СЛОЖНЫЕ (БОЛЬШИЕ) СИСТЕМЫ, ИХ ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА

ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ НА ПРОЕКТИРОВАНИЕ

 

Формирование целей, для достижения которых будет использоваться ЛА, обоснование необходимости новой разработки осуществляются на основе анализа и предсказания изменений во внешней среде - естествен­ной, т.е. в природе, и искусственной, т.е. созданной руками человека, -и последствий (экологических, политических, технических), к которым приведут разработка проекта, производство ЛА и его функционирова­ние. Эта работа (иногда ее называют внешним проектированием) ведется совместно организациями заказчика и разработчика, например в гражданской авиации авиакомпанией, которая намерена эксплуатировать новый самолет, и Государственным научно-исследовательским институтом гражданской авиации (заказчик) совместно с опытным конструкторским бюро (разработчик). В результате определяются потребные летно-технические характеристики (ЛТХ), технологические, эксплуатационные и другие требования к ЛА, выбираются критерии (показатели) эффективности выполнения ЛА поставленной задачи и формируется техническое задание (ТЗ) на проект ЛА.

Рассматривая в самом общем виде задачу, решаемую с помощью ЛА, как транспортную операцию, ТЗ на проектирование ЛА можно представить следующим образом.

Необходимо спроектировать ЛА, который способен заданную полезную нагрузку в определенных условиях комфорта и обслуживания при заданных условиях эксплуатации и применения доставить за определенное время на определенное расстояние с заданными критериями (показателями) эффективности выполняемой транспортной операции.

 

Очевидно, что приведенную выше общую формулировку задания на проектирование можно отнести к различным ЛА: и к самым современ­ным самолетам, и к самолетам, созданным на заре развития авиации. Очевидно и то, что современные самолеты существенно отличаются не только от самых первых самолетов, но и от самолетов десяти-, двадцати­летней давности. Изменились не только внешний облик и размеры самолета, что весьма важно. Изменились его силовая установка, система управления, электрооборудование и другие системы. На борту самолета появились принципиально новые системы, например бортовая ЭВМ, система автоматического пилотирования и т.д. Изменились и конструк­ция самолета, и технология его изготовления. Усложнение решаемых задач и, как следствие, увеличение сложности и стоимости проектирова­ния, изготовления и эксплуатации ЛА, насыщенность разнообразными сложными системами и оборудованием, широкое применение новых материалов, конструктивно-технологических решений, высокая трудоемкость изготовления, увеличение времени полного цикла создания - эти тенденции характерны для всех типов ЛА. И хотя целью проектирования всегда является создание проекта ЛА, изменились подход к проектированию, его методология.

Разработка (синтез) проекта ведется в настоящее время методом моделирования. Разрабатывается ряд частных моделей (логических, физических, математических, графических и др.), которые описывают (отражают) отдельные свойства ЛА (функциональные, аэродинамические, прочностные, весовые и др.). Используя достаточно большое число таких взаимосвязанных моделей, можно весьма точно описать ЛА, отразить всю совокупность его свойств.

Одним из частных, но прогрессивных подходов к описанию свойств объекта является системный подход, при котором объект исследования описывают как систему, описывают его системные свойства.

Система (греч. systеma - целое, составленное из частей, соединение), или системный объект, - это обладающий определенной завершенностью, целостностью объект (например, самолет), состоящий из взаимосвязанных элементов, отличающийся от окружающей его внешней среды и взаимо­действующий с ней (взлетает и садится на взлетно-посадочную полосу аэродрома- взаимодействие с искусственной внешней средой, совершает полет в атмосфере - взаимодействие с естественной внешней средой). Системный объект в наиболее общем виде обладает следующими свойствами.

1. Объект создается ради определенной цели и в процессе достижения
этой цели функционирует и развивается (изменяется).

Так, для нового пассажирского самолета целью разработки и постройки может являться более комфортабельная, безопасная и экономически выгодная (по сравнению с существующими самолетами) перевозка пассажиров. В процессе функционирования (эксплуатации, например, в течение 60 000 летных часов за 20 лет полетов) самолет ремонтируется, оснащается новыми оборудованием и системами.

2. В составе системного объекта имеется источник энергии и
материалов для его функционирования и развития.

Двигатели и запас топлива на борту самолета обеспечивают возможность полета, наземные службы, например аэродромные, проводят наземное обслуживание и подготавливают самолет к полету, система управления воздушным движением обеспечивает навигацию, ремонтные службы - ремонт и оснащение самолета новыми оборудовани­ем и системами.

3. Системный объект — управляемая система. Для управления
системным объектом используется информация о его собственном
состоянии и о состоянии внешней среды и моделируется поведение объекта во внешней среде.

В процессе полета летчик (или автоматическая система управления) изменяет траекторию движения самолета на основании информации о положении самолета в пространстве, о работе всех его бортовых систем и в соответствии с указаниями службы управления воздушным движением.

4.Объект состоит из взаимосвязанных компонентов, выполняющих определенные функции в его составе.

5.Свойства системного объекта не исчерпываются суммой свойств его компонентов (свойство эмерджентности).

Все компоненты ЛА при их совместном функционировании обеспечивают новое свойство, которым не обладает в отдельности ни один из них, - возможность управляемого полета.

Системный подход предполагает, что компоненты ЛА также могут рассматриваться как системы. С другой стороны, сам ЛА является компонентом системы более высокого уровня. Например, пассажирский самолет является компонентом транспортной системы страны) включаю­щей в себя авиационный, железнодорожный и другие виды транспорта. Следовательно, существует иерархия (от греч. hieros - священный и arche- власть) систем, т.е. расположение частей или элементов целого в порядке от высшего к низшему ("пирамида" систем).

Таким образом, проект ЛА объединяет частные, взаимоувязанные, взаимообусловленные модели. Он отражает большое число параметров и связей между ними, весьма сложных для формализованного описания (т.е. описания с помощью последовательности взаимосвязанных формул). В этом смысле о проекте ЛА можно говорить как о большой, сложной модели, которая отражает все свойства будущего реального ЛА и, как правило, представляет собой ряд зависимостей между целями проектиро­вания, возможными средствами их достижения, окружающей средой и ресурсами. Средства достижения целей проектирования - это возможные варианты проектных решений - альтернативы (франц. alternative от лат. alter - один из двух).

Для выбора из ряда альтернативных вариантов некоторого проектного решения определяют критерий выбора - некоторый показатель, обобщенно характеризующий степень достижения поставлен­ной цели тем или иным вариантом проекта. В качестве обобщенного критерия для выбора рационального варианта и для оптимизации его параметров обычно используют показатель эффективность - стоимость, отражающий соотношение между эффективностью решения поставлен­ной задачи и суммарными затратами на ее решение (стоимостью данного варианта). Задача может быть сформулирована двояко:

1)обеспечить максимальную эффективность системы при заданных затратах;

2)обеспечить минимальную стоимость системы при заданном уровне эффективности.

Таким образом, на всех стадиях проектирования, изготовления и эксплуатации ЛА можно рассматривать как систему, как совокупность взаимосвязанных управляемых компонентов (подсистем), объединенных общей целью функционирования для решения заданной проблемы в некотором диапазоне условий. Именно с этих позиций мы должны рассматривать летательные аппараты и отдельные их компоненты.

Поскольку всякая система взаимодействует с внешней средой, то любые изменения внешней среды влияют на систему и в то же время свойства внешней среды изменяются в результате работы системы. Внешняя среда (естественная и искусственная), в которой существует и функционирует ЛА, является динамической системой (ее параметры изменяются во времени). Следовательно, проектируя ЛА на достаточно длительный период эксплуатации, мы должны не только учитывать сегодняшнее состояние внешней среды, но и уметь прогнозировать ее изменения. Прогноз должен учитывать изменения внешней среды, вызванные функционированием создаваемого ЛА и других систем, не только в техническом, но и в экологическом, социально-политическом и других аспектах.

Поскольку всякая система состоит из взаимосвязанных компонентов и представляет определенную целостность, то изменение параметров любого из компонентов системы вызывает изменение работы системы и ее выходных параметров. Следовательно, при проектировании ЛА необходимо предусмотреть возможные отказы (нарушения работоспо­собности) систем и агрегатов ЛА и обеспечить либо возможность передачи функций отказавшей системы или агрегата другой системе или агрегату ЛА, либо резервирование (от лат. reserve - сберегаю, сохраняю) систем и агрегатов. Простейшим видом резервирования является дублирование (от франц. doubter - удваивать), при котором наряду с основной системой имеется еще одна (резервная), включаемая в работу при отказе основной системы.

К сожалению, наши прогнозы на будущее не являются абсолютно точными. Поэтому при проектировании необходимо предусмотреть возможность различных модификаций (от позднелатинского modifico - видоизменяю, меняю форму), т.е. принципиальных изменений систем и ЛА в целом, если произойдут непредусмотренные изменения внешней среды.

В соответствии с существующей иерархией систем при проектирова­нии мы должны рассматривать ЛА как часть системы высшего уровня (авиационного или ракетно-космического комплекса) и выбирать параметры ЛАтак, чтобы они обеспечивали оптимальное функциониро­вание этой системы (комплекса). Поэтому критерием оценки системы должен являться ее показатель, обеспечивающий оптимальность вышестоящей системы.

Таким образом, можно считать, что проектирование с системных позиций (системное проектирование) — это проектирование части целого как элемента целого.

 

 

1.3. ЛЕТАТЕЛЬНЫЙ АППАРАТ - ГЛАВНЫЙ ЭЛЕМЕНТ АВИАЦИОННОГО И РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСОВ

 

На начальном этапе развития авиации основными критериями оценки качества проекта самолета или непосредственно самолета, находящегося в эксплуатации, являлись его высокие летные характеристики. Такие критерии, позволяющие оценить главное достоинство самолета -способность летать, являются абсолютно верными и правомочными. Однако если самолет с высокими летными данными для своего базирования требовал длинных взлетно-посадочных полос (ВПП), он мог эксплуатироваться с ограниченного числа аэродромов; если самолет требовал сложной и длительной подготовки к полету, он больше простаивал на аэродроме, чем летал. Это потребовало от конструкторов иного подхода к оценке качества самолета. Необходимо оценивать не только летные характеристики самолета, но и условия его эксплуатации. Отсюда-системный подход к проектированию ЛА: при проектировании рассматривается не только ЛА, но и весь комплекс, обеспечивающий выполнение поставленной задачи. В данном случае комплекс (от лат. complexus- связь, сочетание) - минимально необходимый состав средств и служб, совместная работа которых позволяет выполнить поставленную задачу.

Авиационный комплекс (АК) - совокупность объектов, элементов и устройств, совместная работа которых обеспечивает выполнение определенного задания в заданных условиях самолетом данного типа. Укрупненный состав авиационного комплекса представлен на рис. 1.1. В него входят парк самолетов, вспомогательные и подготовительные средства.

Парк самолетов - совокупность самолетов разных типов, спроектиро­ванных и построенных для выполнения определенной задачи. Классифи­кация самолетов по назначению представлена на рис. 1.2. Вероятно, что появление новых задач, которые можно решить с помощью самолетов, потребует создания самолета нового типа.

Вспомогательные средства (аэродром и комплекс средств управления полетом) обеспечивают базирование самолета на земле и его точную навигацию в полете.

АВИАЦИОННЫЙ парк КОМПЛЕКС

Рис. 1.1. Укрупненный состав авиационного комплекса

 

 

САМОЛЕТЫ	ЗАДАЧИ, РЕШАЕМЫЕ С ПОМОЩЬЮ САМОЛЕТОВ ( классификационный признак)
Пассажирские		Перевозка пассажиров
Транспортные		Транспортировка груза
Учебные		Обучение летного состава
Экспериментальные		Проведение летных экспериментов
Сельскохозяйственные	Обработка сельскохозяйственных угодий
Военные		Обеспечение обороноспособности страны
Спортивные		Занятие авиационным спортом
Санитарные			Оказание срочной медицинской помощи
Геологоразведочные		Воздушная разведка недр

Подготовительные средства (парк машин, механизмов и устройств) обеспечивают техническое обслуживание самолета на земле, его подготовку к полету, контроль технического состояния самолета и всех его систем.

Состав ракетно-космического комплекса (РКК), обеспечивающего на базе ракет-носителей (РН) полет ЛА по траектории искусственного спутника Земли (ИСЗ).

Стартовый ракетный комплекс 1 обеспечивает наземную подготовку и старт РН, выводящей на орбиту ИСЗ 2 полезную нагрузку 3, например многоразовый воздушно-космический самолет (МВКС). После завершения полета МВКС садится на посадочную полосу стартового комплекса, который осуществляет и командно-информационное обеспечение запуска. Центр управления полетом (ЦУП) 6 с помощью наземных станций 5, кораблей слежения 7 и спутников связи 4 осуще­ствляет командно-информационное обеспечение полета ЛА на орбите, координацию действий стартового комплекса и поисково-спасательных служб, обеспечивающих посадку ЛА.

ЛА - главный элемент АК или РКК, без него в принципе невозможно выполнение задач, связанных с полетом в воздушном или космическом пространстве. Тем не менее проектирование ЛА с системных позиций обязывает рассматривать не только то, каким образом параметры и характеристики ЛА определяют параметры и характеристики вспомога­тельных и подготовительных средств АК или РКК, но и то, каким образом параметры и характеристики этих средств определяют параметры и характеристики ЛА.

Рассматривая ЛА с достаточно общих системных позиций, необходи­мо помнить, что он предназначен для совершения полета. И этим прежде всего определяются его облик (общий вид), компоновка (взаимное расположение различных элементов и систем, от лат. сотропо - составляю) и конструкция (от лат. constructio - составление, построение).