Метод комплексной оптимизации параметров и процесса отработки семейства ракет-носителей

Актуальность проблемы. Конец столетия характеризуется сокращением государственных расходов на средства выведения, переходом к коммерческому их использованию, обострением конкуренции на международном космическом рынке. В этих условиях принятие на начальном этапе создания комплекса недостаточно обоснованного решения может привести к крайне неблагоприятным последствиям. Особенно актуальными задачами являются: снижение затрат на осуществление программ, своевременный ввод в строй новых или модернизированных комплексов, обеспечение высокой надежности РН, анализ неопределенности и риска. Рациональным решением с точки зрения коммерческого применения может оказаться создание космического ракетного комплекса (КРК) с семейством РН при широком использовании существующих и создаваемых на их основе элементов. Неслучайно в ряде стран проводятся проекты создания таких комплексов. По программе EELV (США) фирмы Локхид Мартин и Боинг в рамках контракта с МО США создают семейства РН, предназначенные как для решения задач МО, так и коммерческих задач [85, 89]. В Японии реализуется проект создания семейства коммерческих РН Н2А. В РФ ГКНПЦ им. М. В. Хруничева ведет работы по созданию КРК с семейством РН «Ангара» [62, 92].

Создание КРК представляет собой длительный, многоэтапный процесс, включающий проектирование и отработку. Особенности процесса отработки в большой степени определяют затраты на создание комплекса и сроки создания, достигаемые показатели надежности. Для обоснованного выбора наилучшего варианта необходимо уже на начальном этапе работ (формирование ТЗ, поисковые исследования, техническое предложение) проводить комплексную оптимизацию параметров, технологии и процесса отработки семейства РН.

В связи с высокой сложностью задачи комплексной оптимизации, отсутствием соответствующего методического аппарата, инерцией разработчика, привыкшего не считаться со средствами для достижения высоких функциональных характеристик, на практике реализуется последовательно-итерационная схема. Выбор рационального варианта как правило производится без анализа альтернативных технологических решений (в том числе особенностей отработки). Такой подход может успешно применятся разработчиком при привязке к определенным технологическим решениям, сложившейся кооперации, последовательности и структуре работ, практически неограниченных ресурсах т. е. при работе в рамках плановой экономики. В новых условиях это может приводить к удлинению сроков поиска решения, росту затрат на программу, при этом, из-за поэтапности принятия частных решений возможна потеря рационального варианта. Необходимость осуществления значительных затрат денежных средств (в том числе непредвиденных) может просто привести к нереализуемости проекта. Комплексная оптимизация, учет особенностей отработки, риска, неопределенности, расширение области альтернатив (рассмотрение семейств РН) позволяет уже на начальных этапах работ более обоснованно выбирать рациональный вариант, повысить качество проектных работ.

Степень научной разработанности проблемы. Задачи, решаемые в процессе проектирования ракетной техники анализируются в работах Р. Ф. Аппазова, И. Т. Белякова, В. К. Безвербого, Ю. Д. Борисова, В. Ф. Варфоломеева, И. С. Голубева, А. А. Золотова, А. В. Ильичева, В. К. Карраска, М. И. Копытова, А. А. Кузнецова, Ю. А. Матвеева, А. А. Медведева, В. П. Мишина, Н. И. Морозова, Б. М. Панкратова, А. М. Синюкова, Д. Н. Щеверова и др. [1, 3, 10, 19, 22, 25, 30, 31, 40, 41, 44, 57, 58]. Основное внимание в опубликованных исследованиях, как правило уделяется решению частных задач — выбору рациональных параметров РН, БР различного типа и их отдельных подсистем, решение задачи баллистического проектирования, оптимизации процесса обеспечения надежности, сравнительной оценки альтернативных технологических решений. Вопросам проведения комплексной оптимизации на начальном этапе проектирования ракетных систем, согласованного решения частных задач посвящен ряд работ Д. Н. Щеверова и Ю. А. Матвеева [30, 57, 58]. Анализ схемы многоуровневого исследования модификации РН при модернизации ракетного комплекса с учетом неопределенности, согласования решений задач различных уровней, а также задача комплексной оптимизации модификации БР с РДТТ в детерминированной постановке рассмотрены в работах Ю. А. Матвеева [30, 31]. Проблема комплексной оптимизации параметров и процесса отработки семейства РН с учетом неопределенности и риска не исследовалась.

Целями данной диссертационной работы являются:

1. Разработка метода решения задачи комплексной оптимизации параметров и процесса отработки семейства РН в составе КРК для этапа «Техническое предложение» с учетом неопределенности связей и риска.

2. Исследование закономерностей создания семейства РН с учетом неопределенности, риска, прогнозируемой нагрузки, ограничений по надежности, сроку реализации.

Научная новизна и теоретическая значимость исследования состоит в разработке метода комплексной согласованной оптимизации параметров и процесса отработки семейства РН (МКСО) для этапа «Техническое предложение» .

1. Разработан метод комплексной согласованной оптимизации, основанный на принципе рандомизации, приемах декомпозиции, статистическом согласовании связей.

2. Сформулирована и решена задача комплексной оптимизации параметров и процесса отработки семейства РН с учетом неопределенности и риска.

Новизну решаемой задачи определяет учет: комплекса характеристик (функциональных характеристик, времени, надежности, риска, затрат и доходов) — неопределенности внутренних связейособенностей семейства и его отработки, таких как наличие унифицированных элементов с фиксированными характеристиками, комплексирование работ при отработке, проведение дополнительных испытаний, увеличение количества испытаний унифицированных подсистем.

Практическая ценность. Разработанный метод применим для определения оптимальных параметров и процесса отработки РН (семейства) в целях сравнительного анализа альтернатив на этапах формирования ТЗ и разработки технического предложения. Он позволяет получить предварительную оценку массово-энергетических, геометрических характеристик, затрат, сроков работ и характеристик надежности заданного семейства РН с учетом ограничений по надежности и сроку создания комплекса при прогнозируемой нагрузке. Комплексная оптимизация, учет фактора времени, неопределенности внутренних связей, риска повышает достоверность сравнительной оценки альтернативных вариантов средств выведения. Использование критерия приведенной эффективности инвестиций позволяет сравнивать различные типы комплексов, включающих как одиночные РН, так и семейства РН.

При соответствующей настройке разработанное математическое и программное обеспечение может быть использовано для анализа различных типов комплексов с семействами РН, модификаций РН в составе KPK, а также при проектировании новых KPK. Полученные закономерности применимы при постановке новых задач, при принятии базовых решений. Задача комплексной оптимизации может решаться как изолированно, так и в рамках многоуровневого исследования альтернативных вариантов.

Достоверность результата. В широком смысле определяется тем, что при решении задачи используются апробированные модели, объединенные по логическим правилам. Отсутствие логических ошибок и соответствие общей модели формализованной схеме подтверждается проведенными исследованиями.

Достоверность результата при анализе конкретных альтернатив зависит от точности используемых исходных данных, сравниваемых альтернатив и в каждом конкретном случае требует дополнительных исследований.

Апробация результатов. Результаты, полученные в ходе исследований были доложены на чтениях К. Э. Циолковского в 1993, 1996, 1997, 1998 гг. [64, 71−73], на межведомственном семинаре ГКНПЦ им. М. В. Хруничева 1998 г. [74], а также на научных чтениях по космонавтике в 1999 г [75] и конференции молодых специалистов ГКНПЦ им. М. В. Хруничева 2000 г. [76]. Результаты также использовались при написании 3-х НТО [69, 78, 82]. По материалам диссертации опубликовано 10 работ.

Структура работы. Работа состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы.

В первой главе «Задача оптимального проектирования семейства РН в составе космического ракетного комплекса для этапа «Техническое предложение» проанализированы особенности семейства РН, процессов его жизненного цикла, современных условий применения РН. Сформулированы основные принципы определения эффективных конструкторско-технологических решений семейства РН. Представлена постановка основной задачи проектирования семейства РН в составе космического ракетного комплекса для этапа «Техническое предложение» .

— задачи комплексной оптимизации параметров семейства РН и процессов его жизненного цикла. Приведено описание МКСО, сформулированы условия согласованности и сходимости, представлены схема и алгоритм решения основной задачи проектирования с учетом неопределенности внутренних связей.

Во второй главе «Основные составляющие метода комплексной согласованной оптимизации параметров и процесса отработки семейства РН» рассмотрены основные составляющие МКСО для семейства РН. В рамках главы: сформулированы две стохастические главные задачи (задача оптимизации параметров семейства РН и задача оптимизации процесса отработки семейства РН) — приведены основные соотношения моделей главных задачуказаны функциональные связи, рассмотрены вопросы согласования решений, оценки точности внутренних связей и представлено описание методики и алгоритма согласования моделей в рамках исследования на одном уровне управления разработкой.

В третьей главе «Комплексная оптимизация и сравнительный анализ вариантов семейства РН на этапе «Техническое предложение» «представлены результаты применения МКСО для решения основной задачи проектирования на примере двух альтернативных вариантов ракетного комплекса: с семейством РН и с одиночной РН. В рамках главы приведен численный анализ сходимости МКСО при использовании разработанного алгоритма адаптации моделейпредставлены результаты решения и сравнительная оценка вариантов при принятом значении ограниченийисследовано влияние условий применения, ограничений по надежности и сроку разработки, а также неопределенности внутренних связей на сравнительные характеристики рассматриваемых вариантов.

Результаты работы апробированы при проведении ряда НИР [68, 79, 80] и доложены на ряде конференций [71−78], что подтверждает их достоверность и практическую целесообразность.

Заключение

.

В результате проведенного исследования разработан метод комплексной согласованной оптимизации параметров и процесса отработки семейства РН в составе КРК.

Метод включает: декомпозицию проектной задачи на две главныезадачу оптимизации параметров семейства РН и задачу оптимизации процесса отработкиметодики решения главных задачприемы организации направленного согласованного поиска решения.

В основе метода лежит принцип рандомизации (относительности моделирования), заключающийся в том, что одно и тоже явление может быть описано функциями с различным количеством и составом факторов. Направленный согласованный поиск решения предполагает уточнение функциональных и статистических связей.

Метод комплексной согласованной оптимизации формализует процедуру поиска оптимального проектного решения и позволяет количественно оценить влияние условий применения, ограничений по надежности и сроку создания на характеристики сравниваемых вариантов КРК.

Разработаны методики и алгоритмы решения главных задачзадачи оптимизации параметров семейства РН и задачи оптимизации процесса отработки семейства РН для этапа разработки технического предложения. Оптимизация параметров семейства одноразовых РН с ЖРД позволяет оценить оптимальные параметры семейства (массы топлива и тяги ДУ ракетных блоков семейства РН) и характеристики РН. Оптимизация процесса отработки семейства РН позволяет оценить оптимальное распределение средств, сроков, надежности по подпроцессам отработки, исследовать влияние сроков проведения работ и объема испытаний на эффективность комплекса с семейством РН, создаваемым на основе унифицированных ракетных блоков.

Разработаны методика и алгоритм направленной адаптации моделей (уточнения статистических связей). Методика адаптации является обобщением метода оценки по базовым показателям и предназначена для оценки среднего значения и среднеквадратического отклонения коэффициентов модели. Она включает оценку методом наименьших квадратов параметров базовых моделей, соответствующих некоторой «базовой» выборке и уточнение базовых моделей по результатам решения главных задач.

Разработанным методом решена задача комплексной оптимизации параметров и процесса отработки для двух вариантов коммерчески применяемого космического ракетного комплекса (КРК): с семейством РН и с одиночной РН. В результате решения задачи комплексной оптимизации параметров и процесса отработки при принятых допущениях получены следующие результаты.

1. Разработанная методика согласования статистических связей обеспечивает согласованность решений главных задач порядка 10−30% по составляющим затрат, порядка 60% по эффективности и сходимость метода комплексной согласованной оптимизации за 1 — 2 итерации.

2. Вариант с семейством РН имеет эффективность (среднее значение приведенной эффективности инвестиций за вычетом ее СКО) 104%, в то время как вариант с одиночной РН имеет эффективность -11%. Среднее значение требуемых инвестиции в создание семейства РН, по сравнению с одиночной РН может быть снижено в 1,5 раза, их СКО ниже в 1,6 раза, среднее значение затрат — выше в 1,6 раза, при практически одинаковом СКО, средняя выручка выше в 1,9 раз, а ее СКО выше в 1,4 раза. Вероятность того, что вариант с семейством РН по приведенной эффективности инвестиций (при номинальных условиях применения) окажется лучше варианта с одиночной РН равна 0,997. При отсутствии спроса на коммерческое применение «легкой» и «средней» модификаций.

РН семейства эффективность семейства РН снижается до 26% (в 4 раза) при этом вероятность того, что вариант с семейством РН лучше варианта с одиночной РН снижается до 0,87.

3. Значительное влияние на оптимальные массы топлива ракетных блоков и тяги ЖРД семейства РН оказывают требования со стороны «легкой» модификации. Так оптимальная масса топлива пятиблочной первой ступени РН семейства («тяжелой» модификации) составляет 890 т, что в 1,4 раза больше массы топлива для одиночной «тяжелой» РН, а масса топлива второй ступени 57 т, что в 1,9 раз ниже массы топлива второй ступени одиночной РН. Аналогичная ситуация и с тягой ЖРД.

Платой за унификацию является в 1,3 раза более высокая стартовая масса «тяжелой» модификации РН семейства (1063 т против 826 т для одиночной РН) и соответственно во столько же раз более низкое значение относительной массы ПГ.

4. Создание семейства модификаций позволяет более рационально организовать процесс отработки. Так оптимальный срок разработки КРК с семейством РН с учетом риска меньше на 13%, а срок начала штатной эксплуатации (при параллельном проведении ЛИ) меньше в 1,3 раза.

За счет меньшей размерности унифицированного модуля первой ступени, наличия нескольких унифицированных модулей в составе первой ступени «тяжелой» и «средней» модификаций РН семейства, возможности проведения ЛИ различных модификаций РН, оптимальное требование к надежности РН семейства составляет 0,97 против 0,94 для одиночной РН.

5. Разработка семейства РН позволяет на 20% и 70%, снизить временной и стоимостной риск при летных испытаниях.