Глава 2. Критерии совершенства и САПР ЛА

Стр 1 из 3Следующая ⇒

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение

Высшего профессионального образования

“МАТИ” – Российский государственный технологический университет им. К.Э. Циолковского

_____________________________________________________________________

Кафедра “Двигатели летательных аппаратов и теплотехника”

Утверждено

Учебно-методической

Комиссией факультета «АККиТ»

Ярославцев Н.Л.

ОСНОВЫ КОНСТРУИРОВАНИЯ РАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Москва 2008г

ББК 39.65-02я73

УДК 621.424.2.018(0.75.8)

Ярославцев Н.Л.

Основы конструирования ракетных двигателей/Ярославцев Н.Л. – М.: «МАТИ» - РГТУ им. К.Э.Циолковского,2008.

Проанализированы классификация, характеристики и схемы ракетных двигателей. Рассмотрены основные этапы проектирования ракетных двигателей, критерии совершенства летательных аппаратов и САПР РД. Приведена методика и алгоритм разработки конструктивного оформления основных систем жидкостного ракетного двигателя.

Для студентов высших учебных заведений, специализирующихся в области проектирования ракетных двигателей.

ISBN-5-230-21212-8

Ярославцев Н.Л.

“МАТИ” – Российский

Государственный

Технологический

Университет

Им. К.Э. Циолковского

Введение

Степень совершенства теоретических методов проектирования двигателей в значительной мере определяет точность результатов прогнозирования параметров рабочего процесса, энергомассовых геометрических характеристик и надежности создаваемых двигателей. Отсюда понятна необходимость и актуальность постоянного развития, совершенствования и систематизации научно-методического обеспечения проектных работ в области двигателестроения.

Теория проектирования двигателей – комплексное научное направление, базирующееся на многих разделах общей механики. В этом смысле её развитие определяется уровнем развития прежде всего таких научных направлений, как газодинамика, теплофизика, тепломассообмен, прочность и пр. За последнее десятилетие опубликован ряд книг, в которых решаются частные проблемы внутрикамерных процессов, теории горения, внутренней баллистики, теории надежности и др. В то же время в отечественной и зарубежной литературе существует пробел в освещении и решении принципиальных вопросов развития теории проектирования на современном этапе с использованием ЭВМ (машинное проектирование).

Использование быстродействующих ЭВМ позволило применять более сложные математические модели, построенные по комплексному критерию, и автоматизировать процесс поиска нужных решений, переложив на ЭВМ большую часть работы по формированию и сравнению вариантов.

Глава 1. Основы проектирования летательных аппаратов (ЛА)

1.1 Общие сведения о двигательных установках и основные этапы их создания

Двигательная установка (ДУ) – это совокупность устройств, обеспечивающих функционирование двигателя на борту ЛА. Она включает в себя устройства входа и выхода, топливную систему, систему регулирования тяги по величине и направлению, узлы крепления и двигатель.

Двигательная установка создается, как правило, для определённого типа ЛА, имеющего заданное индивидуальное целевое назначение, она существенно влияет на облик всего ЛА, т.е. на его конструктивную и аэродинамическую схему. Поэтому процесс создания (проектирования) ДУ неотделим от общего проектирования ЛА, в котором ДУ рассматриваются как часть единого целого – летательного аппарата.

Схема и облик ДУ определяются типом двигателя. По типу двигателя классифицируют и всю ДУ. Согласно такой классификации различают: ДУ с ракетными двигателями, ДУ с воздушно-реактивными двигателями, ДУ с гидрореактивными двигателями.

Рассмотрим основные свойства указанных типов двигателей и области применения ДУ на их основе.

В ракетных двигателях (РД) рабочим телом являются продукты сгорания топлива, состоящего из горючего и окислителя, которые полностью размещаются на борту ЛА. Благодаря этому РД могут создавать силу тяги в любой среде – воздушной, водной, в космосе, что исключается для других типов двигателей. К РД, создающим тягу за счёт химических реакций горения топлива в камере сгорания, относятся РДТТ, ЖРД и гибридные ракетные двигатели, использующие тягу за счёт нехимических форм энергии: это ядерные, плазменные и ионные двигатели. На автоматических ЛА в основном устанавливаются ДУ с РДТТ и ЖРД.

Двигательные установки с РДТТ наиболее распространены. Это объясняется положительными качествами РДТТ: просто конструкции и высокой надёжностью, что объясняется отсутствием топливных баков, систем подачи и регулирования расхода топлива; способностью создавать большой суммарный импульс тяги за короткое время; возможностью длительного срока хранения в снаряжённом виде и, следовательно, постоянной готовностью к пуску при незначительном времени на его подготовку; удобством в эксплуатации; низкой стоимостью по сравнению с другими типами двигателей. По удельному импульсу тяги – основной энергетической характеристике двигателя – они вплотную подошли к ДУ с ЖРД.

Главными составными частями двигательной установки РДТТ являются: двигатель, система управления работой двигателя (часто объединённая с системой управления вектором тяги), система запуска, система выключения (отсечки тяги) двигателя.

К недостаткам ДУ с РДТТ относятся: меньший, чем у других двигателей, удельный импульс тяги, более сложное регулирование тяги по величине и направлению; трудность осуществления многократного запуска; значительное влияние внешних условий, особенно начальной температуры заряда, на нормальную работу двигателя.

Двигательные установки с ЖРД по своему назначению и принципам создания тяги мало отличаются от ДУ с РДТТ. Различия касаются преимущественно конструкции установки и, как следствие, её количественных характеристик. Основными положительными качествами двигательных установок с ЖРД являются следующие:

возможность более высоких по сравнению с РДТТ удельных импульсов тяги за счёт применения химически более активных топлив, что положительно сказывается на массе двигательной установки и ЛА в целом, особенно при продолжительном времени работы двигателя;

более широкий диапазон регулирования двигателя, возможность многократного включения и выключения;

более простая компоновка двигательной установки на ЛА, отсутствие газоводов, более простая конструктивная реализация устройств управления вектором тяги.

Недостатки установок с ЖРД обычно связывают с низкой эксплуатационной технологичностью. Из-за агрессивности жидкого топлива ЛА с ЖРД имеют ограниченное время хранения в заправленном состоянии, вследствие чего снижается техническая готовность ЛА, возникает необходимость иметь громоздкую систему наземного обеспечения. Техническое обслуживание ЛА с ЖРД более трудоёмко и связано с ограничениями, налагаемыми агрессивностью химических топлив.

Основными конструктивными элементами двигательной установки с ЖРД являются: камера двигателя; топливная система, включающая в себя баки с арматурой, систему подачи топлива и топливные магистрали; системы управления, запуска и остановки (отсечки тяги) двигателя.

Области применения ДУ с ракетными двигателями весьма широкие. Наиболее распространённую группу составляют основные (маршевые) установки, практически используемые на всех классах ЛА военного и народнохозяйского назначения. Другую группу составляют вспомогательные РД: ускорители, сообщающие ЛА большую начальную скорость при его разгоне; тормозные, управляющие (верньерные) двигатели; двигатели

ориентации, стабилизации и коррекции космических ЛА; различные генераторы газа и др.

Двигательные установки с воздушно-реактивными двигателями (ВРД) в отличие от ДУ с ракетными двигателями на борту ЛА имеют сравнительно небольшой запас (порядка 2…6 %) горючего поскольку в качестве основного компонента рабочего тела – окислителя – используется атмосферный воздух. Использование воздуха позволяет уменьшить массу ЛА, повысить его экономичность и топливную эффективность. Наряду с положительным влиянием на эффективность ЛА атмосфера обуславливает ряд негативных явлений: это аэродинамическое сопротивление и нагрев, с одной стороны, и чрезмерное разрежение воздуха на больших высотах, приводящее к ограничениям по подъемной силе, с другой стороны, т.е. возможной для полётов оказывается сравнительно узкая зона высот и скоростей.

ДУ с ВРД включает в себя: двигатель с агрегатами и системами (маслосистема, противообледенительная, охлаждения, контроля работы двигателя и др.); входные и выходные устройства; топливную систему; средства установки и крепления двигателей.

Особенность двигательных установок с ВРД состоит в том, что двигатель конструктивно обособлен от ЛА. Он выполняется в качестве самостоятельного агрегата, часто используемого на нескольких типах ЛА. Согласование характеристик ЛА и двигателя достигается за счёт входных и выходных устройств, топливной системы и системы управления двигателя. Наиболее чувствительным к специфике ЛА устройством являются воздухозаборники, которые можно рассматривать не только как элементы ДУ, но и как часть конструкции планера ЛА.

ВРД разделяются на газотурбинные (компрессорные) и прямоточные (бескомпрессорные) – ГТД и ПВРД. ГТД широко применяют на самых разнообразных атмосферных ЛА; ПВРД предназначаются в основном для сверхзвуковых и гиперзвуковых полётов (зенитные ракеты, самолёты-мишени, системы запуска спутников и др.).

ВРД отдельных типов конструктивно могут быть объединены друг с другом или с ракетными двигателями в единую ДУ. Такие комбинированные ДУ (например, с ракетно - прямоточным двигателем) совмещают в себе положительные качества объединяемых двигателей, позволяя расширить рабочий диапазон ДУ.

В энергетических установках и подводных объектах, работающих в условиях отсутствия атмосферного воздуха, возможно использовать в качестве окислителя окружающую водную среду. Примером таких установок являются гидрореактивные двигатели, в которых вода, протекающая через двигатель, ускоряется в нём с помощью механических или тепловых устройств.

Создание ЛА – это сложный, многогранный процесс, в котором участвуют многие коллективы промышленных предприятий, конструкторских бюро и научных организаций. Центральное место в этом процессе занимает этап проектирования. Так же , как и весь процесс создания ЛА, этап проектирования исключительно многоплановый, мало формализуемый и потому кратко определить его суть и изложить её в виде некого стандартного метода, пожалуй, даже невозможно.

Процесс проектирования – это творческий, неформализуемый процесс, который не описывается конкретным алгоритмом действий. Определённа лишь его целевая сторона – создание проекта ЛА, обеспечивающего выполнение заданных требований.

В создании ЛА следует выделить две стадии. Первая стадия - подготовительная, обычно нерекламируемая; она посвящена созданию задела. Вторая стадия – научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы (НИОКР).

Подготовительная стадия – это период фундаментальных, теоретических исследований в области науки и техники, время, в течении которого изыскиваются и теоретически обосновываются пути решения технической проблемы. На этой стадии генерируются технические идеи, обосновывающие возможность создания нового ЛА. Теоретическое решение проблемы может быть результатом целенаправленных фундаментальных поисков, или вытекать из общей теории в данной узкой области науки. Далее следует период осмысливания результатов теоретических исследований и принятия решений о создании новой техники. В этот период экспериментально проверяется практическая ценность научно-технических решений и открытий, уточняются теоретические предпосылки, анализируется реализуемость новых идей.

Длительность подготовительной стадии в ряде случаев достигает 7-10 и более лет. Затраты рабочего времени и средств здесь сравнительно невелики. Они определяются, с одной стороны, потребностью практики, а с другой – уровнем развития технологий, позволяющих реализовать научное достижение. Практическая ценность результатов некоторых теоретических исследований в ряде случаев бывает ясной с первого дня их получения, но реализация их на практике (даже в экспериментальном виде) не всегда может быть осуществлена из-за недостаточно высокого уровня развития производственных сил. Так, практическая ценность реактивных двигателей была ясна с первых дней их теоретического обоснования. Однако для их внедрения необходимо было иметь новые материалы, более высокий уровень производства и т.д., на решение этих вопросов потребовались значительные затраты времени.

Особенно ответственным является этап принятия решения об опытной разработке нового ЛА. Это решение принимается неизбежно в условиях

неполной информации. Но ошибки тем не менее не должно быть, поскольку от правильной оценки технического предложения, его реализуемости и потребных капиталовложений зависят качество новой техники и сроки её создания. Опыт показывает, что на проведение прикладных исследований, осуществление экспериментов, подтверждающих техническое предложение, необходимо затратить труда и средств в 2-3 раза больше, чем на проведение фундаментальных исследований.

Стадия НИОКР объединяет этапы формирования технического задания (ТЗ), предэскизного проектирования, эскизного проектирования, рабочего проектирования, изготовления и испытаний опытного образца. ( рис. 1.)

Рис.1. Основные стадии НИОКР

ЛА являются наиболее сложными объектами техники. В их создании используется опыт проектирования и эксплуатации ЛА всех предшествующих поколений, последние достижения научно-технического прогресса, результаты труда многих научных и производственных коллективов. Это придаёт этапу проектирования исключительную ответственность, особенно, если учесть, что этот этап предопределяет практически все следующие затраты.

Важность решаемых задач и высокая стоимость ЛА требуют всесторонней апробации принимаемых решений, что достигается благодаря системному подходу к разработке проектов. Практическая реализация системного подхода состоит в проработке проекта ЛА как минимум на трёх уровнях (рис. 2): на уровне комплексов ЛА, собственно ЛА и подсистем ЛА.

Рис.2. Основные этапы создания ЛА

Проектирование комплексов для ЛА является стадией «внешнего» проектирования. Здесь главное – получение исходных количественных данных для формирования технических требований к вновь создаваемым ЛА. Эти данные получают на основе всестороннего исследования целесообразных сфер и способов применения комплексов, возможностей научно-технической и технологической реализации и , что очень важно, затрат на создание парка ЛА и обеспечивающих наземных средств. Центральное место на начальной стадии занимает определение рационального уровня целевой отдачи ЛА, т.е. его эффективности. Здесь разрабатывают и исследуют:

возможные варианты условий применения ЛА и соответствующие им функционально-структурные облики комплекса;

математические модели эффективности комплекса и его элементов, требования к показателям эффективности по стадиям обработки комплекса и ЛА, предварительную количественную оценку показателей эффективности;

оптимальные по критерию «эффективность - стоимость» варианты облика комплекса.

Все эти работы ведутся одновременно заказчиком совместно с разработчиком (опытным конструкторским бюро - ОКБ). Основным результатом исследований являются в основном согласование обеими сторонами тактико-технические требования (ТТТ) к новому ЛА на отраслевом

уровне (в ОКБ). Одновременно продолжается исследование комплекса заказчиком, проведение сравнительного анализа различных способов обеспечения эффективности с учётом реально принимаемых технических решений, уточнение показателей эффективности по результатам макетирования ЛА и экспериментальной отработки элементов комплекса и т.д.

В ОКБ начальная стадия проектных изменений состоит в разработке технических предложений. Здесь прорабатываются возможные принципы реализации поставленной цели, условия применения, изготовления, монтажа и эксплуатации ЛА. При этом широко используется информация о достижениях научно-технического прогресса и обобщенные статистические данные по изделиям-прототипам. Выявляются возможные принципиальные схемы, общие виды, компоновки и лётно-технические характеристики ЛА.

Стадия технических предложений – особо ответственный период. Ошибка в выборе схемы ЛА не может быть исправлена на последующих этапах. Поэтому здесь просматриваются по возможности все практически реальные варианты, число которых может достигать нескольких сот. Изыскания ведутся, как правило, с помощью систем автоматизированного проектирования (САПР) на базе широкого использования вычислительной техники. Результатом изысканий является несколько рациональных вариантов ЛА. Конструкторские, лётно-технические и эксплуатационные характеристики этих вариантов в качестве аванпроекта представляются на рассмотрение компетентных комиссий для принятия решения о целесообразности дальнейшей разработки проекта.

Целью следующего этапа является эскизное проектирование ЛА. На этом этапе уточняются полученные ранее параметры и характеристики , проводятся широкие теоретические и экспериментальные исследования функционирования ЛА. Разрабатываются имитационные модели ЛА и его систем. На базе вычислительной техники с использованием натурных блоков бортовых систем моделируются условия применения, исследуются характеристики устойчивости и управляемости. Продувается в аэродинамических трубах ряд моделей и на основе этих данных уточняется аэродинамическая схема и аэродинамические характеристики. Выбираются и реализуются в конструкторско-технологической документации основные способы обеспечения эффективности ЛА как за счёт конструктивно-технологических и схемных решений, так и за счёт выбора оптимальных способов организации и эксплуатации и применения комплекса.

Параллельно с решением вопросов общего проектирования ЛА ведётся разработка конструкции планера и двигательной установки, т.е. проектирование собственно конструкции ЛА. Для основных агрегатов ЛА разрабатывается комплект рабочих чертежей. Стадия проектирования конструкций, как показывает практика, наиболее трудоёмкая и продолжительная во времени.

Выполняемая на этой стадии работа представляет собой совокупность двух групп задач: аналитического проектирования и конструирования.

Аналитическое проектирование конструкция имеет целью обоснование и выбор технического решения или, что одно и тоже, конструктивной схемы. Техническим решением (конструктивной схемой) называют конструктивное описание функциональной структуры проектируемого объекта, включающее информацию о функциональных элементах (блоки. Узлы, детали), во взаимном расположении и взаимосвязи, особенностях конструктивного исполнения геометрической формы, конструкционных материалах и других существенных признаках, в том числе соотношения значений параметров. Технические решения являются как бы материализацией выбранной технической идеи и, как следует из определения, могут отличаться формой функциональных элементов и материалом, из которых они изготовлены, числом элементов, способом их соединения и другими признаками.

Ещё одной задачей аналитического проектирования является определение оптимальных значений параметров выбранного технического решения. К параметрам обычно относят размеры элементов, расстояние между ними, массу, температуру, частоту колебаний, напряжения, надёжность и ряд других показателей. Выбор оптимальных значений параметров – наиболее разработанный класс задач, что объясняется тем, что эти задачи лучше других формализуются и в настоящее время имеют довольно хорошее математическое обеспечение в виде методов линейного, нелинейного, динамического, стохастического программирования, а также различных методов дискретной оптимизации.

Конструирование включает в себя конструктивно-технологическую проработку технического решения, выпуск технической документации и рабочих чертежей.

Формально завершающим этапом проектирования являются рабочее проектирование и подготовка производства. Он повторяет все стадии эскизного проектирования, но характеризуется более детальной проработкой. Основные изыскания на этом этапе связаны с экспериментальной проверкой практически всех нововведений. Здесь уточняется и выпускается вся техническая документация, необходимая для изготовления ЛА.

Фактически завершающим этапом проектирования является стадия опытного производства и испытаний ЛА. Очень важно выявить и устранить все дефекты именно на этой стадии, чтобы исключить доработку ЛА в период эксплуатации. Главное при этом – подтвердить выполнение установленных в технических требованиях заказчика характеристик эффективности.

По данным опытного производства и испытаний вносятся изменения в проект, дорабатываются рабочие чертежи и технология изготовления ЛА. По результатам этого этапа принимается решение о запуске ЛА в серийное производство и передаче его в эксплуатацию.

Перечисленные проектные задачи подтверждают, что создание современных ЛА представляет собой многоплановый непрерывно усложняющийся процесс. С информационной точки зрения этот процесс можно интерпретировать в виде спирали (рис. 3), объединяющий как предметные области, так и этапы проектирования. Приведённая схема показывает тесную информационную взаимосвязь между отдельными этапами проектирования, которая состоит в том, что одни и те же задачи проектирования рассматриваются со всё возрастающей степенью детализации, что неизбежно влечёт за собой повышение сложности и точности расчёта.

Рис. 3. Взаимосвязь этапов проектирования ЛА

Широкое использование возможностей автоматизированного проектирования здесь сочетается с творческой деятельностью высококвалифицированных специалистов, их опытом, инициативой, талантом конструкторов. Формализированные математические процедуры и экспертные оценки проверяются и дополняются с помощью экспериментов.

1.2 Компоновочные схемы ЛА

Компоновочная схема ЛА является основной характеристикой общего вида ЛА. Её структура и параметры зависят главным образом от энергетического обеспечения полётом, которое, в свою очередь, является функцией скорости, высоты и дальности полёта.

Указанные параметры , определяемые целевым назначением ЛА, в ряде случаев могут иметь весьма высокие значения, например разгон ЛА до гиперзвуковых и космических скоростей, вывод ЛА на орбиту искусственного спутника Земли и т.д. Расчёты показывают, что потребная масса топлива для таких аппаратов может достигать 90 и более процентов от общей массы ЛА. Поэтому даже при небольшом полезном грузе стартовая масса ракеты оказывается значительной.

Характер зависимости потребной относительной стартовой массы баллистической ракеты M₀/Mп (где M₀ – стартовая масса ракеты, а Mп – масса полезной нагрузки) от дальности полёта L показан на рис. 4. Приведённые зависимости, характеризующие энергетические возможности ракеты при среднестатистических характеристиках конструкции ДУ, показывают, что в простейшем случае для одноступенчатой ракеты (N=1) существенное увеличение дальности полёта происходит только до M₀/Mп ≈ 50.

Рис. 4. Зависимость потребной относительной стартовой массы БР от дальности полёта

Дальнейшее увеличение стартовой массы (при постоянной величине Mп) незначительно влияет на дальность полёта. Так увеличение M₀ в три раза дает прирост дальности примерно на 13%. Увеличения отношения M₀/Mп свыше 150 почти не даёт прироста дальности. Чтобы получить дальность полёта порядка 10000 км, необходимо довести запас топлива примерно да 94%. В этом случае ракета будет иметь стартовую массу около 100000 кг при полезной нагрузке не более 200 кг.

К.Э.Циолковский показал, что стартовую массу можно существенно уменьшить путём применения многоступенчатых (составных) ракет. В этом случае ракета составляется из нескольких частей, каждая из которых имеет свой двигатель. У одноступенчатых ракет масса конструкции при их движении на активном участке траектории остается постоянной. Масса конструкции многоступенчатых ракет изменяется дискретно (скачкообразно) после отбрасывания отработавшего ракетного блока.

Под ступенью многоступенчатой ракеты (рис. 5) понимают часть составной ракеты, обеспечивающую её полёт на определённом отрезке активного участка и состоящую в общем случае из ракетного блока (РБ) (с запасами топлива, ДУ и элементами системы управления) и полезной нагрузки ступени.

Полезная нагрузка ступени, в свою очередь, может служить последующей ступенью ракеты после отделения отработавшего РБ.

Рис. 5. Схема трехступенчатой ракеты

Рис. 6. Классификация компоновочных схем ЛА

Смысл использования многоступенчатых ракет состоит в том, что в процессе полёта последовательно отделяются те элементы конструкции ракеты, надобность в которых миновала. Вследствие этого исключаются затраты топлива на сообщение дополнительной скорости элементам ракеты, бесполезным с точки зрения дальнейшего движения.

Из рассмотрения рис. 4 следует, что применение нескольких ступеней позволяет существенно уменьшить массу ракеты и соответственно снизить потребный запас топлива. Теоретической границей энергетических возможностей баллистических ракет является зависимость, соответствующая нулевой относительной массе конструкции ε = (Mконст/М₀) → 0 (см. рис. 4), когда ракета состоит только из топлива и полезной нагрузки. Реальное число ступеней, целесообразное из расчёта массовых характеристик, может доходить до пяти. Однако на практике больше трёх ступеней не применяют. Дальнейшее увеличение числа ступеней влечёт за собой усложнение конструкции и снижение надёжности. То и другое связано с дополнительной массой конструкции, которая в этих случаях оказывается весьма значительной.

Компоновочные схемы многоступенчатых ракет можно разделить на три группы (рис.6):

с последовательным расположением РБ и их поперечным разделением (схема «тандем», см. рис. 6а);

с параллельным расположением РБ и продольным разделением ступеней (схема «пакет», см. рис.6б);

с комбинированным расположением РБ (см. рис. 6в)

. Выбор той или иной схемы определяется размерами ракеты и требованиями, предъявляемыми пусковой установкой.

1.3 Формула Циолковского и её практическое применение

Идеальная скорость – скорость, которую приобрёл бы летательный аппарат, двигаясь прямолинейно, если бы весь запас энергии, находящийся на его борту, был бы израсходован на ускорение.

Vu=Vq + ∆Vп = Vq + ∆Vгр + ∆Vaэр + ∆Vупр

где: Vq, ∆Vп - действительная скорость и её потери;

∆Vгр, ∆Vaэр, ∆Vупр - потери скорости гравитационные, аэродинамические и на управление, соответственно.

Первая космическая скорость Vк,1 = 7900 м/с

Vк,1 + V п,к.1 = ∆Vк, 2 = 10200 м/с

Идеальная скорость характеризует запас топлива на борту ракеты, необходимый для проведения определённого манёвра.

Массовые модели одно и двухступенчатых ракет приведены на рис.7.

Рис. 7. Массовые характеристики ракеты

Условные обозначения:

ст, о, к, п, п.ф., конс.,т, - массы ступени стартовая, конечная, полезная, полезная фиктивная, конструкции и топлива, соответственно.

Масса ракеты, находящаяся над ступенью, также называется полезной фиктивной нагрузкой.

Одноступенчатая ракета называется субракетой.

Количество субракет определяется требуемой дальностью доставки полезного груза. Так при использовании ЖРДУ для обеспечения дальности полёта до 100 км используется 1 ступень, при дальности 1000-3000 км – 2 ступени, в при дальности более 3000 км – 3 ступени.

Относительные массовые характеристики субракеты можно определить по следующим зависимостям:

1. Относительная масса полезного груза

Мп

λ = ——

М₀

1. Относительная масса конструкции

Мконст

ε = ———

М₀

2. Относительная масса топлива

Мт

μ = ——

М₀

3. Число Циолковского – Z и модифицированное число Циолковского z:

М₀ М₀ М₀ Мк + Мт 1 1

Z = —— = ———— = ————— = ———— = —— = ——— = 1 + z

Мк М₀ – Мт Мп + Мконст Мк 1 – μ λ + ε

Формула Циолковского предназначена для определения идеальной скорости ракеты.

При выводе формулы Циолковского примем следующие допущения:

ракета летит прямолинейно;

гравитационные силы не рассматриваются;

давление окружающей среды отсутствует.

Рассмотрим расчётную схему исследования процесса, рис. 8.

Рис. 8. Расчетная схема

Согласно первому закону Ньютона:

dVu

F = ma = M ——

dτ

Согласно формуле тяги:

Ρ = - Wэ ——

dτ

Знак «-» в вышеприведённой формуле указывает на снижение массы двигательной установки М за счёт уменьшения массы топлива;

F ≡ P

MdVu dM

———— = - Wэ ——

dτ dτ

Vкон Мк dM

∫ dVu = - Wэ ∫ ——

Vнач Мо M

Vкон – Vнач = ∆Vu = - Wэ ∙ ln—— = Wэ ∙ ln Z

Mк

Если конструкция космического аппарата состоит из N субракет и при этом значения числа Циолковского и эквивалентной скорости для них одинаковы, то изменение идеальной скорости можно рассчитать по формуле:

∆Vu = N ∙ Wэ ∙ ln Z

Глава 2. Критерии совершенства и САПР ЛА

2.1. Основные комплексные показатели совершенства ЛА

Характерной особенностью задач, возникающих при проектировании ЛА, является противоречивость требований, подлежащих реализации. Такие противоречия возникают, например, между требованиями к минимальной массе и требованиями к повышению живучести, выносливость, надежности. Известно, что чем меньше излишней массы в конструкции, тем она, как правило, дороже в изготовлении. Уменьшение излишней массы позволяет повысить полезную нагрузку ЛА, но вместе с этим возрастают производственные затраты на ЛА. Аналогичное положение возникает и при повышении надежности и выносливости конструкции, так как это достигается применением более дорогих технологических процессов или более дорогих конструкционных материалов.

С позиций системного подхода наиболее общая оценка ЛА должна отражать:

технический уровень ЛА, т.е. степень внедрения результатов научно-технического прогресса;
эффективность ЛА, т.е. результативность нововведения, оцениваемую по конечному целевому эффекту;
затраты на достижение целевого эффекта.

Технический уровень ЛА. Понятие технический уровень ЛА относится к наиболее общим свойствам ЛА, в числе которых на первом плане стоит качество как форма проявления потребительской стоимости ЛА, т.е. способности ЛА удовлетворять определенные потребности людей. Технический уровень ЛА - это характеристика использования последних достижений научно-технического прогресса, которая придает ЛА новое качество, позволяет улучшить функциональное совершенство или экономичность, или то и другое.

Специфической чертой технического уровня является его сравнительный характер. Это означает, что для его оценки необходимо иметь базу для сравнения. Обычно такой базой является реально достижимый перспективный образец, обобщающий передовой научно-технический опыт отечественных предприятий, лучших зарубежных фирм и обеспечивающий его своевременное внедрение в практику.

Изложенное дает основание определить технический уровень (ТУ) как относительную характеристику качества ЛА, основанную на сопоставлении значений показателей, характеризующих техническоесовершенство оцениваемого ЛА, с соответствующими базовыми значениями.

Эффективность ЛА. В настоящее время термин "эффективность" - один из самых распространенных. Исследованию эффективности технических систем посвящена обширная литература, однако единого понимания сути эффективности пока нет. Эффективности следует определять как категорию, выражающую связь "цель - результат - затраты". Под эффективностью ЛА следует понимать его свойство обеспечивать достижение необходимой конечной цели при минимальных затратах.

Эффективность как характеристика, соизмеряющая связь "цель - результат - затраты", пока не получила приемлемой расчетной формы и поэтому, видимо, не нашла достаточно заметного внедрения. В теории и на практике в качестве самостоятельных направлений развиваются две формы эффективности: целевая (боевая) - соизмеряющая цель и фактический результат, и экономическая - соизмеряющая результат и затраты.

Затраты на достижение полезного (целевого) эффекта.Применительно к ЛА связь эффекта и затрат не столь определенна и проста, как может показаться на первый взгляд. Это обусловлено вероятностным характером целевой отдачи ЛА, а так же трудностью выделения доли затрат, приходящихся на ЛА, из общей суммы затрат на систему вооружения. Наиболее точно затраты определяются как стоимость разработки, производства и эксплуатации системы вооружения в целом. Однако столь общую характеристику трудно применить для экономической оценки непосредственно ЛА. Вместе с тем нужно иметь в виду, что значительная доля всех расходов на систему вооружения связана именно с ЛА.

На практике определение и оценка затрат на достижение целевого эффекта являются предметом специального исследования - техника экономического образования проекта ЛА, цель которого состоит в сравнении различных конкурирующих вариантов ЛА по критерию "эффективность - стоимость".

Итак ЛА характеризуется тремя комплексными показателями: техническим уровнем, эффективностью и стоимостью. Эффективность отражает результативность ЛА, это показатель его функционального совершенства. По величине этого показателя, с учетом стоимости, можно сравнивать и выбирать ЛА. Однако при всей своей значимости эффективность не дает информации о тех свойствах ЛА, которые позволили получить заданную результативность. Эту сторону отражают техническое совершенство ЛА и степень внедрения результатов научно-технического прогресса, измеряемые величиной технического уровня ЛА.

Чтобы новое поколение ЛА было совершеннее существующего, необходимо обеспечить более высокий технический уровень новых образцов. Это условие необходимое. Оно станет и достаточным, если при этом повысится

и эффективность. Взаимосвязь "технический уровень - эффективность" - это главный вопрос проектирования и конструирования ЛА.

При заданной величине ресурсов (затрат) функциональное совершенство ЛА определяется исключительно его техническими свойствами, прогрессивностью нововведений, т.е. техническим уровнем. При этом каждому уровню технического совершенства ЛА соответствует определенное функциональное (целевое) совершенство. Если ресурсы не заданы, то при проектировании ЛА техническому уровню надо ставить в соответствие не только функциональное совершенство, но и потребные затраты, иначе говоря, вполне определенные значения экономической и целевой (боевой) эффективности.

Обеспечение рационального соотношения между техническим уровнем, эффективностью и стоимостью является основной задачей процесса проектирования ЛА и его элементов. Для ее решения необходимо четко представлять факторы, определяющие каждый комплексный показатель совершенства ЛА, и уметь количественно из оценивать.

2.2. Основные слагаемые технического уровня

Основываясь на анализе основных функций и состояний, присущих ЛА, на различных стадиях жизненного цикла, правомерно предположить, что комплексная оценка технического уровня должна базироваться на анализе конструктивного, производственно-технологического и эксплуатационного совершенства ЛА.

2.2.1 Конструктивное совершенство ЛА

Этим понятием определяют совокупность свойств и характеристик, присущих непосредственно ЛА и мало зависящих от технологий производства и условий эксплуатации. Конструктивное совершенство - одна из наиболее важных обобщенных характеристик ЛА, включающая в себя массовое, аэродинамическое, энергетическое и экологическое совершенство.

Массовое (весовое) совершенство отражает уровень конструктивно-прочностной проработки системы. Чем меньше масса ЛА, при заданных характеристиках целевого назначения, тем более технически совершенен и экономически эффективен ЛА. Это вполне понятно, так как вся конструкция

есть вынужденная дополнительная масса к полезному транспортируемому грузу. Массу конструкции ЛА условно можно разделить на три части. Одна часть массы конструкции обеспечивает выполнение целевого назначения ЛА - это необходимая масса. Другая часть массы обусловлена технологическими и экономическими соображениями. Например, какая-то деталь ЛА делается прочнее, чем это требуется для обеспечения безопасности и надежности полета, так как для ее изготовления применен материал стандартной толщины, или какой-то элемент конструкции выполняется постоянного сечения, чтобы избежать трудоемкой обработки по длине для получения необходимого по прочности переменного сечения, или делаются разъемы, которые не будут использоваться в эксплуатации, но введение которых упрощает и удешевляет технологический процесс. Эта часть массы является технологическим "довеском", она может быть увеличена или уменьшена при соответствующем упрощении или усложнении конструкции.

Наконец, третью часть массы составляют так называемые не силовые элементы (косынки, накладки, крепежные детали и т.д.). Это конструктивный "довесок", который так же, как и технологический "довесок", не является необходимым для работы конструкции. Вторая и третьи части массы составляют излишнюю массу. Доля излишней массы характеризует массовое (весовое) совершенство ЛА, уровень обработки его конструкции. Массовое совершенство ЛА (отношение необходимой массы конструкции к полной массе изделия) во много раз выше, чем в обычном машиностроении, хотя характер нагружения и другие условия для ЛА значительно менее выгодны.

Аэродинамическое совершенство ЛА - это свойство, характеризующее взаимодействие ЛА с окружающей воздушной средой. В результате такого взаимодействия возникают аэродинамические силы - подъемная сила и лобовое сопротивление. Соотношение этих сил определяет аэродинамическое качество ЛА. Чем выше аэродинамическое качество, тем при прочих равных условиях требуется меньшая тяга двигателей, меньший запас топлива для полета на заданное расстояние, тем, следовательно, меньше масса всего ЛА, Все это ставит аэродинамическое совершенство в число наиважнейших составляющих технического уровня и направлений научно-технического прогресса.

Основными показателями аэродинамического совершенства являются коэффициенты лобового сопротивления, подъемной силы и аэродинамическое качество.

Энергетическое совершенство ЛА связывают с расходом топлива. В свою очередь, расход топлива определяется, с одной стороны, уровнем потребных энергозатрат, обусловленных траекторией движения ЛА и его аэродинамическим совершенством, а с другой – совершенством двигательной

установки, включая характеристики топлива, массовые (весовые) характеристики двигателя, его термодинамические качества. Конкретные показатели определяются типом двигательной установки. Однако, во всех случаях, в числе показателей технического уровня должны фигурировать удельный импульс тяги или удельный расход топлива и относительная масса конструкции двигательной установки.

Экологическое совершенство ЛА отражает его влияние на окружающую среду. Защита окружающей среды в наше время является важнейшей проблемой, обостряющейся с развитием техники. Новые виды энергетики, использование космического пространства становятся предметом международных соглашений и ограничений. Экологические показатели особенно важны для пилотируемых летательных аппаратов.

2.2.2 Производственно-технологическое совершенство

Этим термином определяют такие свойства конструкции, при помощи которых в процессе производства ЛА можно достигнуть наиболее высоких производственных показателей. Повышению технологичности способствуют расчленение конструкции на агрегаты, отсеки и панели; простота конструкции; минимальное число деталей; простые конфигурации детали, допускающие применения высокопроизводительных процессов; правильный выбор конструкционных материалов с учетом их технологических свойств; минимальный расход материалов.

Современный уровень и масштабы производства ЛА требуют комплексного решения вопросов проектирования конструкций, разработки технологии и организации производства. Одним из важнейших результатов такого комплексного подхода является широкое применение принципов расчленения конструкции на отдельные сборочные единицы. Тщательно продуманная система разъемных и неразъемных соединений дает возможность повысить производительность труда при производстве ЛА и его ремонте. Это достигается за счет узкой специализации рабочих и особенно за счет создания лучших условий труда на каждой из операций (так, например, в зависимости от позы, которую вынужден принимать рабочий, производительность его труда может изменяться в 2...3 раза). Расчленение конструкции позволяет организовать узкую специализацию производства, создавать специализированные цехи и заводы и на этой основе значительно сократить производственный цикл за счет параллельного изготовления отдельных частей ЛА. Большие преимущества в эксплуатации дает модульная конструкция,

позволяющая значительно уменьшить простои и сократить трудоемкость при техническом обслуживании и ремонте. Преимущество модульности влияет также на количество потребных типоразмеров ЛА, а следовательно, и на интегральные экономические характеристики системы.

Простота конструкции, пожалуй, самая комплексная характеристика технологичности. Создавать простую конструкцию всегда труднее, чем сложную, но зато такая конструкция всегда значительно лучше осваивается производством. Упрощение конструкции достигается за счет целого ряда факторов: важное значение имеют простые конфигурации детали, использование стандартных и нормализованных деталей, применение минимального числа типоразмеров и номенклатуры материалов и полуфабрикатов. Большие возможности упрощения конструкции открывает также использование ранее освоенных в производстве и апробированных в эксплуатации узлов и деталей. Простота и технологичность конструкций существенно зависят от метода получения заготовок.

Значительное влияние на технологические свойства ЛА оказывает применяемый материал. Механические и физические свойства материала должны обеспечивать минимальную массу конструкции, допускать применение высокопроизводительных технологических процессов. Материалы должны быть коррозионно-стойкими, иметь низкую стоимость и недефицитное сырье. С точки зрения технологии производства и эксплуатации очень важно, чтобы конструкционный материал не имел склонности к образованию трещин и хорошо обрабатывался давлением. Эти качества материала тем лучше, чем выше его пластичность, которая свидетельствует о способности материала поглощать энергию при деформировании и поэтому является важнейшей характеристикой работоспособности, а следовательно, и ресурса конструкции.

Производственно-технологическое совершенство ЛА зависит также и от общего технического уровня производства - степени освоения передовых методов обработки материалов, состояния станочного парка, уровня автоматизации и механизации производственных процессов и т.п. Технологичность конструкции ЛА проявляется на этапе его создания через трудоемкость и себестоимость производства. На последующих стадиях жизненного цикла ЛА она влияет на его эффективность через такие эксплуатационные факторы, как удобство контроля состояния, обслуживания и ремонта, надежность и долговечность и т.п.

Интегральная оценка производственно-технологического совершенства ЛА в настоящее время является нерешенной задачей. На практике применяют следующие показатели: время освоения производства нового ЛА; удельная трудоемкость производства, представляющая отношение суммарных затрат времени на изготовление ЛА к массе незаправленного ЛА; степень

преемственности конструкции, представляющая отношение числа деталей, использованных в предыдущих модификациях, к общему числу; степень расчленения конструкции, характеризуемая максимальными габаритными размерами неразъемного агрегата (панели); удельная материалоемкость, равная отношению массы готовой конструкции к суммарной массе заготовок.

2.2.3 Эксплуатационное совершенство

Под эксплуатационным совершенством понимают совокупность свойств ЛА, характеризующих его приспособленность к процессу эксплуатации на всех стадиях. К числу основных требований, определяющих уровень эксплуатационного совершенства ЛА, относят эксплуатационную технологичность и транспортабельность.

Эксплуатационная технологичность характеризует приспособленность конструкции и бортовых систем к прогрессивным высокоэкономичным методам технического обслуживания и ремонта. Решающее влияние на эксплуатационную технологичность оказывают контролепригодность, доступность, легкосъемность, взаимозаменяемость и унификация систем и агрегатов.

Контролепригодность - это приспособленность ЛА к проведению контроля параметров и характеристик различными средствами и методами. Данные контроля, характеризующие состояние конструкции и бортовых систем, являются основой для управления процессом эксплуатации. Важнейшая задача контроля заключается в диагностировании состояния ЛА, его систем, агрегатов и деталей. Трудоемкость ее решения зависит от уровня автоматизации контроля, которая позволяет значительно расширить область контроля при одновременном сокращении времени его проведения. Развитие автоматизации идет как по линии создания специализированных подвижных наземных измерительных установок, так и по линии расширения и совершенствования систем встроенного контроля. Контролепригодность оказывает решающее влияние на внедрение в практику новых, более эффективных, прогрессивных методов технического обслуживания и ремонта.

Очень важно, чтобы конструкции узлов крепления оборудования обеспечивали легкосъемность, т.е. возможность замены блоков оборудования с минимальными затратами труда и времени. Важную роль играет взаимозаменяемость комплектующих изделий и деталей. Она способствует сокращению затрат труда, материалов и простоев ЛА при техническом обслуживании и ремонте. От этого фактора зависит успешное внедрение

агрегатно-узлового ремонта и прогрессивных форм технического обслуживания.

Еще одним важнейшим фактором, определяющим технологичность летательных аппаратов, является унификация отдельных узлов, т.е. сокращение типоразмеров конструктивных элементов одинакового функционального назначения. Унификация упрощает и удешевляет как производство, так и эксплуатацию ЛА, способствует повышению качества обслуживания техники, сокращает количество потребной контрольно-проверочной аппаратуры, уменьшает номенклатуру запасных частей.

На практике эксплуатационная технологичность оценивается рядом обобщенных показателей, основные из которых следующие: продолжительность календарного времени технического обслуживания и ремонта; трудоемкость технического обслуживания и ремонта; номенклатура и стоимость потребных запасных частей; уровень унификации. Затраты времени на техническое обслуживание и ремонт зависят от характера отказов и их интенсивности и определяются в соответствие с моделью функционирования ЛА. При этом определяющим фактором является модульность конструкции. Показателем трудоемкости являются затраты живого труда на каждую регламентную форму обслуживания. Номенклатура и стоимость запасных частей являются функцией потребного уровня технической готовности ЛА и ресурса комплектующих изделий. Наконец, показатели унификации характеризуют насыщенность ЛА стандартными , унифицированными и оригинальными составными частями.

Транспортабельность характеризует приспособленность ЛА к транспортированию т.е. к перемещению в пространстве, не сопровождающемуся целевым использованием, а так же к подготовительным и заключительным операциям, связанным с транспортированием.

К подготовительным операциям относятся, например, укладка изделия в транспортную тару, упаковывание, герметизация, погрузка, частичная разборка изделия, амортизация от воздействия ударов и вибраций, крепление и т.п. Заключительными операциями являются разгрузка транспортного средства, распаковывание, сборка и т.п.

2.2.4 Интегральный показатель технического совершенства ЛА

В соответствие с изложенным технический уровень ЛА является функцией трехкомплексных факторов, каждый из которых оценивается своим комплексным показателем:

где - интегральный показатель технического уровня; - комплексные показатели конструктивного, производственно-технологического и эксплуатационного совершенства соответственно. Каждый из комплексных показателей, в свою очередь, определяется рядом показателей более низкого уровня. Поскольку функциональные связи между отдельными показателями ТУ, как правило, отсутствуют (в лучшем случае в распоряжении конструктора могут быть лишь статистические закономерности), то обобщающие зависимости и коэффициенты получают формально-математическими методами, в которых искомый (комплексный или интегральный) показатель представляют в виде некоторой средней взвешенной величины. Наиболее распространенная модель объединения информации имеет вид:

где W - обобщающий показатель; - комплексный (единичный) показатель; - весовой коэффициент; n - число показателей.

Весовые коэффициенты определяются путем обработки статистических данных или экспертными методами. В том случае, когда экспертами проводятся только ранжирование показателей в порядке убывания их важности, весовые коэффициенты могут быть получены по формуле:

где j - порядковый номер показателя w в ранговом ряду, определенном экспертами.

2.3. Надежность ЛА

Под целевой (боевой) эффективностью беспилотных летательных аппаратов и военных самолетов понимают результативность решения поставленной задачи (цели), оцениваемую вероятностью выполнения задачи. Для количественной оценки этой вероятности весь процесс функционирования ЛА расчленяют на отдельные фазы. Типовыми фазами для ракет обычно считают: А1 - дежурство или ожидание; А2 - подготовка к применению и полет; А3 - воздействие внешней среды (противодействие); А4 - поражение заданной цели. Событие А, означающее, что ЛА успешно функционирует состоит в совместном проявлении указанных независимых событий Аi и согласно законам теории вероятностей является произведением событий Аi:

Искомая вероятность события определяется на основании теоремы умножения вероятностей:

(*)

Введем обозначения:

Тогда формула (*) может быть записана в следующем виде:

(**)

где - коэффициент боеготовности ЛА, иначе - вероятность того, что в момент поступления заявки на применение ЛА находится в установленной

готовности; - надежность ЛА, т.е. вероятность безотказной работы всех систем и агрегатов ЛА на протяжении всего полета (или цикла функционирования); - вероятность неуязвимости ЛА от средств противодействия противника; - условная вероятность поражения цели.

Рассмотрим перечисленные составляющие целевой (боевой) эффективности.

В теории эффективности весьма важное значение имеет понятие отказа. Отказ - это случайное событие перехода изделия из состояния соответствия тем или иным требованиям в состояние несоответствия этим требованиям (в частности, разрушения). Вообще отказ - необязательно полная утрата работоспособности, может иметь место лишь выход параметров изделия за допустимые пределы, т.е. возникновение дефектов, требующих внеплановых проверок и регулировок и т.п.

Отказ может произойти во время хранения ЛА, регламентных работ, контроля работоспособности бортовых систем и во время боевого применения. Режимы хранения и эксплуатации определяют боеготовность ЛА, режим боевого применения - надежность ЛА. Обе эти характеристики (боеготовность и надежность) зависят от интенсивности отказов. Интенсивность отказов - это средняя по времени частота отказов, измеряемая отношением

где - число устройств, отказавших за время ; N – число исправно действующих однотипных устройств. В пределе (при )

Значение определяется статистическими методами на основе обработки информации об отказах. Во всех отраслях, эксплуатирующих сложные технические системы, существует единая для всех предприятий система сбора, учета и обработки информации об отказах и неисправностях техники. Первичным документом информации для анализа надежности является карточка учета неисправностей установленной формы. Карточки заполняют на основании технической документации, где приводятся первоначальные записи

об отказах и неисправностях. Оформленные карточки пересылаются в организации, которые занимаются проведением статистической обработки и анализом, а также подготовкой рекомендаций по повышению надежности.

В процессе эксплуатации ЛА, предшествующей боевому применению, происходит чередование периодов исправного и неисправного состояний. Неисправности обнаруживают с помощью регулярно проводимого через определенные промежутки времени контроля. При обнаружении неисправности производится восстановление работоспособности с интенсивностью .

Количественный анализ состояний ЛА проводят на основе теории графов, позволяющей оценивать вероятность пребывания ЛА в том или ином состоянии. Если ЛА содержит m независимых подсистем (двигатель, планер, система управления и т.д.), отказы которых характеризуются интенсивностью , а восстановление работоспособности интенсивностью - , то в соответствии с теорией графов

В соответствии со стандартом СЭВ 292-76 надежностью называется свойство объекта выполнять заданные функции, сохраняя во времени значения установленных эксплуатационных показателей в заданных пределах, соответствующих заданным режимам и условиям использования, технического обслуживания, ремонтов, хранения и транспортирования.

Этому определению соответствует наиболее широкая трактовка надежности ЛА, отражающая все указанные выше типовые фазы функционирования ЛА. Откуда следует, что целевая эффективность (*) по существу является обобщенной характеристикой надежности ЛА. Наряду с таким подходом на практике термин «надежность» часто применяют не ко всему временному интервалу функционирования ЛА, а лишь к отдельным его фазам. Именно такой трактовке соответствует множитель в формуле (**), где под надежностью ЛА понимается безотказность функционирования ЛА в процессе подготовки ЛА к полету и самого полета.

Математически безотказность определяется как вероятность того, что за определенное время функционирования ЛА в заданных условиях отказа не произойдет:

т.е. - это вероятность того, что случайное время безотказной работы T больше заданной величины времени t подготовки к полету и полета.

Опыт эксплуатации и результаты исследований показывают, что в течении периода нормальной эксплуатации (т.е. после отработки ЛА и его систем) без большой для практики погрешности можно считать, что интенсивность отказов технических устройств от времени не зависит и практически является постоянной величиной, т.е.

При этом и интервал времени между отказами (время безотказной работы) также будет постоянной величиной, определяемой как

Значение , соответствующее , определяется формулой

Если заданное время t значительно меньше среднего времени безотказной работы , т.е. , то

2.4. Экономика и эффективность

Ракетная техника в настоящее время достигла такого уровня развития, что при наличии необходимых ассигнований принципиально может быть построен летательный аппарат почти с любыми желательными характеристиками. Однако при этом остается открытым вопрос о том, насколько рациональны эти характеристики. Поэтому значительную часть усилий

приходится направлять не столько на решение проблем проектирования, сколько на определение того, какую технику, в первую очередь, надо проектировать и строить и каковы затраты, необходимые для выполнения поставленной задачи.

Ответ на эти вопросы дают технико-экономические исследования, проводимые на начальной стадии создания системы вооружения. Технико-экономические исследования направлены на:

обоснование необходимости и целесообразности разработки новой или модернизации существующей системы вооружения;
разработку общих тактико-экономических требований к новому образцу вооружения;
обоснования последовательности снятия с вооружения устаревших образцов и замены их более совершенными.

При проведении технико-экономической оценки ракетного оружия на каждом этапе решают следующие задачи:

выбор и обоснование критериев оценки вооружения и его элементов, к ним относятся критерий эффективности и экономические показатели, соответствующие этапам проектирования, производства и эксплуатации вооружения;
разработка методик оценки эффективности ракетного оружия для различных условий и его боевого применения, а также определение экономических показателей;
установление зависимостей стоимостных показателей от тактико-экономических характеристик ракетного оружия для всех стадий жизненного цикла системы вооружения.

Проектировщики и конструкторы ЛА имеют дело в основном с экономическими моделями ЛА. Технико-экономические исследования системы вооружения в целом выполняются заказчиком.

На стадиях обоснования технических требований и проектирования стоимость ЛА определяют по формуле

где - затраты на проведение научных исследований и опытных разработок (НИОКР); -затраты на производство; - затраты на эксплуатацию.

Затраты на НИОКР

где - коэффициент стоимости разработки базового образца (аналога); - стоимость производства первого образца; Э и - показатели целевой отдачи (эффективности проектируемого и базового образцов.

Затраты на производство

где - средняя стоимость ЛА в серии из N штук; a – статистический коэффициент, равный 0,05…0,15.

Затраты на производство первого образца системы

где - затраты на изготовление первого базового образца; и - масса проектируемого и базового образца; - статистический коэффициент.

Общая величина составляет довольно значительную долю всех расходов на вооружение и за время всего жизненного цикла ЛА может быть равна расходам на серийное производство и даже превосходить их (рис. 9). При проектировании ЛА значение определяют обычно по статистике.

Рис. 9 Характер распределения расходов на ЛА

Создание новой техники – это не только разработка новых образцов, но и модификация существующих ЛА, устранение недостатков, выявленных в процессе их эксплуатации, внедрение последних достижений науки и техники. Причем модификация базовых образцов в общем объеме работ по совершенствованию систем вооружения занимает даже больший объем, чем создание новых конструкций. При модификациях ЛА с целью повышения их эффективности, связь между стоимостью и эффективностью, как показывает статистика, просматривается более отчетливо, по сравнению с новой техникой. Такая зависимость имеет вид

где - целевая (боевая) эффективность ЛА; и a – статистические характеристики, определяемые по базовому образцу.

Характер вышеприведенной зависимости показан на рис. 10.

Рис. 10 Зависимость «стоимость-эффективность» при модификации ЛА

2.5. Обобщенные требования к ЛА при его проектировании

Подведем итог проведенному анализу основных свойств ЛА. Из анализа следует, что в поле зрение конструктора постоянно должны быть три комплексных показателя ЛА: технический уровень, целевая эффективность и стоимость, причем это относится не только к ЛА в целом, но и к любой его

системе, агрегату, элементу.

Целевая направленность процесса проектирования состоит в том, чтобы обеспечить для создаваемого изделия достижения поставленной задачи при минимальных затратах (на основании критерия «эффективность – стоимость»). В практической конструкторской работе этот критерий представляется как требование обеспечивать максимальную целевую (боевую) эффективность при минимальных затратах. Рычагом, с помощью которого можно изменить критерий «эффективность – стоимость» является технический уровень.

Чтобы новое изделие было совершеннее существующего, необходимо обеспечить более высокий его технический уровень. Это значит, что основное требование к ЛА и его конструкции состоит в том, чтобы при проектировании и производстве ЛА обеспечить максимально высокий технический уровень.

Таким образом, наиболее общие требования к ЛА – это требования максимально высокого технического уровня, максимальной эффективности и минимальной стоимости ЛА. Приведенная формулировка отражает качественную сторону требований, основные тенденции при проектировании. Однако нужно считаться и с количественными соотношениями зависимости «технический уровень – эффективность – стоимость», поскольку технически нововведения, повышая эффективность изделия, как правило, требуют дополнительных затрат, то есть связаны с увеличением стоимости.

Задача конструктора состоит в разработке такого конструктивного решения, которое наилучшим образом реализует возможности научно-технического прогресса. Экспертный анализ показывает, что характер зависимости между техническим уровнем с одной стороны, и показателями эффективности и стоимости с другой, достаточно правдоподобно отображают кривые, приведенные на рис. 11. Действительно, опыт убеждает в том, что использование нововведений значительно повышает эффективность ЛА (как и других систем) лишь при сравнительно низких абсолютных показателях эффективности.

Удельная стоимость таких нововведений, как правило, оказывается невысокой. По мере приближения к предельным значениям эффективности характер зависимости «технический уровень – эффективность» меняется: каждая следующая единица целевой отдачи ЛА требует значительно больших усилий и затрат для их достижения. Следовательно, отношение «целевая задача - затраты (Y/U)» имеет максимум, а соответствующий ему технический уровень ЛА, очевидно, можно трактовать как наивыгоднейший (оптимальный).

Рис. 11. Зависимость «стоимость-эффективность-технический уровень».

Приведенный анализ указывает на то, что объективно существует наивыгоднейшее соотношение зависимости «технический уровень - эффективность – стоимость», при котором возможности научно-технического прогресса реализуются наилучшим образом. Главная цель проектирования ЛА и состоит в нахождении такого решения. При этом следует постоянно помнить, что проектирование ЛА и его элементов - это прежде всего творческий акт, и он не может быть никогда до конца формализован. Оригинальные конструкции, требующие качественно новых технических решений, конструкции завтрашнего дня всегда требуют нетрафаретного решения, смелости и таланта.

Вместе с тем нельзя принижать и формальный (математический) аспект проектирования. Без количественных оценок, основанных на формализованных аналитических методах, нельзя сформировать и оценить значительное количество альтернативных вариантов, отбраковать нерациональные конструкции и выбрать оптимальные параметры для рациональных вариантов.

Обобщая сказанное, можно сделать такой вывод: в основе методологии проектирования конструкций ЛА лежит определение наивыгоднейшего соотношения технического уровня, целевой эффективности и стоимости путем сочетания формального (математического) и неформального (экспертного) подходов.

2.6. Понятие об автоматизированном проектировании и системе автоматизированного проектирования

С развитием автоматизированного проектирования появилась потребность иметь однозначные определения его основных понятий, а также

соответствующую терминологию. Ряд таких определений и терминов регламентируется стандартом.

В настоящее время принято определение, в соответствие с которым проектирование - это процесс составления описания, необходимого для создания в заданных условиях еще не существующего объекта.

На рис. 12 дана простейшая схема проектирования. Проектирование любого объекта начинается с задания на проектирование и заканчивается проектом. Задание на проектирование - это первичное описание объекта проектирования, представленное в заданной форме.

Рис. 12 Простейшая схема проектирования

Процесс составления описания может быть представлен как последовательность проектных процедур, т.е. совокупностей действий, заканчивающихся проектными решениями (рис. 13).

Рис. 13 Схема проектирования как последовательность проектных процедур

Каждое проектное решение представляет собой промежуточное описание объекта, необходимое и достаточное для рассмотрения и определения дальнейшего направления или окончания проектирования.

Процесс составления описания является наиболее творческой частью проектирования, так как связан с принятием проектных решений. Совокупность проектных решений, необходимых для создания объекта проектирования,

представляет собой результат проектирования. Результат проектирования содержит всю информацию, необходимую для создания объекта проектирования, однако формы представления этой информации могут быть самыми различными (в мыслях проектанта, в памяти ЭВМ, в виде эскиза, в виде числовых значений параметров и т.д.), поэтому непосредственное использование результата проектирования для практических нужд затруднительно. С целью практического использования результата проектирования необходимо составляющие его проектные решения представить в виде документов, отвечающих установленной форме.

Совокупность проектных документов представляет собой проект, а процесс составления проектных документов - документирование результатов проектирования.

Документирование результатов проектирования является наименее творческой частью проектирования, однако трудоемкость этого этапа может быть очень большой, так как она определяется числом разрабатываемых проектных документов, которое в свою очередь, зависит от сложности объекта проектирования (количество параметров, деталей, сборочных единиц). Заметим, что в двигателе ЛА число деталей может составлять десятки тысяч, а число сборочных единиц сотни штук.

В настоящее время в зависимости от степени автоматизации различают неавтоматизированное, автоматизированное и автоматическое проектирование.

Неавтоматизированное проектирование - это проектирование, при котором все преобразования описаний объекта осуществляет человек (проектант). Заметим, что использование ЭВМ для автоматизации отдельных вычислений при проектировании (прочность, динамика, теплопередача и т.д.) не является автоматизацией проектирования, так как не затрагивает процесса преобразования описаний объекта проектирования.

Автоматизированное проектирование - это проектирование, при котором отдельные преобразования описаний объекта проектирования осуществляются во взаимодействии человека и ЭВМ. Основной особенностью АП является то, что проектные процедуры выполняются во взаимодействии (или диалоге) проектанта и ЭВМ.

Автоматическое проектирование - это проектирование, при котором все преобразования описаний объекта проектирования осуществляются без участия человека.

На первый взгляд кажется, что наиболее целесообразным является автоматическое проектирование. Ведь быстродействие современных ЭВМ огромно и можно ожидать резкого сокращения сроков проектирования, однако основным препятствием к этому является отсутствие в настоящее время

надежных числовых критериев выбора наилучших проектных решений для большинства объектов проектирования. Оценку промежуточных и окончательных решений в большинстве случаев должен выполнять проектант, поэтому проектирование протекает по итеративной схеме, изображенной на рис. 14. Кроме того, ряд проектных процедур (например, конструирование) очень трудно, а иногда и совсем невозможно формализовать и составить соответствующие алгоритмы и программы для ЭВМ. В то же время человек может выполнить такие процедуры достаточно легко, используя опыт, интуицию, ассоциативное мышление. Поэтому наиболее эффективным считается проектирование в режиме диалога человека и ЭВМ, в котором сочетаются творческие способности человека и огромное быстродействие, память и безошибочность ЭВМ, то есть автоматизированное проектирование.

Рис. 14 Схема проектирования как итеративный процесс

Автоматизированное проектирование выполняется в системе автоматизированного проектирования (САПР). САПР представляет собой организационно-техническую систему, состоящую из комплекса средств автоматизации проектирования, взаимосвязанного с подразделениями проектной организации, и выполняющую автоматизированное проектирование.

Составными структурными частями САПР являются подсистемы. Каждая подсистема обладает всеми своими свойствами системы в целом и может создаваться как самостоятельная система. Возможно разделение САПР на подсистемы по двум признакам: по назначению и по отношению к объекту проектирования.

По назначению подсистемы САПР делятся на проектирующие и обслуживающие.

Проектирующие подсистемы предназначены для выполнения проектных процедур, а обслуживающие - для поддержания работоспособности

проектирующих подсистем. К проектирующим подсистемам относятся, например, подсистема проектирования камеры, подсистема проектирования деталей. К обслуживающим подсистемам можно отнести, например, подсистему графического отображения объектов проектирования, подсистему информационного поиска.

Проектирующие подсистемы, в свою очередь, разделяются на объектно-ориентированные, или объектные, и объектно-независимые или инвариантные. Например, подсистема проектирования камер является объектной, а подсистема проектирования деталей - инвариантный.

Такие разделения САПР на подсистемы позволяет обеспечить рациональное разделение труда различных специалистов как при создании САПР, так и в процессе автоматизированного проектирования в ней.

Каждая подсистема имеет комплекс средств автоматизации проектирования с одинаковой структурой. В любой подсистеме такой комплекс включает семь компонентов: методическое, лингвистическое, математическое, программное, техническое, информационное и организационное обеспечение.

Методическое обеспечение представляет собой документы, в которых отражены состав, правила отбора и эксплуатации средств автоматизации проектирования.

Лингвистическое обеспечение - языки проектирования и терминология.

Техническое обеспечение (ТО) представляет собой сочетание устройств вычислительной и организационной техники средств передачи данных.

Математическое обеспечение (МО) - методы, математические модели и алгоритмы проектирования. Разработка математического обеспечения предшествует разработке других компонентов - программного обеспечения.

Программное обеспечение (ПО) представляет собой все имеющиеся в системе программы как на ручных, так и на машинных носителях, а также соответствующие эксплуатационные документы.

Информационное обеспечение (ИО) представляет собой документы с записью различных данных, а так же файлы и блоки данных на машинных носителях, с записью указанных документов.

В организационном обеспечении (ОО) представлены различные положения, инструкции, приказы и другие документы, регламентирующие организационную структуру подразделений и их взаимодействие с комплексом средств автоматизации проектирования.

Дата добавления: 2018-04-15; просмотров: 884; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

12 3 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!