Главная Архив номеров N-21 декабрь 2008 Эффективность автоматических космических аппаратов на этапе проектирования, конструирования и постановки на производство.
 

Авторизация



Эффективность автоматических космических аппаратов на этапе проектирования, конструирования и постановки на производство. Печать

О.П. Куркова, докторант кафедры М2 БГТУ, к.т.н.(научный консультант В.К. Иванов, д.т.н.)

Создание новых образцов вооружения и военной техники (В и ВТ), в том числе и космических аппаратов, с тактико-техническими характеристиками (ТТХ), обеспечивающими выполнение заданных целевых задач, при условии лимитированного финансирования и сроков, отведенных на НИОКР, - является в настоящее время основной задачей разработчиков, задействованных в сфере выполнения государственных оборонных заказов. Такая постановка вопроса Минобороны требует нового подхода к организации НИОКР при выполнении предприятиями заданий Федеральной службы по оборонному заказу и оценке их результатов.

Целью данной работы является создание системно-математического инструмента главного конструктора космических летательных аппаратов (КЛА), позволяющего ему производить оперативную оценку предлагаемых разработчиками вариантов технических решений по общей компоновке КЛА и отдельных его систем на этапе проектных и конструкторских работ, а также рационально планировать процесс НИОКР, с точки зрения обеспечения эффективности создаваемого образца новой техники.
Для достижения этой цели в рамках НИОКР по созданию новых образцов КЛА во ФГУП «КБ «Арсенал» при участии БГТУ «Военмех» им.Д.Ф.Устинова ведется разработка методики расчета и оценки параметров эффективности КЛА на этапе проектирования, конструирования и постановки на производство.
Предлагаемая методика включает в себя:
- разработку унифицированной многоуровневой многоцелевой иерархической системы автоматического (беспилотного) КЛА как объекта исследования;
- разработку описания функции эффективности КЛА как глобальной целевой функции этой иерархической системы;
- разработку интегрированных целевых и тактических показателей иерархической системы КЛА.
При этом сама разрабатываемая методика, кроме требования к ее унификации (модель не должна зависеть от целевого назначения КЛА), должна обеспечить максимальное использование уже ранее разработанных организациями «Роскосмос» и «Рособоронзаказ» отдельных показателей и их нормированных критериев оценки, используемых при рассмотрении и утверждении предлагаемых предприятиями-разработчиками вариантов технических предложений и их технико-экономических показателей [1], [2], [3], [4].
Как правило, под понятием «эффективность» понимается степень соответствия выбранных характеристик КЛА и его элементов тем целевым задачам, которые перед ними поставлены, т.е. вероятность того, что КЛА как «система» выполнит свое назначение в заданном интервале времени в определенных условиях. При этом, эффективность (W) представляется неким интегративным показателем качества, а под условиями понимаются условия использования системы или условия выполнения ей определенных функциональных задач в процессе эксплуатации [5], [6], [7], [8]. В качестве системы рассматриваются как изделие в целом (КЛА), так и отдельные его составляющие элементы (подсистемы) [9], [10].
Исходя из этого понимания эффективности техническим заданием на разработку КЛА устанавливаются только основные его ТТХ:
- тип ракетоносителя (РН),
- масса КА, зависящая от энергетических возможностей РН;
- информативность;
- тип, состав и характеристики cпециальной целевой аппаратуры (СпА);
- координаты полигона запуска;
- параметры рабочей орбиты (высота, наклонение), задаваемые с определенной точностью (точностью поддержания положения КЛА на орбите, точностью ориентации, точностью стабилизации) в зависимости от характеристик СпА и энергетических возможностей РН;
- ширина целевой зоны, относительно орбиты,
- время (режим) работы на орбите в режиме выполнения целевых задач;
- надежность (долговечность - срок активного существования - САС; сохраняемость - общий срок эксплуатации, включая САС и время хранения; безотказность - время и вероятность безотказной работы);
- устойчивость и живучесть.
На основании этих требований, являющихся граничными условиями для принятия проектных и конструктивных решений, ведется разработка конструкции КЛА (его составных частей и систем), основными характеристиками которой являются:
- способность обеспечить функционирование КЛА под воздействием внешних и внутренних нагрузок;
- способность обеспечить требуемое энергопотребление БЦА и БКУ;
- способность обеспечить магнитную совместимость элементов бортовой аппаратуры;
- надежность (долговечность; сохраняемость; безотказность);
- устойчивость и живучесть;
- технологичность в процессе изготовления и наземной эксплуатации.
При понимании эффективности как показателя качества показатели стоимости (С) и времени (Т) обычно принято рассматривать хотя и параллельно основной задаче, но автономно: W= f (T) при С=const и С= f (T) при W = const.
На практике показатели качества во многом могут зависеть от объемов и сроков финансовых вложений, а время может определяться уровнем качества, достигаемым в результате принятия определенных технических решений. Кроме того, сам показатель времени при создании и анализе технической системы может иметь двойную трактовку:
- время функционирования системы (например, САС КЛА), когда время является функциональным показателем, определяемым отдельными показателями качества системы или ее элементов, т.е. Т1= f (W);
- время, необходимое для принятия оптимального технического решения и достижения требуемого результата - время достижения цели - Т2 (например, время ОКР в процессе получения рабочей конструкторской документации - РКД).
В этом случае тот и другой показатели времени являются составляющими суммарного показателя времени жизненного цикла (Тжц) технической системы.
Предлагаемая методика оценки эффективности строится на основе вновь введенных определений как самого создаваемого образца новой техники (КЛА), так и его эффективности, впервые сформулированных в процессе ее разработки.
Создаваемый образец новой техники - автоматический КЛА является иерархической системой, представляющей собой продукт, способный обеспечить выполнение определенных функций в определенных условиях, обладающий определенной стоимостью и ценностью, в определенный момент времени.
Основными характеристиками его являются следующие параметры:
- показатель стоимости создания объекта (затраты на достижение результата путем принятия и реализации технического решения);
- показатель технического уровня объекта (уровень технической сложности объекта с учетом показателя новизны по отношению к базовому варианту);
- показатель ценности полученного результата (показатель ценности принятого и реализуемого в виде создаваемого объекта технического решения с учетом фактора времени).
Показатель эффективности продукта (образца новой техники - создаваемого КЛА) на этапе проектирования, конструирования и постановки на производство (на этапе НИОКР) - вероятность (степень) соответствия его параметров, взаимосвязь которых описывается в виде глобальной целевой функции, требуемому (заданному) интервалу значений в определенных интервалах времени.
Если ранее при рассмотрении аналогичных аспектов, иерархическая структура КЛА, как правило, представлялась разработчиками [11] в виде схемы деления аппарата, то с учетом выше предложенных определений, иерархическая система КЛА представляет собой систему, представленную на рис.1.
В отличие от схемы деления в иерархической системе каждый локальный элемент является элементом преобразования «входных данных» в «выходные данные», а следовательно может быть описан в функциональном виде: S X ? Y, при S: X > Y (отображение множества
Х в множестве Y), где X и Y - множества, характеризующие входные (х) и выходные (y) параметры системы.
В процессе разработки модели был проведен анализ создаваемых и используемых в настоящее время автоматических КЛА по программам космической деятельности РФ (программам «Роскосмоса», Мин. обороны), а также их ряда зарубежных аналогов, систем и бортовой аппаратуры, обеспечивающих их функционирование, что позволило классифицировать автоматические КЛА по основным их целевым задачам, ТТХ и конструктивным характеристикам.
На основе этого анализа были конкретизированы, представлены в виде подсистем, каждая из «страт» иерархической системы, представленной на рис.1.; определены взаимосвязи компонентов этих подсистем по принципу «управляющее воздействие» и «обратная связь», а также систематизированы и интегрированы целевые параметры («вход» - «выход») для каждого компонента системы. Это позволило значительно сократить количество используемых исходных показателей.
Разработанная иерархическая система соответствует всем требованиям, предъявляемым с точки зрения построения иерархических систем [12]. Она обладает вертикальной соподчиненностью (система содержит последовательное вертикальное расположение локальных элементов - подсистем); правом вмешательства (в ней соблюдается приоритет действий - право вмешательства элементов верхнего уровня); взаимозависимостью действий (в системе определена зависимость действий элементов верхнего уровня от исполнения элементами нижнего уровня своих функций). При этом между условиями функционирования системы КЛА на различных уровнях - стратах существует ассиметричная зависимость. Эффективность работы системы в целом зависит от суммарного результата «вмешательств» и «обратных связей».
Таким образом, эффективность представляет собой глобальную целевую функцию разработанной иерархической системы: с одной стороны, функцию: W=W({?ij}), где ?ij - значение i-го параметра на j-ом этапе функционирования системы; с другой стороны: W=W({Wnm}), где Wnm - значение эффективности элемента системы n- типа на m-уровне иерархии. Такой подход позволяет производить анализ иерархической системы и обеспечить совместимость результатов как по стратам, так и по слоям. При этом соответственно, Wnm=({?kd}), где ?kd - значение параметра элемента (компонента системы) k-типа для d-операции.
Тогда задача создания объекта (КЛА) с требуемым уровнем эффективности (W) сводится к решению задачи нахождения удовлетворительных решений: либо с целью минимизации (максимизации) критерия ее оценки, либо с целью нахождения диапазона удовлетворительных решений. Для решения этой задаче в предлагаемой методике использованы методы, широко известные в теории математического анализа [12], [13], [14].
Однако стратифицированное представление КЛА позволяет смоделировать и описать его как систему, с точки зрения, иерархии целей, но является не достаточным для решения поставленной задачи по анализу и оценке эффективности КЛА.
Глобальная цель может быть достигнута путем принятия определенных решений каждым элементом (уровнем) модели - совокупности действий («операций»), направленных на достижение цели. Поэтому, руководствуясь иерархией целей, необходимо иметь иерархию принимаемых решений.
Иерархическая структура принимаемых решений должна отразить:
- необходимый временной уровень принимаемого решения;
- уровень сложности принимаемого решения.
Временной уровень принимаемых определяющих решений наиболее целесообразно устанавливать в системе координатного измерения реального времени жизненного цикла КЛА.

Уровень сложности принимаемых решений определяется количеством соответствующих «неопределенностей» относительно последствий этих решений и относительно связей задействованных компонентов. Иерархическая структура объекта (КЛА) по принимаемым решениям является, таким образом, моделью по последовательному порядку устранения «неопределенностей» или учету «неопределенностей» в процессе выполнениядействий по достижению цели [15].
Данный поход к представлению создаваемого образца новой техники (КЛА) как объекта и его анализу позволяет:
- заказчикам новых изделий устанавливать диапазон параметров эффективности КЛА, интегрировать на их основе параметры эффективности основных его составных частей, а также исходя из этого интегрировать диапазоны ряда целевых, основных конструктивных, технологических, экономических и временных показателей на этапе разработки и утверждения технического задания, а следовательно, контролировать их соблюдение в процессе ОКР, а также контролировать процесс использования ресурсов, предоставляемых для их реализации;
- разработчикам оперативно анализировать и обоснованно оценивать создаваемый объект и его эффективность, с точки зрения практически всех аспектов: целевых, проектно - конструкторских, технологических, производственных, экономических, оптимизировать и прогнозировать результаты принятия тех или иных организационно-технических решений на всех стадиях разработки и постановки на производство.
Однако данный анализ позволяет либо оценивать уже имеющуюся и принятую базовую модель технического объекта - КЛА на этапе конструкторских разработок, либо оценивать предлагаемые технические решения в процессе ее модернизации, т.е. оценивать уровень адаптации системы при изменении ее тактических параметров или параметров ее компонентов.
В процессе разработки иерархической системы КЛА была выявлена зависимость его эффективность от показателей уровня ее соответствия основным свойствам системной модели: уровень стратификации, координируемость, совместимость и монотонность. Именно эти свойства на практике во многом являются определяющими условиями для всех адаптивных параметров системы (показателя стоимости создания объекта; показателя технического уровня объекта; показателя ценности полученного результата). При этом для оценки этих свойств было предложено использовать критерии, разработанные и представленные в работе [12].
В частности, было установлено, что данный анализ дает возможность оценки, а следовательно, принятия оптимальных технических решений на этапе разработки облика КЛА по одному из параметров конструкции - модульности, который ранее принято было рассматривать только с точки зрения технологичности конструкции. При том, не смотря на то, что на практике при разработке компоновки конструкции КЛА, как правило, принимается «отсечное» построение, в настоящее время отсутствует общепринятая методика оценки показателя модульности конструкции, а также нормализованные его критерии. Представление КЛА в виде иерархической системы через воздействие «обратных связей» дает возможность моделирования модульности конструкции и установления допустимого диапазона ее критериев путем представления их в виде уровня стратификации системы в диапазоне устойчивости.
Наличие оптимально разработанной иерархической системы КЛА кроме аналитическо-теоретических представлений о нем как об объекте исследования, позволяет также даже на концептуальном уровне сократить время и материальные затраты (потери) в процессе разработки, испытаний и освоения производства нового образца КЛА путем:
- рационального планирования этапов проведения работ, в том числе и распределения финансовых ресурсов, на основе иерархической системы КЛА;
- рационального планирования номенклатуры и объемов испытаний в подтверждение работоспособности конструкции, используемой для проведения испытаний материальной части (при разработке КПЭО - комплексной программы экспериментальной отработки);
- сокращения сроков поиска оптимальных технических решений;
- сокращения объемов доработок материальной части в процессе изготовления опытного образца изделия, вызванных нескоординируемостью проектно-конструкторских решений на этапе разработки РКД.
Изложенные в настоящей работе теоретические положения на основе разработанных системных построений требуют практической апробации с целью их подтверждения и уточнения правильности выбора, систематизации и интегрирования групп целевых и тактических показателей компонентов предложенной иерархической системы. Работа по апробации предложенной методики ведется автором в настоящее время.

 
Разработка сайтов