Лекция_4_110324_Системная_инж_к_отправке

1.

Лекция 4
Управления требованиями при проектировании
систем ракетно-космической техники
Лектор:
Корянов Всеволод Владимирович, к.т.н., доцент

2.

Процесс разработки космической системы.
Методы системного проектирования.
В тематическом исследовании,
приведенном далее, описаны многие из
этих факторов. Пока вкратце рассмотрим
выбор орбиты. Этот пример позволяет
отметить ряд ключевых моментов, которые
необходимо учитывать при принятии
концепции и ее оптимизации.
Рисунок представляет собой древовидную
схему, показывающую возможные орбиты
вокруг Земли и за ее пределами. Все они
(за исключением лунной поверхности) уже
выбирались для реальных полетов (о чем
свидетельствуют приведенные названия
спутников).
2

3.

Процесс разработки космической системы.
Методы системного проектирования.
Главное, что следует из схемы, — выбор орбиты отнюдь не однозначен. Многое зависит от
существующей инфраструктуры, а именно — наличия ракеты-носителя, возможности поиска данных
или существующей конструкции платформы космических аппаратов.
Например, основные обсерватории NASA — космический телескоп «Хаббл» и «Гаммаобсерватория» — должны были находиться на круговой низкой околоземной орбите для запуска и
обслуживания шаттлом, а также для использования TDRSS (получение данных).
Для астрономических миссий ESA, таких как «Интеграл» и аппарат для рентгеновских
исследований с помощью многоэлементных зеркал (XMM-Newton), были выбраны высокие
эллиптические орбиты. Это гарантировало длительное непрерывное наблюдение вне радиационного
пояса протонов и электронов Земли.
Повторное использование конструкций значительно экономит средства — по сравнению с
созданием новых.
Так, спутниковая платформа для Venus Express была почти точной копией платформы Mars
Express. Ее стоимость, стоимость ракеты-носителя и операций наземного сегмента составляют
значительную часть общих затрат, что может оказать доминирующее влияние на принятие
своевременного компромиссного решения. Конструкция последующих систем и подсистем
космических аппаратов для различных типов орбит могут соответственно отличаться за счет
3
различных ограничений среды и условий полета.

4.

Конструкционные факторы проектирования
космических систем.
В большинстве случаев полезная нагрузка
является главным определяющим фактором в
конструкции спутника.
Назначение платформы служебных систем в том,
чтобы полезная нагрузка работала на нужной
орбите и в требуемой среде. Мощность, нагрев и
охлаждение, структура и связь —
все эти подсистемы предназначены для
обеспечения штатного режима и передачи
полученных данных на Землю. Двигательная
подсистема, подсистема управления положением в
пространстве и управления в орбитальном полете
(AOCS3), разбор выполнения поставленной задачи
— лишь средства для установки полезной нагрузки
в правильное положение, позволяющее проводить
нужные измерения.
4

5.

Конструкционные факторы проектирования
космических систем.
К примеру, космический аппарат «Джотто» исследовал комету Галлея. Ее ретроградная орбита
вокруг Солнца означала, что перехват должен произойти на очень высокой скорости (около 70 км/с),
и «Джотто» необходимы были средства защиты от частиц. Соответственно, особую важность
приобретала конструкция защитного экрана. Помимо этого, аппарат должен был вращаться — это
обеспечивало гироскопическую жесткость, позволявшую ему оставаться в правильном положении
для изучения ядра кометы и передачи данных на Землю.
С другой стороны, «Розетта» (ESA), предназначенная для изучения кометы 67Р/ЧурюмоваГерасименко, должна двигаться вместе с ней, вращаясь вокруг ее ядра со скоростью несколько
сантиметров в секунду по мере приближения к Солнцу. Эта комета имеет прогрессивную орбиту,
поэтому для «Розетты» вполне возможна конфигурация со стабилизацией по трем осям. В обоих
случаях конструкция космического аппарата вытекает из требований и ограничений, связанных с
полезной нагрузкой.
5

6.

Конструкционные факторы проектирования
космических систем.
Компромиссы
Зачастую в процессе конструирования применяются таблицы с компромиссными вариантами,
позволяющими в начале выработки концепции рассмотреть несколько альтернативных проектов.
Основные критерии оценки включают:
• расходы, которые, как правило, выступают доминирующим фактором;
• соответствие эксплуатационным требованиям (например, качеству изображения в ходе полета
по наблюдению за Землей) ;
• физические характеристики, в частности масса, размеры и мощность, которые, в свою очередь,
влияют на стоимость запуска;
• наличие подходящих аппаратных технологий и необходимое время для подготовительной
работы;
• совместимость с ракетой-носителем, наземным сегментом и другими элементами системы, а
также степень сложности интерфейсов;
• степень гибкости, позволяющей рассмотреть альтернативные варианты проведения полета;
• надежность и доступность.
6

7.

Конструкционные факторы проектирования
космических систем.
Компромиссы
Даже если некоторые из этих критериев считаются более важными, при обсуждении может быть
достигнут компромисс. Однако и к нему следует относиться как к общему ориентиру. Невозможно
гарантировать, что компромисс полностью объективен, а критерии оценки — исчерпывающие и
независимые. Так, стоимость зависит от всех перечисленных выше критериев, и ее использование в
качестве независимого параметра весьма сомнительно.
Количественной оценке (следовательно, и прямому сравнению) поддаются лишь некоторые из этих
факторов. Другие — субъективны и теснее связаны с инженерными суждениями, чем с результатами
анализа параметров и методами оптимизации. Третья группа факторов может носить
количественный характер, но на ранних стадиях оценка соответствующих значений бывает слишком
грубой, что не позволит с уверенностью выбрать одно решение из всего диапазона.
Однако, несмотря на свои недостатки, анализ компромиссных решений часто полезен для
определения конструктивных факторов, а также для сосредоточения ресурсов на вопросах,
которые могут поставить под угрозу целесообразность запуска. Наконец, следует отметить, что,
как и при выборе орбиты, не обязателен лишь один предпочтительный вариант — возможны
альтернативные, столь же жизнеспособные подходы.
7

8.

Конструкционные факторы проектирования
космических систем.
Бюджеты
Важным инструментом проектирования системы является все, связанное с бюджетом. На уровне
космического аппарата основными ресурсами системы являются:
• масса и массовые свойства (например, центр масс, инерция);
• приращение скорости и необходимое для него количество топлива;
• мощность и энергия;
• системы наведения и стабилизации;
• погрешность юстировки/визирования (например, линия визирования полезной нагрузки по
отношению к номинальным осям космического аппарата) ;
• бюджеты систем телеметрии и телеуправления;
• скорость передачи данных и емкость хранилища данных (при необходимости) ;
• бюджеты каналов связи;
• надежность.
8

9.

Конструкционные факторы проектирования
космических систем.
Бюджеты
Почти во всех космических программах масса и энергия играют важную роль, однако глубина
связанных с ними ограничений зависит от типа полета.
Изначально необходимо разобраться с важными конструктивными факторами:
потребляемая мощность полезной нагрузки и скорость передачи данных (для CryoSat), системы
наведения и стабилизации (для телескопов).
Перевод ключевых требований к системе и ресурсам на уровень подсистемы и их повторение (по
мере необходимости) тесно связаны с другими шагами в проектировании на ранних стадиях.
Эти шаги включают формулирование
альтернативных концепций, их компромиссные
оценки в сравнении с основным критерием и
создание короткого списка предпочтительных
решений.
Анализ параметров на уровне системы и
подсистем необходим, чтобы выявить
уязвимые места и технические факторы.
9

10.

Конструкционные факторы проектирования
космических систем.
Бюджеты
Задачи проектирования системы должны учитываться на всех этапах, а не только на ранних стадиях.
В частности, рассмотрения требуют следующие аспекты:
• соответствие всех физических и эксплуатационных параметров системным требованиям;
• передача технического описания и бюджетов с уровня системы на уровень подсистемы;
• разрешение конфликтов в процессе создания более детальной конструкции, что позволяет найти
самое экономически эффективное компромиссное решение, удовлетворяющее требованиям по
общей массе, риску, стоимости и др.;
• определение, мониторинг и контроль взаимодействия между всеми элементами системы и между
подсистемами;
• детализация последовательности операций в ходе полета;
• управление и обслуживание бюджетов массы, энергии, топлива и других ключевых ресурсов;
• анализ факторов системного уровня, таких как надёжность, электромагнитная совместимость и
химическая чистота.
10

11.

Параллельное проектирование космических систем
Параллельное проектирование (ПП) — набор методов, в которых проектирование, разработка,
закупка и производство осуществляются в режиме, близком к режиму реального времени. Кроме
того, процесс отличается высоким уровнем интеграции инструментов между всеми
задействованными дисциплинами. Все стороны, вовлеченные в жизненный цикл, используют
одну и ту же вычислительную технику и компьютерную среду.
Цель такого подхода — в существенном сокращении времени выхода на рынок и стоимости
разработки, а также повышение качества продукта.
Параллельное проектирование активно используется в научных кругах и промышленности более 30
лет. Эта методология впервые была введена в авиационной промышленности, а затем постоянно
развивалась и распространялась.
Постепенно к ней начали обращаться и другие отрасли, и сейчас она широко применяется.
Связанная с параллельным проектированием дисциплина — «Совместное и распределенное
проектирование» — обладает схожими инженерными характеристиками (разработкой в режиме,
близком к режиму реального времени, и интеграцией инструментов). Однако она делает упор на
вовлечение в процесс различных удаленных объектов. Такой метод применяется в проектах с
участием несколько компаний, когда активно задействуются поставщики и т.д., то есть в ситуациях,
где степень интеграции команды несколько слабее.
11

12.

Параллельное проектирование космических систем
На ранней стадии разработки параллельное
проектирование (ПП) представляет собой
альтернативу другим подходам. Существует три
основных типа методологии проектирования. Они
схематично представлены на рисунке.
«Классический» метод — последовательное
проектирование. Весь объем распределен на
последовательные временные этапы по специалистам.
В результате итерационного процесса постепенно
устраняются несоответствия, что гарантирует
последовательность работ и внутреннюю связь между
ее результатами. Зачастую из-за отсутствия связи
между специалистами принимаются неправильные
предположения, основные параметры системы не
контролируются в режиме реального времени, и, значит,
для достижения конечной цели нужно несколько
итераций. В результате процесс становится чрезмерно
долгим.
12

13.

Параллельное проектирование космических систем
У параллельного проектирования значительные
преимущества — оно повышает гибкость в
использовании трудовых ресурсов и уже считается
проверенным и даже рутинным. С другой стороны, оно
снижает возможности междисциплинарных решений и
создания системы информированности.
При «децентрализованном» подходе все данные и
модели распределены между специалистами. Порой
трудно, а то и нереально повторно собрать всю
информацию и наработанные знания — например, для
возобновления проекта с измененными требованиями в
дальнейшем. И последнее, но не менее важное —
время, необходимое для исследований с
использованием классического подхода (6—9 месяцев),
несовместимо с желанием сократить срок между
концепцией и запуском.
13

14.

Параллельное проектирование космических систем
Улучшенная версия последовательного проектирования
централизованный метод, при котором технические
специалисты поставляют информацию и данные на
уровне подсистемы основной команде, состоящей из
одного или нескольких системных инженеров. Задача
этой команды заключается в анализе и проверке
конструкции на уровне системы, а также в
стимулировании и при необходимости развитии связей
между различными группами.
14