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

уровень функционирует со своей частотой: верхний, стратегиче-

ский, может обновляться с тактом в десятки герц, средний стаби-

лизационный - с частотой в сотни герц, а нижний силовой - на частотах широтно-импульсной модуляции в килогерцы. Разделе-

ние на уровни, помимо очевидного удобства разработки и отлад-

ки, даёт возможность независимо модернизировать каждый слой:

можно заменить инерциальный измерительный блок на более точный, не меняя алгоритмы верхнего уровня, при условии со-

хранения интерфейса - формата и частоты выдачи данных.

Иерархический подход не ограничивается отдельным издели-

ем, но пронизывает и внешние по отношению к нему системы.

Ракетный комплекс включает в себя не только саму ракету, но и стартовое оборудование, заправочные средства, измерительные пункты, систему управления пуском, которые все вместе подчи-

нены единой логике выполнения пусковой задачи. Беспилотный авиационный комплекс состоит из нескольких дронов, наземной станции управления, каналов связи и средств технического об-

служивания, образуя иерархию с комплексом в целом на верхнем уровне. Применение роя дронов в боевых или разведывательных операциях добавляет ещё один уровень - уровень группы, на ко-

тором решаются задачи распределения целей, координации и взаимного резервирования. При этом иерархия может перестраи-

ваться динамически: в случае потери связи с наземным операто-

ром один из дронов временно принимает на себя роль ведущего,

и группа продолжает выполнение задания, изменив структуру подчинённости.

Одним из наиболее эффективных приложений древовидных структур в ракетно-космической технике является анализ надёж-

ности и безопасности с помощью деревьев отказов. На вершине такого дерева помещается нежелательное событие - например,

разрушение камеры сгорания двигателя или потеря устойчивости на атмосферном участке. Далее это событие связывается логиче-

скими операторами «И» и «ИЛИ» с событиями нижележащего уровня, которые могут к нему привести. Разрушение камеры мо-

жет произойти, если одновременно откажет система охлаждения И возникнет дефект материала, или если давление в камере пре-

высит допустимое. Превышение давления, в свою очередь, может быть вызвано отказом регулятора расхода ИЛИ засорением фор-

сунок. Продолжая декомпозицию, доходят до исходных элемен-

тарных событий - отказа конкретного клапана, датчика, разрыва трубопровода, - вероятности которых известны из статистики эксплуатации или экспертных оценок. Расчёт вероятности корне-

вого события по дереву отказов позволяет количественно оце-

нить риск и выявить наиболее критичные узлы, требующие ре-

зервирования или конструктивного улучшения. Аналогичным образом строятся деревья событий, где от начального возмуще-

ния прослеживаются возможные сценарии развития аварии, вет-

вящиеся в зависимости от срабатывания или несрабатывания за-

щитных систем. Для беспилотных аппаратов деревья отказов применяются при анализе причин потери управления или столк-

новения с землёй, позволяя выработать требования к дублирова-

нию каналов связи и автопилота.

Важно различать строгую и нестрогую иерархию. В строгой иерархии каждый элемент нижележащего уровня подчинён ровно одному элементу вышележащего, и горизонтальные связи между элементами одного уровня отсутствуют или строго ограничены.

Именно так организована классическая ракета-носитель: ступени не взаимодействуют между собой иначе как через центральную систему управления, двигатели разных ступеней работают после-

довательно, а не одновременно. Однако практика проектирования показывает, что строгая иерархия часто оказывается слишком жёсткой, порождая узкие места и снижая живучесть. Поэтому в реальных конструкциях широко используется нестрогая иерар-

хия, допускающая перекрёстные связи и обходные пути. Борто-

вая кабельная сеть современного носителя, построенная по прин-

ципу общей шины с резервными линиями, позволяет блокам об-

мениваться данными не только с центральным контроллером, но и напрямую, минуя его. В беспилотном аппарате инерциальная навигационная система может корректироваться не только по сигналам спутниковой навигации, но и по данным оптического потока, получаемым непосредственно от камеры, что создаёт го-

ризонтальную связь между подсистемами одного уровня, не предусмотренную строгой иерархической схемой. Подобные от-

клонения от чистого дерева превращают структуру в гибридную,

сохраняя иерархический скелет, но обогащая его локальными го-

ризонтальными взаимодействиями, которые повышают адаптив-

ность и отказоустойчивость.

Иерархические структуры являются также базовым инструмен-

том управления требованиями и прослеживаемости в сложных проектах. На вершине дерева требований находится цель миссии

- вывести спутник массой столько-то на орбиту с заданными па-

раметрами. Эта цель декомпозируется на функциональные требо-

вания к носителю в целом: стартовая масса, тяговооружённость,

конечная скорость. Далее требования каскадируются по ступе-

ням: для первой ступени - обеспечить определённый импульс и отделиться на заданной высоте; для второй - довывести полезную нагрузку. Следующий уровень конкретизирует требования к дви-

гательным установкам, системе управления, конструкции. Так,

требование «обеспечить управление по тангажу с точностью не хуже одного градуса» транслируется в требования к точности датчиков угла, быстродействию рулевых приводов и алгоритмам автопилота. На каждом шаге каскадирования требования увязы-

ваются с элементами конструкторского дерева изделия, и уста-

навливается прослеживаемость: для каждого технического реше-

ния можно указать, какое требование верхнего уровня оно удо-

влетворяет. При возникновении коллизий, например когда требо-

вание по массе несовместимо с требованием по прочности, имен-

но иерархическая структура позволяет найти компромисс на со-

ответствующем уровне и увидеть, как он повлияет на вышележа-

щие цели. Без такой упорядоченной иерархии проект быстро пре-

вратился бы в хаотическое нагромождение не связанных между собой спецификаций.

В сфере разработки программного обеспечения для беспилот-

ных систем иерархия реализуется в виде многоуровневой архи-

тектуры операционной системы реального времени и прикладно-

го кода. Нижний уровень - драйверы устройств, взаимодейству-

ющие непосредственно с регистрами микроконтроллера; выше располагается уровень операционной системы, предоставляющей сервисы планирования задач и межзадачного обмена; затем уро-

вень промежуточного программного обеспечения, включающий библиотеки фильтрации, навигации, распознавания; и, наконец,

уровень прикладной логики миссии. Каждый уровень использует только сервисы нижележащего и ничего не знает о реализации вышележащих, что позволяет заменять аппаратную платформу,

не переписывая верхний код, при условии сохранения API. Такой подход, многократно проверенный в авионике, снижает затраты на сертификацию, поскольку изменения локализуются в пределах одного уровня, а интерфейсы между уровнями строго контроли-

руются.

Несмотря на все достоинства, иерархические структуры обла-

дают рядом принципиальных ограничений, которые необходимо учитывать при проектировании. Главное из них — потенциальная хрупкость, связанная с концентрацией функций на верхних уров-

нях. Если отказывает центральный элемент, координирующий работу многих подсистем, вся ветвь, расположенная ниже, теряет управление. В ракетостроении эта проблема решается резервиро-

ванием критических узлов: на борту устанавливаются три и более вычислительных канала, работающих параллельно, с мажоритар-

ным голосованием. Тем не менее, централизованная иерархия со-

храняет уязвимость к общим причинам отказов - например, к

ошибке в программном обеспечении, одинаково проявляющейся на всех каналах. Именно поэтому в перспективных проектах всё чаще обсуждается переход к распределённым сетевым архитек-

турам, где иерархия заменяется более гибкой гетерархией с мно-

жеством равноправных узлов, координирующихся через консен-

сус. Однако на сегодняшний день чисто гетерархические реше-

ния в ответственных применениях, таких как пилотируемые по-

лёты или боевые беспилотники, не вышли за рамки эксперимен-

тов, поскольку их поведение значительно труднее формально ве-

рифицировать, а цена ошибки чрезвычайно высока.

Второе ограничение иерархических структур - тенденция к пе-

реусложнению и избыточной бюрократизации интерфейсов. Ко-

гда каждая подсистема может общаться только через вышестоя-

щий узел, возникает лавина транзакций, замедляющая реакцию системы. Для беспилотного истребителя, ведущего маневренный воздушный бой с перегрузками, задержка в несколько миллисе-

кунд из-за прохождения сигнала вверх-вниз по иерархии может стать фатальной. Поэтому в критических по времени контурах,

например в контуре управления огнём или в системе предотвра-

щения столкновений, организуют прямые высокоскоростные ка-

налы, обходящие общую иерархию. Так рождаются иерархии с

«проколами» и обходными путями, которые, строго говоря, уже не являются деревьями в чистом виде, но сохраняют их логику на макроуровне.

Третье ограничение носит когнитивный характер: проектиров-

щик, мыслящий исключительно в иерархических категориях,

рискует упустить эмерджентные эффекты, возникающие из взаи-

модействия элементов разных ветвей дерева. Аэроупругий флат-

тер крыла, колебания топлива в баках, интерференция выхлоп-

ных струй боковых ускорителей - все эти явления не укладыва-

ются в рамки одного иерархического канала, поскольку порож-

даются перекрёстными связями между аэродинамикой, упруго-

стью и гидродинамикой. Дерево разбиения изделия, незаменимое для организации производства, становится неадекватным для описания подобных взаимодействий, и инженер вынужден накладывать на него дополнительные сетевые модели, что в итоге приводит к гибридной структуре, где иерархия дополняется мат-

рицами интерфейсов.

В проектировании беспилотных летательных аппаратов особую роль играют иерархии представления знаний и принятия реше-

ний. Дерево целей миссии разбивает общую задачу, например

«разведка района», на подзадачи: «выход в район», «поиск це-

лей», «идентификация», «передача данных». Каждая подзадача может быть разложена дальше: поиск целей включает построение маршрута сканирования, удержание высоты, обработку видео.

Такая иерархия позволяет реализовать гибкое планирование на основе конечных автоматов, когда дрон, столкнувшись с препят-

ствием, временно переходит на уровень уклонения, а затем воз-

вращается к выполнению миссии. Дерево решений применяется и в бортовых алгоритмах классификации объектов: нейросеть мо-

жет быть организована каскадно, где сначала грубый классифи-

катор отсеивает явно нецелевые объекты, а затем более точный,

но ресурсоёмкий классификатор обрабатывает оставшиеся.

Организационные иерархии в проектных коллективах, создаю-

щих ракеты и беспилотники, также заслуживают упоминания.

Разработка носителя требует координации тысяч специалистов, и

единственным способом справиться с этой задачей является иерархическая система управления проектом: главный конструк-

тор, руководители направлений, начальники отделов, ведущие инженеры, рядовые исполнители. Каждый уровень обладает сво-

ей зоной ответственности, правами и обязанностями, а информа-

ция эскалируется наверх только при невозможности решения проблемы на данном уровне. Эта структура, по сути, изоморфна иерархии самого изделия: существует руководитель по двига-

тельным установкам, ответственный за все двигатели всех ступе-

ней, и подчинённые ему начальники отделов по турбонасосным агрегатам, камерам сгорания, автоматике. Принцип единства от-

ветственности и соответствия организационной и технической иерархий, сформулированный ещё в советской школе системного проектирования, остаётся актуальным и сегодня, хотя матричные и сетевые структуры управления проектами всё чаще дополняют классическую иерархию, размывая её строгость.

Подводя итог, можно утверждать, что иерархические древо-

видные структуры в ракетно-космической и беспилотной технике

- это не просто удобный метод упорядочения, а фундаменталь-

ный принцип, отражающий естественный для человека способ

постижения сложности. Они позволяют осуществлять декомпо-

зицию, каскадирование требований, параллельную разработку подсистем, анализ надёжности и управление интерфейсами. Вме-

сте с тем, практика показывает, что жёсткая иерархия должна применяться избирательно и дополняться горизонтальными свя-

зями там, где это диктуют требования живучести и быстродей-

ствия. Проектировщик, вооружённый знанием свойств иерархи-

ческих структур, способен сознательно строить архитектуры, в

которых иерархический скелет, обеспечивающий порядок и управляемость, обогащён перекрёстными соединениями, прида-

ющими системе гибкость и устойчивость к отказам. В этом диа-

лектическом сочетании порядка и свободы кроется ключ к созда-

нию действительно надёжных и эффективных аэрокосмических систем.

2.3. Сетевые структуры

Сетевая форма организации элементов занимает в современной теории и практике ракетно-космического и беспилотного маши-

ностроения совершенно особое положение. Если линейные структуры воплощают идею последовательной передачи усилий или информации, а иерархические - принцип соподчинения и де-

композиции, то сетевые структуры реализуют гораздо более гиб-

кий и потенциально более живучий способ связи, при котором каждый элемент может быть соединён с несколькими другими, и

маршруты передачи воздействий способны динамически пере-

страиваться в зависимости от состояния узлов и каналов. Мате-

матически сеть моделируется графом с вершинами, представля-

ющими элементы, и рёбрами - связями между ними, причём свойства этого графа - связность, диаметр, наличие циклов, рас-

пределение степеней вершин - непосредственно определяют экс-

плуатационные характеристики технической системы. В ракето-

строении и проектировании беспилотных летательных аппаратов сетевые структуры пронизывают бортовые информационные ма-

гистрали, каналы связи с наземными пунктами и между аппара-

тами, а также всё более активно вторгаются в архитектуру управ-

ления, традиционно считавшуюся вотчиной иерархии.

Простейшей и исторически первой формой сетевой организа-

ции, получившей широкое распространение в авиационной и ра-

кетной технике, является звездообразная топология. В такой структуре все периферийные устройства подключаются к цен-

тральному узлу - концентратору, коммутатору или главному вы-

числителю, - и любое взаимодействие между периферийными элементами осуществляется только через этот центр. Классиче-

ская бортовая кабельная сеть ракеты-носителя, спроектированная в логике «звезда», содержит центральный полётный компьютер, к

которому лучеобразно сходятся линии связи с датчиками, руле-

выми приводами, клапанами пневмогидравлической автоматики и радиотелеметрической аппаратурой. Достоинства звезды оче-

видны: простота адресации и маршрутизации, лёгкость обнару-

жения неисправностей — отказ линии немедленно изолирует только подключённое к ней устройство, не затрагивая остальные,