но-

ситель «Энергия», в котором центральный блок не имел соб-

ственных маршевых двигателей, а выполнял роль орбитального корабля или контейнера, тогда как четыре боковых блока с дви-

гателями РД-170 обеспечивали тягу, после чего отделялись и воз-

вращались на парашютах. Эта архитектура сочетала пакетную параллельную работу ускорителей с тандемным расположением полезной нагрузки и фактически стирала грань между ступенями и ускорителями. Комбинированные схемы предоставляют проек-

тировщику наибольшую гибкость, позволяя адаптировать носи-

тель под широкий спектр миссий, но платой за это является зна-

чительное усложнение интерфейсов, рост массы переходных и силовых конструкций, а также необходимость решать сложные задачи аэродинамики и динамики полёта при несимметричных конфигурациях.

Структурные архитектуры беспилотных летательных аппаратов демонстрируют не меньшее разнообразие, хотя классификация их по компоновочным схемам строится на иных принципах, нежели для ракет. Здесь главную роль играют аэродинамическая схема и размещение функциональных элементов относительно центра масс. Классическая самолётная схема с фюзеляжем, крылом и хвостовым оперением, реализованная в таких БПЛА, как MQ-1 Predator и MQ-9 Reaper, представляет собой линейную последо-

вательность отсеков: носовой с полезной нагрузкой, центральный с топливным баком и отсеком авионики, хвостовой с двигателем и оперением. Эта линейность упрощает центровку и сборку, а

иерархическая организация силовой конструкции крыла (лонже-

роны, нервюры, обшивка) обеспечивает высокое аэродинамиче-

ское качество. Схема «летающее крыло», применённая в разве-

дывательно-ударном БПЛА RQ-170 Sentinel и ударном X-47B,

радикально отличается: здесь планер и несущая поверхность сли-

ты воедино, а двигатель, полезная нагрузка и органы управления интегрированы в толщу крыла. Такая структура является одно-

временно и аэродинамической, и конструктивной, и она по сути представляет собой матричную или ячеистую компоновку, где

элементы распределены по объёму крыла. Летающее крыло обла-

дает меньшим лобовым сопротивлением и радиолокационной за-

метностью, но сложнее в управлении и более чувствительно к от-

казам, так как отсутствует фюзеляж, который в классической схеме может быть использован для дублирования систем.

Конвертопланы и аппараты вертикального взлёта и посадки,

такие как V-22 Osprey в пилотируемом варианте или перспектив-

ные беспилотные аналоги, реализуют реконфигурируемую струк-

туру, меняющуюся в полёте: поворотные мотогондолы с винтами изменяют направление вектора тяги, превращая аппарат из вер-

толёта в самолёт. В каждый момент времени такая структура описывается уникальным графом связей, и система управления должна непрерывно адаптироваться к изменяющейся динамике.

Это сближает конвертопланы с трансформируемыми конструк-

циями, рассмотренными ранее в контексте ракет. Роевые беспи-

лотные системы представляют собой ещё один уровень структур-

ной архитектуры, где каждый дрон является узлом сети, а топо-

логия роя постоянно перестраивается. Здесь компоновка отдель-

ного дрона чаще всего линейна или иерархична, но групповая ар-

хитектура является чисто сетевой и может принимать любые конфигурации — от цепочки до ячеистой сети.

Переходя к анализу систем управления, следует отметить, что их архитектура эволюционировала в тесной связи с компоновоч-

ными схемами, но по собственной внутренней логике. Централи-

зованная система управления долгое время была единственно возможной для ракет-носителей. В такой архитектуре все датчи-

ки, исполнительные органы и каналы связи сходятся к един-

ственному бортовому компьютеру, который выполняет все вы-

числения и выдаёт команды. Примером может служить система управления ракеты «Протон», где аналоговый и цифровой вы-

числители обрабатывали сигналы гироскопов и акселерометров и управляли рулевыми двигателями и качанием маршевых двигате-

лей. Централизация даёт очевидные преимущества: простота синхронизации, отсутствие конфликтов, детерминированность задержек, минимальный объём служебного обмена. Однако она же создаёт единую точку отказа — выход из строя центрального компьютера или магистральной шины парализует всю систему.

Для парирования этого риска применяется троирование или ма-

жоритирование вычислительного ядра, но это увеличивает массу и энергопотребление. Кроме того, централизованная архитектура плохо масштабируется: добавление новых подсистем требует пе-

ресмотра всей программы полёта и часто ведёт к усложнению ин-

терфейсов.

Распределённые системы управления стали ответом на требо-

вания повышенной живучести и гибкости. В распределённой ар-

хитектуре функции управления рассредоточены по нескольким вычислительным узлам, соединённым сетью. На ракете-носителе распределённая система может выглядеть так: контроллер двига-

теля самостоятельно регулирует тягу и соотношение компонен-

тов, контроллер рулевых приводов отрабатывает команды угло-

вой стабилизации, а центральный полётный компьютер выполня-

ет только навигационные расчёты и координацию. Все узлы об-

мениваются данными по дублированной высокоскоростной шине, такой как SpaceWire или AFDX. При отказе одного из уз-

лов остальные продолжают функционировать, а в некоторых слу-

чаях могут взять на себя его функции с пониженной эффективно-

стью. В пределе распределённая архитектура переходит в децен-

трализованную, где вообще нет единого центра, и решения при-

нимаются путём консенсуса между равноправными узлами. В ра-

кетной технике такая децентрализация пока редкость из-за жёст-

ких требований к детерминизму, но в роевых БПЛА она является нормой. Современный разведывательно-ударный рой может ис-

пользовать алгоритмы на основе теории графов и мультиагент-

ных систем, где каждый дрон оценивает обстановку и координи-

руется с соседями, а глобальная задача — например, распределе-

ние целей — решается без участия оператора.

Гибридные системы управления сочетают централизованное ядро с распределённой периферией. Именно так устроено боль-

шинство современных ракет-носителей, включая Falcon 9 и

Ariane 6. Центральный бортовой компьютер выполняет критиче-

ски важные функции с максимальной надёжностью, а контролле-

ры подсистем обладают достаточным интеллектом, чтобы авто-

номно отрабатывать локальные контуры, снижая нагрузку на центральный процессор. В БПЛА аналогичная архитектура при-

меняется на больших аппаратах типа MQ-9, где полётный кон-

троллер координирует автопилот, систему управления полезной нагрузкой и канал связи, но каждый из этих блоков имеет соб-

ственные процессоры и может действовать автономно при потере

связи с центром. В малых тактических дронах, где масса и стои-

мость критичны, часто возвращаются к централизованной архи-

тектуре, объединяя все функции в одной микросхеме.

Взаимодействие компоновочной схемы и архитектуры системы управления глубже, чем может показаться на первый взгляд. Па-

кетная схема с боковыми блоками требует, чтобы система управ-

ления могла координировать работу нескольких двигательных установок, одновременно отклоняя их векторы тяги для управле-

ния по крену, тангажу и рысканью. Это предъявляет повышенные требования к быстродействию и синхронизации, что легче реали-

зовать в централизованной или гибридной системе с общим так-

тированием. Тандемная схема с последовательным включением ступеней позволяет иметь отдельные, почти независимые систе-

мы управления на каждой ступени, которые обмениваются лишь командами на разделение и передачу управления, что естествен-

но ложится на распределённую архитектуру. Комбинированные схемы, включающие возвращаемые элементы, требуют реконфи-

гурируемой логики: система управления должна переключаться между режимами выведения, возврата и посадки, изменяя состав активных датчиков и исполнительных органов. Такая реконфигу-

рируемость достигается за счёт модульности программного обес-

печения и аппаратуры, что, в свою очередь, предполагает опреде-

лённую степень распределённости.

Эволюция архитектур идёт по пути всё более тесной интегра-

ции структурных и управленческих аспектов. Цифровой двойник,

объединяющий компоновочную схему, интерфейсы и алгоритмы