Содержание к диссертации
Введение
Аналитический обзор и исходное состояние исследуемой научной задачи 20
1.1 Основные тенденции развития орбитальных станций 20
1.2 Объект исследования. Обеспечение эффективности орбитальных станций в течение длительного периода эксплуатации. Анализ источников технической литературы по исследуемой теме 30
1.3 Постановка задачи исследования с учетом ее исходного состояния 49
Методологический подход к решению научной задачи 56
2.1 Логическое формирование решения научной задачи. Составляющие подпроблемы и пути их решения 56
2.2 Особенности выбранной проектно-прогностической системы 65
2.3 Описание используемого теоретического аппарата, выбор показателей эффективности и построение математической модели орбитальной станции 73
2.4 Вычислительный алгоритм решения задачи . 86
Проверка и подтверждение результатов исследований 95
3.1 Применение принципов технологической системы создания сложных технических систем при подготовке и осуществлении орбитальной эксплуатации орбитальных станций 95
3.2 Анализ эффективности орбитальных станций с помощью математической модели 111
3.3 Порядок и перспективы практического применения разработанной методики при проектированииорбитальной станции. Логическая организация, методы и средства инженерно-технологического сопровождения орбитальной станции 117
Заключение 138
Список сокращений 141
Литература 143
- Объект исследования. Обеспечение эффективности орбитальных станций в течение длительного периода эксплуатации. Анализ источников технической литературы по исследуемой теме
- Особенности выбранной проектно-прогностической системы
- Вычислительный алгоритм решения задачи
- Порядок и перспективы практического применения разработанной методики при проектированииорбитальной станции. Логическая организация, методы и средства инженерно-технологического сопровождения орбитальной станции
Введение к работе
Долговременные орбитальные станции представляют собой многопрофильные космические лаборатории для решения широкого спектра задач от медикобиологических исследований до исследований строения Вселенной и изучения свойств материалов в условиях невесомости. Орбитальные станции оснащены оборудованием с уникальными свойствами, изготавливаемым в единичном экземпляре, например, средствами обеспечения жизнедеятельности, средствами выхода экипажа в открытый космос и медицинского обеспечения экипажа, астрофизическим и материаловедческим оборудованием, оборудованием для наблюдения Земли, роботизированными средствами сборки, обслуживания и ремонта. Направления космической деятельности, связанные с полетами человека в космос, сегодня доступны лишь нескольким ведущим космическим державам, однако они являются весьма приоритетными в государственных космических программах. Доля этих направлений в расходах на космическую деятельность ведущих космических стран мира составляет около 40% [35].
Длительное функционирование ОС обеспечивается регулярным проведением технического обслуживания и ремонта с участием экипажами требует привлечения значительных материальных и людских ресурсов. Поэтому, а также из соображений экологии, экстенсивное развитие ОС (строительство новых космодромов, создание дополнительных наземных средств управления полетом, увеличение количества запусков ракет и количества космических объектов на орбите) ограничено. Следовательно, актуальным является поиск путей экономии ресурсов и расширения функциональных возможностей ОС за счет совершенствования методов проектирования, технологии изготовления и условий эксплуатации. Отмечается [34], что в сложившейся к настоящему времени системе создания ракетно-космической техники существует определенная разобщенность конструктора, отвечающего за тактико-технические характеристики изделий, и технолога, работа которого в большинстве случаев f оценивается локальными экономическими показателями. Производство конкурентоспособной техники требует объединения усилий разработчиков и производственников в рамках новых конструкторско-технологических решений при создании РКТ. Аналогичное рассогласование наблюдается между проектированием ОС с одной стороны и подготовкой ее эксплуатации, включающей ТОР на орбите, с другой стороны. Как правило, основными при проектировании ОС являются функциональные характеристики массы и объема целевого оборудования, параметры рабочей орбиты, характеристики энергоснабжения и обмена информацией. ЭТХ, определяющие объем работ по ТОР, грузопоток заменяемого оборудования и частоту полетов транспортных средств, как правило, принимают исходя из предыдущего опыта без учета взаимосвязи с функциональными характеристиками. Предыдущий опыт эксплуатации базируется на ОС «Салют» и «Мир», а также на возможностях производственной и полигонной баз по изготовлению, і подготовке ;;и; запуску космических средств. Ранее такой подход был оправдан, поскольку главенствующим был сам факт достижения поставленной задачи. Сегодня, в условиях жесткого ограничения ресурсов, требуется поиск оптимального способа проектирования, учитывающего не только располагаемые мощности и технологии производства, испытаний и подготовки к пуску, но и взаимосвязь функциональных и эксплуатационных технических характеристик ОС. Более высокая степень объединения проектирования и подготовки эксплуатации орбитальных станций позволит не только улучшить качество изделий в результате выбора рациональных функциональных технических характеристик и эксплуатационных технических характеристик изделий, но и сократить сроки создания РКТ за счет уменьшения вероятности принятия нерациональных КТР на ранней стадии создания изделия. ( Важной предпосылкой изложенного в настоящей работе нового метода проектирования является усложнение РКТ и увеличение затрат на ее создание и эксплуатацию. Также известно, что до 80% затрат в рамках проекта ОС приходится на этап орбитальной эксплуатации. Именно в этой области велика цена принятия того или иного КТР. Определение рациональных способов и режимов эксплуатации на стадии проектирования - актуальная задача, решение которой повышает эффективность ОС.
Цель диссертационного исследования состоит в обеспечении Ф дополнительного качества орбитальных станций за счет:
а) максимального совмещения процессов проектирования орбитальной станции с подготовкой орбитальной эксплуатации и планированием материально-технического снабжения;
Щ рационального распределения мероприятий г по обеспечению надежности между различными этапами жизненного цикла ОС,
в) выявления; и учета зависимостей между функциональными и эксплуатационными характеристиками станций.
Для достижения этой цели в работе решается научная задача разработки методики проектирования орбитальных станций с учетом особенностей технического обслуживания и ремонта в процессе длительной эксплуатации на »ф орбите.
В интересах решения поставленной научной задачи исследования проведены по следующим направлениям:
1. Выявление основных тенденций и проблем развития методов проектирования ОС и способов, с помощью которых эти проблемы могут быть решены.
2. Анализ отличительных особенностей эксплуатации ОС в ряду других f космических аппаратов и выделение составляющих процесса эксплуатации, в наибольшей степени влияющих на эффективность ОС.
3. Определение основных положений и перечня основных показателей, определяющих эффективность ОС с учетом эксплуатации на орбите.
4. Разработка математической модели ОС, учитывающей все этапы жизненного цикла ОС. Проведение с помощью этой модели и на основе имеющегося опыта создания ОС анализа характеристик ОС и средств транспортно-технического обеспечения.
л\ 5. Разработка метода проектирования ОС, базирующегося на технологических принципах создания сложных технических систем, учитывающих особенности эксплуатации ОС.
6. Разработка рекомендаций по инженерному технологическому сопровождению эксплуатации ОС по параметрам ТОР. Обоснование логической организации, методов и средств технологического сопровождения. Объект настоящего исследования - орбитальные станции как сложные технические системы, включающие собственно орбитальную станцию, а также все элементы орбитальной и наземной инфраструктуры ОС в той степени, в которой они определяют технический облик и технико-экономические характеристики ОС: средства транспортно-технического обеспечения 0, функционирования орбитальной станции и наземные средства производства, ф подготовки к пуску и запуска на орбиту элементов орбитальных станций и транспортных кораблей и средства тренировки экипажей.
Предмет исследования - влияние КТР и мероприятий по обеспечению надежности, принимаемых на этапе проектирования, на процесс эксплуатации ОС; взаимосвязь функциональных и эксплуатационных технических характеристик ОС. г
Методологическую и теоретическую основы исследования составили научные труды отечественных и зарубежных авторов. В области проектирования и конструирования к ним относятся работы по системному анализу, исследованию операций, теории принятия решений, сетевому планированию, эргономике и технической эстетике. В части надежности и эффективности изделий машиностроения и приборостроения, расчета и оптимизации систем с различными видами резервирования использовались результаты исследований по выбору проектных решений с учетом надежности; по анализу задач, моделей и методов проектного исследования надежности; по выбору показателей надежности и заданию и распределению требований по надежности. Часть исследования, касающаяся технологии создания ОС как СТС, базируется на принципах совмещения, единства конструкции, материала и технологии, принципах комплексного проектирования, параллельной разработки изделий и технологий, инверсии технологии, «сквозной» технологии, обеспечения технологичности. В работе использованы следующие методы исследования: системный анализ, синтез, методы исследования операций, математические и статистические методы, метод сравнения и аналогий, метод подобия, метод прототипа, метод обобщений и другие методы. Значительный вклад в развитие теоретической и методологической базы исследований, выполненных в диссертации, внесли А.А. Медведев, Н.А. Анфимов, О.М.
"і Алифанов, Л.А. Горшков, А.А. Золотов, В.И. Лукьященко, В.К. Каррасц, К.С. Касаев, А.И. Киселев, Е.С. Кулага, В.А. Меньшиков, В.Ф. Нагавкин, Ю.А.
Соколов, Г.М. Сухов), Ю.А. Цуриков, С.К. Шаевич. В числе информационных источников исследования использованы научные источники в виде данных и сведений из книг, журнальных статей, научных докладов и отчетов, материалов научных конференций, семинаров; источники в виде отечественных и зарубежных статистических материалов, материалов различных организаций, фондов и институтов; результаты собственных расчетов.
Проведенное исследование базируется на отечественном опыте проектирования орбитальных станций и отличается от аналогичных исследований тем, что опирается на характерную особенность ОС в ряду других КА: эксплуатация ОС сопровождается техническим обслуживанием и ремонтом на орбите с участием экипажа. Эта особенность позволила впервые применить к ОС методы планирования ТОР и оценки надежности ракет, находящихся на Ф боевом дежурстве, с тем различием, что техническое обслуживание ОС происходит не в наземных условиях, а в условиях орбитального полета. Поэтому настоящее исследование является развитием известных ранее методов планирования технического обслуживания и ремонта в части учета транспортно-технического обеспечения ОС, структуры грузопотока, "Т! вспомогательных элементов конструкций крепления, упаковки и хранения грузов -"- и работы космонавтов на орбите.
На защиту выносятся следующие научные результаты: методика і проектирования ОС с совмещением процессов проектирования и подготовки орбитальной эксплуатации ОС на базе основных технологических принципов создания сложных технических систем и метод определения области Ф рациональных характеристик относительной массы целевого оборудования, количества модулей и показателей надежности оборудования ОС, периодичности запусков и массы полезного груза транспортных кораблей. Выполненная работа представляет собой комплексный анализ процесса проектирования ОС с использованием методов теории надежности, основной элемент которого - установленная автором зависимость между функциональными показателями массы ЦО, количества модулей, 1 грузоподъемности транспортных средств и эксплуатационно-техническими характеристиками надежности ОС, периодичности и длительности ТОР. Рассмотрены меры по обеспечению надежности ОС на различных стадиях жизненного цикла ОС: от проектирования до орбитальной эксплуатации. В этом смысле проведенное исследование - это проектный анализ надежности ОС, а результатами исследования являются вновь полученные закономерности в распределении мероприятий по обеспечению надежности между различными этапами жизненного цикла ОС.
Одним из результатов выполненных исследований является также разработка и обоснование предложений по усовершенствованию технологий создания РКТ путем максимального совмещения процессов проектирования и подготовки эксплуатации ОС. Принятые в качестве исходных пять технологических принципов создания сложных технических -• систем (комплексного проектирования, параллельной разработки изделий и технологий, инверсии технологии, сквозной технологии, обеспечения, технологичности), используемые при разработке технологии производства, развиты и обоснованы применительно к орбитальной эксплуатации ОС. В качестве нового технологического принципа для проектирования долговременных ОС рассмотрен принцип технологического прогнозирования, позволяющий связать перспективы изменения задач, выполняемых ОС, и технологий создания РКТ с особенностями технического обслуживания и ремонта.
Новизна научных результатов диссертации заключается в следующем:
а) развитии и обосновании пяти технологических принципов создания сложных технических систем: комплексного проектирования, параллельной разработки изделий и технологий, инверсии технологии, сквозной технологии, обеспечения технологичности, используемых при разработке технологии производства, а также принципа технологического прогнозирования, применительно к орбитальной эксплуатации ОС;
б) выявлении и использовании в рамках разработанного метода количественных зависимостей в распределении мероприятий по обеспечению надежности между различными этапами жизненного цикла ОС.
Новизна технических решений подтверждается пятью авторскими свидетельствами на изобретения.
Достоверность полученных результатов подтверждается: а) данными проектных разработок и орбитальной эксплуатации функционального грузового блока «Заря» Международной космической станции и б) определением рациональных характеристик перспективных пилотируемых и посещаемых орбитальных станций и средств их транспортно-технического обеспечения рам ках НИР « Карат».
Практическая значимость полученных результатов .состоит в достижении дополнительного качества ОС при уменьшении трудозатрат на ее развертывание и эксплуатацию. Применение методики обеспечивает уменьшение суммарных затрат на проект орбитальной станции на величину от 5 до 25 % в зависимости от типа и назначения орбитальной станции. Результаты исследований должны применяться в организациях, специализирующихся на проектировании, производстве и эксплуатации ОС, при определении проектных характеристик разрабатываемых ОС на стадии проектирования. В дальнейшем полученная методика может быть использована при проектировании космических посещаемых и обитаемых баз на орбитах и поверхностях планет. Изложенные подходы могут быть применены к проектному анализу надежности любых сложных технических систем, значительную часть затрат на создание которых, наряду с затратами на проектирование и производство, составляют затраты на эксплуатацию.
Научные результаты проведенных исследований реализованы в проектных разработках (технических заданиях, конструкторской и эксплуатационной документации) и орбитальной эксплуатации ФГБ «Заря», при определении рациональных характеристик перспективных пилотируемых и посещаемых орбитальных станций и систем их транспортно-технического обеспечения в целях повышения эффективности пилотируемых космических комплексов в целом и при определении рациональных характеристик перспективной транспортной системы в рамках НИР «Карат». Использование результатов подтверждено актами.
Публикации. Материалы диссертации и полученные научные результаты опубликованы в 24 работах, из них 3 статьи, 1&докладов нарнаучно-технических конференциях и 5 авторских свидетельств.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались:
• на Международной космической конференции - 2001 «Космос без оружия - арена мирного сотрудничества в XXI веке» 11-14 апреля 2001 г. в Москве, • на Международном симпозиуме в Страсбурге 4-7 июня 2002 г., • на Академических чтениях по космонавтике, посвященных памяти СП. Королева и других пионеров освоения космоса, и Научных чтениях, посвященных разработке научного наследия и развитию идей К.Э. Циолковского } в 1989-2002 гг., • на семинаре кафедры «Космические аппараты и ракето-носители» факультета специального машиностроения МГТУ им. Н.Э. Баумана в 2005 году. Структура работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, г заключения, перечня сокращений, списка используемой литературы и приложения. Работа изложена на 153 листах машинописного текста, содержит 5 таблиц и 34 рисунка. Список литературы содержит 90 наименований.
#
Основные положения, выносимые на защиту, заключаются в следующем. Область рациональных характеристик орбитальных станций соответствует высоким функциональным характеристикам массы целевого оборудования и высокой надежности функционирования на этапе целевого использования ОС с одной стороны и низким затратам на создание ОС с другой. Эта область рациональных характеристик может быть получена в результате анализа взаимозависимости функциональных, эксплуатационных и стоимостных составляющих эффективности ОС. Результаты анализа находят отражение в техническом задании и используются при выборе технических требований к ОС. і;-л Анализ является результатом применения лри подготовке эксплуатации .w технологических принципов создания сложных технических систем: л комплексного проектирования, параллельной разработки, сквозной технологии, инверсии технологии, обеспечения технологичности и технологического прогнозирования.
Методические основы формирования диссертационной работы, а также ряд общих положений о научной работе почерпнуты автором в пособиях [3] и [66].
« .-та » - к й - -"" " " Рйх " ««Мда» " """" ",w = a -sS# HB jsSS«« K" " fcbSfca Sa» " Настоящее исследование предваряется анализом тенденций развития ОС, роли и места орбитальной эксплуатации в жизненном цикле ОС и обзором методов проектирования и, в том числе, способов обеспечения длительного функционирования ОС на орбите, содержащихся в первой главе. На основе этого анализа сделан вывод о существенной значимости рассматриваемой проблемы для ОС в связи с решающим влиянием проблем эксплуатации на проект ОС и существенными экономическими затратами на транспортные операции в обеспечение ТОР на орбите. Анализ значимости ТОР орбитальных станций и соотношения заменяемых и незаменяемых на орбите элементов дает качественное представление о влиянии требований по ремонтопригодности на технический облик ОС. Обзор источников технической литературы отражает состояние развития методов проектирования ОС и методов технического обслуживания и ремонта сложных технических систем. Изложены общие подходы к обеспечению эффективности ОС в течение длительного времени. Как недостаток ранее использовавшихся методов проектирования ОС отмечается отсутствие количественного анализа на этапе проектирования особенностей эксплуатации ОС, включающей транспортно-техническое обеспечение, грузопоток и ремонтно-восстановительные работы экипажа на орбите. Во второй главе обосновываются общие подходы к проблеме повышения качества и эффективности орбитальных станций. Анализируются составляющие качества и эффективности кш их связь с решением задач настоящего исследования. Выбор показателей эффективности осуществляется на основе принятых до настоящего времени показателей с учетом особенностей орбитальной эксплуатации. Эффективность оценивается как с помощью частных, так и с помощью комплексного показателей. Отмечена необходимость учета вероятностного фактора и ошибок, связанных с вероятностной природой j применяемых показателей эффективности. Повышение уровня научно-технических разработок как одной из составляющих качества достигается а) применением технологических принципов создания сложных технических систем и б) использованием теоретических наработок в области надежности, ресурса и технического обслуживания. Принципы обеспечения технологичности производства при проектировании ОС распространяются на подготовку эксплуатации ОС. Суть их заключается в сращивании процессов проектирования ОС и планирования эксплуатации. В итоге формируется методическая основа для принятия конструктивно-технологических решений, направленных на выполнение технических требований и минимизацию затрат на создание ОС. Математическое моделирование полета ОС представляет собой количественный анализ эффективности в рамках реализации технологических • • • принципов. Модель охватывает все основные этапы создания ОС, включая проектирование, изготовление и эксплуатацию, и позволяет определить области 4; рациональных характеристик ОС и средств транспортно-технического обеспечения.
В третьей главе проводится анализ методических подходов, изложенных в предыдущей главе, с точки зрения применимости, оптимальности и превосходства - основных признаков повышения качества. • Использование -у технологических принципов создания СТС последовательно иллюстрируется на=€. ; примере функционального грузового блока «Заря» Международной космической Л•т станции. Показано, что в результате количественного анализа характеристик ОС получен набор оптимальных (или область рациональных) характеристик, включая относительную массу целевого оборудования ОС и количество модулей, показатели надежности, массу доставляемого полезного груза Ф грузового транспортного корабля и другие характеристики. Приведены практические рекомендации к применению разработанного метода в процессе проектирования ОС начиная с разработки ТЗ. В перспективе применение метода возможно для проектирования и выбора проектных параметров основных элементов любой сложной длительно существующей космической инфраструктуры, например, лунной инфраструктуры.
Объект исследования. Обеспечение эффективности орбитальных станций в течение длительного периода эксплуатации. Анализ источников технической литературы по исследуемой теме
Объектом настоящего исследования является орбитальная станция, а также все элементы орбитальной и наземной инфраструктуры ОС в той степени, в которой они определяют технический облик и технико-экономические характеристики ОС. К числу основных элементов инфраструктурь ОС (рисг 2) относятся транспортные корабли и ракеты-носители. Принятая? терминология [38] определяет КА как техническое устройство, предназначенное дл» выполнения целевой задачи в космосе. При этом различаются автоматические КА, пилотируемые корабли-спутники и ОС. Орбитальная станция - космический аппарат, представляющий собой совокупность соединенных друг с другом на орбите элементов станции и ее оборудования, длительное время существующий на орбите, функционирование которого поддерживается средствами транспортно-технического обеспечения с участием экипажа [37]. Приводится [55] и такое определение ОС как КА, длительно функционирующий на околоземной, окололунной или околопланетной орбите в пилотируемом или автоматическом режиме. В настоящем исследовании рассматривается орбитальная станция, существующая на низкой околоземной орбите высотой до 450 км. Положение о порядке создания, производства и эксплуатации і (применения) космических комплексов РК-98-КТ [56] определяет следующие основные этапы создания космического аппарата: а) разработку, включая проектирование и стендовую отработку, б) изготовление и в) эксплуатацию наземную и орбитальную. В настоящем исследовании в основном рассматриваются этапы проектирования и орбитальной эксплуатации (в дальнейшем - эксплуатации). Существенная роль этапов стендовой отработки и изготовления (контрольных испытаний) состоит в подтверждении показателей надежности, задаваемых на этапе проектирования.
Из определения ОС видно, что по сравнению с другими типами КА ОС занимают особое место именно из-за отличий в эксплуатации. Остановимся более подробно на той роли, которую эксплуатация ОС играет в формировании технического облика ОС и экономических затрат. Состав.ОС (рис. 3) отражает выполнение требований ОС по назначению. Силовую основу для выведения в составе РКК и размещения бортового целевого и служебного оборудования ОС составляют герметичныеткорпуса, негерметичные ферменные и подкрепленные тонкостенные отсеки и каркасы интерьера. Кроме перечисленных элементов к основной конструкции относятся также защитные экраны, механизмы раскрытия и межотсечные люковые устройства. Доля основной конструкции в общей массе ОС составляет 15...20%. Срок эксплуатации основной конструкции соответствует сроку эксплуатации ОС. РВР конструкции ОС в процессе эксплуатации на орбите занимают незначительную долю рабочего время экипажа и сводятся к замене резиновых уплотнений межотсечных люковых устройств, панелей интерьера и некоторых других элементов конструкции, а также к периодическому осмотру внутренней поверхности гермокорпуса и прилегающих к ней зон на предмет выявления и устранения отклонений от условий эксплуатации (скоплений влаги и і микробиологических образований). Целевое оборудование - оборудование для непосредственной реализации космической деятельности. Оно может представлять собой уникальные телескопы для наблюдения объектов во Вселенной в различных диапазонах излучения, аппаратуру для наблюдения Земли, установки для исследования материалов и биотехнологических экспериментов в условиях невесомости. К ЦО можно отнести также специальное оборудование для биологических исследований: инкубаторы, термостаты и перчаточные шкафы. Кроме непосредственно исследовательского оборудования в состав ЦО входят блоки управления, питания, средства вакуумирования и газоснабжения и другое вспомогательное оборудование. Доля ЦО в общей массе ОС «Мир» составила 8...10%.
Служебные системы обеспечивают функционирование и эксплуатацию ЦО. К ним относятся бортовые системы управления, командна-измерительная система, система телеметрического контроля, система электропитания, система обеспечения тепловых режимов, двигательная установка, системы жизнеобеспечения, телевидения и некоторые другие. Особо можно выделить системы, которые обеспечивают ТОР ОС на орбите. Это радиотехническая и механическая системы стыковки, средства обеспечения выхода в открытый космос, механические и робототехнические средства ТОР и бортовые инструменты, приспособления и оборудование ТОР. Служебные системы составляют 50...60% от общей массы ОС. Необходимо отметить, что к СС в настоящем исследовании относятся бортовая кабельная сеть и часть элементов крепления. 5...15% массы ОС составляют заправляемые жидкости и газы: топливо, теплоноситель СОТР и газ атмосферы. Заменяемое оборудование - элементы конструкции, ЦО и СС, для которых технически невозможно обеспечить срок службы ОС, который в настоящее время составляет 15 и более лет. Доля массы заменяемой конструкции составляет 2...4% от общей массы конструкции и включает панели интерьера и резиновые уплотнения люковых устройств, устройства фиксации и некоторые другие. ЦО может быть выполнено как стационарное, установленное на иллюминаторах и шлюзовых камерах без возможности замены (оборудование «Глазар», «Пульсар» и «Сирин» модуля «Квант» и приборы «Ксения» и «Марина» модуля «Кристалл»), так и в виде заменяемых на орбите блоков, что обеспечивает замену морально и физически устаревшего оборудования на новое, доставляемое с Земли. На МКС предусмотрена целая система внешних и внутренних рабочих мест научной аппаратуры, оснащенных унифицированными силовыми, электрическими, гидравлическими и пневматическими интерфейсами. ;;Доля заменяемого ЦО может составлятьсот 30% на станции «Мир» до 100% массы всего. ЦО на американском сегменте МКСсЗО служебных систем составляет 30...35% массы служебных систем. В числойзаменяемых не входят пневмогидравлическая система ДУ, радиаторы, трубопроводы и некоторые агрегаты СОТР, а также БКС. В настоящем исследовании рассматриваются универсальные моноблочные или модульно-сборные ОС. Последние создаются на орбите в результате стыковки двух и более блоков (модулей), каждый из которых завершен и оснащен агрегатами и системами для автономного полета и стыковки к ОС. После стыковки блоков между собой и соединения механических, электрических, гидравлических, пневматических и других коммуникаций станция образует единое целое. При этом ЦО распределено между блоками (модулями) в соответствии с общим проектом станции. Элементы конструкции, систем и ЦО ОС могут быть доставлены и собраны на орбите, не будучи по отдельности конструктивно завершенными. В этом случае ОС является результатом монтажно-сборочных работ космических монтажников, использующих специальные инструменты, приспособления и электромеханические средства. Процесс оснащения ОС дополнительным целевым и служебным оборудованием получил название дооснащения. Например, в результате введения модуля «Квант» в состав ОС «Мир» было выполнено дооснащение ОС «Мир» средствами жизнеобеспечения, управления движением, средствами выхода в открытый космос, дополнившими служебное оборудование базового блока.
Особенности выбранной проектно-прогностической системы
Исследуемая тема касается разработки методики проектирования орбитальных станций на этапах предварительных исследований, аванпроекта, эскизного и технического проектов, регламентированных Положением РК-98-КТ [56]. В Положении проектирование определено как непрерывный процесс, в котором научная и техническая информация используются для создания новой системы, нового устройства или процесса, приносящих обществу определенную пользу.
Научный метод и метод проектирования сходны друг с другом и требуют аналогичной умственной деятельности, однако они существенно отличаются мотивировкой и условиями протекания процесса. Ученым движет научная любознательность, потребность в профессиональном признании и он работает в условиях, когда время и деньги не являются определяющими факторами. Процесс проектирования находится в условиях давления факторов времени, конкуренции, состояния рынка и затрат на разработку изделия. Он характеризуется состоянием неопределенности даже когда разработанное изделие принято, поскольку необходимо обеспечить оригинальность изделия и его сбыт, тогда как конкуренты стараются создать лучшее изделие.
Метод проектирования сопоставим с научным методом. Хотя-оба эти метода непосредственно не связаны друг с другом, их существование обусловлено относительными успехами каждого из них. Научный метод начинается с некоторого объема существующих знаний в форме научных законов. Когда ученый наблюдает за природой в свете этих законов, его научная любознательность требует поиска, исследования и разработки новой идеи. Он принимает гепотезу, объясняющую научное явление. Вершиной научного метода является логический анализ и доказательство гепотезы.
Метод проектирования начинается с предварительных исследований состояния данной области: анализируются сведения о технических устройствах, материалах, технологии изготовления, состоянии рынка и т.д. Рассматриваемая проблема формулируется в виде технического задания заказчика. На стадии разработки аванпроекта разработчик определяет систему или несколько вариантов систем, обеспечивающих решение проблемы. Осуществимость системы проверяется путем анализа математических и графических моделей на этапе эскизного проектирования. Производственный цикл начинается, когда подтверждается преемлемость изделия с точки зрения технологии [77]. В общем случае технология рассматривается как наука о способах переработки сырья и материалов в средства труда и предметы потребления. Однако в настоящее время этот термин приобрел гораздо более широкий смысл и может быть отнесен практически к любой области человеческой деятельности. Поэтому слово технология в настоящем исследовании означает процедуры и методы организации человеческой деятельности, в нашем случае создания и эксплуатации ОС. Важную роль при этом играют вопросы управления, а точнее планирования и прогнозирования. Процесс планирования - это проектирование оптимального результата в условиях действия- заданных/-ограничений, по времени и ресурсам [71]. Разработка плана требует предвидения событий будущего. Отсюда возникает необходимость заниматься вопросами прогнозирования, которое может быть выражено как «определение вероятных тенденций и перспектив развития различных процессов, объектов, систем и другого на основе имеющихся данных». Или в упрощенном варианте: А «Прогнозирование - исследовательский процесс вероятностного характера, дающий представление о развитии рассматриваемого процесса или явления». Понятие технологического прогнозирования эксплуатации РКТ должно основываться на общем понятии технологического прогнозирования технических систем, приведенном выше. Также необходимо учитывать понятие эксплуатации, включающей в себя характеристики КА и РН, показатели г надежности оборудования, особенности организации материально-технического снабжения и технического обслуживания. В целом технологическое прогнозирование эксплуатации РКТ должно приводить к повышению качества І РКТ за счет выработки оптимальных КТР на этапе проектирования. Из анализа, приведенного в главе 1, следует, что до настоящего времени задача проектирования ОС, обслуживаемых на орбите, решалась, в основном, методами формализации и алгоритмизации. На этапе проектирования руководствовались функциональными техническими требованиями ТЗ и принятыми на основе имеющегося опыта эксплуатации показателями надежности. Подготовка эксплуатации происходила исходя из фактического состояния наземной базы и накопленного опыта. Очевидно, что требуется комплексный подход к решению задачи - совмещение проектирования ОС и планирования эксплуатации. ЖЇЇ Сложные технические системы, к -которым принадлежат ОС, требуют « особого подхода к их созданию. Это связано с ростом наукоемкости, сложности и увеличением--цикла технологической подготовки и освоения производства СТС. С целью сокращения затрат на реализацию наукоемких сложных проектов при обеспечении их качества была создана и внедрена в промышленность принципиально новая технологическая система создания СТС [50]. Технологическая система создания СТС - это разработанная ф параллельно с конструкцией сквозная комплексно спроектированная технология,
Вычислительный алгоритм решения задачи
В плане решения задачи настоящего исследования в ГКНПЦ им. М.В.Хруничева разработана математическая модель ОС, которая отражает влияние КТР, принимаемых на этапе проектирования, на эксплуатационно-технические характеристики надежности и экономические затраты на создание и эксплуатацию ОС [62], [63], [87]. В качестве основных показателей надежности выбраны вероятность безотказной работы, коэффициент готовности и параметр потока отказов. Найдем вначале зависимость относительной массы служебных систем от параметра потока отказов. Для определения вероятности безотказной работы ОС за время t будем использовать приближенную формулу (6) для высоконадежных элементов. Пусть Рзад - заданное значение вероятности безотказной работы за период восстановления Тг. Тогда можно определить среднее значение параметра потока отказов оборудования ОС в целом, которое впоследствии используется как заданное при нормировании показателей надежности составляющих элементов ОС: за периоды восстановления значение параметра потока отказов ОС в целом можно представить как сумму значений параметра потока отказов элементов, входящих в его состав: элементов ОС. Далее рассмотрим «уравнение существования» элемента ОС: Поделим правую часть этого выражения на т0 и получим «уравнение существования» элемента ОС: В параграфе 1.3 отмечено, что изменение показателей надежности ОС на этапе проектирования достигается за счет подбора вида и величины избыточности служебных систем. Структурная избыточность (резервирование) -основной способ повышения надежности ОС на стадии проектирования. Увеличение кратности резервирования вызывает увеличение относительной массы служебных систем Шсс. Поэтому для дальнейших расчетов нам понадобится зависимость тсс=/(е кд)- Уменьшение параметра потока отказов потребует повышения степени резервирования, что приведет к возрастанию массы служебных систем тсс. Примем, что выражение для т х имеет вид гиперболической зависимости где А\л Б-постоянные для определенного типа ОС и типа резервирования величины, определяемые по статистическим данным об ОС-прототипе и зависимостям для ВБР резервированного изделия, Справедливость этого предположения подтверждается тем, что зависимость стоимости разработки "и изготовления слЛкной технической? системы от показателя надежности близка к гиперболической [2], а зависимость стоимости РКТ от массы, отраженная в формуле (45), является степенной зависимостью. Параметры А и В определяются по статистическим данным об орбитальных станциях и позволяют учесть наиболее «консервативные» факторы, влияющие на качество ОС: состояние элементной базы электронного оборудования, технологии изготовления оборудования и БКС, обеспечение качества при производстве и испытаниях и другие. Эти факторы требуют;учета, однако они не подлежат выбору в процессе проектирования. В распоряжении проектировщика ОС имеется возможность регулировать кратность резервирования к и, следовательно, длительность периода восстановления Тг, что позволяет при заданных значениях ВБР определить оптимальные характеристики ОС. Использование зависимости m x=f{coiad) вместо зависимости c = f(a)Md) позволяет связать эксплуатационную характеристику надежности с функциональными характеристиками массы, электрической мощности и другими через уравнение существования ОС. Приняв значения относительных масс составляющих частей ОС о», ду и /77т ( по формулам (29) и (32) по заданному значению периода восстановления Тг можно определить массу целевого оборудования и другие составляющие массы ОС. Определим трудоемкость одного этапа РВР. Она прямопропорциональна массе заменяемого оборудования, к которому относятся СС и ЦО: где крвр-коэффициент, пропорциональности, или удельная трудоемкость &з0 - коэффициент, равный отношению массы замененного оборудования за один цикл восстановления к общей массе заменяемого оборудования. к п Величина коэффициента ю прототипа принимается исходя из опыта эксплуатации. Относительная минимальная масса служебных систем прототипа
Порядок и перспективы практического применения разработанной методики при проектированииорбитальной станции. Логическая организация, методы и средства инженерно-технологического сопровождения орбитальной станции
Разработанная методика является развитием использовавшихся ранее методик в части количественного учета особенностей орбитальной эксплуатации ОС. Основными компонентами процесса проектирования как и ранее остаются: комплексность, итеративность и учет внешних ограничений. В настоящей работе поставлена и решена задача, которая не ставилась ранее: определить и реализовать на практике основные принципы проектирования с учетом особенностей орбитальной эксплуатации, выявить связь и установить количественную зависимость между характеристиками массы, энерговооруженности и другими функциональными характеристиками, с одной стороны, и эксплуатационными характеристиками надежности, с другой стороны. Создание ОС начинается с разработки технического задания. Ранее в главе 2 отмечено исключительное значение правильного определения технических требований, содержащихся в ТЗ, для обеспечения высокого качества изделия. В ТЗ должны быть определены назначение и основные технические требования к ОС, включая массу станции, количество модулей, массу полезной нагрузки, требования по энергоснабжению полезной нагрузки, требования по обслуживанию полезной нагрузки экипажем, требования к возвращению полезного груза на Землю, характеристики транспортной системы и другие. Количественный анализ характеристик выполняется приведенным выше методом математического моделирования с использованием данных о прототипах и перспективных технологиях. Применение количественного анализа характеристик элементов,-входящих в орбитальную инфраструктуру, на стадии разработки технического задания позволяет обосновать выбор перечисленных характеристик, уменьшить субъективную составляющую анализа и вероятность принятия ошибочных требований к проектируемой ОС. По сути такой количественный анализ, проводимый на основании технических требований по назначению ОС и функционированию полезного груза, является проектным анализом надежности, в результате которого определяются директивные показатели надежности, определенные с учетом особенностей эксплуатации ОС на орбите. В техническое задание на ОС следует включать требование о выборе проектных параметров с целью оптимизации главных характеристик изделия. В понятие оптимального решения целесообразно включать характеристики с максимальными преимуществами, например, высокую надежность, быстродействие, массу целевого оборудования и др. и минимум недостатков, например, большие габариты, большая потребляемая мощность и др. Таким образом речь идет о выборе лучшего варианта среди возможных.
Задание требований к создаваемой технике предусматривает поиск компромисса, учитывающего оптимальные решения, получаемые в результате анализа математической модели, и необходимость использования уже созданных средств космической техники. Это хорошо иллюстрируется на примере транспортной системы. В рамках программы «Мир» использовалась транспортная система в составе ПК «Союз» и ГК «Прогресс», причем в год требовалось 2..3 полета ПК и 4..6 полетов ГК к станции. В предыдущем параграфе показано, что оптимальным для перспективной посещаемой орбитальной станции, состоящей из двух модулей (служебного и целевого), является ГК, обеспечивающий доставку полезного груза массой 8 тонн. Это несколько меньше,; чем может доставить на орбиту грузовой корабль, выводимый ракетой-носителем «Протон-М» [30]. В таком случае рациональным может оказаться сочетание двух грузовых кораблей - тяжелого и легкого. Малоразмерные грузовые транспортные корабли обладают более высокой оперативностью и частотой доставки грузов. Использование таких ТК не требует выделения значительных объемов внутри ОС для длительного хранения доставленных грузов и отходов, а также позволяет сократить время экипажа, затрачиваемое на работу с грузами. Тяжелые транспортные корабли более универсальны, имеют более низкую относительную стоимость доставки грузов на орбиту и уменьшают количество стыковок к ОС, сокращая тем самым динамические операции. Необходимо учитывать также то, что на постоянно обитаемые ОС необходимо периодически доставлять питание и питьевую воду, гарантийный срок хранения которых ограничен. Тяжелый ГК обеспечивает доставку основной массы топлива и основную массу заменяемого целевого оборудования и служебных систем, в том числе крупногабаритных элементов. Легкий ГК обеспечит оперативную доставку грузов на орбиту, в том числе расходные материалы экипажа посещения (космических туристов) с соответствующей целевой аппаратурой. Суммарная масса доставляемых грузов за время существования ОС:
