Роль испытаний в оптимизации процесса проектирования изделий ракетно-космической техники

Процесс проектирования изделий ракетно-космической техники (РКТ) представляет собой слож­ный итеративный процесс, состоящий из ряда последовательных этапов. На каждом этапе проектирования одновременно с теорети­ческими расчётами проводятся разнообразные экс­периментальные исследования и испытания. Все эти испытания, несмотря на свой разнородный характер, неразрывно связаны с про­цессом проектирования, так как направлены на достижение единой цели, заключающейся в улучшении характеристик проектируемого изделия.

При разработке систем ракетной техники процесс проектирова­ния состоит обычно из следующих основных взаимосвязанных меж­ду собой пяти этапов (рис.1): этапа тактико-технических требований, этапа эскизного проектирования, этапа технического проектирова­ния, этапа разработки опытных образцов и этапа разработки серийных изделий. Рассмотрим и проанализируем основные закономерности, свойственные процессу проектиро­вания, а также роль испытаний в оптимизации параметров изделий ракетно-космической техники.

На этапе разработки тактико-технических требований проводится экономическое обоснование целесооб­разности разрабатываемых изделий РКТ или их отдельных систем, опреде­ление основных тактико-технических требований, габаритных и мас­совых характеристик проектируемых систем. Определяются также частные критерии эффективности систем. Обычно эти критерии имеют вид рабочих характеристик: это устойчивость, точность, ве­роятность попадания и т. п.

На этапе эскизного проектирования, исходя из сформулированных общих требований к системам, определяются их структура, технические характеристики комплектующих элемен­тов и производится компоновка систем. Синтез систем на этом эта­пе начинается в условиях большой неопределенности и проводится на основе упрощенной идеализированной математической модели, построенной на основании опыта, накопленного при проектировании аналогичных систем, и эрудиции специалистов, участвующих в про­ектировании. Большое значение на начальных стадиях этого этапа имеют приближенные аналитические методы, позволяющие анали­зировать влияние основных параметров систем на поведение изделия РКТ в целом, не прибегая каждый раз к решению всей совокупности уравнений, определяющих изделие РКТ.

Определенные аналитическим путем основные параметры си­стем являются существенно приближенными и требуют своего даль­нейшего уточнения.

Первое уточнение значений параметров систем проводится пу­тем испытаний математическим моделированием на аналоговых моделях и цифровых вычислительных машинах при возможно более полном учете реальных характеристик изделий РКТ. Однако математическая модель, используемая для моделирования, также является упро­щенной, так как может учесть лишь априорно известные связи, дей­ствующие в изделии РКТ.

Учесть связи, обусловленные реальными характеристиками комплектующих элементов и действующими на изделие РКТ возмущениями, естественно, такая модель не может, так как реальные элементы еще не изготовлены, а испытания по определению реальных возму­щений не проведены.

На этапе технического проектирования по тре­бованиям эскизного проекта производится разработка технической документации, необходимой для изготовления экспериментальных образцов элементов систем и макета систем для проведения лабо­раторных и стендовых испытаний. Целью испытаний является опре­деление реальных характеристик элементов систем и всего изделия в целом в имитируемых условиях эксплуатации. По результатам испытаний проводится уточнение математической модели изделия и его повторное математическое или полунатурное моделирование. Одна­ко вследствие того, что при лабораторных и стендовых испытаниях воспроизвести полностью условия реальной эксплуатации не пред­ставляется возможным, параметры систем, определенные на этом этапе, также являются приближенными.

На этапе разработки опытных образцов по скорректированной технической документации производится изготовление опытной партии изделий для проведения летных испытаний. Целью испыта­ний является проверка правильности функционирования систем в реальных условиях эксплуатации. По результатам испытаний про­водится корректировка параметров систем и уточнение технической документации для изготовления серийных образцов.

На этапе разработки серийных образцов изго­товляется партия серийных образцов, и проводятся их летные испы­тания. Целью испытаний является определение соответствия харак­теристик серийно изготовленных образцов заданным требованиям и необходимая корректировка параметров, обусловленная техноло­гией серийного производства. В результате производится оконча­тельная корректировка технической документации и принимается решение о возможности постановки образца на серийное производ­ство.

Таким, образом, испытания не являются каким-то изолированным процессом, а неразрывно связаны с процессом проектирования и представляют одну из неотъемлемых и важнейших его фаз. При этом по мере повышения требований к тактическим характеристикам ракетно-космической техники роль испытаний в процессе проектирования стано­вится все более значительной. Известно, что при разработке современных ракет-носителей примерно до 40% всех возникающих в процессе проектирования проблем решается при помощи испытаний. Это приводит к тому, что стоимость испытаний по отношению ко всем затратам на проектирование и изготовление систем неуклонно воз­растает.

Приведенные данные наглядно свидетельствуют о том, что ос­новным фактором, определяющим стоимость и, что самое главное, сроки разработки проектируемых изделий РКТ, являются испытания. Поэто­му задача сокращения сроков разработки и стоимости проектируе­мых изделий РКТ в основном сводится к задаче оптимального планирования испытаний, т. е. к задаче определения оптимального объема, со­держания и последовательности испытаний.

Так как системы ракетно-космической техники в процессе про­ектирования и разработки проходят всю гамму возможных испыта­ний от простейших контрольных до наиболее сложных стендовых и, наконец, летных испытаний, то планирование должно быть комп­лексным, т. е. охватывать весь цикл испытаний, проводящихся на всех этапах конструктивной разработки системы.

В результате комплексного планирования представляется возмож­ным произвести рациональное разбиение общей программы испы­таний на частные программы, определить цели и объем частных испытаний, установить критерии законченности их и готовности изделия РКТ для перехода к высшим уровням испытаний.

В математической постановке планирование испытаний, т. е. со­ставление комплексной программы экспериментальной отработки, сводится к задаче оптимального синтеза процесса испытаний. Решение задачи представляет собой трудную проблему, так как процесс испытаний образцов ракетно-космической техники является сложным комплексным процессом, объединяющим большое количество разнородных испытаний. При этом цели испытаний, проходящих на различных этапах разработки системы, бывают часто противоречивы, а собираемая информация — разнородна.

Перечисленные особенности процесса испытаний характерны для категории сложных систем и предопределяют использование для синтеза процесса испытаний системотехнического подхода.

Наиболее рациональными методами, пригодными для синтеза таких процессов, являются методы анализа проблемы сложности, развитие в общей теории систем и базирующиеся на иерархическом подходе.

Использование иерархического подхода целесообразно потому, что это — наиболее естественный подход, отображающий объектив­ное свойство иерархической упорядоченности сложных систем, т.е. возможности разделения всякой сложной системы на ряд подси­стем, блоков, элементов.

Так как процесс испытаний органически связан с процессом проектирования, то естественно для процесса испытаний принять ту же декомпозицию, что и для самого проектируемого изделия РКТ. В этом случае комплексная программа экспериментальной отработки ракетно-космической техники иерархически разде­ляется на частные программы соответственно подсистем, блоков и элементов.

Для ракетно-космической техники можно отметить еще одну характерную особенность иерархической структуры испытаний. Эта особенность заключается в том, что программу испытаний можно представить состоящей из двух частей: программ наземной и летной отработки. Наземная отработка объединяет весь цикл наземных испытаний, проводящихся на всех уровнях иерархии от элемента до комплексной системы. Летные испытания, являю­щиеся завершающим этапом отработки, естественно, проводятся только лишь на высших уровнях испытаний.

Определение объема наземных и летных испытаний должно быть проведено таким образом, чтобы вся комплексная программа в це­лом обладала бы оптимальными свойствами, т.е. обеспечивала отработку изделия РКТ с наилучшими качествами при наименьших затратах средств и времени.

При проведении комплексного планирования испытаний необ­ходимо учитывать специфические задачи каждого уровня испыта­ний и планирование производить так, чтобы испытания различных уровней не дублировали бы друг друга.

Специфические задачи различных уровней иерархии испытаний, сложившиеся в практике проектирования ракетно-космических систем приведены в табл. 1.

Таблица 1

Проведем краткий анализ специфики испытаний на различных уровнях разработки ракетно-космической техники и определим их достоинства и недостатки.

Основным преимуществом испытаний на низших уровнях иерар­хии, т.е. в составе компонент, является простота обнаружения де­фекта, обусловленная возможностью использования различных методов активного эксперимента, т.е. использования специальных пробных воздействий, позволяющих наиболее быстро и точно по­лучать оценки интересующих нас характеристик. Кроме того, здесь появляется возможность более глубокой проверки компоненты не только на действие отдельных факторов, но также при опреде­ленной последовательности и взаимодействии за счет использова­ния полного факторного эксперимента и его дробных реплик. Это является важным обстоятельством для гарантии качества функцио­нирования и надежности.

Испытательное оборудование и измерительная аппаратура при испытаниях на низших уровнях обычно наиболее простые и деше­вые. Однако для гарантии качества и надежности ракетно-космической техники испытаний в составе компонент недостаточно, так как при этих испытаниях не представляется возможным оценить взаимодействие и влияние отдельных компонент на качество функционирования всей системы в целом. Отсюда вытекает необходимость проведения испытаний в составе комплексных систем.

Основными достоинствами испытаний в составе систем является возможность оценки взаимодействия отдельных компонент и опре­деления характеристик изделия РКТ в целом. Недостатком испытаний явля­ется сложность, а в ряде случаев и невозможность определения отказавшей компоненты и ограниченная возможность проверки качества функционирования изделия при совместном действии различ­ных внешних факторов, обусловленная большой стоимостью и слож­ностью испытательного оборудования.

Большая сложность систем, характерная для высших уровней иерархии испытаний, препятствует постановке активного экспери­мента. На этих уровнях иерархии основным видом эксперимента является пассивный эксперимент, при котором оценки характери­стик системы определяются по ее реакции на реальные воздействия.

Сопоставление основных достоинств и недостатков испытаний на уровне отдельных компонент и в составе системы приведено в табл. 2.

Таблица 2

При разработке комплексной программы экспериментальной отработки должна быть учтена специфика каждого уровня испытаний и проведено рацио­нальное распределение общего объема испытаний между различ­ными уровнями испытаний.

В настоящее время идеология составления комплексных про­грамм экспериментальной отработки РКТ развивается в направлении увеличения объе­ма наземных и сокращения объема летных испытаний. Основным требованием при этом является повышение достоверности ин­формации о характеристиках изделия и его систем, получаемой на раз­личных уровнях иерархии наземных испытаний, проводящихся в имитируемых условиях реальной эксплуатации.

При повышении требований к ракетно-космической техники и связанным с этим увеличе­нием их технической сложности задача составления эффективной комплексной программы экспериментальной отработки становится все более трудной. Трудно проверить все возможные комбинации логических состоя­ний, большое количество схем и ситуаций в условиях, наиболее близких к реальным. Поэтому в настоящее время принято считать, что наибольшую эффективность испытаний может обеспечить программа, предусматривающая проверку важнейших характеристик изделия РКТ при крайних пределах внешних нагрузок на самых низких уровнях иерархии испытаний.

Литература:

1. Летные испытания ракет и космических аппаратов: Учебное пособие для технических вузов / Е.И. Кринецкий, Л.Н. Александровская, А.В. Шаронов, А.С. Голубков; Под ред. Е.И. Кринецкого. — М.: Машиностроение, 1979. – 464 с.

2. Экспериментальная отработка космических летательных аппаратов/ В.А. Афанасьев, B.C. Барсуков, М.Я. Гофин, Ю.В. Захаров, А.Н. Стрельченко, Н.П. Шалунов; Под редакцией Н.В. Холодкова. — М.: Изд-во МАИ, 1994. — 412 с.

3. http://aerospace.org/