Лекция 5. Процесс разработки космической

Национальная космическая программа России, как указывалось выше, содержит ряд тематических разделов, включающий ряд космических программ целевого назначения. Спектр космических программ чрезвычайно широк, от широко известных программ космической связи («Молния», «Орбита» и т.д.), программ исследования других планет («Марс», «Венера») и небесных тел («Вега») до предлагаемых программ по производству в космосе и даже похоронам в космосе.

Разработка и реализация космической программы предполагает широкий круг работ по управлению и обеспечению целенаправленной деятельности для достижения конкретной цели с использованием средств ракетно-космической техники, основу которых составляет соответствующая сложная техническая система. Первая фаза работ по разработке космической программы, содержание которой определенно ранее как выбор и построение структуры системы в целом в соответствии с системным подходом включает в себя ряд системотехнических процедур, последовательность которых можно представить в следующем виде:

- Определение целей

- Формирование требований и ограничений

- Разработка концепции программы

- Формирование архитектуры космической программы

- Оценка программы

- Формирование требований к космической системе

Цель программы – это желаемый человеком результат от реализации космической программы. Определение цели осуществляется в рамках поисковых работ для определения потенциальных потребностей пользователя (пользователей).

Определение формальных целей предваряет обычно какое-то программное заявление или решение на самом высоком государственном уровне. Примерами таких целей могут быть: решение руководства СССР о запуске первого искусственного спутника Земли, заявление президента США Джона Кеннеди о пилотируемом полете на Луну, решение правительства об исследования Солнца с помощью универсального КА по программе АН РФ и т.д.

Обычно космическая программа преследует несколько целей, которые могут быть определенны в двух категориях: главные и дополнительные (второстепенные). При этом какие-то из второстепенных целей могут быть достигнуты с использованием оборудования, предназначенного для решения главной задачи, а некоторые из них потребует дополнительного оборудования.

Практически всегда во второй категории имеют место не только технические цели, но также политические или социальные. И, часто, значимость последних не уступает значимости главной цели. Однако, в процессе разработки программы главные цели, как правило, остаются неизменными, в то время как дополнительные могут быть трансформированы или даже исключены.

Такое представление целей, сформулированных в достаточно общем виде характерно для начала разработки. Однако для последующих работ описание формулируется в виде совокупности требований, которые обязательно должны быть выражены в количественных показателях желаемого результата.

Формирование требований и ограничений по существу является процессом преобразования целей, представляемых обычно в качественном виде, в количественные показатели. Например, при создании метеорологической системы ее цель является обеспечение народного хозяйства фактическими данными о текущем состоянии погоды, краткосрочными и долгосрочными прогнозами погоды, предупреждение об опасных явлениях погоды. Требования же будут включать в свой состав такие показатели как район наблюдения, пространственное разрешение, периодичность наблюдений и т.п. Характерными ограничениями на этом уровне могут быть, например, располагаемые финансовые средства, время создания, время активного существования.

Принято различать функциональные требования, которые определяют меру того, как космическая система будет достигать цели, эксплуатационные и экономические требования. Эксплуатационные требования определяют, как создаваемая система будет функционировать и, как Пользователь будет взаимодействовать с ней для достижения цели. Экономические требования определяют стоимостные показатели достижения цели.

Установление корректных количественных требований на этом (самом верхнем уровне) задача чрезвычайно трудная, что связано, как правило, с новизной решаемой задачи или ее сложностью, Поэтому на практике устанавливаются некоторые предварительные численные требования, а затем в итеративном режиме определяются их новые, становящиеся директивными для будущей системы значения.

Разработка концепции является одним из наиболее ответственных этапов разработки программы и требует большого опыта и широкой эрудиции. Концепция - это по существу определение как будущая космическая система будет на практике функционировать. Под этим подразумеваются схемные решения разрабатываемой в рамках конкретной космической программы космической системы, схемы полета, схемы функционирования, схемы проведения экспериментов и т.д.

В частности, если рассматривать космические программы, связанные с получением или передачей информации, а такие составляют подавляющее большинство в составе национальной космической программы, то концепция космической программы, как правило, содержит как минимум следующие принципиальные категории:

- Как необходимые данные будут получены и переданы конечному пользователю.

- Как программа будет управляться.

- Как отдельные компоненты системы обмениваются информацией.

И в обязательном порядке:

- Как во времени распределены этапы создания и эксплуатации космической системы

Формирование архитектуры космической программы базируется на концепции программы и по существу является разновидностью первичного функционального описания космической системы, создаваемой для реализации заявленных целей. Формально эта процедура сводится к определению некоторого набора средств и атрибутов, определяемого концепцией космической программы. Этот набор для подавляющего числа космических программ включает следующие компоненты (Рис.5.1):

- Объект космической программы

- Орбита или группа орбит

- Полезная нагрузка космического аппарата

- Космическая платформа

- Космический ракетный комплекс

- Наземные средства управления

- Средства эксплуатации космической системы

- Средства связи

В этом перечне находятся как технические средства, так и некоторые обязательные для любой космической программы атрибуты, такие как объект космической программы, управление, орбиты (траектории).

ОБЪЕКТ - это нечто, с чем взаимодействует полезная нагрузка КА или, что воспринимается средствами полезной нагрузки КА, например: для метеорологических систем - температура атмосферы, влажность атмосферы и т.д. для навигационных систем – суда, самолеты и другие подвижные и неподвижные объекты; для систем космической обороны - стоящая на старте или летящая баллистическая ракета; для связных систем - связные терминалы теле- и радиоприемники. Принципиальным в этой связи является выбор диапазона из электромагнитного спектра который будет использоваться, так как от этого зависит тип чувствительного элемента в составе полезной нагрузки. потребная мощность и т д. Для навигационных спутников объектом будет различное приемо-передающее оборудование на наземных станциях или других КА.

ОРБИТЫ космических аппаратов - включают в себя не только собственно рабочие орбиты, но также исходные, переходные, а также траектории схода с рабочих орбит и входа в атмосферу (для некоторых типов КА).

ПОЛЕЗНАЯ НАГРУЗКА - для подавляющего числа космических программ - это оборудование и программное обеспечение, с помощью которого осуществляется взаимодействие с объектом, например приемники электромагнитных излучений, средства обработки и передачи информации и т.д. Для других программ, имеющих транспортную направленность, полезным грузом полагается транспортируемый груз, включая людей, находящихся на борту аппарата.

КОСМИЧЕСКАЯ ПЛАТФОРМА (служебные системы космического аппарата) - это совокупность оборудования и программного обеспечения предназначенного для поддержания условий функционирования целевой аппаратуры (полезной нагрузки), управления пространственным положением КА, формирования параметров орбиты и т.д.

Космический аппарат при такой формализации есть ПОЛЕЗНАЯ НАГРУЗКА плюс КОСМИЧЕСКАЯ ПЛАТФОРМА. Он (космический аппарат) является космическим сегментом космической системы и сам в свою очередь является полезной нагрузкой для средств выведения (транспортных космических систем).

КОСМИЧЕСКИЙ РАКЕТНЫЙ КОМПЛЕКС, т.е., как было определено ранее, совокупность средств выведения и технических средств наземного обеспечения подготовки к пуску.

НАЗЕМНЫЕ СРЕДСТВА УПРАВЛЕНИЯ - это совокупность стационарных и мобильных наземных станций, распределенных определенным образом по территории Земли, обеспечивающих обмен информационными потоками между космическим аппаратом и наземными средствами управления в течение выведения космического аппарата на рабочую орбиту.

СРЕДСТВА ЭКСПЛУАТАЦИИ КОСМИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ - сюда входят оборудование и программное обеспечение, необходимые для обработки и распределения целевых информационных потоков.

СРЕДСТВА СВЯЗИ - это совокупность средств, обеспечивающих связь между всеми элементами космической системы.

Следует иметь в виду, что практически каждая компонента архитектуры может быть представлена в вариантах, которые в различных взаимоприемлемых сочетаниях и составляют возможные альтернативные варианты реализации космической программы. Формирования перечня возможных альтернатив решения задач, характерных для космической деятельности, является напряженной творческой работой, для облегчения и ускорения которой разработано много эвристических способов и методик (например, мозговой штурм, деловые игры и др.).

Оценка программы необходима, прежде всего, для определения ее основных показателей качества и эффективности, а также выбора предпочтительного варианта программы для дальнейшей его детализации. По существу речь идет о функционально-структурном комплексном анализе сложной технической системы, ключевыми работами которого являются обоснование структурно-функциональной схемы системы и основных тактико-технических характеристик средств системы, формирование альтернативных вариантов построения системы, обоснование предпочтительного варианта на основе оценок показателей эффективности, потребных ресурсов, реализуемости и др.

Так как ядром, материальной основой, каждой космической программы, является конкретная космическая (или ракетно-космическая) система, то следующим этапом является разработка к соответствующей системе.

Формирование требований к космической системе. Требования к системам, в которых летательные аппараты являются главными элементами, имеют особенности связанные с использованием аппаратов для решения целевых задач.

Перечень основных групп таких требований для большинства космических систем (информационного толка) может выглядеть следующим образом:

- Требования, обусловленные характеристиками объектов внешней среды на которые направлены действия главных элементов. Например, требования к разрешению и спектральным характеристикам аппаратуры наблюдения космической системы наблюдения, требования к диапазону частот для космической системы связи и т.д.

- Требования к операциям. Это, как правило, баллистические требования, т.е. требования к движению ЛА относительно объектов внешней среды, на которые направлены действия главных элементов. Баллистические требования - это, как правило, требования качества, определяющие пригодность КС к выполнению своего назначения. Например, требования к траектории полета РН, требования к траектории полета исследовательского КА в космическом пространстве. В частности, требования к космической системе для исследования Солнца предусматривают:

- полет солнечного зонда в окрестности Солнца на

расстоянии семи радиусов Солнца,

- гравитационный маневр в окрестности Юпитера,

- запуск КА в определенное календарное время при

благоприятном расположении Земли, Юпитера и

Солнца,

- ограниченное время полета к Солнцу и т.д.

- Требования к технико-баллистической готовности. Это требования как к безотказной работе компонентов системы, так и к предельным отклонениям траекторных параметров от требуемых, что в совокупности определяет возможность выполнения задачи.

- Требования к эффективности КС, т.е. к результатам выполнения целевой операции, ради которой создается КС.

- Требования, обусловленные особыми условиями и ограничениями. Сюда следует отнести, например, требования к сроку службы системы, требования к стоимости создания и эксплуатации.

Формальным результатом представленной выше фазы работ, в соответствии с принятой в отечественной промышленности терминологией, является системный проект соответствующей сложной технической системы, а приведенный перечень наиболее характерных работ, является по существу основой, так называемого, системного проектирования.

Литература

1. Авдуевский В.С., Успенский Г.Р. Народно-хозяйственные и научные космические комплексы. М.: Машиностроение, 1985. 416 с.

2. Новые наукоемкие технологии в технике: Энциклопедия Т.21. /Под общ. Ред. К.С.Касаева – М.: ЗАО НИИ «ЭНЦИТЕХ»,2002. 554 с.

3. Основы синтеза систем летательных аппаратов: А.А. Лебедев и др.: - М.: Изд-во МАИ, 1996. – 444 с.: ил.

4. Лебедев А.А., Нестеренко О.П. Космические системы наблюдения: синтез и моделирование. М.: Машиностроение, 1991. 224 с.

5. Space mission analysis and design / edited by Wiley J. Larson and James R. Wertz, W.J.Larson and Microcosm, Inc.1995