2020-06-29
108
Рассмотрим задачу синтеза облика перспективных средств выведения на примере баллистического проектирования всеазимутальной РН. В соответствии с выбранным методическим подходом декомпозируем процесс баллистического обоснования системы на ряд связанных между собой проектных задач (этапов).
Первым этапом является качественный анализ альтернативных концепций и синтез исходного варианта системы. На этом этапе работ, руководствуясь имеющейся информацией, определяются возможные пути и методы создания всеазимутальной РН и ее ключевых элементов, проводится качественная оценка альтернативных концепций построения системы с точки зрения баллистики, аэродинамики, конструкции, технологии и эксплуатации.
После анализа их достоинств и недостатков отбраковываются варианты, неперспективные по тем или иным причинам: большой технический риск, отсутствие явных преимуществ, чрезмерная стоимость. Оставшиеся концепции подвергаются углубленному анализу, по результатам которого выбирается наилучший (с позиций применяемых в процессе сравнительного анализа, качественных и количественных критериев) вариант, используемый для дальнейших исследований.
|
|
|
Примером концептуального выбора является рассмотренный выше анализ способов и средств возвращения РБ первой ступени. На последующих этапах работы в процессе детализации проекта аналогичные операции осуществляется на уровне систем и подсистем исследуемого ЛА, например, в процессе обоснования аэродинамической схемы КРБ или его двигательной установки.
Проводимые на первом этапе работы являются, по существу, реализацией метода экспертных оценок. Собственно, по результатам этих оценок и должен определится наиболее перспективный исходный вариант облика всеазимутальной РН, именуемый также «вариантом нулевого приближения».
Дальнейшая работа над выбранным вариантом проекта требует формализации описания его облика, характеризуемого векторами проектно-баллистических параметров, управления, ограничений и начальных условий. С этой целью проводится декомпозиция объекта исследований (всеазимутальной РН) на структурные составляющие: ступени, системы и агрегаты. На этом этапе работы над проектом в первом приближении определяются или уточняются:
-структурные и функциональные схемы РН и ее составных элементов;
-эксплуатационные режимы полета на различных участках траектории, характеризуемые диапазонами высот, чисел Маха, углов атаки и крена;
-аэродинамическая и конструктивно-компоновочная схемы ступеней и всеазимутальной РН в целом, определяющиеся, например, для КРБ взаимным расположением и геометрическими параметрами крыла, оперения, отсеков корпуса, двигательной установки, шасси и других систем и агрегатов;
|
|
|
-массово-центровочные и аэродинамические характеристики, отделяющихся частей, ступеней и РН в целом;
-режимы работы и эксплуатационные (высотно-скоростные) характеристики ДУ;
-программы управления, полетные ограничения и граничные условия.
Формализованное описание, дающее представление об облике и принципах функционирования исходного варианта системы, является исходными данными для проведения следующего этапа работ - согласования основных проектно-баллистических параметров и программ управления и формирования базового варианта.
Процесс согласования основных проектно-баллистических параметров и программ управления и формирование базового варианта осуществляется путем последовательно-итеративного моделирования отдельных участков полета, представляющих в совокупности сценарий штатного режима эксплуатации системы, в данном случае - запуска всеазимутальной РН на опорную орбиту, включающего участки выведения первой и второй ступеней, пассивного участка полета головного обтекателя и участка автономного возвращения КРБ в район старта и его посадки.
По результатам моделирования:
-уточняется аэродинамическая схема и компоновка ЛА с целью выполнения заданного комплекса требований и ограничений, а также определяются соответствующие им программы управления;
-определяются фактические нагрузки на конструкцию ЛА и оцениваются его управляемость и устойчивость, в соответствии с которыми уточняется весовая сводка РН и ее ступеней, в том числе величины рабочих запасов топлива и газов;
-путем решения краевых задач последовательно уточняются и согласовываются составляющие исходных вариантов векторов проектно-баллистических параметров, управления и ограничений;
-рассчитываются основные ЛТХ, под которыми, в первую очередь, понимаются энергетические характеристики РН.
Результатом второго этапа работ является формирование «летающего» варианта РН, имеющей согласованные проектно-баллистические параметры и программы управления, удовлетворяющие комплексу требований, которые предусматривают:
-наличие запасов топлива и тяговооруженности ДУ на ступенях, достаточных для выполнения заданной программы полета;
-соответствие аэродинамических и массово-центровочных характеристик ЛА его внешним обводам и суммарной массе отдельных систем и агрегатов, определенных по формулам весового расчета с учетом действующих на конструкцию фактических нагрузок;
-достаточную эффективность органов управления, в первую очередь аэродинамических поверхностей КРБ, обеспечивающих его балансировку относительно центра масс в процессе отработки программ управления на участке маневра возврата;
-выполнение заданного, по результатам формирования исходного варианта ЛА, комплекса требований и ограничений по полетным и эксплуатационным режимам.
В процессе согласования базового варианта РН, уточнения структурной и функциональной схемы, комплекса расчетных требований и ограничений и накопления информации о его проектно-баллистических параметрах и ЛТХ, производится также разработка критериального базиса и вектора оптимизируемых параметров, используемых на этапе синтеза облика рационального варианта системы.
Согласованный вариант ЛА, полученный в результате проведенного цикла работ, еще не будет являться окончательным техническим решением, а лишь послужит исходным объектом, т.е. базовым вариантом, для выполнения исследований на этапе оптимизации, по результатам которых собственно и должен быть обоснован рациональный вариант синтезируемого ЛА.
|
|
|
Характерной особенностью всеазимутальной РН, принадлежащей к классу сложных технических систем, является практически не ограниченная размерность вектора проектно-баллистических параметров, что в принципе не позволяет решить задачу синтеза облика оптимального варианта РН в строгой постановке. В сложившейся ситуации оптимизационная задача должна решаться как задача синтеза рационального (квазиоптимального) варианта проекта путем его выделения из множества альтернатив, являющихся локально-оптимальными для сформированных совокупностей оптимизируемых проектно-баллистических параметров, программ управления и соответствующих целевых функций (критериев оптимальности).
С этой целью по окончании процесса формирования базового варианта РН производится выбор из вектора проектно-баллистических параметров X составляющих, подлежащих оптимизации, и формирующих вектор оптимизируемых параметров 
размерности j. В связи с ограниченностью времени и ресурсов, выделенных на процесс оптимизации, рациональная размерность вектора оптимизируемых параметров не превышает, как правило, 15-20. Выбор наиболее значимых составляющих, включенных в указанный вектор, осуществляется на основе анализа требований к уровню проработки проекта, а также имеющейся априорной информации о степени влияния отдельных систем РН и, соответственно, характеризующих их параметров, на изменение выбранной целевой функции. Оставшиеся составляющие группируются в вектор базовых (не оптимизируемых на текущей стадии работы параметров 
.
Помимо вектора оптимизируемых проектно-баллистических параметров, формируется также вектор оптимизируемых программ управления 
размерности i и, необходимый для решения оптимизационных задач, критериальный базис. Типовая структура последнего, приведенная в табл.2.1, представляет собой ранжированную, по уровню значимости 
в соответствии со структурной схемой синтезируемого ЛА, совокупность частных и общих критериев оценки оптимальности проектных решений 
.
|
|
|
В процессе оптимизации проекта размерность векторов 
изменяется в пределах 
. Таким образом, результатом итеративного, состоящего из k стадий процесса синтеза облика всеазимутальной РН, является формирование путем последовательного решения ряда однокритериальных задач, с использованием частных и общих критериев оптимальности 
, цепочки описаний ее вариантов с последовательно возрастающим уровнем оптимальности от базового (согласованного, но не оптимизированного) 
до рационального (квазиоптимального) 
:
(2.4)
.
Функционально этап оптимизации включает в себя значительную часть работ выполняемых на предыдущих этапах баллистического проектирования, поскольку любое изменение базового варианта ЛА, происходящее в процессе его оптимизации, потребует повторного согласования основных проектно-баллистических параметров и программ управления, а в случае невозможности получения приемлемого проектного решения или удовлетворения заданному комплексу требований и ограничений, – замене концепции, заложенной в исходный вариант синтезируемого ЛА или постановки вопроса по уточнению ТТЗ, которое производится совместно представителями Заказчика и Разработчика на основе анализа информации, полученной в процессе выполненного цикла работ.
Таким образом, задача структурного и параметрического синтеза рационального варианта всеазимутальной РН с заданными качественными и количественными характеристиками, является сложным и многоэтапным процессом в основе которого лежит декомпозиция объекта исследований, функциональный анализ его структуры и синтез базирующийся на результатах многокритериальной оптимизации основных компонент создаваемой системы.
Процесс синтеза предполагает собой поэтапный переход «от частного к общему» т.е. от оптимизации отдельных участков полета или подсистем РН с использованием критериев, находящихся на нижних уровнях критериального базиса, к оптимизации параметров ступеней РН путем моделирования их полета «по полной схеме» с использованием критериев более высокого уровня, завершающийся оптимизацией проекта РН в целом с применением обобщенных критериев оптимальности, позволяющих оценить ее эффективность как транспортного средства. Результатом синтеза является формирование из множества альтернатив рационального варианта проекта создаваемой системы.
Процесс анализа предусматривает итерационный возврат к исследованию отдельных подсистем, агрегатов или этапов полета, проводимого с целью расчета, проектно-баллистических характеристик и основных ЛТХ, функций влияния (проектно-баллистических производных), согласования составляющих вектора проектно-баллистических параметров и программ управления, а также оценки устойчивости полученного решения. При этом в процессе моделирования выбранного участка полета в первую очередь исследуются и оптимизируются параметры «работающей» системы. Например, на участке крейсерского полета КРБ первой ступени таковыми является параметры ВРДУ и взлетно-посадочной механизации, на участке маневра возврата – параметры несущих поверхностей КРБ.
Следовательно, каждое решение оптимизационной задачи, завершившееся синтезом очередного варианта проекта, будет подвергаться всестороннему анализу с целью получения дополнительной информации, необходимой для принятия решения о синтезе нового варианта системы с улучшенными характеристиками.
Инструментом, решающим проблему информационного взаимодействия Разработчика системы с объектом исследований в процессе анализа и синтеза его облика является диалоговая проблемно-ориентированная САПР, служащая средством для реализации новых информационных технологий в области проектной баллистики всеазимутальной РН и обеспечивающая получение, переработку и анализ необходимой информации путем решения совокупности проектных задач, достаточной для достижения целей, решаемых на этапе ее баллистическогопроектирования.
