Вертолёт, 2008 №2

Методические основы системных исследований ВК

В.С. Платунов

На Пятом форуме Российского вертолетного общества, состоявшемся в 2002 году, было принято решение об учреждении специальной лекции имени академика Б.Н. Юрьева. Почетное право прочитать такую лекцию присуждается известным отечественным специалистам в области вертолетостроения. На Восьмом форуме РосВО, прошедшем в марте 2008 года, такое право получил ведущий научный сотрудник ФГУ «30 ЦНИИ Минобороны России», доктор технических наук, профессор В.С. ПЛАТУНОВ. Свое выступление он посвятил методологическим вопросам системных военнонаучных исследований вертолетных комплексов (ВК) по обоснованию концепций, технических обликов и требований к перспективным ВК (боевым, транспортно-десантным, многоцелевым). Публикуем журнальный вариант доклада.

Ми-35

Современные вертолетные комплексы военного назначения — сложные и дорогостоящие технические объекты, над их созданием в течение длительного времени трудятся целые коллективы конструкторских и научных организаций. А «жизненный» цикл таких объектов, включающий в себя обоснование, разработку, постройку и испытания опытных образцов, серийное производство и последующую эксплуатацию, занимает десятки лет. Принятие ошибочных, недостаточно продуманных и плохо обоснованных решений по созданию новых образцов ВК может привести к потере времени и неоправданным материальным затратам. Вот почему начальные этапы проработки перспективных ВК и, прежде всего, этапы концептуальных и обликовых исследований вертолетной техники, которые завершаются обоснованием тактикотехнических требований и разработкой проектов ТТЗ на ВК, играют весьма значительную роль.

Методология формирования ВК, научно-методический и программный аппарат, созданные на основе системного подхода, позволяют решать большое количество практических задач в процессе обоснования, создания и сопровождения разработки ВК различного назначения с учетом ключевых оперативно-тактических, научно-технических и производственно-экономических факторов. Решение этих задач базируется на широком использовании современных математических методов, новых информационных технологий и вычислительной техники.

Разветвленная система методик синтеза вертолетных комплексов позволяет, опираясь на достижения отечественной и зарубежной науки и техники, определять их оптимальный технический облик (включая основные ТТХ), проводить всестороннюю сравнительную оценку предложенных вариантов и на этой основе разрабатывать проекты ТТЗ на новые и модернизируемые образцы вертолетной техники. Кроме того, такой подход позволяет обосновывать предложения по типажу и техническому облику ВК для систем и программ вооружения, по концепциям развития военной авиации. Наиболее ярким примером воплощения системного подхода по обоснованию перспектив развития АВ и требований к ним является разработка в 30 ЦНИИ МО РФ системы автоматизированного формирования авиационных комплексов (САФАК).

САФАК позволила автоматизировать процесс военно-научных исследований и обоснований АВ различного назначения, увязать основную часть отдельных методик, моделей и программ в области синтеза летательных аппаратов, двигателей, БРЭО, вооружения в единую систему, обеспечивающую решение многих практических задач с меньшими затратами и более высоким качеством. В настоящее время ведутся интенсивные работы по созданию автоматизированной системы формирования вертолетных комплексов различного назначения (боевых, транспортно-десантных и многоцелевых).

Создание новых образцов ВК, как показывает многолетняя практика опытного строительства авиационной техники в нашей стране и за рубежом, имеет два этапа. Первый — этап обоснования и проработки концепций новых образцов ВК и создания экспериментальных (демонстрационных) образцов или их основных элементов (этап создания научно-технического задела, необходимого для начала ОКР по новым ВК). Второй — этап опытно-конструкторских работ с реализацией всех основных стадий, определенных нормативно-техническими документами по созданию авиационной техники военного назначения и действующими общими техническими требованиями (ОТТ ВВС).

Военно-научные исследования по обоснованию перспектив развития ВК и требований к ним выполняются поэтапно (с достаточным упреждением) до начала ОКР, чтобы можно было выполнить весь цикл необходимых исследований и проработок еще до создания новых образцов. Поэтому исследования по формированию ВК распадаются на ряд частных взаимоувязанных задач, другими словами, задача по формированию вертолетного комплекса становится задачей нестационарного математического программирования.

Рис. 1. Основные задачи и этапы военно-научных исследований по формированию вертолетных комплексов

Формирование ВК выполняется на трех этапах военно-научных исследований: концептуальном (этапе обоснования концепций перспективных образцов, определяющих главную идею ВК в системе вооружения определенного рода авиации), обликовом (этапе синтеза ВК, оптимизации его основных ТТХ, конструктивноаэродинамической схемы и основных технических параметров), проектном (этапе уточнения отдельных ТТХ, принятых к реализации на этапе проектирования). Последовательность выполнения работ наглядно показана на рис. 1.

На концептуальном этапе формируется долгосрочный (на 15–20 лет вперед) прогноз основных направлений развития вертолетного комплекса. Исходными данными такого прогноза являются оперативно-тактические потребности родов авиации, научно-технические возможности и прогнозируемые ресурсы.

На обликовом этапе выполняется среднесрочный прогноз, базирующийся уже на более конкретных сведениях о ВК, сроках и масштабах их производства, потребных и выделяемых ресурсах, технологиях, которые реально могут быть использованы при разработке и создании новых образцов. К этому этапу более детально прорабатываются перечень и объемы расчетных боевых задач и условия их выполнения, а также основные оперативно-тактические требования. Информация, имеющаяся на обликовом этапе, позволяет выполнить оптимизацию основных ТТХ и определить содержание ТТЗ на разработку аванпроекта.

На проектном этапе выполняется краткосрочный прогноз, дающий возможность уточнить отдельные требования к ВК. Эта задача, как правило, решается на основе комплексной оценки вариантов технических решений, предлагаемых в аванпроектах. По результатам исследований проектного этапа разрабатывается ТТЗ на создание нового образца вертолетного комплекса.

Рис. 2. Комплексная методика сравнительной оценки альтернативных вариантов БК

Концепция вертолетного комплекса — это генеральная идея или совокупность идей и основополагающих решений по созданию и применению ВК. Она реализуется на основе интеграции нововведений в оперативно-тактических и технических решениях, достижимых в прогнозируемый период времени. С помощью выработанной концепции вертолетного комплекса разрешается скрытое противоречие между военными потребностями и производственно-технологическими и экономическими потребностями страны.

Концепция вертолетного комплекса выступает в качестве руководящего и организующего начала при формировании ВК и обосновании требований к его ТТХ и техническому облику. Поэтому она должна базироваться на взаимосвязи факторов, определяющих развитие вертолетной и авиационной техники, вооружения и военной техники в целом. При формировании концепции вертолетных комплексов учитываются оперативные потребности в создании новых ВК (оперативно-тактическая концепция), возможности по их созданию (научно-техническая концепция), ресурсы и ограничения при разработке, серийном производстве и боевом применении (производственно-экономическая концепция).

Оперативно-тактическая концепция ВК формируется на основе анализа военностратегической ситуации, развития боевых средств и способов их применения в российских Вооруженных силах и армиях развитых зарубежных стран, а также целого ряда других факторов. Ключевым компонентом оперативно-тактической концепции ВК является триада основных боевых свойств: мощность, мобильность, выживаемость ВК. По каждому из этих боевых свойств можно определить потребную мощность ВК (М)п, потребную мобильность ВК (МБ)п, потребную выживаемость ВК (ВЖ)п, а также потребную полезность ВК (ОФП)п которая определяет уровень оперативных потребностей по совокупности основных ТТХ новых вертолетных комплексов рассматриваемого назначения. Все эти функции определяются методами теории принятия решений. В результате получаем одно число, которое интегрально характеризует потребную полезность нового ВК.

В настоящее время еще недостаточно осознается целесообразность такого подхода к оценке ВК, по-прежнему все сводится к анализу совокупности частных показателей. Но автор статьи убежден, что на этапе долгосрочного прогноза и формирования концепции перспективного ВК будущее именно за такой методикой.

Научно-техническая концепция ВК определяет технические пути и средства достижения поставленных целей, то есть пути реализации основных потребных боевых свойств. На основе анализа основных факторов, определяющих научно-технические возможности создания новых ВК, производится системный анализ всего спектра нововведений, степени их практической освоенности и возможности реализации в прогнозируемый период времени. Анализ, проведенный по такой схеме, позволяет сделать прогноз на 15–20 лет вперед, определить перечень научно-технических решений и достигнутые уровни технических характеристик, полученные от внедрения данных решений.

Оценка уровней технического совершенства ВК в зависимости от основных нововведений дает возможность получить количественные значения основных располагаемых ТТХ ВК, а затем и сформировать множество вариантов ВК, определить их основные боевые свойства. По каждому боевому свойству ВК можно вычислить обобщенные показатели, которые интегрально будут оценивать располагаемые мощность (М)р, мобильность (МБ)р, выживаемость (ВЖ)р. Зная эти показатели, можно вычислить конкретное значение обобщенной функции полезности, то есть найти располагаемую полезность нового ВК. Численные значения потребной и располагаемой полезности помогут оценить соответствие потребных и располагаемых боевых свойств ВК. Следует подчеркнуть, что рассмотренные выше задачи должны решаться итерационно, поскольку оперативные потребности зависят от технических возможностей и в то же время стимулируют их развитие.

Так же, как и технические возможности, они дисциплинируют оперативные потребности и одновременно раскрывают новые направления развития и вширь, и вглубь.

Производственно-экономическая концепция ВК определяет прогнозируемые ресурсы (потребные и располагаемые) и ограничения производственно-технологического характера при разработке и создании перспективных образцов. Главнейшими направлениями исследований этой стороны концепции ВК становятся:

— разработка программы формирования ресурсов, которые необходимы для выполнения НИОКР;

— разработка комплексной целевой программы для создания научно-технического задела и последующей ОКР;

— разработка программы развития технологической и производственной базы создания перспективного образца ВК, его систем, подсистем и элементов. Опыт такой работы в нашей стране есть, по ряду объектов разработаны соответствующие документы.

На основании полученных данных по этим трем ключевым направлениям формируются варианты разработки и создания нового образца вертолетного комплекса с определением потребных и располагаемых затрат на весь «жизненный» цикл функционирования расчетной группировки ВК.

Ка-52

Ми-8МТВ-5

Задача синтеза оптимального ВК решается на обликовом этапе формирования. В основу ее решения положен принцип «эффективность — затраты — реализуемость», наиболее полно отражающий ключевые аспекты строительства военной вертолетной техники на современном этапе. При этом необходимо учитывать ряд новых факторов, которые в настоящее время сопутствуют разработке и созданию вертолетной техники: существенные финансовые ограничения военного бюджета, резкое снижение численности вертолетных группировок, большие проблемы с реализацией новых (критических) технологий в оборонно-промышленном комплексе, неопределенность оперативно-стратегической обстановки и т. д. Эти обстоятельства заставляют шире применять многокритериальную оценку, учитывающую всю совокупность ключевых факторов, относящихся как к объектам синтеза и их оценки, так и к условиям их разработки, создания и применения.

Синтез ВК выполняется в два этапа: на первом формируется семейство альтернативных вариантов (с заданными вариантами ТТХ), а на втором проводится оценка эффективности, потребных затрат на НИОКР, изготовление серийных образцов, эксплуатацию, ремонт и определение наилучшего варианта (вариантов) ВК по выбранной системе показателей и критериев.

Предметом исследований и оптимизации при синтезе вертолетных комплексов является совокупность основных ТТХ, конструктивно-аэродинамических схем и основных технических параметров ВК. Методические вопросы синтеза вертолетных комплексов достаточно хорошо проработаны во многих организациях, связанных с исследованиями и проектированием ВК. В настоящей статье кратко проанализируем методические и программные достижения, полученные в этом направлении специалистами 30 ЦНИИ МО РФ.

На основе единой методической базы оптимизируется вся совокупность ТТХ вертолетного комплекса: летно-технические и эксплуатационно-технические характеристики, характеристики выживаемости, составы и основные характеристики комплексов БРЭО и вооружения. Синтез альтернативных вариантов базируется на решении известных уравнений баланса масс, объемов и центровки ВК. Расчетное множество вариантов формируется таким образом, чтобы охватить возможные области изменения основных ТТХ и технических параметров ВК.

Синтез вариантов ВК осуществляется на единой методической основе для широкого класса конструктивно-аэродинамических схем и типов силовых установок, различных вариантов комплексов БРЭО, вооружения и средств защиты. Он производится путем математического моделирования компоновки вариантов ВК и последующего совместного расчета технико-экономических характеристик (аэродинамических, массовых, геометрических, летных, стоимостных) с одновременной оптимизацией основных технических параметров ЛА (а для винтокрылов — и оптимизацией управления несущими винтами на основных режимах полета). По результатам исследований получается множество субоптимальных альтернативных вариантов ВК, имеющих заданную совокупность ТТХ. Последующее исследование этих вариантов на моделях, сравнительная оценка их эффективности и затрат позволяют выбрать варианты с оптимальными (рациональными) ТТХ, а на основе полученных результатов сформулировать требования в ТТЗ на ВК.

Методическая база по синтезу вариантов вертолетных комплексов под заданные ТТХ с помощью ЭВМ создавалась, совершенствовалась и развивалась в 30 ЦНИИ МО РФ на всем протяжении деятельности института, в течение почти 50 лет. Было разработано пять версий методик синтеза ВК различного назначения. Доклад по первой версии методики синтеза транспортно-десантных вертолетов с широкой иллюстрацией ее возможностей был сделан автором еще в 1965 году на Всесоюзной научно-технической конференции по вертолетам в ЦАГИ. Последняя версия программы синтеза вариантов ВК различного назначения (боевых, транспортно-десантных, многоцелевых) разработана автором в последние годы в среде Delphi-7 и широко апробирована при решении разнообразных задач.

В 30 ЦНИИ МО РФ разработаны крупномасштабные многофакторные параметрические модели боевого функционирования ВК, позволяющие в сравнительно короткие сроки выполнять объемные расчеты по оценке эффективности вариантов предлагаемых комплексов, решать задачи по выбору наилучших ТТХ, проводить комплексную сравнительную оценку конкурирующих вариантов ВК различного назначения.

Ми-28Н

Интегральная оценка семейства рассматриваемых вариантов ВК и формирование их приоритетного ряда по совокупности показателей проводятся с использованием системы поддержки принятия решений (СППР), разработанной в 30 ЦНИИ МО РФ.

Система поддержки принятия решений — это комплекс методик и программ, предназначенный для решения задачи по выбору рационального варианта из исходного множества альтернатив с учетом неопределенности и многокритериальности. Выбор варианта ВК проводится в диалоговом режиме на ПЭВМ. Главное отличие данной СППР от других систем подобного типа заключается в использовании совокупности методов теории принятия решения, построенных на различных принципах, с использованием различной (по объему и структуре) исходной информации. Такой подход существенно расширяет возможности СППР и повышает достоверность принимаемых решений. Программа проводит оценку показателей сравниваемых объектов, в процессе которой с помощью ряда методов корреляционного анализа осуществляется также оценка степени взаимосвязи показателей. По результатам анализа исследователь может оставить для дальнейшей работы только наиболее важные показатели без значительной потери точности описания альтернатив.

В режиме «Учет относительной важности показателей» можно задавать значения коэффициентов относительной важности показателей или определять их с помощью процедуры, реализующей метод анализа иерархий. Разработана экспертная система логического выбора методов принятия решений, которая позволяет выбирать наиболее целесообразные из них в зависимости от характера решаемой задачи, количества альтернатив, вида используемой информации и др. По результатам расчета все альтернативы объектов исследования ранжируются по каждому методу, затем производится осреднение результатов (рис. 2).

Сравнительная оценка альтернативных вариантов ВК и выбор из конкурирующих вариантов наилучшего проводится на основе всестороннего качественно-количественного анализа проектов по основным направлениям. По каждому направлению разработана частная методика оценки, на основе которой вычисляются необходимые показатели и характеристики. При этом, исходя из особенностей решаемой задачи (неопределенность, недостаточность, а иногда и отсутствие необходимой информации, отсутствие формализованных зависимостей между характеристиками и показателями и др.), некоторые количественные оценки, например, показателей, характеризующих «качество» кооперации, реализуемости проектов и другие, приходится выполнять экспериментальным путем. Такой подход позволяет учесть при сравнении различные свойства альтернативных вариантов с тем, чтобы окончательные решения принимать с учетом всей качественно-количественной информации.

В заключение необходимо отметить, что основные методические разработки, выполненные в 30 ЦНИИ МО РФ, выходят на уровень кандидатских диссертаций, а некоторые, например, методология поэтапного создания ВК, методология системной оценки эффективности ВК различного назначения — на уровень докторских диссертаций.