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

ру, радиолокационную станцию или ретранслятор; за ним следу-

ет отсек авионики с автопилотом и приёмниками спутниковой навигации; далее размещается топливный бак или аккумулятор-

ная батарея; в хвостовой части установлен двигатель с толкаю-

щим или тянущим винтом. Подобная линейная компоновка упрощает центровку, поскольку масса распределена вдоль про-

дольной оси, и уменьшает количество межотсековых интерфей-

сов, что особенно ценно для дешёвых тактических дронов. Одна-

ко боевой опыт эксплуатации разведывательных БПЛА показал,

что осколок зенитного снаряда, попавший в такую линейную це-

почку, с высокой вероятностью перебивает критическую связь -

например, жгут проводов между автопилотом и приводами хво-

стового оперения, - и аппарат становится неуправляемым, даже если крыло и двигатель остались целы. В ответ на эту уязвимость в ударных и разведывательно-ударных беспилотниках, таких как

MQ-9 Reaper, переходят к распределённой структуре с дублиро-

ванием каналов управления и рассредоточением критического оборудования по разным частям планёра, что размывает чистую линейность, но повышает боевую живучесть.

Временные последовательные структуры - циклограммы -

являются неотъемлемой частью функционирования как ракет, так и беспилотных комплексов. Полёт ракеты-носителя делится на строго определённые временные интервалы, следующие один за другим: предстартовая подготовка, запуск двигателей первой ступени, набор тяги, отрыв от пускового стола, вертикальный подъём, разворот по тангажу, прохождение зоны максимального

скоростного напора, выключение двигателей первой ступени,

разделение, запуск двигателей второй ступени и так далее. Каж-

дое событие инициируется либо по времени, либо по достижении заданных параметров - скорости, высоты, угла тангажа, - и вся последовательность жёстко детерминирована. Сбой хотя бы в од-

ном звене - например, невыдача команды на отделение створок головного обтекателя - приводит к нерасчётному перетяжелению головной части и недобору скорости, то есть к невыполнению миссии. В беспилотных авиационных комплексах аналогичную роль играют автоматы состояний полёта: взлёт, набор высоты,

выход в точку маршрута, выполнение задания, возврат, посадка.

Каждый режим активируется при выполнении определённых условий, и переходы между ними образуют линейную цепь, ко-

торая может усложняться ветвлениями для нештатных ситуаций,

но в номинальном варианте остаётся строго последовательной.

Проектирование таких циклограмм представляет собой классиче-

скую задачу сетевого планирования, где работы выстраиваются в линейный график с критическим путём, и любая задержка на критическом пути напрямую сдвигает время завершения всей миссии.

В производственной и эксплуатационной сферах линейные структуры реализуются в виде поточных линий и конвейеров сборки. Завод, выпускающий твёрдотопливные ракетные двига-

тели для зенитных комплексов, организует процесс как цепочку последовательных операций: приготовление топливной смеси,

заливка в корпус, полимеризация, контроль монолитности, уста-

новка соплового блока, снаряжение воспламенителем. Каждая операция имеет строго регламентированные длительность и условия, и нарушение последовательности или пропуск этапа грозит браком, который может проявиться взрывом при боевом применении. В производстве малых беспилотников всё шире применяются роботизированные конвейеры, где на последова-

тельно расположенных станциях выполняются лазерная резка нервюр, склейка обшивки, монтаж электропроводки и установка автопилота. Такая линейная организация производства миними-

зирует перемещение деталей и обеспечивает высокий темп сбор-

ки, но одновременно делает весь процесс уязвимым к выходу из строя единственной станции, из-за чего на ответственных участ-

ках предусматривают параллельные дублирующие линии, что,

однако, повышает стоимость.

Достоинства линейных и последовательных структур в ракет-

но-беспилотной технике столь же очевидны, сколь и их ограни-

чения. К достоинствам относятся: минимальный объём связей,

что упрощает конструкцию, снижает массу кабелей, трубопрово-

дов и стыковочных узлов; наглядность и лёгкость анализа - пове-

дение цепочки можно рассчитать аналитически или промодели-

ровать с небольшими вычислительными затратами; простота диа-

гностики, ибо отказ локализуется последовательным перебором звеньев. Именно поэтому линейные схемы доминируют в тех подсистемах, где масса и стоимость являются критическими па-

раметрами, а допустимый риск одиночного отказа приемлем. К

недостаткам же относится низкая живучесть: при отсутствии об-

ходных путей разрушение любого звена разрывает всю цепь. В

терминах теории графов линейная структура обладает минималь-

ной связностью - удаление одного ребра или вершины делает граф несвязным. Второй существенный недостаток - эффект накопления ошибок. В последовательном конвейере обработки данных погрешность каждого этапа - шум датчика, ошибка кван-

тования, задержка вычисления — добавляется к результату предыдущего, и на выходе дисперсия результирующей ошибки равна сумме дисперсий, что в конечном счёте может сделать сиг-

нал непригодным для точного управления.

Для смягчения этих недостатков в аэрокосмических системах применяют целый арсенал методов, фактически трансформиру-

ющих чистую линейную структуру в более сложные формы при сохранении её логической основы. Простейший приём - резерви-

рование наиболее ответственных звеньев с мажоритарным голо-

сованием, когда линейная цепь в сечении заменяется параллель-

ным соединением нескольких идентичных элементов, но логиче-

ски продолжает восприниматься как одно звено. Например, в си-

стеме управления ракеты три канала тангажа работают парал-

лельно, и их выходы обрабатываются по правилу «два из трёх»,

так что одиночный отказ не прерывает цепь. Другой метод - вве-

дение обратных связей, превращающих разомкнутую цепь в за-

мкнутый контур с корректирующими элементами. В конвейере навигационного алгоритма БПЛА это реализуется через обрат-

ную связь фильтра Калмана, который сличает предсказания с из-

мерениями и подавляет накопление ошибок. Третий способ - мо-

дульность с горячей заменой, когда звено конвейера может быть заменено резервным без прерывания общего процесса, что ис-

пользуется, в частности, в бортовых вычислительных кластерах перспективных космических аппаратов.

Следует отметить, что линейные структуры в ракетостроении часто не существуют изолированно, а являются составляющими более сложных архитектур. Пакетная схема ракеты-носителя

«Союз» представляет собой совокупность линейных цепей - бо-

ковых блоков первой ступени, каждый из которых является само-

стоятельной ракетой с двигателем, баками и системой управле-

ния, - объединённых параллельной работой на центральный блок.

Каждый боковой блок в отдельности спроектирован как линейная структура, но весь пакет в целом приобретает свойства парал-

лельной системы с возможностью аварийного выключения одно-

го блока без немедленной потери носителя. Аналогично, в рое беспилотных аппаратов отдельный дрон построен по линейной логике «датчики - управление - двигатели», но группа в целом функционирует как сеть, способная к реконфигурации и перерас-

пределению задач. Таким образом, линейная структура служит элементарным строительным блоком, из которых, как из кирпи-

чей, складываются многомерные архитектуры, и именно на этом уровне должны быть решены базовые проблемы надёжности и точности.

Отдельного рассмотрения заслуживают последовательные структуры в информационной сфере. Бортовое программное обеспечение современных ракет и БПЛА всё чаще организуется в

виде конвейера микросервисов, работающих на многоядерных процессорах. Поток видеоданных с камеры беспилотника прохо-

дит последовательные стадии: захват кадра, предобработка для подавления шумов, детектирование объектов нейронной сетью,

трекинг целей, классификация и выдача целеуказания в систему вооружения. Каждая стадия может выполняться на отдельном яд-

ре или даже на отдельном аппаратном ускорителе, и между ними организована асинхронная очередь сообщений. Сбой в одном звене конвейера - например, переполнение очереди из-за времен-

ного снижения производительности - способен лавинообразно за-

тормозить всё приложение, если не предусмотрены механизмы сброса устаревших кадров или деградации качества. Это класси-

ческая проблема последовательных структур, хорошо знакомая разработчикам операционных систем реального времени. При проектировании таких конвейеров для аэрокосмических приме-

нений необходимо строго гарантировать время выполнения каж-

дого этапа, для чего применяют методы статического анализа времени наихудшего исполнения, а сами алгоритмы стремятся делать детерминированными, избегая динамического выделения памяти и рекурсии.

Исторически ракетостроение развивалось от простых линейных схем к более сложным по мере роста требований к массе выво-

димого груза и надёжности. Первые жидкостные ракеты, такие как Фау-2, были одноступенчатыми и имели предельно простую линейную компоновку. Идея многоступенчатости, предложенная К. Э. Циолковским и реализованная С. П. Королёвым, по сути,

представляет собой воплощение последовательной структуры, в

которой каждая ступень решает свою часть задачи, а общий ре-

зультат достигается поэтапно. Сегодня, с появлением многоразо-

вых систем, концепция линейной цепи получила новое развитие в сценариях возврата ступеней, где последовательность операций -

вход в атмосферу, аэродинамическое торможение, запуск поса-

дочных двигателей, выпуск опор, касание - также строго линейна и не терпит отклонений. В беспилотной авиации эволюция шла от радиоуправляемых моделей с прямой цепью «приёмник - сер-

вопривод» к интеллектуальным комплексам с элементами искус-

ственного интеллекта, но и в последних конвейерная обработка сигналов остаётся несущей конструкцией, на которую нанизыва-

ются дополнительные петли обратных связей и ветвления логики.

Завершая обзор, необходимо подчеркнуть, что линейные и по-

следовательные структуры - это не архаизм, вытесняемый более сложными формами, а незаменимый инструмент в тех ситуациях,

где приоритетны простота, предсказуемость и минимальная мас-

са. Инженер-системотехник, проектирующий ракету или беспи-

лотный летательный аппарат, всегда начинает с линейной функ-

циональной схемы, на которой все основные потоки энергии и информации изображаются последовательными цепочками, и

лишь затем, оценив узкие места по надёжности и точности, вво-

дит резервирование, обратные связи и перекрёстные соединения.

Такой подход позволяет сохранить контроль над проектом, не утонув в сложности на ранних стадиях. Более того, глубокое по-

нимание свойств линейных структур - их достоинств, недостат-

ков и методов компенсации последних - является тем фундамен-

том, на котором строится вся последующая работа по архитек-

турному синтезу, и именно поэтому в курсах системной инжене-

рии для аэрокосмической отрасли тема цепей и конвейеров про-

рабатывается с особым тщанием, сопровождаясь разбором мно-

гочисленных примеров успешных и, что не менее важно, аварий-

ных миссий, когда хрупкость линейной связи становилась фа-

тальной.

2.2. Иерархические (древовидные) структуры

Иерархические, или древовидные, структуры принадлежат к числу наиболее универсальных и глубоко укоренённых в инже-

нерном мышлении способов организации сложных систем. В ра-

кетостроении и проектировании беспилотных летательных аппа-

ратов они проявляются на всех уровнях - от компоновки носителя и архитектуры бортовых систем до организации процесса разра-

ботки и представления знаний о возможных отказах. Сущность иерархической структуры заключается в том, что элементы си-

стемы объединены отношением подчинённости, образуя уровни,

где каждый элемент вышележащего уровня интегрирует несколь-

ко элементов нижележащего, а те, в свою очередь, могут детали-

зироваться дальше. Формально такая конфигурация описывается связным ациклическим графом, в котором выделена единствен-

ная корневая вершина, а к любому узлу ведёт ровно один путь от корня. Применительно к техническим объектам это означает, что

всякая подсистема однозначно входит в состав одной и только одной надсистемы, а межуровневые связи строго регламентиро-

ваны. Именно это свойство делает иерархию незаменимым сред-

ством борьбы со сложностью, позволяя конструктору удерживать в поле зрения одновременно и общую архитектуру, и тонкие де-

тали реализации, переходя с уровня на уровень по мере необхо-

димости.

Ракета-носитель с момента своего рождения как инженерного объекта воплощает иерархический принцип. На верхнем уровне она предстаёт как совокупность ступеней, головного обтекателя и системы управления, причём каждая ступень является целостной подсистемой со своими двигательной установкой, топливными баками, корпусом и органами управления. Спускаясь на уровень ниже, двигательная установка первой ступени, например, расчле-

няется на камеру сгорания, турбонасосный агрегат, газогенера-

тор, агрегаты автоматики, трубопроводы и узлы качания. Турбо-

насосный агрегат, в свою очередь, состоит из корпуса, ротора с колёсами насосов окислителя и горючего, турбины с сопловым аппаратом, подшипниковых опор и уплотнений. Каждый из этих элементов также может быть разложен на детали, вплоть до от-

дельных лопаток, болтов и прокладок. Такая строгая иерархия отражена в конструкторской документации в виде дерева изде-

лия, где каждой сборочной единице присвоен уникальный шифр,

и любой конструкторский документ - чертёж, спецификация,

технические условия - привязан к конкретному узлу этого дерева.

На этапе производства и сборки именно иерархическая структура

определяет последовательность операций: сначала изготавлива-

ются детали, затем они объединяются в подузлы, те - в агрегаты,

и так до полностью собранной ракеты. Нарушение этого порядка,

например попытка установить двигатель на ступень до проведе-

ния автономных испытаний, чревато невыявляемыми дефектами,

которые проявятся на стенде или, что хуже, в полёте.

В беспилотных летательных аппаратах иерархическая органи-

зация не менее значима, причём здесь она охватывает не только конструкцию, но и программно-аппаратную часть. Планер дрона самолётной схемы на верхнем уровне состоит из фюзеляжа, кры-

ла, оперения и силовой установки. Крыло, в свою очередь, делит-

ся на центроплан и отъёмные консоли, каждая из которых содер-

жит лонжероны, нервюры и обшивку. Силовая установка элек-

трического беспилотника включает аккумуляторную батарею, ре-

гулятор оборотов, бесколлекторный двигатель и воздушный винт.

Но особенно выпукло иерархия проявляется в организации си-

стемы управления. На вершине находится полётный контроллер,

реализующий миссию в целом: он принимает команды с назем-

ного пункта или выполняет заложенную программу, рассчитыва-

ет траекторию и выдаёт целевые значения углов ориентации и скорости. Эти команды поступают на уровень автопилота, кото-

рый решает задачу стабилизации - сравнивает заданные парамет-

ры с текущими, измеряемыми инерциальными датчиками, и вы-

рабатывает управляющие сигналы. Далее следует уровень испол-

нительных устройств: регулятор оборотов двигателя преобразует команду в фазные токи, сервоприводы отклоняют рули. Каждый