Опыт проектирования современных сложных технических систем, показывает, что выполнение всех мероприятий по созданию космического аппарата (КА) на начальных этапах проектирования представляет собой в техническом и организационном отношениях весьма трудоемкий, длительный и многоэтапный процесс. Главные трудности в решении задачи выбора оптимальных параметров технической системы, особенно на ранних стадиях ее проектирования, связаны не столько с применением математических методов оптимизации, сколько с формулировкой задачи, выбором критериев, а также достаточно точным построением математической модели.

В общем случае процесс проектирования и разработки космического аппарата навигационного обеспечения, оптимизация его выходных характеристик - задача комплексная, многопараметрическая и часто выполняется совместно и одновременно с разработкой и созданием бортовой специальной аппаратуры.

Системный подход к проектированию требует от проектантов более глубокой и многовариантной научно-технической проработки проекта, всестороннего анализа возможных альтернативных решений и на их основе синтезирования облика навигационного КА с оптимальными проектными параметрами.

КА в конструктивном отношении представляет собой комплекс приборов и агрегатов, установленных на некоторой общей конструктивной базе и соединенных общей кабельной сетью. В составе КА имеется часть приборов и агрегатов, требующих для своего функционирования непосредственного контакта с окружающим космическим пространством. Размещение приборов и агрегатов на КА должно гарантировать их нормальное функционирование: отсутствие попадания элементов конструкций в поле зрения оптических датчиков, отсутствие газящих элементов рядом с приборами, сохранение заданной выставки приборов относительно плоскости стабилизации КА.

В процессе разработки бортовая аппаратура (БА) специального и обеспечивающего назначения оказывает влияние на проектный облик КА наряду с тем, что в это же время целевое назначение КА, его компоновка и конструкция налагают ряд требований на бортовую аппаратуру и ее характеристики.

Так в частности конструктивно-компоновочная схема КА в значительной мере определяется:

• составом БА, особенностями его размещения и функционирования;
• взаимным расположением составляющих блоков БА и их количеством;
• тепловым рассеиванием БА и  требованиями по термостабилизации;
• выбором оптимальной схемы размещения блоков БА с учетом магнитных полей, рациональной силовой схемы, взаимным расположением отдельных элементов конструкции для защиты БА от воздействия факторов космического пространства;
• требованиями по технологичности сборки и испытаниям БА в составе  КА;
• возможностью замены вышедших из строя при испытаниях приборов и узлов без подрегулировки других приборов и узлов;
• возможностью удобного доступа к приборам, устройствам и разъемам;
• безопасностью работ при проведении испытаний и т.д.

В то же самое время космический аппарат накладывает ряд требований на БА, из которых в качестве основных можно выделить:

• точностные характеристики в соответствии с техническим заданием;
• малые массы и габаритные размеры;
• пониженное энергопотребление;
• повышенный срок активного существования;
• выполнение требований по тепловому проектированию БСУ;
• сжатые сроки разработки и изготовления;
• приемлемая стоимость и т. д.

Вся перечисленная выше номенклатура требований является основой для разработки тактико-технических требований на разработку космического аппарата. Эти основные положения  мы и будем использовать в качестве основополагающих требований при детальном рассмотрении принципов и методов упреждающей отработки новых технологий и реализации новых функций.

Известно, что при создании КА ищется компромисс между использованием новых составных элементов КА и применением унифицированных (заимствованных) приборов, уже квалифицированных для космических условий[4].

Применение новых составных элементов на КА создает определенный риск появления отказов, преждевременного выхода из строя летного КА и затягивание летных испытаний в целом.

Для парирования указанных рисков предлагается организовать возможность размещения на КА в качестве дополнительной полезной нагрузки (ДПН) перспективных узлов и приборов и осуществить их упреждающую летную отработку и квалификацию. При этом качество их работы не должно влиять на целевое функционирование КА.

С целью создания возможностей для упреждающей отработки новых технологий и реализации новых функций на КА были разработаны и предложены основные принципы модернизированного подхода к проектированию и созданию КА навигационного назначения, постулаты которого изложены ниже [1]:

1. При разработке КА не нарушается общий системный поход проектирования КА.

2. Предлагается изменить методологический подход на начальных этапах проектирования КА (при разработке исходных данных на проектирование и разработку КА), заключающийся в следующем:

в части реализации новых функций

- предусматривать в составе КА дополнительную полезную нагрузку. В качестве ДПН может выступать типовая целевая аппаратура, по которой имеется положительное техническое Заключение Генерального Заказчика по результатам разработки технических предложений и эскизного проектирования и окончательное решение о введении в состав КА, который либо находится в стадии финансово-экономического согласования, либо сроки разработки бортовой аппаратуры не совпадают со сроками разработки и создания КА;

размещение и адаптацию ДПН на КА проводить из условия «реального наличия» в составе космического аппарата указанной аппаратуры, при этом предусмотрев для нее следующее:

1. выделение парциальной части бортовых ресурсов КА для ДПН как для штатной целевой аппаратуры, в том числе резервов в бортовом программном обеспечении и возможность их модернизации и замены при летных испытаниях;
2. проведение теплового, электрического и механического проектирования КА в целом с учетом требований по функционированию ДПН в реальных условиях по штатной циклограмме;
3. разработку и создание габаритно-весовых имитаторов ДПН и конструктивно-технологическую их увязку и адаптацию в механическую и тепловую архитектуру КА;
4. возможность «безболезненной» адаптации ДПН,  изготовленной и поставленной по штатной конструкторской документации и имеющей некие отличия от проектных данных;

предусматривать обязательное наличие проектных запасов КА, исключающих неопределенности на ранних этапах с ДПН и необходимость существенных доработок КА или коренного пересмотра его архитектуры.

в части упреждающей отработки новых технологий предусмотреть в конструктивной схеме космического аппарата и его силовой архитектуры наличие стандартного унифицированного конструктивно-механического интерфейса для размещения экспериментальной аппаратуры, реализующего два типа размещения аппаратуры на космических аппаратах различного исполнения:

1. стандартное размещение аппаратуры по типу КА негерметичного исполнения;

2. размещение аппаратуры с имитацией реальных условий функционирования бортовой специальной аппаратуры на КА негерметичного исполнения;

дополнительно разработать стратегию и технологию реализации унифицированного интерфейса с учетом осредненных требований экспериментальной аппаратуры различного функционального назначения, в том числе:

1. конструктивного интерфейса (габариты, масса, прочностные характеристики, взаимовлияние);
2. теплового интерфейса;
3. электрического интерфейса;
4. информационного интерфейса;

обеспечить выделение на этапе разработки «Исходных данных на проектирование КА» средневзвешенного состава объемов бортовых ресурсов;

разработать типовые требования для экспериментальной аппаратуры различного целевого назначения  с учетом особенностей ее функционирования с целью упреждающей выдачи Исходных данных на разработку конструктивного и теплового проекта аппаратуры;

провести наземно-экспериментальную отработку унифицированного интерфейса в составе КА с получением соответствующих Заключений;

предусмотреть обязательное наличие проектных запасов КА, исключающих неопределенности в конструктивном, тепловом, электрическом и информационном проекте экспериментальной аппаратуры и необходимость существенных доработок унифицированного интерфейса или коренного пересмотра его архитектуры;

3. Все работы с ДПН и экспериментальной отработкой новых технологий на космическом аппарате проводить в соответствии с оформленным установленным образом Решением Генерального Заказчика с обязательным Заключением об исключении влияния проводимых работ на выполнение КА своих целевых функций.

4. Организационно-распорядительные документы, планы-графики проводимых работ с ДПН и экспериментальной аппаратурой, сроки разработки и реализации проектов не должны влиять на сроки Генерального сетевого графика создания космического аппарата.

Таким образом, ускоренную летную квалификацию новых космических технологий предлагается реализовать через создание резервов ресурсов и создание унифицированных интерфейсов на КА для размещения дополнительной полезной нагрузки, реализующей функции новых космических технологий и новых функций в пределах располагаемых резервов ресурсов.

При этом в понятие «новые космические технологии» вкладывается следующий смысл:

• новые функции КА, реализующие в космической системе новые космические услуги;
• новые технологии, планируемые к использованию на перспективных КА любого функционального назначения.

Конструктивное оформление резервов ресурсов КА по массе и объему для ДПН предлагается осуществлять поэтапно с использованием различных вариантов практической реализации.

Идея поэтапной реализации дополнительных задач в виде упреждающего размещения на КА дополнительной полезной нагрузки в различных вариантах возникла еще на этапе разработки исходных данных на проектирование космического аппарата «Глонасс-М» и на этапе проведения совместных российско-европейских работ по системе Galileo.

Основное содержание модернизации общепринятого метода состоит в следующем - существующий метод рационального проектирования КА в условиях неопределенности с обеспечением структурной устойчивости был видоизменен в приложении к реализации методов и принципов ускоренной летной квалификации на навигационных КА новых космических технологий следующим образом:

1. введен этап - проектирование КА на предельную энергетику, реализуемую системой электропитания КА на всех этапах функционирования;
2. этап проектирования КА на предельную массу осуществлялся по критерию: создание максимальных резервов ресурсов КА для размещения дополнительной полезной нагрузки, реализующей функции новых космических технологий.
3. операция нормирования коэффициентов запаса на проектные параметры была совмещена с операциями проектирования КА на предельную энергетику и массу, когда формируются резервы ресурсов КА, выделяемые для дополнительной полезной нагрузки.

Кроме того, создание резервов ресурсов было предложено оформлять в виде стандартизированных приборов-имитаторов, а на КА создавать соответствующие интерфейсы, увязывающие эти приборы-имитаторы с бортовой аппаратурой КА и КА в целом: конструктивные, электрические, информационные, тепловые.

В качестве реализации такого метода был предложен следующий вариантный подход [2]:

Вариант А

Заблаговременное размещение на космическом аппарате (на приборной раме, антенном блоке, снаружи гермоконтейнера) на постоянной основе дополнительной полезной нагрузки с включением в состав КА габаритно весовых макетов предполагаемой бортовой аппаратуры специального назначения со стандартным обеспечением бортовыми ресурсами, которую планируется ввести в состав КА организационно-распорядительными документами на последующих этапах развития орбитальной группировки и модернизации космического аппарата.

Этот принцип существенно облегчает последующее размещение на КА новых приборов, в том числе с новыми функциями и практически не требует дополнительной наземной экспериментальной отработки КА с ДПН;

Вариант Б

Организацией унифицированного интерфейса для  размещения экспериментальной аппаратуры с целью проведения ее упреждающих летных испытаний или получения летной квалификации, в том числе

• унифицированного конструктивного интерфейса;
• унифицированного теплового интерфейса;
• унифицированного электрического интерфейса;
• унифицированного информационного интерфейса;

Организация специализированного унифицированного интерфейса для отработки новых космических технологий наиболее целесообразен и эффективен, когда уже известен целый ряд новых технологий и аппаратур с новыми функциями, идеи которых, правильность заложенных инженерно-технических решений требуют летного подтверждения или квалификации.

Возможны также варианты, когда организованы работы одновременно, параллельно и по варианту А и по варианту Б.

Вариант В

Организация в составе космического аппарата в качестве целевой функции - плановой отработки новых космических технологий и летной квалификации аппаратуры и оборудования. Для этого и конструкция КА (в основном его антенный блок) и все бортовые ресурсы должны быть выбраны на этапе проектирования КА с учетом реализации указанной функции. Сам космический аппарат в этом случае становится «платформой» для отработки новых космических технологий.

При этом все эти три варианта обеспечиваются реализацией целого комплекса мероприятий:

• реализуется переменность коэффициентов заполнения и площади солнечной батареи, обеспечивается возможность перехода на другие фотопреобразователи, возможна установка дополнительных створок солнечных батарей;
• реализуется возможность гибкого изменения скважности работы бортовой аппаратуры (дополнительной полезной нагрузки) в условиях неопределенности по мере уточнения технологических циклов при эксплуатации КА;
• создаются резервы объема и площадей размещения приборного блока для гибкого перераспределения имеющихся конструктивных ресурсов (при необходимости) с целью парирования неопределенностей на ранних этапах  разработки КА;
• повышаются интеллектуальные возможности бортового комплекса управления КА с возможностью перераспределения бортовых информационных ресурсов, с возможностью корректировки бортового программного обеспечения путем обеспечения возможности перезаписывания бортового программного обеспечения;
• проводится штатная наземно-экспериментальная отработка космического аппарата по полной программе (в сроки создания и испытаний базового КА).

Работа выполнена в рамках Гос.контракта  № 8.5039.2011

Рецензенты:

Антамошкин А.Н., д.т.н., профессор, профессор кафедры экономики и информационных технологий менеджмента института управления бизнес-процессами и экономики ФГАОУ ВПО «Сибирский федеральный университет» (Министерство образования и науки РФ), г.Красноярск.

Сенашов С.И., д.ф.-м.н., профессор, зав. кафедрой, профессор кафедры информационных экономических систем ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М.Ф. Решетнева» (Министерство образования и науки РФ), г.Красноярск.