автореферат диссертации по авиационной и ракетно-космической технике, 05.07.02, диссертация на тему:Методика проектирования орбитальных станций с учетом особенностей технического обслуживания и ремонта в процессе длительной эксплуатации на орбите

ПУГАЧЕНКО Сергей Евгеньевич

МЕТОДИКА ПРОЕКТИРОВАНИЯ ОРБИТАЛЬНЫХ СТАНЦИЙ С УЧЁТОМ ОСОБЕННОСТЕЙ ТЕХНИЧЕСКОГО ОБСЛУЖИВАНИЯ И РЕМОНТА В ПРОЦЕССЕ ДЛИТЕЛЬНОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ НА ОРБИТЕ

Специальность 05.07.02 - Проектирование, конструкция и производство летательных аппаратов

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва

2005

Работа выполнена в Государственном космическом научно-производственном центре им. М.В. Хруничева

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Доктор технических наук, профессор АА МЕДВЕДЕВ

Доктор технических наук, профессор АЛ. ЗОЛОТОВ Кандидат технических наук ЮА. СОКОЛОВ

Ведущее предприятие:

Ракетно-космическая корпорация «Энергия» им. С.П. Королева

Защита диссертации состоится 13 октября 2005 г. в 15 часов на заседании диссертационного совета ДС 403.003.01 при Государственном космическом научно-производственном центре им. М.В. Хруничева (адрес: 141091, Московская обл. г. Юбилейный, ул.Тихонравова, д.27).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГКНПЦ им. М.В. Хруничева.

Автореферат разослан 12 августа 2005 г.

Ученый секретарь ч -----

диссертационного совета S B.C.Чаплинский

г ¿07из

3

Общая характеристика работы

' Актуальность темы. Длительное функционирование орбитальных станций (ОС) обеспечивается регулярным проведением технического обслуживания и ремонта СОР) с участием экипажа и требует привлечения значительных материальных и людских ресурсов. Доля направлений космической деятельности, связанных с полетами человека в космос, в расходах ведущих космических стран мира составляет около 40%. Поскольку до 80% затрат в рамках проекта ОС приходится на этап орбитальной эксплуатации (в дальнейшем - эксплуатации), именно в этой части велика цена принятия того или иного конструктивно-технологического решения (КТР). Развитие ОС путем строительства новых космодромов, создания дополнительных средств управления полетом и увеличения количества запусков ракет ограничено. Следовательно, актуальными являются экономия ресурсов и расширение функциональных возможностей ОС путем совершенствования методов проектирования, технологии изготовления и способов эксплуатации.

При проектировании ОС основными показателями являются функциональные характеристики массы, объема и энергоснабжения целевого оборудования (ЦО), обмена информацией и другие. Эксплуатационно-технические характеристики (ЭТХ), определяющие объем работ по ТОР, грузопоток ресурсного оборудования и частоту полетов транспортных средств, принимают исходя из опыта эксплуатации ОС. Ранее такой подход был оправдан, поскольку главенствующим был сам факт достижения поставленной цели. Сегодня, в условиях жесткого ограничения ресурсов, требуется поиск рационального соотношения функциональных и эксплуатационных технических характеристик ОС. Это актуальная задача, решение которой повышает эффективность орбитальных станций.

Цель диссертационного исследования состоит в обеспечении дополнительного качества орбитальных станций за счет (а) максимального совмещения процесса проектирования орбитальной станции с подготовкой орбитальной эксплуатации и планированием материально-технического снабжения; (б) рационального распределения мероприятий по обеспечению надежности между различными этапами жизненного цикла ОС и (в) выявления и учета зависимостей между функциональными и эксплуатационными характеристиками орбитальной станции.

Для достижения этой цели в работе решается научная задача разработки методики проектирования орбитальных станций с учетом особенностей ТОР в процессе длительной эксплуатации на 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 космических аппаратов (КА) 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. С помощью этой модели на основе имеющегося опыта создания ОС проведение анализа характеристик ОС и средств транспортно-технического обеспечения (ТТО).

5. Разработка метода проектирования ОС, базирующегося на технологических принципах создания сложных технических систем (СТС), учитывающих особенности эксплуатации ОС.

6. Разработка рекомендаций по инженерному технологическому сопровождению эксплуатации ОС по параметрам ТОР. Обоснование логической организации, методов и средств технологического сопровождения.

На защиту выносятся следующие научные результаты: методика проектирования орбитальных станций с совмещением процессов проектирования и подготовки эксплуатации ОС на базе основных технологических принципов создания СТС, включающая метод определения области рациональных характеристик относительной массы целевого оборудования и надежности функционирования при ограничении затрат на создание ОС.

Новизна научных результатов диссертации заключается в- (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

эксплуатации ОС; (б) в выявлении и использовании в рамках разработанного и^тсАа 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 эксплуатации функционального грузового блока (ФГБ) «Заря» Международной космической станции (МКС), (б) определением рациональных характеристик перспективных пилотируемых и посещаемых орбитальных станций и средств их транспортно-технического обеспечения в рамках 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 ОС. Результаты исследований должны применяться в организациях, специализирующихся на проектировании, производстве и эксплуатации ОС при определении проектных характеристик околоземных ОС на стадии проектирования. В дальнейшем полученная методика может быть использована при проектировании 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 средств их транспортно-технического обеспечения в целях повышения эффективности пилотируемых космических комплексов в рамках НИР «Карат». Использование результатов подтверждено актами.

Публикации. Материалы диссертации и полученные научные результаты опубликованы в 24-х работах, из них 3 статьи, 16 докладов на научно-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 2002г.,

• на Академических чтениях по космонавтике, посвященных памяти С.П.Королева и других пионеров освоения космоса и Научных чтениях, посвященных разработке научного наследия и развитию идей К.Э.Циолковского в 1969-2002ГГ,

• на семинаре кафедры «Космические аппараты и ракета-носители» факультета «Специальное машиностроение» МГТУ им. Н.Э.Баумана в 2005 году.

Структура работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, перечня сокращений, списка используемой литературы и приложения. Работа излажена на 153 листах машинописного текста, содержит 5 таблиц и 34 рисунка. Список литературы содержит 90 наименований.

Краткое содержание работы Во ■■едении даны краткое обоснование и формулировка цели, научной задачи и основных направлений исследования. Объект исследования -орбитальная станция и средства ее транспортно-технического обеспечения. Указаны предмет исследования, методологическая и теоретическая основы работы. К основным научным результатам, выносимым на защиту, относятся методика проектирования ОС с совмещением процессов проектирования и подготовки орбитальной эксплуатации ОС на базе основных технологических принципов создания СТС, включающая метод определения области рациональных характеристик относительной массы ЦО и надежности функционирования при ограничении затрат на создание ОС. Приведены сведения о новизне, практической значимости и достоверности результатов исследований.

Настоящее исследование предваряется^ анализом основных тенденций развития орбитальных станций, роли и места орбитальной эксплуатации в жизненном цикле ОС и обзором современного состояния и развития методов проектирования ОС, изложенных ■ первой главе. ОС являются одними из технических средств пилотируемой космонавтики и охватывают все направления космической деятельности за исключением связи и навигации. Важнейшая роль принадлежит поиску путей решения задач в космосе за счет экономии ресурсов и совершенствования способов эксплуатации. При выборе КТР приоритет отдается повышению надеж^ти

Рис.1. Взаимосвязь между функциональными и эксплуатационными характеристиками ОС

ракетно-космической техники (РКТ), повышению быстродействия, достижению высокой адаптивности РКТ к требованиям рынка за счет модульного построения конструкции и системного подхода к проектированию, изготовлению и эксплуатации РКТ.

Эффективность ОС определяется ее техническими характеристиками. Имеется взаимозависимость между функциональными и эксплуатационными характеристиками ОС: увеличение надежности служебных систем (СС) приводит к возрастанию массы этих систем и доставка определенного целевого оборудования требует большего количества пусков ракет-носителей (РН). Структура взаимосвязи функциональных и

эксплуатационных технических характеристик ОС представлена блок-схемой на рисунке 1.

Как недостаток ранее использовавшихся методов проектирования ОС отмечается то, что они не предусматривают конкретных способов учета особенностей эксплуатации ОС на стадии ее проектирование, не отражают количественных связей между функциональными и эксплуатационными характеристиками ОС. Во второй главе обосновываются общие подходы к проблеме повышения качества и эффективности орбитальных станций при проектировании. Основными мероприятиями по повышению качества ОС на этапе проектирования являются совершенствование требований заказчика и повышение уровня научно-технических разработок в части синтеза систем ОС и проектного анализа надежности.

Совершенство требований заказчика заключается в (а) соответствии их возможностям научно-технической, экспериментально-производственной и эксплуатационной баз, (б) внутренней сбалансированности требований, относящихся к различным сторонам и свойствам проектируемой ОС и (в) высоких потребительских свойствах, обеспечивающих выполнение- целевой задачи и предоставление услуг в условиях конкуренции иа мировом рынке.

Повышение уровня научно-технических разработок достигается путем применения технологических принципов создания СТС: комплексного проектирования, параллельной разработки, сквозной технологии, инверсии технологии и обеспечения технологичности. Суть их заключается в сращивании процессов проектирования ОС и подготовки эксплуатации.

В отличие от традиционного раздельно-последовательного метода проектирования ОС в условиях комплексного проектирования принимаемые КТР в максимальной степени учитывают требования эксплуатации. Комплексное

проектирование позволяет определить основные (определяющие) ' эксплуатационные требования, начиная со стадии технического задания (ТЗ), что является одним из слагаемых повышения качества ОС. На этапах технического предложения (аванпроекта), эскизного и рабочего проектирования комплексный подход обеспечивает детализацию эксплуатационных требований к ОС. Заключительные мероприятия комплексного проектирования обеспечивают на этапе эскизного проекта формирование директивной эксплуатационной документации в виде томов (тома) эскизного проекта по эксплуатации, содержащих принципиальные положения по наземной подготовке, режимам эксплуатации и ТОР с участием экипажа. Схема методологического подхода к решению задачи представлена на рисунке 2.

Количественное определение области рациональных характеристик ОС и средств ТТО в рамках реализации технологических принципов производится с помощью математической модели ОС. Модель охватывает все основные этапы жизненного цикла ОС, включая проектирование и эксплуатацию. Последовательность функционирования ОС характеризуется длительностью периодов целевого использования - технического обслуживания и ремонта • (щ, и периода восстановления После прибытия на борт ОС экипаж

производит ремонтно-восстановительные работы (РВР), а также, при необходимости, выполнение и первичную обработку результатов экспериментов. РВР заключаются в замене вышедшего из строя и отработавшего гарантийные сроки оборудования, а также выполнившего свою задачу ЦО.

Длительные промежутки времени между РВР требуют повышения надежности оборудования. Увеличение надежности вызывает увеличение относительной маосы СС и уменьшение относительной массы ЦО. С учетам этого РВР целесообразно проводить чаще. Однако выполнение РВР связано с временным прекращением целевого использования ОС и повышением затрат на транспортные операции. Снижение функциональных возможностей ОС нежелательно, поэтому возникает необходимость сведения к минимуму числа РВР за период эксплуатации и увеличения длительности автоматического полета 1«. Таким образом, при выборе показателей ТОР речь мсокет идти об отыскании оптимальных значений Т„ обеспечивающих высокие функциональные возможности и показатели надежности ОС при минимальных затратах на ее создание.

Направления совершенствовали я качества ОС

Повышение уровня научно-технических разработок

Улучшение качества материалов и готовых изделий

Совершенствование

технических требований заказчика

Совершенствование испытательной производственной полигонной и эксплуатационной Сев

Составляющие задачи повышения качестве орбитальные станций

Совершен ствование проектного анализе надежности на основе синтеза систем

Совершенствование методов анализа и синтеза рем<имое эксплуатации ОС. грузопотока и характеристик тренсп ортн ык средств

Совершенствование условий эксплуаггацчи, втч ТОР материалов и оборудования

Применение и совершенствование комппежного проект ого анализа на самой ртней стадии создания ОС

Пути и методы решения подпробпем

Анализ и синтез техничестх требований к материалам и готовьм изделием на различные этапах эсшзного цикла ОС

Математическое моделирование проектных параметров

на ранней стадии _проектирования

Анализ функциональные и эксплуатационных техничесшх характеристик в рамкае математической модели

Алгоритемэаиря, формализация, анализ и синтез систем, метод прототипа, метод

подобия, математическое моделирование

Метод решения научной задачи

(1) Применение технологической

системы создания СТС •Комплексное проектирование •Параллельная разработка -Сквозная технология •Инверсия •Технологичность

(2) Выявление и использование в

рамкас разработанного

метода количественные зависимостей в распределении мероприятий по обеспечению надежности мекду различным этапами жизненного цикла ОС

Рис. 2. Схема методологического подхода к решению научной задачи

i 1 Рассмотрены два варианта эксплуатации ОС:

1. Посещаемая ОС, когда на ее борту бывают только экспедиции посещения, а постоянное пребывание экипажа не предусмотрено.

2. Обитаемая ОС, на ее борту постоянно присутствует экипаж.

В качестве показателя эффективности принимается комплексный показатель, отражающий функциональные характеристики, эксплуатационно-технические характеристики и технико-экономические показатели. Основная функциональная характеристика - масса целевого оборудования щ«,. При этом показатели остальных бортовых ресурсов для целевого оборудования: энергопотребление, объемы, количество рабочих мест ЦО, информативность -могут выступать в виде ограничений, задаваемых в числе других характеристик бортовых систем.

Показатель надежности ОС можно представить как произведение вероятности готовности ОС Kr х целевому использованию на вероятность безотказной работы ОС за время эксплуатации Р(Т)

Р^'КГР(Т) (1)

Технико-экономическим показателем является трудоемкость создания ОС Z. Комплексный показатель эффективности

И' = />¿•«Д/Z'•• (2)

где гпц/, - масса целевого оборудования, a.ß.y - «весовые» коэффициенты. Условие оптимальности варианта ОС можно записать в виде условия максимума показателя эффективности

- max.rrvo« max, Z» min (3)

Ввиду неопределенности комплексного показателя из-за трудности определения «весовых» коэффициентов а,риу комплексный показатель может быть использован только для целей сравнения различных вариантов. С целью получения количественных результатов используются частные показатели массы целевого оборудования и трудоемкости создания орбитальной станции Z

ВБР ОС за время t определяется из приближенной формулы для высоконадежных элементов:

/ЧО-1-öH W

где ы - значение параметра потока отказов, вызывающее срыв выполнения полетного задания. Задавшись продолжительностью периода восстановления Т, и вероятностью безотказной работы за период целевого использования можно определить требуемое значение параметра потока отказов ОС в целом:

1-Р,. <5>

Т,

Среднее значение параметра потока отказов ОС в целом можно представить как сумму значений параметра потока отказов элементов, входящих в его состав:

А , (в)

м

где (О/- параметр потока отказов 1-того элемента ОС.

Далее используется «уравнение существования» элемента ОС:

т„=тЮи+т11)+та.+ти)+т, (7)

где то - масса ОС на орбите выведения; ль» - масса конструкции ОС; ль, -масса двигательной установки; лЪо - масса служебных систем; т^ - масса целевого оборудования (научной аппаратуры и др.); тт- масса топлива.

«Уравнение существования» элемента ОС в относительных

величинах:

1 = тт +тя)+тсс+тж+тТ (в)

Изменение показателей надежности ОС на этапе проектирования достигается за счет подбора вида и величины избыточности. Структурная избыточность (резервирование) - основной способ повышения надежности ОС на стадии проектирования. Увеличение кратности резервирования вызывает увеличение относительной массы служебных систем тж • В расчетах используется зависимость щ = /(<»—). «эторая имеет вид гиперболической зависимости

I1 и

_ 1 « ' I' I тсс=А--в

где А и В - постоянные для определенного типа ОС и типа резервирования величины, определяемые по статистическим данным об ОС-прототипе и зависимостям для ВБР резервированного изделия, - параметр потока отказов служебных систем.

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, как правило, не подлежат выбору в процессе проектирования. В распоряжении проектировщика ОС имеется возможность регулировать кратность резервирования к и, следовательно, длительность периода восстановления Г„ что позволяет при заданных значениях ВБР определить оптимальные характеристики ОС.

Использование зависимости щ - /(а>ш) вместо зависимости С = Цш,*) дает возможность связать эксплуатационную характеристику надежности с функциональными характеристиками массы, электрической мощности и другими через уравнение существования ОС.

Приняв значения относительных масс составляющих частей ОС , ¡Пцуи Иг.П0 заданному значению периода восстановления Т, можно определить массу целевого оборудования и другие составляющие массы ОС.

Трудоемкость одного этапа РВР:

к.+»0 <10)

где крц - коэффициент пропорциональности, или удельная трудоемкость РВР (ч/кг), к,о - коэффициент - отношение массы замененного оборудования за один цикл восстановления к общей массе заменяемого оборудования. Величина коэффициента кх, прототипа принимается исходя из опыта эксплуатации.'

Зная количество членов экипажа, можно определить трудоемкость

РВР, приходящуюся на одного члена экипажа, а также определить

продолжительность проведения одного этапа ТОР, и*, в часах при 8-часовом

рабочем дне. В случае посещаемой ОС количество пусков пилотируемых

транспортных кораблей в год соответствует количеству циклов восстановления:

„ I (И)

V =—*—

где Ц - годоеой фонд времени, равен 8760 часов.

Коэффициент готовности ОС:

(12)

Далее определяется грузопоток ОС, основными составляющими которого являются заменяемое оборудование, расходные материалы жизнеобеспечения экипажа, топливо.

Массу целевого оборудования можно определить из (8).

Масса заменяемого оборудования за один период РВР:

т»=*»Ке+'»*>) (13)

Масса расходных материалов жизнеобеспечения экипажа:

"»с (М)

где л, - количество членов экипажа; - количество выходов в открытый космос в течение одного цикла РВР; льо-и - удельная масса рзуэов СЖО, масса грузов на одного члена экипажа в единицу времени пребыгания экипажа на борту; луя-м. - удельная масса грузов внекорабельной деятельности (ВКД) -масса грузов ВКД для одного выхода в открытый космос.

Грузы жизнеобеспечения включают газ атмосферы, воду, питание, одежду, средства поддержания газового состава, медицинские и санитарно-гигиенические принадлежности.

Потребная масса топлива для поддержания орбиты:

с^р-УЧ^+О Об)

"и.--^г—

у Я

1'н

где С, - коэффициент лобового сопротивления в условиях свободного молекулярного течения; & - площадь миделя ОС; р - средняя плотность атмосферы на высоте орбиты ОС; V - средняя скорость на орбите; J,, -удельный импульс корректирующих двигателей.

Таким образом грузопоток ОС

Мг=тж+тст+тмяг <1в>

Количество пусков грузовых транспортных кораблей в год

N = N <17>

"г» 1 * тс

Грузоподъемность транспортных кораблей " N„

Технико-экономические показатели рассчитываются с использованием существующих в отрасли положений. Расчет трудоемкостей проекгно-конструкторских работ Z^, лабораторно-стендовой отработки Zm, обеспечения пуска ОС Д» и наземного обеспечения полета Zm проводится исходя из принятых значений относительных трудоемкостей этих работ. Расчет проводится относительно трудоемкости Zoe изготовления ОС.

Трудоемкость изготовления комплекта оборудования, находящегося на борту ОС, которое может быть заменено за один цикл РВР:

где Кж - относительная трудоемкость изготовления заменяемого оборудования для одного цикла восстановления.

Трудоемкость изготовления расходных материалов СЖО для одного цикла восстановления:

Z' =к т (20)

где коя - удельная трудоемкость изготовления расходуемых материалов и оборудования СЖО.

Трудоемкость РВР рассчитывается по формуле (10).

Трудоемкость изготовления компонентов топлива для одного цикла восстановления:

где кт- удельная трудоемкость изготовления топлива.

Трудоемкость изготовления ПК определяется исходя из опыта создания известных ПК.

Трудоемкость изготовления ГК:

(22)

где *&»л у» -удельная трудоемкость доставки единицы массы груза на орбиту. Эксплуатационные затраты на ОС за заданное время полета ОС

(23)

жспя

Суммарная трудоемкость (или ее математическое ожидание):

•ос

(24)

'ясо

'оп

ноп

Затем определяются показатели эффективности по и их зависимость от периода восстановления. Рациональные значения характеристик ОС определяются исходя из условия (3).

В третьей глава проводится анализ методических подходов, изложенных в предыдущей главе с точки зрения применимости, оптимальности и превосходства - основных признаков повышения качества. Использование технологических принципов создания ОС иллюстрируется на примере ФГБ «Заря» МКС. Показано, что в результате количественного анализа характеристик ОС получен набор оптимальных (или область рациональных) характеристик, включая значения массы ЦО, количества модулей ОС, массы доставляемого полезного груза ТК и показателей надежности ОС.

На рисунке 3 представлен график зависимости эффективности эксплуатации ОС, вычисляемой по формуле (2), от длительности периода восстановления 7", для различных типов ОС. При малых длительностях Т, и, соответственно, частых полетах ТК, эффективность ОС падает из-за больших экономических затрат на транспортные операции в обеспечение ТОР. Большие периоды целевого использования приводят к необходимости повышения ' 1 I надежности (в том числе путем дополнительного резервирования) бортового оборудования, уменьшению относительной массы ЦО и,

1

«

Длительность триода юсстаноалания Т„ час

Рис. 3. Зависимость комплексного показателя эффективности от длительности периода восстановления

следовательно, к снижению эффективности. Результат вычисления показывает, что оптимальная длительность цикла восстановления посещаемой ОС, созданной по технологии ФГБ, находящейся на круговой орбите высотой около 400 км и наклонением 51.в", составляет 4500.. 6000 часов. Это соответствует программе автономного полета ФГБ «Заря» в период 1996-2000 гг., когда было совершено два посещения экипажем, проводившим ТОР.

Рассмотрен случай, когда при изменении длительности периода целевого использования ОС масса ЦО остается неизменной, а изменяется количество модулей ОС. В качестве показателя эффективности принята трудоемкость создания ОС. График зависимости трудозатрат Г от Т, для массы научной аппаратуры 7300 кг (планируемая масса комплекса целевых нагрузок российского сегмента МКС) приведен на рисунке 4.

о 2Я0И0 1000 1600 2000 ЭООО 4000 5000 6000

Длительность периода юссгакнлмп Т„ еут

Рис. 4. Влияние длительности периода восстановления на трудоемкость создания станции, состоящей из одного или более модулей при постоянной массе целевого оборудования Мц, = 7300 кг и массе одного модуля 20 т

Возрастание длительности периода целевого использования первоначально уменьшает трудозатраты на ОС, поскольку уменьшаются затраты на ТТО. Однако, начиная с некоторого значения Т, наблюдается рост трудозатрат, т.к. с увеличением Т, растут масса СС каждого модуля и количество комплектов СС. Из графика зависимости видно, что для ОС , созданной по технологии ФГБ "Заря", оптимальное значение длительности периода восстановления составляет около 1,5 лет.

Оптимальному значению показателя эффективности соответствует определенное значение массы грузов, доставляемых на ОС. Эта величина определяет оптимальную для ОС размерность грузового (или грузопассажирского) ТК. На рисунке 5 представлен график зависимости массы полезного груза ТК от массы ОС.

Количество модулей ■ состав« ОС

Рис. 5. Зависимость массы доставляемого груза грузового транспортного корабля

от массы ОС

Обитаемый вариант отличается тем, что на борту ОС экипаж присутствует постоянно. Переход от посещаемого варианта к обитаемому происходит при превышении определенного предела суммарной длительности экспедиций за год. В данной методике принято, что периодичность смены экипажа а обитаемом варианте определяется принятой заранее программой и не зависит от надежности оборудования. Периодичность запуска грузовых ТК зависит от грузопотока, и должна учитывать ограничения, связанные с гарантийными сроками годности расходуемых запасов жизнеобеспечения.

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. В таком случае рациональным может оказаться сочетание двух грузовых кораблей - тяжелого и легкого.

Сформированная математическая модель создается на этапе разработки ТЗ и может в дальнейшем уточняться в части соотношений

масс составляющих элементов модулей ОС и требований к бортовым системам по электроснабжению, обработке информации и других. Такая корректировка позволяет более точно определить функциональные и эксплуатационные характеристики ОС и равномерно. распределить мероприятия по обеспечению надежности между различными этапами жизненного цикла ОС. Частые компьютерные модели создаются на этапе проектирования и интегрируются в описанную выше модель станции, создаваемую на этапах разработки ТЗ и аванпроекта (рисунок 6).

Полученные в результате комплексного анализа функциональных и эксплуатационных характеристик значения эффективности ОС и объема работ по ее созданию выступают в качестве ограничений при разработке ОС и отдельных элементов конструкции и бортовых систем. Показатель плотности потока отказов, соответствующий максимальному значению эффективности, распределяется между системами и агрегатами, составляющими заменяемое оборудование ОС в виде частных показателей, которые должны вводиться как директивные в состав технических заданий на системы и агрегаты и использоваться в дальнейшем при выборе степени резервирования и определении требований по ремонтопригодности.

Значения ш/ составляющих элементов конструкции и бортовых систем ОС получаются в результате проектного анализа, включающего

1. Разработку системы целевых функций, учитывающей сроки подготовки документации и изготовления материальной части и уровень безопасности экипажа.

2. Выбор характеристик систем, основанный на комплексной взаимной увязке систем с учетом взаимосвязей непосредственно между системами, а также в рамках анализа балансов ресурсов станции с использованием специально разработанных компьютерных моделей.

3. Общую компоновку, распределение оборудования между герметичными и негерметичными отсеками, выбор конфигурации отсеков.

4. Анализ с целью равномерного резервирования систем и распределения надежности между элементами ОС.

Средняя плотность потока отказов ОС связана с плотностью потока отказов отдельных систем и элементов конструкции соотношением (б). На начальной стадии проектирования это равенство может быть обеспечено при

различных вариантах распределения «, между отдельными составляющими ОС.

- разрабатывается на этапах ТЗ и аванпроекта

- разрабатываются на этапе эскизного проектирования и уточняются на последующих этапах жизненного цикла ОС

Рис. б. Структура комплексной математической модели ОС

Очевидно, целесообразно задать такие уровни шк которые обеспечат минимальные суммарные затраты С; на создание ОС. В общем случае

<25>

м

где С/ • затраты, соответствующие 1-тому элементу ОС, п - общее число элементов ОС. Применительно к рассматриваемой задаче функция Лагранжа имеет вид

* « (261

ь=£ с,

м м

где

(27)

Л и а,- - параметры, определяемые по прототипу, шю определяется в результате анализа математической модели, а И - неопределенный множитель Лагранжа.

Очевидно, оптимальные значения ш/ удовлетворяют системе алгебраических уравнений

йСг_ А,-«, (28)

Разрешая равенства относительно о/« получают

А-а (29)

А,а1

Подставляя в дисциплинирующее условие (в) приходят к

алгебраическому уравнению относительно плотности ¡лотока отказов произвольного I -того элемента ОС

. д_ , _!_ . „ (30)

1.1 "уву

где

а, +1

(31)

А, а,

аг, + 1

В общем случае уравнения (29) и (30) могут быть решены численно относительно Ш/ и ш>

Знание ш/ для отдельных элементов ОС позволяет оценить характеристики их работоспособности. В случае «горячего» резерва

<3^ (32)

Тг

где Ша - плотность потока отказов < - того нерезервированного элемента ОС. Отсюда оптимальное количество резервных блоков будет равно

к 1 , (Я»

' ~ Ый>0, тг)

В случае «холодного» резерва соотношение для параметра потока отказов Мого элемента ОС примет вид

(^21 (34)

' Т,к,\

Величина кратности резервирования к может быть найдена путем последовательных итераций.

Наконец, при параметрическом резервировании можно оценить потребные уровни коэффициента параметрического запаса

/ (35)

п, = щ;

где _ _ _ 1 коэффициент временного запаса, в - параметр,

7,1 Т, (О, Тг

отражающий изменение характеристики ш/ как случайной величины.

Значения частных показателей ш/ должны вводиться как директивные в состав ТЗ на системы и агрегаты и использоваться в дальнейшем при выборе степени резервирования и определении требований по ремонтопригодности. На последующих этапах жизненного цикла ОС, включая изготовление, подготовку к пуску и орбитальную эксплуатацию, разработанный метод может применяться для выработки

рекомендаций по корректировке характеристик ОС и транспортно-технического обеспечения в зависимости от реальных потребностей в целевом оборудовании, изменений условий применения целевого оборудования и дрртих факторов.

В заключении приведены следующие' основные результаты и

выводы.

1. Решена научная задача разработки методики проектирования орбитальных станций с учетом особенностей технического обслуживания и ремонта в процессе длительной эксплуатации на орбите.

2. Дополнительное качество ОС обеспечивается за счет: (а) совмещения процесса проектирования ОС с подготовкой орбитальной эксплуатации и планированием материально-технического снабжения, (б) рационального распределения мероприятий по обеспечению надежности ивжду различными этапами жизненного цикла ОС и (в) выявления и учета зависимостей между функциональными и эксплуатационными характеристиками орбитальных станций.

3. Использование методики позволяет определить область рациональных характеристик массы, количества модулей и показателей надежности оборудования ОС, периодичности запусков и массы полезного груза транспортных кораблей.

4. Новизна разработанной методики по сравнению с предшествующими состоит в следующем: (а) технологические принципы создания сложных технических систем развиты и обоснованы применительно к орбитальной эксплуатации ОС, (б) характеристики ОС являются результатом анализа не только бортовых систем и конструкции собственно ОС, а комплексного количественного анализа характеристик ОС и элементов эксплуатационной инфраструктуры: транспортно-технического обеспечения, производства заменяемых элементов и РВР на орбите.

5. Применение методики обеспечивает уменьшение суммарных затрат на проект орбитальной станции на величину от 5 до 25 % в зависимости от типа и назначения ОС. В перспективе применение метода возможно для проектирования и выбора проектных параметров основных элементов любой сложной длительно существующей космической системы, например, лунной инфраструктуры.

Результаты диссертационной работы реализованы: в части проектирования орбитальных станций - в технической документации на ФГБ «Заря» МКС, Техническое задание SSP 50128, эскизный проект 77КМ-0000-0ЭП, конструкторская документация 77КМ-ООСЮ-ОСБ, эксплуатационная документация 77 КМ-0000-0 ЭД и Научно-технический отчет №НИР-1-068-2004 НТО, ГКНПЦ, 2004; в части рекомендаций по рациональной номенклатуре и характеристикам космических средств - при определении рациональных характеристик перспективных пилотируемых и посещаемых орбитальных станций и средств их транспортно-технического обеспечения в целях повышения эффективности пилотируемых космических комплексов в рамках НИР «Карат».

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих

работах:

1. Герасимов Н.М., Дробышев А.Г., Карраск В.К, Наумов В.Н., Радченко Э.Т., Пугачеико С.Е., Шаевич С.К. Международная космическая станция // "Полет", Специальный выпуск "50 лет КБ "Салют". М.: 2001.

2. Герасимов Н.М., Молочев В.П., Пугаченко С.Е., Радугин И.С., Шаевич С.К. Применение технологических принципов создания сложных технических систем при разработке орбитальных станций //"Полет". 2004. №10.

3. Пугаченко С.Е. Повышение эффективности орбитальных станций за счет выбора рационального соотношения функциональных и эксплуатационных характеристик. //"Авиакосмическая техника и технология". 2004. №2.

4. Пугаченко С.Е., Смолин А.М. Продление автономного полета связки ФГБ "Заря"-"Юнити" Международной космической станции // Труды XXXI Чтений, посвященных разработке научного наследия и развитию идей К.Э.Циолковского (Калуга, 16-19 сентября 2000 г.) Секция "К.Э Циолковский и проблемы ракетной и космической техники". М.: 2001.

5. Цуриков ЮЛ., Пугаченко С.Е., Горбань A.A. Преемственность конструкции и использование блочно-модульного принципа построения РКТ при формировании инфраструктуры полетов к Луне // Научные материалы Первой международной научно-технической конференции «Аэрокосмические технологии» (Москва-Реутов, 24-25 мая 2004 г.) Секция "Проблемы проектирования и создания аэрокосмических систем». М.: 2004.

6. Шаевич С.К., Герасимов Н.М., Каменщиков В.Н., Пугаченко С.Е., Ефимов В.В. Использование дублера ФГБ в программе МКС // Международная космическая конференция - 2001 "Космос без оружия - арена мирного

сотрудничества в XXI веке" 11-14 апреля 2001 г., Москва. Тезисы докладов.-М.: изд. МАИ. 2001.

7. Shaevich S.K., Pougachenko S.E., Eflmov V.V. Frequently Visited Space Bases for Future Human Space Programs // Proceedings of an International Symposium, 4-7 June 2002, Strasbourg, France, pp.141-148. Kluwer Academic Publishers, 2002

C,

Е.Пугаченко

!

i

РНБ Русский фонд

2006-4 21183

Введение

Аналитический обзор и исходное состояние исследуемой научной задачи

1.1 Основные тенденции развития орбитальных станций

1.2 Объект исследования. Обеспечение эффективности орбитальных станций в течение длительного периода эксплуатации. Анализ источников технической литературы по исследуемой теме

1.3 Постановка задачи исследования с учетом ее исходного состояния

Методологический подход к решению научной задачи

2.1 Логическое формирование решения научной задачи. Составляющие подпроблемы и пути их решения

2.2 Особенности выбранной проектно-прогностической системы

2.3 Описание используемого теоретического аппарата, выбор показателей эффективности и построение математической модели орбитальной станции н

2.4 Вычислительный алгоритм решения задачи

Проверка и подтверждение результатов исследований

3.1 Применение принципов технологической системы создания сложных технических систем при подготовке и осуществлении орбитальной эксплуатации орбитальных станций

3.2 Анализ эффективности орбитальных станций с помощью математической модели

3.3 Порядок и перспективы практического применения разработанной методики при проектировании орбитальной станции. Логическая организация, методы и средства инженерно-технологического сопровождения орбитальной станции

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 ф 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 экипажам* 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, ф актуальным является поиск путей экономии ресурсов и расширения I I

------■-»ЧЛЛ^рек-«»«-'------------------------------»^-есмзч^"-—-------—---■' ------——

•■■ r • . ' ■.-••. ■* l\f у 8 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 PKT. 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 тапсчкё'на возможностях производственной и полигонной баз по изготовлению, ^подготовкет-.: 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 ^ дополнительного качества орбитальных станций за счет: а) максимального совмещения процессов проектирования орбитальной станции с подготовкой орбитальной эксплуатации и планированием материально-технического снабжения; тб) рационального распределения мероприятий г по обеспечению надежности между различными этапами жизненного цикла ОС, в) выявлениям 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 Щ 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 ? 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.

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. ОбоснЬвание 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 функционирования орбитальной станции и наземные средства производства, 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.

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 разработки1 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 A.A. Медведев, H.A. Анфимов, О.М.

ШШШШЙММЙЬ^ '» > » . .^^HMdKwtiHffrTii 'ininrtmiii—iii 1

12

Алифанов, Л.А. Горшков, А.А. Золотое, 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, вспомогательных элементов конструкций крепления, упаковки и хранения грузов и работы космонавтов на орбите.

На защиту выносятся следующие научные результаты: методика проектирования ОС с совмещением процессов проектирования и подготовки орбитальной эксплуатации ОС на базе основных технологических принципов создания сложных технических систем и метод определения области 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, 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 ш ш 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 б докладое ненаучно-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 н Г.| ||1>|ММ1М>||>ГЦ||ДГ||111Г||Ш Г«*Щ»Ш1И»1П1ГМ|№||''||>Г' Ж;|Г|>]'М1ИМШ«М||||П(|1 ГИШЧМ1*йттищищмщпт!-|1| I|-|Г|"|||>ИПИГСПДни [¡II|ГЯ|||<|1М|Ц|||ГОТИИ||Ц1Ц11ИШПИПШШЦ!

16

С.П. 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, ' 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.

Заключение

Итогом диссертационного исследования являются следующие результаты и выводы.

1. Проведенные исследования позволили решить актуальную научную и практическую задачу разработки методики проектирования орбитальных станций с учетом особенностей технического обслуживания и ремонта в процессе длительной эксплуатации на орбите. Эта методика дополняет и систематизируют ранее известные методы, объединив их в общую систему.

2. Дополнительное качество ОС, получаемое в результате использования разработанной методики, обеспечивается за счет: а) совмещения процесса проектирования ОС с подготовкой орбитальной эксплуатации и планированием материально-технического снабжения, б) рационального распределения мероприятий по обеспечению надежности между различными этапами жизненного цикла ОС и в) выявления и учета зависимостей между функциональными и эксплуатационными характеристиками орбитальных станций.

3. Использование разработанной методики позволяет 0пpeдei7ить область рациональных характеристик массы, количества модулей и показателей надежности оборудования ОС, периодичности:запусков и массы полезного груза транспортных кораблей. В качестве показателей эффективности выбраны: комплексный показатель, включающий функциональную, эксплуатационную и экономическую составляющие, и частные показатели массы целевого оборудования и трудоемкости создания ОС.

4. Новизна разработанной методики по сравнению с предшествующими состоит в следующем: а) технологические принципы создания сложных технических систем развиты и обоснованы применительно к орбитальной эксплуатации ОС, б) характеристики ОС являются результатом анализа не только бортовых систем и конструкции собственно ОС, но и комплексного количественного анализа характеристик ОС и элементов эксплуатационной инфраструктуры (транспортно-технического обеспечения, производства заменяемых элементов и РВР на орбите).

5. Применение методики обеспечивает уменьшение суммарных затрат на проект орбитальной станции на величину от 5 до 25% в зависимости от типа и назначения ОС. В перспективе применение метода возможно для проектирования и выбора проектных параметров основных элементов любой сложной длительно существующей космической системы, например, лунной инфраструктуры. 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.

Проведенные исследования- показали, что главное внимание при проектировании ОС ранее уделялось взаимной увязке бортовых систем и конструкции ОС, а элементы эксплуатационной инфраструктуры, обеспечивающие техническое обслуживание и ремонт, на которые приходится более половины стоимости проекта, выступали лишь в качестве ограничений. В условиях возросшей конкуренции на рынке космических услуг первостепенную важность приобретает не сам факт достижения цели создания орбитальной станции, но достижение цели наиболее рациональным способом и в более короткие сроки. В связи с этим, становятся актуальными доработка и дополнение имеющегося научно-методического задела в части учета взаимозависимости функциональных характеристик ОС и ее эксплуатационных характеристик.

Особенности эксплуатации ОС, связанные с техническим обслуживанием ОС на орбите с участием экипажа, накладывают существенный отпечаток на технический облик ОС: в ее состав вводятся стыковочные порты, средства выхода в открытый космос, а установка значительной части оборудования производится с учетом возможности замены на орбите. Особенности орбитальной эксплуатации превышают затраты на опытно-конструкторские работы.

Результаты диссертационной работы реализованы:

- в части проектирования орбитальных станций - в технической документации на Функционально-грузовой блок «Заря» Международной космической станции (техническое задание ББР 50128, эскизный проект 77КМ-0000-0ЭП, конструкторская документация 77КМ-0000-0СБ, эксплуатационная документация 77КМ-0000-0ЭД и научно-технический отчет № НИР-1-068-2004НТО, ГКНПЦ, 2004);

- в части рекомендаций по рациональной номенклатуре я характеристикам космических средств - при определении рациональных характеристик перспективных пилотируемых и посещаемых орбитальных станций и средств их транспортно-технического обеспечения в целях повышения эффективности пилотируемых космических комплексов в рамках НИР «Карат». Использование результатов подтверждено актами.

Материалы диссертации и полученные научные результаты опубликованы в 24 работах, из них 3 статьи, 16 докладов на научно-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 С.П.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 ракетоносители» факультета специального машиностроения МГТУ им. Н.Э. Баумана в 2005 году.

Перечень сокращений

АОС - американский орбитальный сегмент

Б КС - бортовая кабельная сеть

ВБР - вероятность безотказной работы

ВКД - внекорабельная деятельность

ГК - грузовой корабль ду - двигательная установка

ЗИП - запасные инструменты и принадлежности

30 - заменяемое оборудование

КА - космический аппарат

КИС - командно-измерительная система

КТР - конструкторско-технологическое решение

МКС - международная космическая станция

НИР — научно-исследовательская работа

ОК - орбитальный корабль

ОКР - опытно-конструкторская работа

ОС - орбитальная станция

ПГ - полезный груз

ПГС - пневмогидравлическая система

ПК - пилотируемый корабль

РВР - ремонтно-восстановительные работы

РКК - ракетно-космический комплекс

РКТ — ракетно-космическая техника

РН - ракета-носитель

САС - срок активного существования

СБ — солнечная батарея

СЖО - система жизнеобеспечения

СМ - служебный модуль

СОТР - система обеспечения теплового режима

СС - служебные системы

СтА - стыковочный агрегат

СТК - система телеметрического контроля

СТС - сложная техническая система

СУ - система управления

СЭП - система электропитания

ТЗ - техническое задание

ТК -транспортный корабль

TOP - техническое обслуживание и ремонт ТОРУ - телеоператорный режим управления

ТТО - транспортно-техническое обеспечение

ФГБ - функционально-грузовой блок

ФТХ - функциональная техническая характеристика ЦО - целевое оборудование

ЭТХ - эксплуатационная техническая характеристика

1. Алифанов О.М., Панкратов Б.М., Хохулин B.C. Летательные аппараты: Учебное пособие / Под ред. Панкратова Б.М. - М.: МАИ, 1986.

2. Анцелиович Л.Л. Надежность, безопасность и живучесть самолета. -М.: Машиностроение, 1985.

3. Аспирантская подготовка: Руководящий технический материал №321НТД-3901-143М. М.: 1980.

4. Байхельт Ф., Франкен П. Надежность и техническое обслуживание (математический подход): Перевод с немецкого М.: Радио и связь, 1988.

5. Бирюков Б.В. Методы научного исследований и опыт рассмотрения общих тенденций их развития. В кн.: Науковедение. Прогнозироование. Информатика. - Киев: Наукова Думка, 1970.

6. Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике. -М.: Наука, 1980.

7. Вентцель Е.С. Исследование операций. Задачи. Принципы. Методология. М.: Наука, 1988.

8. Возможности и требования по хранению грузов на борту МКС: герметичный объем, полет 2А.1, ЭТЭ-Эб: Программа Международной космической станции. Базовый документ ЭЭР 50467. Апрель 1999 г.

9. Герасимов Н.М., Дробышев А.Г., Карраск В.К., Наумов В.Н., Радченко Э.Т., Пугаченко С.Е., Шаевич С.К. Международная космическая станция // Полет: Специальный выпуск «50 лет КБ «Салют», 2001.

10. Герасимов Н.М., Молочев В.П., Пугаченко С.Е., Радугин И.С., Шаевич С.К. Применение технологических принципов создания сложных технических систем при разработке орбитальных станций // Полет, 2004, №10.

11. Глушко А.А. Космические системы жизнеобеспечения. Биофизические основы проектирования и испытания. М.: Машиностроение, 1986.

12. Гнеденко Б.В., Беляев Ю.К., Соловьев А.Д. Математические методы в теории надежности. М.: Наука, 1965.

13. Гэтланд К. Космическая техника. Иллюстрированная энциклопедия. -М.: Мир, 1986.

14. Демидович Б.П., Марон И.А. Основы вычислительной математики. -М.: Наука, 1966.

15. Дубинин Ю.Н., Корнилов Ю.П., Посадский С.Н., Пугаченко С.Е., Черняев В.В. Космический аппарат для производства материалов: Авторское свидетельство СССР № 302356. 1989.

16. Епифанов А.Д. Надежность систем управления. М.: Машиностроение, 1975.

17. Залуцкий С.Л., Лабутин К.В., Марченко Л.В., Огарев В.Б., Пугаченко С.Е., Шаевич С.К., Шишов B.C., Юшкевич H.H. Устройство стыковки: Авторское свидетельство СССР № 158733.1981.

18. Залуцкий С.Л., Лабутин К.В., Пугаченко С.Е., Шаевич С.К., Юшкевич H.H. Система стыковки: Авторское свидетельство СССР № 198062. 1984.

19. Залуцкий С.Л., Лабутин К.В., Пугаченко С.Е., Шаевич С.К., Юшкевич H.H. Система стыковки: Авторское свидетельство СССР № 214820. 1985.

20. Залуцкий С.Л., Лабутин К.В., Пугаченко С.Е., Шаевич С.К. Система стыковки: Авторское свидетельство СССР № 229948. 1985.

21. Залуцкий С.Л., Посадский С.Н., Пугаченко С.Е., Шаевич С.К. Система стыковки космического корабля и орбитальной станции: Авторское свидетельство СССР № 293294. 1989.

22. Золотов A.A. и др. Методы оценки и обеспечения безопасности PKT. Учебное пособие.М.: МАИ, 2002.

23. Инженерный справочник по космической технике / Под ред. Солодова A.B.- М., Воениздат МО СССР, 1977.

24. Итоги науки и техники. Сер. Ракетостроение и космическая техника. т.10 «Орбитальные и космические станции» / Под ред. Мишина В.П. М.: Изд-во ВИНИТИ, 1989.

25. Каменщиков В.Н., Пугаченко С.Е., Тихонов С.Н. Космический аппарат для производства материалов: Авторское свидетельство СССР № 313584. 1990.

26. Карраск В.К., Шаевич С.К. Компоновка и конструкция отсеков и оборудования ПКЛА: Учебное методическое пособие. М.:-Изд-во МАИ, 1989.

27. Карраск В.К., Шаевич С.К. Проектирование конструкции космических ЛА. Учебное методическое пособие. М.: Изд-во МАИ, 1989.

28. Качество ракетно-космической техники: Журнал Центральной дирекции по качеству КНЕСа / Ред. Картье А., Гильберг Л., Соколов Ю. М.: Машиностроение, 1994.

29. Киселев А.И. Конструкторско-технологическое обеспечение создания и длительной эксплуатации объектов ракетно-космической техники: Диссертация в виде научного доклада на соискание ученой степени доктора технических наук. М.: 1999.

30. Киселев А.И., Медведев A.A., Меньшиков В.А. Космонавтика на рубеже тысячелетий. Итоги и перспективы. М.: Машиностроение, 2001.

31. Конструирование автоматических космических аппаратов / Под ред. Козлова Д.И. М.: Машиностроение, 1996.

32. Космические аппараты / Под ред. Феоктистова К.П., М.: Воениздат,1983.

33. Космонавтика: Энциклопедия / Под ред. Глушко В.П. М.: Советская энциклопедия,1985.

34. Косолапов В.В., Щербань А.Н. Оптимизация научно-исследовательской деятельности. Киев: Наумова Думка, 1971.

35. Костин A.A., Пугаченко С.Е., Тарасов А.Б., Шаевич С.К. Камера для экспериментальных работ: Авторское свидетельство СССР № 224816. 1985.

36. К «Хабблу» на Рождество или STS-103 // «Новости космонавтики», 2000, №2 (205).

37. Международная космическая станция. Энергетический блок ФГБ. LO-01: Анализ материального обеспечения заменяемого на орбите оборудования. Ред. 5, 1997.

38. Международная космическая станция. Энергетический блок ФГБ. МА-02: Отчет по ремонтопригодности. Ред. 8,1998.

39. Методика оценки трудоемкости изготовления космических аппаратов. ГП «НПО Техномаш». М.: 1993.

40. Мишин В.П., Осин М.И. Введение в машинное проектирование летательных аппаратов. М.: Машиностроение, 1978.

41. Морозов Л.М., Петухов Г.Б., Сидоров В.Н. Методологические основы теории эффективности. Л.: ВИКИ им. А.Ф.Можайского, 1982.

42. Надежность в технике. Основные понятия, термины и определения. ГОСТ 27.002-89.

43. Надежность и эффективность в технике: Справочник в 10 томах. / Ред.совет: Авдуевский B.C. (преде.) и др. Т. 5. Проектный анализ надежности. / Под общей редакцией Патрушева В.И. и Рембезы А.И. М.: Машиностроение, 1988.

44. Недайвода А.К. Российский модуль «Заря» первый модуль Международной космической станции. IAF-99-T.2.04.: IAF/IAA/AIAA. 1999.

45. Новые наукоемкие технологии в технике. Энциклопедия. / Под общей редакцией Касаева К.С. Том 14. Система создания сложных технических систем. М.: Внешторгиздат,1999.

46. Новые наукоемкие технологии в технике. Энциклопедия. / Под общей редакцией Касаева К.С. Том 17В. Обеспечение качества изделий. М. -Внешторгиздат, 2000.

47. Основы синтеза систем летательных аппаратов. / Под ред. Лебедева A.A. М.: Машиностроение.1987.

48. Панкратов Б.М. Проектирование транспортных космических систем. Часть II: Учебное пособие. М.: Изд-во МАИ, 1996.

49. Политехнический словарь / Редкол.: Ишлинский А.Ю. (гл.ред.) и др.-3-е изд., перераб. и доп. М.: Советская энциклопедия, 1989.

50. Положение о порядке создания, производства и эксплуатации (применения) космических комплексов. (Положение РК-98-КТ). М., 1998.

51. Положение о распределении работ по доставке и интеграции грузов на ФГБ между РКК «Энергия» им. С.П.Королева и ГКНПЦ им. М.В.Хруничева П32857-105. — М„ 1999.

52. Положение об организации работ по расчету массово-инерционных характеристик ФГБ между РКК «Энергия» и КБ «Салют» № 1/1Ц от 08.02.2002 г.

53. Приходько П.Т. Тропой науки. 3-е изд., перераб. М.: Знание, 1969.

54. Проблемы технологии создания и использования космических систем и комплексов на базе малых космических аппаратов и орбитальных станций. Второй межведомственный научно-практический семинар, Москва, 26-30 октября 1998 г., Сборник тезисов докладов.

55. Пугаченко С.Е. Повышение эффективности орбитальных станций за счет выбора рационального соотношения функциональных и эксплуатационных характеристик// Авиакосмическая техника и технология, 2004, №2.

56. Разработка методов определения предпочтительных характеристик перспективных пилотируемых и посещаемых орбитальных станций и систем их ТТО в целях повышения эффективности ПКК в целом: Научно-технический отчет № НИР-1-068-2004 НТО. ГКНПЦ. 2004.

57. Райзберг Б.А. Диссертация и ученая степень: Пособие для соискателей. 3-е изд., доп. М.: ИНФРА-М, 2003.

58. Самарский A.A. Математическое моделирование и вычислительный эксперимент Вестник АН СССР, 1979, №5.

59. Сухов Г.М. Некоторые пути совершенствования управления наукой на предприятии. М.: Изд-во ФГУП ГКНПЦ им. М.В.Хруничева, 2000.

60. Сухов Г.М., Сухов С.Г. Технологическое прогнозирование испытаний технических систем летательных аппаратов. М.: Изд-во МАТИ им. К.Э.Циолковского, 1993.

61. Теоретические основы эксплуатации вооружения. Под общей редакцией Эйбшица В.М. М.: Изд-во МО СССР, 1977.

62. Техническое задание на разработку панелей БС изделия 77КМ №17501. 112-77КМ-ТЗ 2006. 1996.

63. Техническое задание на разработку устройства ручного складывания СБ изделия 77КМ. ФГБ-1-96-5815 ТЗ. 1996 г.

64. Технические условия на функционально-грузовой блок. Международная космическая станция «Альфа», SSP 50128. Ред. С. 1997.

65. Феоктистов К.П. Космическая техника. Перспективы развития. М.: Изд-во МВТУ им. Н.Э.Баумана, 1997.

66. Хилл П. Наука и искусство проектирования. Методы проектирования, научное обоснование решений / Под ред. Венды В.Ф. «Мир», 1973.

67. Энергетический блок ФГБ: Пояснительная записка. Часть первая. Общие положения. 77КМ-0000-0ПЗ. Эскизный проект. 1994.

68. Энергетический блок ФГБ. Пояснительная записка. Часть четвертая. Конструкция и компоновка. Книга вторая. Механизмы. 77КМ-0000-0ПЗ.З, Кн.2. Эскизный проект. 1994.

69. Энергетический блок ФГБ. Пояснительная записка. Часть одиннадцатая. Конструкция и бортовые системы ФГБ, обеспечивающие стыковку и совместное функционирование российского и американского сегментов МКС «Альфа». 77КМ-0000-0ПЗ 10. Эскизный проект. 1995.

70. A World Without Gravity, G.Seibert.-ESTEC, Noordwijk.: ESA Publishers Division, 2001.

71. Petrakov V.M. Soviet Orbital Stations // Journal of The British Interplanetary Society, Vol.47, pp.363-372, 1994.

72. Shaevich S.K., Pougachenko S.E., Efimov V.V. Frequently Visited Space Bases for Future Human Space Programs // Proceedings of an International Symposium, 4-7 June 2002, Strasbourg, France, pp.141-148. Kluwer Academic Publishers, 2002.

73. Shaevich S.K., Pougachenko S.E, Smolin A.M. Some Trends and Perspectives of Manned Cosmonautics // Proceedings of an International Symposium, 4-7 June 2002, Strasbourg, France, pp.305-306. Kluwer Academic Publishers, 2002.

74. International Space Station. Technical Interchange Meetings №№ 15, 16, 17. Protocols. Team 1B «Integrated Performance».-Houston, Moscow.-1995-1996.1. Таблицыстанции «Мир»

75. Модули орбитальной станции 1986-1990гг. 1991-1995гг. 1996-2001гг.1. Базовый блок 564 173 2101. Квант" 154 51 781. Квант-2" 140 70 601. Кристалл" 39 55 411. Спектр" 20 521. Природа" - 202

76. Станция в целом 897 369 6431. Всего: 1909

77. Распределение длительности ремонтных работ на орбитальной станции "Мир" помодулям и периодам эксплуатации

78. Модули орбитальной станции 1986-1990гг. 1991-1995ГГ. 1996-2001 гг.

79. Базовый блок 254/136 340/125 339/1261. Квант" 50/34 35/12 33/10

80. Квант-2" 19/12 113/36 200/261. Кристалл" 31/25 33/111. Спектр" 4/2 12/11. Природа" - 38/10

81. Станция в целом 323/182 523/200 655/1841. Всего: 1501/566

82. Структура расходования рабочего времени экипажа орбитальной станции «Мир»

83. Наименование работ Рабочее время экипажа,п/п % от суммарного рабочего времени

84. Техническое обслуживание и ремонт бортовых систем, включая техническое обслуживание служебных систем, средств жизнеобеспечения, ремонтно-восстановительные работы, погрузочно-разгрузочные работы, расконсервацию и консервацию оборудования 8.10

85. Подготовка и осуществление выходов в открытый космос 2,57.7,193 Инвентаризация 0,46.2,19

86. Подготовка и проведение научных экспериментов В среднем 11

87. ТВ-репортажи, фото-, видеосъемка, переговоры с Землей 1,2.2

88. Тренировки на тренажерах 0,15.0,59

89. Динамические операции и работа на персональном компьютере 1,2.1,5

90. Работа с формами и радиограммами 6,59 Передача смены ■ 0,4.1,710 Другие 0,7.1,5