Современные методы проектирования

Ряд определений и формулировок процесса проектирования, данных различными специалистами, говорит о разнообразии методов проектирования. Выбор того или иного метода определяется в первую очередь объектом проектирования, целью и временными ограничениями.

Только перечислим некоторые методы проектирования по Дж. К. Джонсу для того, чтобы представить этот ряд и объем, отсылая далее к источнику.

Методы проектирования в действии

I. Готовые стратегии (конвергенция)

- Упорядоченный поиск (применение теории решений)

- Стоимостный анализ

- Системотехника

- Проектирование систем человек-машина

- Поиск границ

- Кумулятивная стратегия Пейджа

- Стратегия коллективной разработки гибких архитектурных

проектов (CASA)

2. Управление стратегией

- Переключение стратегии

- Фундаментальный метод проектирования Мэтчетта (FDM)

3. Методы исследования проектных ситуаций (дивергенция)

- Формулирование задач

- Поиск литературы

- Выявление визуальных несоответствий

- Интервьюирование потребителей

- Анкетный опрос

- Исследование поведения потребителей

- Системные испытания

- Выбор шкал измерения

- Накопление и свертывание данных

4. Методы поиска идей (дивергенция и трансформация)

- Мозговая атака

- Синектика

- Ликвидация тупиковых ситуаций

- Морфологические карты

5. Методы исследования структуры проблемы (трансформация)

- Матрица взаимодействий

- Сеть взаимодействий

- Анализ взаимосвязанных областей решения (AIDA)

- Трансформация системы

- Проектирование нововведений путем смещения границ

- Проектирование новых функций

- Определение компонентов по Александеру

- Классификация проектной информации

6. Методы оценки

- Контрольные перечни

- Выбор критериев

- Ранжирование и взвешивание

- Составление технического задания

- Индекс надежности по Квирку.

Системно-проектный анализ - является методом и инструментом организации и осуществления проектных работ путем:

· широкого охвата проблемы в целом;

· разложения большой системы на составные части посистемно и функционально;

· определения основных этапов функционирования и этапов работ;

· выявления проблемных вопросов;

· решения задач в упрощенном виде;

· определения временных отрезков выполнения работ и экономической целесообразности углубленных исследований;

· объединения различных функционально и структурно задач и решений;

· информационно-технического обеспечения и межмашинного обмена различных групп пользователей по текущему состоянию проекта;

· регулярного отображения хода работ и наглядного (графического) представления промежуточных результатов;

· ускоренного просмотра и отбора вариантов;

· архивирования данных и анализа неблагоприятных ситуаций;

· окончательного представления результатов проектных исследований и выпуска технической документации единого образца;

· обработки материалов и результатов штатного функционирования системы (космического аппарата);

· рекламно- иллюстративного представления проекта от начала до конца и формирования заинтересованного отношения структур;

· формирование программы, планирования перспективных разработок и проведения предварительных изысканий.

Системно проектный анализ должен осуществляться на всех стадиях создания космического аппарата от начала формирования программы исследований до обработки результатов.

Характерным новым элементом в процессе проектирования наряду со сценарием экспедиции и схемой перелета становится формирование схемы эксперимента (рис. 5).

Схема эксперимента отражает основные узловые моменты:

· цель экспедиции и основные научные задачи;

· основные этапы полета;

· общий вид спускаемого аппарата;

· схема спуска и функционирование в атмосфере и на поверхности;

· внешние условия функционирования, место посадки и проведения экспериментов;

· циклограмма работы систем;

· основные проектные параметры и др.

Схема эксперимента не является проектным документом. Это рабочий и иллюстративный материал, позволяющий в очень сжатом виде собрать и одновременно выделить самые характерные вопросы, определяющие идеологию проведения эксперимента в целом.

Лекция 3.

Особенности создания спускаемых аппаратов в атмосферах планет Солнечной системы.. Схемы функционирования.
Выбор рациональных вариантов и критерии эффективности.

Спускаемые аппараты могут быть выделены в особый класс атмосферно-космических летательных аппаратов, отличающихся своеобразием аэродинамики, динамики полета, управления, специфичностью конструктивных решений.

Спускаемый аппарат является составной отделяемой частью автоматического космического аппарата, выделяемой по конструктивным, функциональным, технологическим и другим признакам и, предназначенный для доставки полезных грузов с орбиты или подлетной траектории на поверхность или в атмосферу планеты.

Спускаемый аппарат включает в себя большое количество взаимно связанных между собой элементов, обеспечивающих выполнение сложных задач и поэтому может быть также отнесен к разряду сложных систем.

Тем более этому понятию отвечает процесс проектирования спускаемых аппаратов, который обладает всеми отличительными признаками сложных систем. В процессе проектирования рассматривается большое количество зависимых элементов и параметров.

Не вызывает сомнения сложность функций, выполняемых системами СА, функций, определяемых при решении проектных задач, направленных на достижении заданных целей функционирования систем и аппарата в целом.

Процесс проектирования может быть разбит на отдельные стадии и этапы разработки, подчиненные общей цели обеспечения заданных режимов и условий функционирования.

Функционирование спускаемого аппарата происходит в условиях воздействия случайных факторов при значительной неопределенности внешних условий и взаимодействия систем и режимов, параметры которых изменяются в широких диапазонах и имеют вероятностный характер.

Классификация спускаемых (десантных) аппаратов может быть произведена по многим определяющим признакам, например:

- характер полезной нагрузки;

- целевое назначение;

- соотношение несущих и тормозных свойств;

- конфигурация;

- способ движения в атмосфере;

- одноразовое или многоразовое использование, количество СА на одном аппарате;

- посадочные системы;

- состав систем;

- построение связи и поиска (для возвращаемых аппаратов);

- открытая или закрытая компоновка;

- количество и расположение тормозных устройств;

- чередование участков спуска в атмосфере и т.п.

Структура спускаемого аппарата в некоторой степени является установленной. В состав СА входит:

- полезная нагрузка;

- система торможения;

- система обеспечения теплового режима;

- собственно конструкция;

- система разделения элементов конструкции;

- система энергетического обеспечения;

- радиосистема, а также

- бортовой компьютер, процессор, дополняющие или отчасти заменяющие его функции:

- система автоматики, система управления и система исполнительных органов.

Основную нагрузку несут системы торможения, которые составляют значительную часть массы всего аппарата.

Структура и схема функционирования первого поколения спускаемых аппаратов была довольно простой и вызвано было это, главным образом, плохим знанием атмосферы планет.

Начало исследованию планет Солнечной Системы с помощью прямых контактных методов посредством спускаемых аппаратов было положено всего лишь 30 лет назад. Впервые спускаемый аппарат автоматической спускаемой станции “Венера-4” в 1967 году провел непосредственные физико-химические исследования атмосферы планеты в диапазоне температур от 25° до 270 С и давления от 0,5 до 18 атм. Спускаемый аппарат создавался на некоторую среднюю модель атмосферы и выдерживал давление около 20 атмосфер. Парашют площадью 55 м обеспечивал спуск в атмосфере в течение ~ 95 минут.

Площадь парашюта спускаемых аппаратов “Венера-5,6” была уменьшена до 12 м² и, таким образом, было уменьшено время спуска в атмосфере. Измерениями, проведенными этими спускаемыми аппаратами, было установлено, что давление у поверхности планеты составляет 100 атмосфер, а температура около 500 °С. С учетом полученных данных были спроектированы схемы спуска следующих аппаратов: “Венера-7”, 1970 г. и “Венера-8” 1972 г. У этих спускаемых аппаратов площадь парашюта была уже 2,4 м²

Опыт, приобретенный при создании первых венерианских аппаратов, полученные данные о параметрах атмосферы и поверхности, послужили основой при планировании более сложных экспериментов и разработки станций нового поколения.

Схемы спуска в атмосфере Венеры аппаратов второго поколения становятся все сложнее. Парашютная система спускаемого аппарата "Венера 9 - 10" состояла из вытяжного парашюта, парашюта увода верхней полусферы, тормозного площадью 24 м² и основного трехкупольного, общей площадью 180 м². Основной парашют обеспечивал нахождение в облачном слое атмосферы планеты в течение 20 минут, после чего он был отделен и дальнейшее снижение происходило на жестких аэродинамических тормозных устройствах, обеспечивающих скорость у поверхности 7-8 м/с.

Для спускаемых аппаратов "Венера-11” и "Венера-12" была принята схема спуска и посадки в основном аналогичная схеме спуска и посадки СА "Венера-9" и "Венера-10". Основной трехкупольной парашют был исключен из состава парашютной системы, и за счет этого общее время спуска в атмосфере уменьшилось на 15 минут. Отсек научной аппаратуры у этих аппаратов и следующих "Венера-13" и "Венера-14" был рассчитан на работу до самой поверхности и на поверхности. Последние аппараты обеспечили уже не только уточнение условий в атмосфере и на поверхности, но и позволили проанализировать характеристики грунта с помощью грунтозаборного устройства, а также получить цветные панорамные изображения поверхности.

Проектирование схемы спуска последних венерианских аппаратов "Вега-1" и "Вега-2", доставленных на планету в 1985 году, вобрало в себя весь накопленный в течение предыдущих восемнадцати лет опыт. Результаты исследований являются как бы кульминацией проведения проектных разработок всех этих лет. Рассматриваемая схема спуска (рис.) является, одновременно, и самой сложной из осуществленных, и самой методически и экспериментально отработанной, и самой оригинальной. Кроме того, она послужила базовой схемой для формирования будущих перспективных экспедиций.

Как видно из краткого обзора предыдущих экспедиций, происходило как бы раздвоение идеологии осуществления научных исследований. С одной стороны, необходимо было "по пути", в процессе спуска в атмосфере, провести исследования ее характеристик. И это выдвигало требование увеличения времени функционирования в атмосфере, что привело к увеличению площади основной парашютной системы до 180 м². С другой стороны, необходимо было сократить время нахождения в плотных, горячих и химически агрессивных слоях атмосферы, быстрее достигнуть поверхности и максимально долго проводить научные исследования на поверхности. Это обстоятельство приводило к уменьшению площади парашюта. Сначала 2,4 м² у "Венера-7,8", потом 24 м² у последних аппаратов "Венера" и использованию на конечной стадии движения в атмосфере жесткого аэродинамического тормозного устройства- тормозного щитка диаметром 2 м (3,14 м²).

Объединить эти два противоречивых требования позволило разделение самой схемы функционирования на:

1. схему спуска и посадки на поверхность планеты посадочного аппарата и схему ввода в действие плавающей аэростатной станции и дрейфа ее в облачном слое атмосферы Венеры.

Этот принцип разделения функций составных частей спускаемого аппарата использовался в дальнейшем при проектировании схем спуска в проектах "Веста", "Марс-94" и "Марс-96".

Отсюда вытекают два последствия: схема спуска СА в атмосфере в целом становится сложнее, а его составных частей - проще.

Появляются новые возможности:

1. унификации аппарата;

2. выполнения новых научных задач;

3. создания новых технических средств исследования;

4. увеличения количества средств исследования;

5. расширения рабочей зоны проведения эксперимента.

Схема спуска посадочного аппарата "Вега -1,2 " в основном повторяет предыдущие, а схема ввода ПАС формируется заново. При этом, задача эффективного торможения СА до развертывания аэростатной станции остается, а дальнейшее ее функционирование уже не связывается с ограничениями по скорости снижения. Однако, резко возрастают требования к обеспечению необходимых условий ввода ПАС в области высоты облачного слоя атмосферы планеты, в которой предусматривается проведение научных экспериментов. Это объясняется и скоротечностью процесса, ограничением времени перехода от участка торможения к участку наполнения оболочки аэростата и риском, связанным с возможной просадкой и разрушением оболочки от избыточного давления.

В развитой идее использования плавающей аэростатной станции для исследования атмосферы планеты, в условиях разряженной атмосферы Марса этот момент еще более обострится. Во-первых, наполнение оболочки должно происходить вблизи самой поверхности планеты. И в этом случае две ветви схемы спуска, как бы сходятся к одной. Вводится новый элемент системы торможения - удлинительный фал. Во- вторых, т.к. объем аэростата существенно возрастает по сравнению с венерианским (с 15 м³ до 5000 м³), а толщина материала оболочки существенно уменьшается (с 150 до 8 мкм), резко возрастает требование по безопасности и ограничение по конечной скорости торможения (при наполнении оболочки).

Наряду с использованием парашютных систем рассматривалась возможность использования дополнительных аэродинамических тормозных зонтичных устройств - ТЗУ, раскрываемых как в атмосфере, после осуществления основного аэродинамического торможения, так и непосредственно перед входом в атмосферу. Реализуемость этих средств по многим причинам оказалась затруднительной, но необходимость использования дополнительных аэродинамических поверхностей для более полного и эффективного торможения в атмосфере выразилась в идее создания надувного тормозного устройства. В процессе разработки проекта "Марс-94-96" было спроектировано и прошло весь цикл экспериментальной отработки новое, перспективное средство торможения - надувное тормозное устройство. Схема спуска пенетратора, предназначенного для внедрения в марсианский грунт, пожалуй может послужить примером одной из наиболее простых спроектированных схем спуска.

В некоторой степени это симптоматично: "простые" схемы спуска впервые проектируемых аппаратов, усложнение схем проведения экспериментов по мере получения новых данных и желание сделать все возможное с помощью различных средств (при практически неограниченных ресурсах), а затем стремление наоборот, упростить и удешевить проект (проблемы с финансированием) путем разделения функций и задач, внедрения новых технологий и возврата к использованию опыта первых проектных разработок.

Надувное тормозное устройство наполняется газом после отделения от орбитального аппарата еще до входа в атмосферу. При спуске в атмосфере с тормозным устройством осуществляется по-существу только одна операция: ввод дополнительного надувного устройства- увеличение его диаметра с 2,3 м до 3,8 м. Конечно, следует оговориться, что требуемая расчетная скорость внедрения в грунт пенетратора составляет 80 м/с, и это более легкие условия, чем обеспечение мягкой посадки. Но, в то же время, применение новой технологии разработанного надувного устройства пока не ограничивает его размеры... В этой связи возможно вновь появится интерес к проектированию беспарашютного варианта схемы спуска, но с использованием НТУ вместо ТЗУ и участком активного торможения с помощью двигателей мягкой посадки.

Надо сказать, что наиболее сложной и наиболее общей или полной схемой спуска в атмосфере Марса с проектной точки зрения является схема, в которой последовательно используются:

• аэродинамическое торможение с помощью лобового экрана (зонтичного устройства, надувного или т.п.);

• дополнительно раскрывающиеся аэродинамические поверхности,- парашютная система (одно, двух, трехкаскадная и т.д.) или ТЗУ, НТУ и т.п.;

• активное торможение с помощью двигательной установки
(ЖРД или РДТТ).

Хорошим примером реализации такой схемы является посадка на поверхность Марса в 1985 году американского аппарата "Viking". Наиболее близкими к нему российскими проектами являются "5М" (парашютный вариант), "Заря" и "Сигма".