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

тов. Современные цифровые платформы допускают ко-

симуляцию, когда модель системы управления, реализованная в

Simulink, обменивается данными в реальном времени с моделью динамики полёта, написанной на C++, и с конечно-элементной моделью упругих колебаний в NASTRAN. Такая технология поз-

воляет поймать тот же «Pogo» на экране монитора задолго до стендовых испытаний и существенно сократить объём дорого-

стоящих натурных экспериментов. Для роев дронов эмерджент-

ное поведение становится предметом отдельного исследования -

требуется формально верифицировать, что коллективный алго-

ритм не приводит к столкновениям или неконтролируемому рою при любых допустимых задержках связи и отказах узлов. Здесь на помощь приходят методы мультиагентного моделирования и формальной верификации.

Следует подчеркнуть, что целостность, иерархичность и эмер-

джентность не являются независимыми атрибутами; они глубоко взаимосвязаны и взаимообусловлены. Иерархическая организа-

ция является средством обеспечения целостности в условиях ко-

лоссального числа компонентов - она ограничивает разнообразие взаимодействий на каждом уровне, не позволяя хаосу разрушить единство системы. В то же время эмерджентность есть прямое следствие целостности: именно потому, что элементы объедине-

ны в целое с интенсивными связями, в системе и возникают но-

вые качества. Иерархия, в свою очередь, порождает эмерджент-

ность на каждом уровне: ступень ракеты обладает свойствами,

отсутствующими у двигателя и баков порознь, а вся ракета -

свойствами, не выводимыми из свойств отдельных ступеней.

Проектировщик, работающий над обликом перспективного носи-

теля или БПЛА, должен свободно переключаться между этими перспективами, видя одновременно иерархическое дерево разби-

ения работ, сетевой граф межэлементных связей, обеспечиваю-

щих целостность, и прогнозируя ожидаемые эмерджентные свой-

ства. Ошибкой было бы абсолютизировать одно из свойств в ущерб другим: чрезмерное увлечение иерархическим дроблением может привести к «перегородчатости», когда подсистемы стано-

вятся излишне автономными и утрачивается системная целост-

ность (типичный пример - запаздывание интеграции электриче-

ских и механических подсистем, когда кабельная сеть не умеща-

ется в отведённые объёмы); чрезмерное внимание к целостности без иерархической дисциплины влечёт рост сложности до не-

подъёмного уровня и делает систему непрозрачной; наконец, иг-

норирование потенциально опасных эмерджентных эффектов может свести на нет все конструктивные достоинства, как пока-

зывает история ракетостроения с его неожиданными резонансами и колебательными модами.

Методологический фундамент, образуемый триадой «целост-

ность - иерархичность - эмерджентность», позволяет сформули-

ровать ряд прикладных принципов, которыми руководствуются системные архитекторы в аэрокосмической отрасли. Первый принцип состоит в том, что структура должна проектироваться раньше элементов: сначала определяется архитектура миссии,

функциональная схема и топология основных материальных и

информационных потоков, затем выбираются узлы, удовлетво-

ряющие заданным интерфейсам. Второй принцип - сквозная про-

слеживаемость требований, гарантирующая, что любое требова-

ние к целостной системе отражено хотя бы на одном уровне иерархии и верифицируется на всех этапах интеграции. Третий принцип - непрерывное имитационное моделирование эмер-

джентного поведения на виртуальных прототипах, начиная с ранних стадий и вплоть до лётных испытаний. Четвёртый прин-

цип - управление интерфейсами как главным средством поддер-

жания целостности при иерархическом разделении труда; в этом контексте интерфейсный контрольный документ становится не формальной бумагой, а носителем структурных свойств системы.

Пятый принцип - проектирование с учётом деградации: в случае отказов структура должна сохранять ограниченную целостность и безопасность за счёт иерархических механизмов изоляции и ре-

конфигурации (например, парирование отказа бокового блока первой ступени «Союза» аварийным выключением противопо-

ложного блока и продолжением полёта центрального, или авто-

матический возврат БПЛА в точку старта при потере связи).

Следует подчеркнуть, что свойства структур - целостность,

иерархичность, эмерджентность - это не просто теоретические построения, а отражение реальных закономерностей, с которыми инженеры сталкиваются при создании ракет-носителей, космиче-

ских аппаратов и беспилотных авиационных комплексов. Глубо-

кое понимание природы этих свойств даёт конструктору не гото-

вые рецепты, но мощный интеллектуальный каркас, в котором

находится место и строгим формальным методам, и эвристиче-

скому опыту, и интуиции. Эволюция аэрокосмической техники наглядно демонстрирует, как по мере роста тактико-технических требований изменяются представления об оптимальной структу-

ре: одноразовые носители уступают место частично многоразо-

вым, централизованные пилотируемые системы дополняются беспилотными ведомыми, монолитные конструкции заменяются модульными, а одиночные дроны трансформируются в рои. В

каждой из этих трансформаций именно пересмотр архитектуры -

то есть структуры - с учётом целостности, иерархичности и эмер-

джентности позволяет выйти на новый уровень возможностей,

преодолевая тупики, порождённые аддитивным мышлением. По-

этому в программах подготовки системных инженеров для ракет-

но-космической и беспилотной индустрии рассмотренные кате-

гории должны занять центральное место, формируя у будущих разработчиков способность видеть за чертежами и спецификаци-

ями живой, динамически развивающийся организм, чьё поведе-

ние не исчерпывается перечнем деталей, а рождается в сложной сети взаимодействий, оформленной в иерархическую структуру и проявляющейся в эмерджентных свойствах, которые и составля-

ют конечную ценность создаваемого образца.

1.3. Принципы классификации структур

Проектирование современных ракет-носителей и беспилотных летательных аппаратов опирается на фундаментальное представ-

ление об объекте как о совокупности взаимосвязанных элемен-

тов, образующих целостную структуру. Структура, понимаемая как инвариантный аспект системы, фиксирующий состав элемен-

тов и устойчивые связи между ними, во многом предопределяет облик, поведение и живучесть технического изделия. Ввиду чрез-

вычайного многообразия возможных архитектурных решений -

от монолитных ракетных блоков до распределённых роёв дронов

- в инженерной практике сформировался ряд принципов класси-

фикации структур, позволяющих систематизировать накоплен-

ный опыт, проводить сравнительный анализ альтернатив и обос-

нованно выбирать архитектуру на ранних стадиях проектирова-

ния. Эти принципы не являются жёсткой таксономией, а скорее выступают инструментарием системного инженера, обеспечива-

ющим многомерную оценку любого структурного решения по наиболее существенным для аэрокосмической отрасли основани-

ям.

Первым и наиболее наглядным основанием классификации вы-

ступает топология связей между элементами. В ракетной технике этот признак проявляется прежде всего в компоновочных схемах носителей. Тандемная схема, в которой ступени располагаются последовательно друг за другом, характеризуется линейной структурой и реализована, например, в ракетах семейства «Про-

тон», Delta IV и Falcon 9. Пакетная схема, где вокруг центрально-

го блока группируются боковые ускорители, образует древовид-

ную или звездообразную структуру с параллельными ветвями;

классический образец - ракета-носитель «Союз» с её коническим расположением боковых блоков. Смешанные схемы, сочетающие тандемное соединение ступеней с параллельной работой ускори-

телей (например, «Энергия» - «Буран» или Ariane 5), демонстри-

руют гибридную топологию. Для беспилотных летательных ап-

паратов топологический подход выражается в аэродинамических схемах: классическая самолётная с фюзеляжем и хвостовым опе-

рением, схема «утка», «летающее крыло» (как у разведыватель-

ного БПЛА RQ-170 Sentinel) или соосная вертолётная схема.

Каждая из них задаёт определённое размещение несущих по-

верхностей, рулей и двигательной установки относительно цен-

тра масс, формируя ту или иную структурную топологию, кото-

рая непосредственно влияет на устойчивость и управляемость.

Второй принцип классификации, тесно связанный с топологи-

ей, но имеющий самостоятельное значение, состоит в характере иерархического членения системы. В ракетостроении принято выделять одноуровневые и многоуровневые иерархии. Одно-

уровневое членение характерно для относительно простых си-

стем, где ракета представлена как набор агрегатов, напрямую подчинённых центральной системе управления. Многоуровневая иерархия - это уже норма для современных носителей: верхний уровень составляет ракетный комплекс в целом, следующий -

ступени, далее - двигательные установки, бортовые системы, и

так вплоть до отдельных сборочных единиц и деталей. Класси-

фикация структур по глубине иерархии позволяет оценить слож-

ность управления интерфейсами: чем выше степень иерархиче-

ской декомпозиции, тем более развитыми должны быть протоко-

лы межуровневого взаимодействия и тем жёстче требования к прослеживаемости конструктивных параметров. У беспилотных летательных аппаратов аналогичный принцип проявляется, в

частности, в архитектуре бортового радиоэлектронного оборудо-

вания: централизованная архитектура с единственным мощным вычислителем, выполняющим все задачи, противопоставляется федеративной архитектуре с раздельными блоками, взаимодей-

ствующими по мультиплексным каналам, и более современной интегрированной модульной авионике, где несколько унифици-

рованных вычислительных модулей динамически разделяют ре-

сурсы. Классификация по степени централизации, таким образом,

выделяет централизованные, децентрализованные и распреде-

лённые структуры, каждая из которых имеет свои преимущества по массе, надёжности и гибкости.

Существенным классификационным признаком, особенно важ-

ным для прочностного анализа и технологии производства, явля-

ется способ соединения элементов и связанное с ним различение монолитных, сборных и модульных структур. Монолитные кон-

струкции - например, цельнофрезерованные вафельные оболочки топливных баков - обеспечивают минимальную массу при задан-

ной прочности, но сложны в изготовлении и практически нере-

монтопригодны. Сборные конструкции, состоящие из листов об-

шивки, стрингеров и шпангоутов, скреплённых заклёпками или сваркой, доминировали в ракетном самолётостроении на протя-

жении десятилетий. Модульные структуры, где ракета компону-

ется из ограниченного набора универсальных блоков, представ-

ляют собой воплощение принципа унификации и нашли вопло-

щение в российском проекте «Ангара» с универсальными ракет-

ными модулями УРМ-1 и УРМ-2, а также в зарубежных концеп-

циях типа многоразовой системы Vulcan с заменяемыми двига-

тельными секциями. Модульность позволяет варьировать грузо-

подъёмность, сокращать стоимость разработки и производства, а

также упрощает модернизацию. В беспилотной авиации модуль-

ные структуры становятся преобладающими: планер, двигатель-

ная установка, автопилот, полезная нагрузка и аккумуляторный отсек проектируются как функционально и конструктивно обособленные модули с чёткими интерфейсами, что даёт воз-

можность собирать целевой аппарат из готовых компонентов под конкретную миссию. Классификация по модульности напрямую связана с экономическими и эксплуатационными характеристи-

ками.

Динамический аспект бытия структуры даёт ещё одно основа-

ние для классификации, разделяя структуры на статические и ди-

намические, а также на реконфигурируемые. Статической назы-

вают структуру, состав и связи элементов которой остаются неизменными на рассматриваемом интервале времени - таковы,

например, силовой набор корпуса ракеты или геометрическая схема БПЛА с жёстко закреплённым крылом. Динамическая

структура предполагает изменение состава или связей в процессе функционирования. Наиболее яркий пример - ракетная ступень,

которая в ходе полёта последовательно отделяется, меняя тем са-

мым структурную конфигурацию носителя. Другой пример - бес-

пилотный аппарат с механизацией крыла, где закрылки и пред-

крылки изменяют аэродинамическую структуру несущей поверх-

ности в зависимости от режима полёта. Особый интерес пред-

ставляют реконфигурируемые структуры роёв и групп дронов:

здесь топология информационных связей между аппаратами мо-

жет динамически перестраиваться при выходе из строя отдель-

ных единиц, при изменении задачи или при противодействии противника. Способность к реконфигурации - классифицирую-

щий признак, позволяющий разделить «жёсткие» и «гибкие» ар-

хитектуры, причём последние всё чаще становятся обязательным требованием в перспективных разработках. Именно по этому признаку выделяют также резервированные структуры, где связи переключаются между основными и резервными элементами.

Нельзя обойти вниманием функциональный принцип класси-

фикации, в соответствии с которым структуры подразделяются по своей роли в обеспечении миссии. В ракетостроении различа-

ют несущие конструкции (корпус, баки, ферменные переходни-

ки), двигательные структуры (камера сгорания, сопловой блок,

системы подачи), структуры энергоснабжения, информационно-

управляющие структуры. Каждая из них обладает собственной внутренней иерархией и подчиняется специфическим проектным нормам. Так, несущая конструкция оптимизируется по массе и

жёсткости при ограничениях прочности, информационная - по пропускной способности и помехоустойчивости. Для беспилот-

ных аппаратов аналогично выделяют планер, силовую установку,

пилотажно-навигационную систему, комплекс полезной нагрузки и линию связи, причём структура линии связи может включать как прямой канал «борт - наземный пункт», так и ретрансляцион-

ные узлы с использованием спутников или промежуточных дро-

нов. Функциональная классификация особенно полезна при рас-

пределении зон ответственности между подразделениями разра-

ботчиков и при формировании матриц интерфейсов.

Принцип классификации по типу используемых связей позво-

ляет различать механические, гидравлические, пневматические,

электрические и информационные структуры, что особенно акту-

ально для ракетных двигателей, где все эти типы связей перепле-

тены в единый комплекс. Механические связи обеспечивают пе-

редачу сил и моментов; гидравлические и пневматические -

транспорт рабочих тел; электрические - питание и сигналы управления; информационные - обмен данными. Каждый тип связи имеет свои физические ограничения и требует специфиче-

ских методов анализа и надёжностного резервирования. В совре-

менных БПЛА всё более заметен тренд к замене механических связей (тяги, тросы) электрическими дистанционными системами управления, что превращает традиционную механическую струк-

туру в электро-информационную и существенно меняет подходы к резервированию и диагностике.