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

ком междисциплинарного общения. Они позволяют инженерам-

аэродинамикам, прочнистам, электронщикам и программистам работать с единой методологической позиции, чётко оговаривая границы ответственности. Более того, именно осознанное опери-

рование категориями «система», «элемент», «связь» и «структу-

ра» открывает путь к применению передовых методов модельно-

ориентированного проектирования, генеративного дизайна и си-

стемной инженерии, где формальные модели структуры и связей становятся непосредственной основой для математического мо-

делирования и автоматизированного синтеза схемных решений.

Опыт разработки новейших образцов - от малых тактических дронов до многоразовых космических систем - убедительно сви-

детельствует, что глубина проработки этих методологических оснований прямо коррелирует с техническим совершенством и конкурентоспособностью конечного продукта. Поэтому в про-

граммах подготовки инженеров-системотехников для аэрокосми-

ческой отрасли данным понятиям должно уделяться первосте-

пенное внимание, чтобы будущий проектировщик видел не раз-

розненные чертежи и спецификации, а живую, развивающуюся систему в единстве её элементов, связей и структуры.

Морфология и инженерия структур

22в ракетно-космической технике и беспилотных летательных аппаратах

1.2.Свойства структур: целостность, иерархичность,

эмерджентность

Проектирование современных ракет-носителей и беспилотных летательных аппаратов относится к тем областям инженерной де-

ятельности, где сложность технического объекта достигает тако-

го уровня, что эмпирический перебор вариантов и интуитивное конструирование становятся принципиально неприемлемыми.

Системная методология, выросшая из потребностей аэрокосми-

ческой отрасли, предлагает универсальный язык описания, цен-

тральным понятием которого выступает структура - инвариант-

ный аспект системы, сохраняющий её тождественность при из-

менениях внешней среды и частичной замене компонентов. Од-

нако сама по себе констатация наличия структуры не даёт кон-

структору достаточных ориентиров для принятия решений. Для эффективного синтеза облика летательного аппарата необходимо отчётливо понимать фундаментальные свойства, присущие структурам как таковым, а именно целостность, иерархичность и эмерджентность. Именно эти три категории, глубоко укоренён-

ные в общей теории систем, раскрывают природу взаимодействия частей в составе целого, позволяя перейти от механического со-

единения узлов к созданию согласованных технических организ-

мов, способных надёжно функционировать в самых экстремаль-

ных условиях.

Свойство целостности выражает тот факт, что система не явля-

ется простой суммой своих элементов, а обладает качествами,

рождающимися из их взаимодействия, и одновременно наклады-

вает на эти элементы ограничения, которые не существуют для них по отдельности. В ракетостроении целостность проявляется на всех уровнях, но наиболее наглядно - в силовой схеме носите-

ля. Рассмотрим монококовую или полумонококовую конструк-

цию ступени, где несущие топливные баки одновременно выпол-

няют функцию основного силового каркаса, воспринимающего продольные и поперечные нагрузки. Тонкостенная оболочка ба-

ка, подкреплённая шпангоутами и стрингерами, обретает способ-

ность выдерживать огромные осевые силы тяги и изгибающие моменты только в собранном состоянии, будучи нагруженной внутренним давлением наддува, которое стабилизирует стенку.

Если представить тот же материал в виде разрозненных листов и профилей, их суммарная несущая способность окажется на по-

рядки ниже той, что демонстрирует целостная конструкция. Бо-

лее того, потеря целостности в полёте - например, разрушение одного стрингера или локальная потеря устойчивости оболочки -

способна лавинообразно перераспределить напряжения и вызвать полное разрушение отсека, что подтверждает нераздельность ме-

ханической судьбы элементов. Целостность не ограничивается прочностью: тепловая защита спускаемого аппарата работает как единый тепловой щит лишь при условии плотной стыковки пли-

ток или сегментов, отсутствия нештатных зазоров; нарушение целостности теплозащитного покрытия в одной точке ведёт к прожигу и катастрофе. Аналогично для беспилотного летатель-

ного аппарата самолётной схемы аэродинамическая компоновка

представляет собой целостную форму, где обтекание носовой ча-

сти, крыла, фюзеляжа и оперения взаимосвязано: интерференция потоков может порождать как выигрыш в подъёмной силе, так и вредные срывы. Целостность проявляется и в информационной области — бортовая интегрированная модульная авионика со-

временных БПЛА типа MQ-9 Reaper или «Орион» функциониру-

ет как единый вычислительный ресурс, где отказ одного модуля парируется перераспределением задач на исправные блоки бла-

годаря общей операционной среде и протоколам синхронизации.

Если бы те же вычислительные мощности были разделены на ав-

тономные, не связанные между собой контроллеры, система утратила бы отказоустойчивость и гибкость. Таким образом,

свойство целостности вынуждает проектировщика мыслить не в категориях деталей, а в категориях согласованных параметров,

совместной работы и взаимной обусловленности. На этапе испы-

таний целостность проверяется в ходе комплексных огневых стендовых прожигов и частотных испытаний, когда конструкция подвергается вибрационному воздействию и отслеживаются её модальные характеристики: любое отклонение собственных ча-

стот от расчётных свидетельствует о нарушении целостности -

микротрещине, непроклее, ослабленном болте.

Иерархичность как свойство структуры отражает её расслоение на соподчинённые уровни, где каждый вышележащий уровень интегрирует функции нижележащих, одновременно скрывая от них детали своей внутренней организации. В ракетно-

космических системах иерархическая декомпозиция является ос-

новным приёмом борьбы с когнитивной сложностью. На первом уровне иерархии ракета-носитель среднего класса, такая как

«Союз-2», предстаёт как совокупность трёх ступеней, головного обтекателя, переходных отсеков и системы управления; каждая ступень, в свою очередь, делится на двигательную установку,

топливные баки, хвостовой и приборный отсеки. Двигательная установка состоит из камеры, турбонасосного агрегата, газогене-

ратора, бустерного насоса и арматуры, а те - из корпусов, рото-

ров, подшипников, форсунок. Эта иерархия не просто удобная классификация, а строго регламентированная система интерфей-

сов: стыковочный шпангоут между ступенями имеет фиксиро-

ванные геометрию и нагрузки, командная шина передаёт дис-

кретный сигнал «контакт подъёма» и «отделение», а трубопрово-

ды окислителя и горючего соединяются разрывными болтами с мембранами. Иерархичность позволяет параллельно вести проек-

тирование на разных уровнях десятками специализированных коллективов, причём каждый из них работает в своей зоне ответ-

ственности, не вникая в детали смежников, при условии жёсткого соблюдения интерфейсных контрольных документов. Для беспи-

лотных аппаратов не меньшую роль играет иерархия управления полётом. На верхнем уровне полётный контроллер реализует миссию, формируя требуемую траекторию и командные сигналы для автопилота; средний уровень, реализуемый в виде ПИД-

регуляторов или адаптивных алгоритмов, преобразует эти коман-

ды в управляющие сигналы для рулевых машинок и регулятора оборотов двигателя; нижний уровень - силовые драйверы и дат-

чики обратной связи - реализуют физическое воздействие. Если в малом дроне эта иерархия может быть свёрнута в один микро-

контроллер, то в стратегическом разведывательном БПЛА с дли-

тельным временем полёта она разносится по отдельным вычис-

лителям и дублируется. Иерархичность структуры отказов также широко применяется в анализе надёжности и безопасности: стро-

ится дерево отказов, где на вершине находится нежелательное событие - потеря миссии или разрушение носителя, а на нижних уровнях - элементарные отказы клапанов, подшипников, ошибки программного обеспечения. Такая иерархия даёт возможность количественно оценить вероятность аварии и выявить критиче-

ские элементы, требующие резервирования. Однако иерархич-

ность в технических системах редко бывает абсолютно строгой.

Практически всегда существуют перекрёстные, гетерархические связи - например, система аварийной защиты двигателя получает сигналы непосредственно от датчиков давления в камере, минуя основной полётный компьютер, чтобы обеспечить минимальное время реакции. Это напоминает о том, что излишне жёсткая иерархия может стать уязвимостью, и сбалансированная архитек-

тура всегда содержит элементы горизонтального взаимодействия,

не разрушая при этом общего принципа соподчинённости уров-

ней.

Третье фундаментальное свойство - эмерджентность - является,

пожалуй, самым ярким проявлением системного подхода. Под эмерджентностью понимают появление у целостной структуры качественно новых свойств, которые не присущи ни одному из её

элементов по отдельности и не могут быть предсказаны на основе анализа только их индивидуальных характеристик без учёта их взаимодействия. Именно эмерджентные свойства составляют са-

му суть летательного аппарата как системы, и ради них ведётся многолетняя дорогостоящая разработка. Способность ракеты-

носителя доставлять полезный груз на целевую орбиту - это клас-

сический эмерджентный результат. Ни один двигатель, даже са-

мый совершенный, не может сам по себе выйти в космос: необ-

ходима конструкция, удерживающая топливо и передающая тягу,

система управления, компенсирующая возмущения и разворачи-

вающая вектор тяги, аэродинамические обводы, минимизирую-

щие потери на атмосферном участке, и, наконец, программа вы-

ведения, синхронизирующая работу всех ступеней и отделение элементов. Масса полезного груза, выводимая на опорную орби-

ту, является итогом многофакторного компромисса, в котором стартовая масса, удельный импульс, конструктивное совершен-

ство отсеков, алгоритмы управления и даже сезонные вариации плотности атмосферы переплетаются нелинейным образом. Если модернизировать двигатель первой ступени, увеличив его тягу,

можно столкнуться с непредсказанным эффектом - возрастанием аэродинамических нагрузок на участке максимального скорост-

ного напора, что потребует утяжеления корпуса и, как следствие,

может даже снизить массу выводимого груза. Такого рода нели-

нейности и есть проявление эмерджентности на уровне проект-

ных параметров. В беспилотной авиации самолётного типа эмер-

джентным свойством является аэродинамическое качество, опре-

деляющее дальность и продолжительность полёта. Оно не скла-

дывается из профильного сопротивления крыла, фюзеляжа, ста-

билизатора и мотогондол, а зависит от их взаимного расположе-

ния, интерференции, характера обтекания на стыках - то есть от целостной формы, которую нельзя свести к простой сумме ча-

стей. Ещё более впечатляющие примеры дают роевые системы дронов. Одиночный квадрокоптер обладает ограниченной зоной обзора и вычислительными возможностями; однако объединение десятков аппаратов в летающую сеть с распределёнными алго-

ритмами коллективного управления порождает эмерджентное свойство - способность к автономному картографированию об-

ширной территории за короткое время, ретрансляции сигналов за горизонт или даже распределённому подавлению средств ПВО.

Эта способность не принадлежит ни одному отдельному дрону и не может быть реализована простым умножением их числа без соответствующей структуры связей и протоколов взаимодей-

ствия.

Важно подчеркнуть, что эмерджентность бывает не только бла-

гоприятной, но и разрушительной, и в ракетной технике это осо-

знаётся особенно остро. Аэроупругий флаттер - самовозбуждаю-

щиеся колебания крыла или оперения, возникающие при опреде-

лённом сочетании упругих, инерционных и аэродинамических сил - является эмерджентным явлением, которое способно раз-

рушить конструкцию за секунды. Ни прочностные испытания не-

подвижного крыла, ни продувки жёсткой модели в аэродинами-

ческой трубе не выявляют склонность к флаттеру; она обнаружи-

вается только при исследовании связанной системы «поток -

упругое тело - инерция». Известны случаи разрушения опытных ракет и самолётов именно по этой причине, пока не были разра-

ботаны методы частотных испытаний и математического моде-

лирования аэроупругости. Аналогичным образом, колебания жидкости в топливных баках с большой свободной поверхно-

стью, взаимодействуя с системой управления и упругостью кор-

пуса, могут породить продольную неустойчивость, известную как эффект «Pogo», наблюдавшуюся в ранних модификациях многих носителей. Эмерджентный характер этого эффекта проявился в том, что по отдельности ни гидродинамика баков, ни динамика конструкции, ни логика автопилота не указывали на опасность, и

лишь объединённая математическая модель позволила синтези-

ровать демпфирующие устройства и фильтры. В области про-

граммного обеспечения современных БПЛА эмерджентные сбои,

возникающие из-за гонок потоков, взаимоблокировок или пере-

полнения очередей сообщений при пиковых нагрузках, являются бичом сложных распределённых систем: каждый модуль авто-

номно проходит юнит-тестирование, а в интегрированной среде на определённых режимах возникает нештатное поведение, спо-

собное привести к потере управления.

Осознание трёх названных свойств структуры не является аб-

страктным философствованием, а имеет прямые методологиче-

ские следствия для процесса проектирования. Целостность тре-

бует создания единой информационной модели изделия, в кото-

рой геометрические, масс-инерционные, электрические и функ-

циональные параметры увязаны между собой и любое локальное изменение немедленно отражается в поведении целого. Именно поэтому в ведущих конструкторских бюро ракетно-космического профиля внедряют технологии модельно-ориентированной си-

стемной инженерии, опирающиеся на среды вроде Cameo Systems Modeler или Rhapsody, где структура изделия описывается на языке SysML и поддерживается сквозная прослеживаемость тре-

бований. Иерархичность диктует членение этой модели по уров-

ням, так чтобы можно было проводить анализ на каждом уровне с наследованием ограничений и суммированием вкладов, а также параллельно разрабатывать подсистемы. Важнейшим приёмом здесь становится каскадирование требований: целевые показате-

ли системы верхнего уровня - например, конечная скорость и вы-

сота в момент отделения космического аппарата - транслируются в требования к ступеням, двигателям, запасу топлива, точности навигации. На каждом уровне иерархии формируются свои тех-

нические задания, и потеря прослеживаемости на каком-либо ша-

ге может привести к тому, что система в целом не достигнет за-

данных характеристик, даже если все подсистемы формально удовлетворят своим частным спецификациям. Эмерджентность же заставляет с самого начала проекта планировать интеграцион-

ные исследования и имитационное моделирование. Уже на этапе аванпроекта конструктор обязан создать совместную динамиче-

скую модель, объединяющую аэродинамику, механику конструк-

ции, гидродинамику и контуры управления, и «пролететь» на ней критические режимы в поисках вредных эмерджентных эффек-