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

заряженных частиц космического излучения, представляют собой случайные события, для парирования которых применяются по-

мехоустойчивое кодирование и периодический перезапуск, что фактически вводит стохастическую избыточность в информаци-

онную структуру.

Значительная доля методологии проектирования сегодня связа-

на с искусством корректного перехода от стохастических описа-

ний к детерминированным эквивалентам, пригодным для инже-

нерных расчётов. Наихудший случай, или метод экстремальных значений, состоит в том, что все случайные параметры принима-

ются равными своим предельным отклонениям, и затем решается детерминированная задача. Такой подход гарантирует работоспо-

собность при любом разрешённом сочетании параметров, но за-

частую приводит к неоправданно консервативным, перетяжелён-

ным конструкциям. Более совершенный метод статистического моделирования с оценкой квантилей распределения выходных характеристик позволяет находить компромисс между надёжно-

стью и массой. Например, при проектировании теплозащиты спускаемого аппарата рассматривают не одну детерминирован-

ную траекторию входа в атмосферу, а целое семейство траекто-

рий, соответствующих рассеиванию угла входа, аэродинамиче-

ского качества и параметров атмосферы. Для каждой траектории вычисляется максимальная температура и тепловой поток, затем строится распределение этих величин, и толщина теплозащиты выбирается так, чтобы обеспечить непрогорание с вероятностью,

скажем, 0,999 при доверительном уровне 0,95. Это уже не детер-

минированный, а стохастический критерий.

Беспилотные аппараты, особенно малые и тактические, в силу массовости и относительно низкой стоимости допускают более высокий уровень приемлемого риска, что открывает дорогу ис-

пользованию стохастических алгоритмов управления и принятия решений. Стохастический градиентный спуск, фильтры частиц для навигации в условиях неопределённости, методы байесов-

ской оптимизации для поиска целей - все они предполагают, что структура обработки информации является стохастической,

включающей случайные перестановки, выборки и вероятностные переходы. Характерный пример - задача автономного поиска и распознавания цели группой дронов в городской застройке. Де-

терминированный план облёта всех улиц по очереди неэффекти-

вен из-за противодействия и ограничений по энергии. Вместо не-

го применяют вероятностные алгоритмы, основанные на моделях частично наблюдаемых марковских процессов принятия реше-

ний, где каждый дрон в каждый момент времени случайным об-

разом выбирает, продолжать ли поиск в текущем районе или пе-

реместиться в другой, руководствуясь текущей вероятностной картой присутствия цели. Структура такой системы принципи-

ально стохастична на уровне принятия решений, хотя и опирается на детерминированные законы динамики полёта.

В ракетостроении стохастические структуры приобретают осо-

бую роль в связи с концепцией многоразовости. Возвращаемая ступень, совершающая посадку на площадку ограниченных раз-

меров, должна компенсировать случайные возмущения - ветро-

вые сдвиги, отклонения тяги посадочных двигателей, ошибки навигационных измерений. Детерминированная программа управления не способна парировать весь спектр возможных ситу-

аций, поэтому применяется оптимальное стохастическое управ-

ление, в частности, методы стохастического динамического про-

граммирования или модельно-прогнозирующего управления с явным учётом неопределённости. На практике, однако, из-за вы-

соких требований к быстродействию часто используют упрощён-

ные детерминированные алгоритмы с гарантированными запаса-

ми устойчивости, а стохастический анализ применяют на этапе верификации, чтобы убедиться, что совокупность детерминиро-

ванных законов управления с заданной вероятностью обеспечи-

вает мягкую посадку в пределах круга заданного радиуса.

Следует отметить и философский аспект дихотомии. Детерми-

нированная структура есть продукт конструирования, намеренно создаваемый порядок, подчинённый замыслу разработчика. Сто-

хастическая структура, напротив, во многом отражает объектив-

ную реальность, неполноту нашего знания и ограниченность кон-

троля над средой. Инженер-ракетчик постоянно балансирует между стремлением к полной определённости и признанием слу-

чайности как неустранимого фактора. Чрезмерный детерминизм ведёт к иллюзии точности, когда конструкция оптимизируется под конкретные, никогда не реализующиеся в точности значения параметров, и оказывается хрупкой, неспособной выдержать не-

учтённые возмущения. Чрезмерный стохастицизм, напротив, па-

рализует волю к точному расчёту и может привести к размыва-

нию ответственности, когда любой отказ списывается на случай-

ность, вместо того чтобы искать его детерминированную причи-

ну. Поэтому зрелая системная инженерия вырабатывает сбалан-

сированный подход: максимально возможную часть системы стремятся сделать детерминированной и воспроизводимой, а для оставшейся неопределённости вводят вероятностные модели,

назначая допустимые уровни риска и подтверждая их экспери-

ментально.

В современных программах создания ракет-носителей и беспи-

лотных комплексов применяется принцип разделения ответ-

ственности: детерминированные требования предъявляются к тем подсистемам, отказ которых катастрофичен и не может быть па-

рирован - например, к целостности несущей конструкции, к от-

сутствию недопустимых автоколебаний, к гарантированному за-

пасу топлива на выполнение манёвра. Стохастические критерии используются там, где резервирование и адаптация позволяют парировать случайные отказы - в системах с многократным ре-

зервированием, в каналах связи, в алгоритмах обработки изобра-

жений. Например, требования к вероятности потери космическо-

го аппарата из-за отказа системы управления движением могут быть сформулированы как «не более 0,001 за время активного существования», что уже является чисто стохастическим показа-

телем. При этом детерминированные методы анализа использу-

ются для доказательства того, что конструкция выдерживает пре-

дельные нагрузки, а стохастические - для оценки частоты воз-

никновения этих нагрузок.

Технологии цифрового моделирования позволяют всё глубже интегрировать детерминированные и стохастические аспекты в едином расчётном цикле. В рамках одной мультифизической мо-

дели ракеты можно одновременно рассчитывать детерминиро-

ванную эволюцию средних параметров траектории и наложенное на неё случайное поле возмущений, получая на выходе не одну кривую, а «трубку» траекторий. Полигоны для испытаний БПЛА оснащаются системами имитации ветра и помех, способными воспроизводить заданные стохастические характеристики, что позволяет в контролируемых условиях проверить поведение сто-

хастических алгоритмов. Возрастание вычислительных мощно-

стей сделало возможным применение методов распространённого непараметрического оценивания плотности вероятности, бу-

стреп-анализа и байесовских сетей для оценки надёжности слож-

ных структур на ранних этапах проектирования, когда статисти-

ческих данных ещё крайне мало и приходится полагаться на экс-

пертные оценки.

Таким образом, категории детерминированного и стохастиче-

ского применительно к структурам ракетно-космической и бес-

пилотной техники не являются взаимоисключающими, а образу-

ют диалектическое единство, в котором детерминизм обеспечи-

вает порядок, расчётливость и воспроизводимость, а стохастич-

ность - адаптивность, живучесть и реалистичность. Современный инженер-системотехник обязан владеть обоими подходами и чёт-

ко понимать, где заканчивается область применимости жёстких номинальных моделей и начинается территория случайных про-

цессов, вариаций и вероятностных рисков. По мере того как ра-

кетная техника движется к полной многоразовости и автономно-

сти, а беспилотные системы - к сложным сценариям группового применения, стохастические структуры будут играть всё более заметную роль, требуя развития вероятностных методов синтеза и анализа. В то же время ядро любой системы, от которого зави-

сит жизнь экипажа или сохранность уникального оборудования,

ещё долго будет оставаться бастионом детерминизма, где каждая гайка рассчитывается на конкретную нагрузку и проверяется конкретным экспериментом. Умение провести границу между этими двумя мирами и наладить их эффективное взаимодействие составляет одну из ключевых профессиональных компетенций в ракетостроении и проектировании беспилотных летательных ап-

паратов сегодняшнего и завтрашнего дня.

Глава 2. Виды структур в природе, технике и обществе

2.1. Линейные и последовательные структуры

Линейные и последовательные структуры занимают особое ме-

сто в арсенале проектировщика ракетно-космической техники и беспилотных летательных аппаратов, выступая одновременно и простейшим, и фундаментально значимым способом организации элементов. Под линейной структурой в наиболее общем смысле понимается такая конфигурация связей, при которой каждый элемент, за исключением крайних, имеет ровно одного предше-

ственника и ровно одного последователя, образуя неразветвлён-

ную цепь. Если такую цепь ориентировать по направлению пере-

дачи вещества, энергии или информации, мы получаем последо-

вательную структуру, часто именуемую конвейером, где выход предыдущего звена служит входом для последующего, а резуль-

тат всей цепочки критически зависит от безотказной работы каж-

дого из составляющих. В ракетостроении и беспилотной авиации линейные и последовательные схемы пронизывают все уровни -

от компоновки носителя и архитектуры бортовой электроники до циклограммы полёта и организации производственных процес-

сов, и их кажущаяся тривиальность обманчива, поскольку за ней стоит необходимость глубокого анализа надёжности, накопления ошибок и пределов живучести.

Наиболее наглядным воплощением линейной структуры в ра-

кетной технике служит тандемная компоновочная схема, при ко-

торой ступени располагаются одна за другой вдоль продольной

оси, а двигательные установки включаются последовательно. Ра-

кета-носитель «Восток», выведшая на орбиту первый пилотируе-

мый корабль, представляла собой классическую линейную цепь из трёх ступеней: центральный блок второй ступени устанавли-

вался на первую, а третья - на вторую, и разделение происходило по мере исчерпания топлива, передавая эстафету следующей сту-

пени. Подобная архитектура характерна для подавляющего большинства современных носителей - Atlas V, Delta IV, H-IIA и

многих других. Каждая ступень в такой цепи функционально специализирована: первая обеспечивает отрыв от стартового сто-

ла и набор основной скорости на атмосферном участке, вторая продолжает разгон в разреженных слоях, третья или разгонный блок довыводят полезную нагрузку на целевую орбиту. Связи между ступенями реализуются через переходные отсеки и фер-

мы, которые в момент разделения разрушаются пиросредствами,

разрывая цепь строго в заданном месте. Простота линейной схе-

мы обманчива: отказ любой из ступеней на любом участке траек-

тории - будь то незапуск двигателя, разрушение турбонасосного агрегата или нештатное разделение - неминуемо ведёт к потере всей миссии, поскольку резервного пути для продолжения полёта не предусмотрено. Это свойство линейных структур, называемое в теории надёжности отсутствием функциональной избыточно-

сти, вынуждает предъявлять исключительно высокие требования к безотказности каждого звена цепи, закладывая многократные запасы прочности, дублирование критических элементов внутри ступеней и тщательную наземную отработку.

Внутри каждой ступени также доминируют линейные и после-

довательные структуры, но уже на агрегатном уровне. Пневмо-

гидравлическая схема двигательной установки представляет со-

бой разветвлённую, но логически последовательную цепь: топ-

ливные баки соединяются трубопроводами с бустерными насоса-

ми, те подают компоненты в турбонасосный агрегат, откуда по-

сле сжатия они поступают в охлаждающий тракт камеры сгора-

ния и далее в форсуночную головку. Давление и расход в каждой точке этой цепи являются следствием работы предыдущих эле-

ментов, и любое нарушение - кавитация в насосе, засорение фильтра, прогар стенки - приводит к прекращению подачи топли-

ва и аварийному выключению двигателя. Для повышения живу-

чести в такую линейную цепь встраивают обратные связи - регу-

ляторы расхода, датчики давления, контуры аварийной защиты, -

однако базовая топология подачи остаётся последовательной.

Аналогичным образом, электрическая цепь питания рулевых приводов строится как последовательное соединение источника тока, преобразователя, коммутационной аппаратуры и исполни-

тельного двигателя, и обрыв единственного провода способен обездвижить весь канал управления. Осознание этой уязвимости привело к появлению кольцевых и перекрёстных схем резервиро-

вания, где линейная структура дополняется обходными путями,

но при этом усложняется алгоритм контроля и возрастает масса кабельной сети.

В беспилотных летательных аппаратах линейные структуры проявляются прежде всего в архитектуре системы управления.

Классический автопилот малого дрона реализует конвейер обра-

ботки информации: инерциальные датчики измеряют угловые скорости и ускорения, их аналоговые сигналы оцифровываются,

затем поступают в алгоритм фильтрации Калмана, который оце-

нивает текущую ориентацию, после чего пропорционально-

интегрально-дифференцирующий регулятор вычисляет управля-

ющие команды, и они преобразуются в широтно-импульсные сигналы для моторов или сервоприводов. Эта цепочка функцио-

нирует с фиксированным тактом в несколько миллисекунд, и за-

держка или сбой на любом из этапов - переполнение буфера, рас-

синхронизация потоков, зависание микроконтроллера - немед-

ленно приводит к потере устойчивости и падению аппарата. По-

этому в бортовом программном обеспечении применяют сторо-

жевые таймеры, принудительно перезапускающие процессор при нарушении временных интервалов, а саму линейную последова-

тельность обработки часто распараллеливают, чтобы ценой усложнения структуры снизить риск полного отказа. Однако на этапе макетирования и испытаний последовательная конвейерная архитектура незаменима именно благодаря своей прозрачности:

инженер может с осциллографом или логическим анализатором пройти шаг за шагом по всей цепочке, фиксируя сигналы на вхо-

де и выходе каждого блока, и быстро локализовать неисправ-

ность.

Особым случаем линейной структуры в БПЛА является компо-

новка планера с последовательным расположением функцио-

нальных отсеков. Носовой отсек несёт полезную нагрузку - каме-