Реализаций наиболее вероятных сценариев, учитывающих комплексное применение подводных лодок, надводных кораблей, средств гидроакустического противодействия и пр
| Вид материала | Документы |
- Кеннет Бийр Суда-ловушки против подводных лодок: секретный проект Америки, 8429.43kb.
- Тые годы прошлого века погибла одна из подводных лодок нашего флота, я узнал ещё, 487.36kb.
- Обзор материалов прессы, 480.67kb.
- И в области противодействия их незакон, 693.27kb.
- Hawk Происхождение «Черного Ястреба», 175.35kb.
- Многие воспитательные задачи наиболее успешно решаются при использовании средств эмоционального, 1381.57kb.
- Р. Р. Кадырова о состоянии работы по линии противодействия незакон, 86.85kb.
- Вид работ №30 «Монтаж, демонтаж строительных конструкций в подводных условиях», 16.72kb.
- Комплексное применение информационно-волнового метода физиотерапии на различных этапах, 570.75kb.
- Отчет ОАО «скбк», 35.27kb.
1 Введение
Технические требования технического задания на современную торпеду и ее основные системы вытекают из решения задачи максимизации ее боевой эффективности, базирующегося на статистическом моделировании реализаций наиболее вероятных сценариев, учитывающих комплексное применение подводных лодок, надводных кораблей, средств гидроакустического противодействия и пр., и с учетом сложной гидрологической обстановки. Поиск технических решений, удовлетворяющих разработанным таким образом техническим требованиям, всегда наталкивается на проблему физической реализуемости, ограничения которой диктуются базисом, применимым для разработки торпеды и ее систем. Под элементным базисом здесь и далее будем понимать совокупность всех материальных и информационных объектов (электронных, электромеханических и пр. компонентов и устройств, технической документации, программного обеспечения, алгоритмов, программ, теорий и технологий), имеющих вид продуктов, то есть находящихся в состоянии, когда их можно применить в разработке торпеды и ее систем. На практике ограничения, налагаемые элементным базисом, оказываются настолько жесткими, что они, в конечном счете, и определяют достижимые характеристики торпеды и ее систем: дальность и скорость хода (транспортные характеристики) торпеды, точность выполнения программы движения, дальность обнаружения и классификации целеподобных объектов, максимальное число анализируемых бортовой системой целеподобных объектов, и пр.
Современный уровень и динамика развития элементного базиса (субмикронных, компьютерных и информационных технологий, функциональной сложности элементной базы и пр.) возводят современные бортовые системы управления (БСУ) в ранг сложных технических систем, для которых решение задачи рациональной их внутренней организации проблематично. Практика создания сложных систем показывает, что внутренняя организация системы всегда учитывает состояние элементного базиса и отслеживает его развитие. Однако теоретических методов, позволяющих однозначно приблизиться к оптимальному решению по внутренней организации сложной системы, в настоящее время не существует, поэтому эффект от применения того или иного способа внутренней организации сложной системы можно оценить лишь после ее реализации и анализа результатов ее эксплуатации. Между тем, для разных вариантов внутренней организации систем с учетом налагаемых на ее конструкцию габаритных ограничений в рамках одного и того же элементного базиса можно получить разный результат. Чем сложнее система, тем больше влияние ее внутренней организации на приближение к достижимым характеристикам, тем более, что внутренняя организация БСУ учитывает не только требования к функционированию БСУ, но и требования к ее технологичности экспериментальной отработки, к технологичности настройки при изготовлении, к обеспечению надежности в процессе эксплуатации. Характерная для современности взрывная динамика развития элементного базиса, и как следствие - постоянный рост сложности БСУ, делает проблему разработки подхода к определению рациональной внутренней организации БСУ особенно актуальной.
Внутреннюю организацию системы удобно характеризовать посредством архитектуры системы. В отличие от структурной схемы, отражающей состав и связи между декомпозированными компонентами системы с учетом привязки к конструкции торпеды, архитектурная схема отражает принципы декомпозиции и формирования связей между декомпозированными компонентами системы. Поэтому, анализ динамики архитектуры позволяет выявить тенденции, проявляющиеся при декомпозиции сложной системы, и найти ориентиры, которыми следует руководствоваться при разработке структур современных БСУ.
В данной главе решается задача определения рациональной архитектуры перспективной БСУ. При решении данной задачи применяется подход, основанный на архитектурно-структурном анализе БСУ и ее надсистем в их развитии, который позволяет выявить характеристики, тенденции и особенности БСУ, как эволюционирующей системы, инвариантные к текущему состоянию базиса, и на основе полученных результатов – определить внутреннюю организацию перспективных БСУ.
Выбор такого подхода, в частности, связан с тем, что в отличие от любых других автоматических систем развитие торпедных БСУ можно наблюдать на самом продолжительном временном интервале, составляющим более 140 лет, и на котором сменилось достаточно поколений БСУ, чтобы выявить закономерности их развития и составить прогноз. В работе весь наблюдаемый временной интервал развития БСУ разбивается на четыре этапа. На каждом этапе вводится новый класс БСУ, наименование которого соответствует наименованию этапов:
- механических БСУ,
- электронных аналоговых БСУ,
- электронных цифровых БСУ,
- интегрированных БСУ (БИСУ).
Начало каждого этапа, следуемого за этапом механических БСУ, связывается с внедрением в БСУ новых технологий:
- электронных,
- информационных локальных,
- информационных сетевых.
Глава состоит из 4-х разделов, в каждой из которых осуществляется анализ одного из 4-х этапов развития БСУ. Структура первых 3-х разделов одинакова. В начале каждого раздела дается историческая справка, затем осуществляется структурный анализ, затем – архитектурный анализ и выводы. В 4-м разделе на основе проведенного анализа осуществляется разработка архитектуры перспективной БСУ и приводится пример ее реализации в структурной схеме БИСУ, прошедшей экспериментальную отработку в лабораторных условиях и морские испытания. В конце главы приводится заключение, в котором излагаются результаты анализа и разработки архитектурно-структурных решений перспективной БСУ – БИСУ.
^ 2 Анализ развития БСУ на этапе механических БСУ
(начало 1860-х - конец 1930-х годов)
2.1 Историческая справка
Первая торпеда [Л2.1] была создана английским инженером Робертом Уайтхедом в 1866 году, дальность ее хода не превышала 200 метров, что было соизмеримо с размерами кораблей, поэтому острой необходимости в управлении ею не было. Все же вскоре для повышения эффективности торпеды был внедрен гидростатический аппарат, который обеспечивал автоматическое управление глубиной хода. С целью уменьшения амплитуды автоколебаний по глубине, достигавшей при этом 7-8 м, в 1868 году в контур управления глубиной хода торпеды был введен физический маятник, корректирующий угол дифферента. Гидростатический аппарат с физическим маятником получил название автомата глубины. К концу 19-го века дальность хода торпед возросла до 600-1000 м, увод торпеды по курсу стал приводить к большим промахам, поэтому возникла необходимость стабилизировать угол курса торпеды.
В 1896 году был внедрен прибор курса на базе гироскопа с пружинным пуском, сконструированный бывшим лейтенантом австрийского флота Людвигом Обри. При хорошей регулировке прибор мог удерживать торпеду на заданном курсе с малыми отклонениями 3-4 минуты, что соответствовало дальности хода торпеды 2500-3500 м. Актуальной стала задача увеличения дальности хода торпед, к 1912 году она достигла 6000 м. Гироскоп был при этом усовершенствован. Высокая скорость вращения его ротора (12-19 тыс. об/мин) стала поддерживаться путем подкрутки ротора сжатым воздухом. Дальнейшее улучшение качества стабилизации курса было связано со стабилизацией крена торпеды. Первоначально стабилизация угла крена осуществлялась смещением вниз относительно продольной оси центра масс торпеды, что позволяло обходиться без автоматического регулирования креном. Впоследствии для уменьшения крена, отрицательно влияющего на точность движения торпеды по курсу, был внедрен прибор креновыравнивания, созданный на основе гироскопа.
Однако точностные характеристики БСУ и корабельной системы прицеливания (составляющие боевой эффективности торпедной атаки) на данном этапе не обеспечивали в полной мере реализации потенциала транспортных характеристик энерго-движительного комплекса (ЭДК). Для разрешения этой проблемы необходимо было внедрить в торпеду систему самонаведения, снижающую требования к точностям прицеливания и навигации, что и было предпринято на последующих этапах развития БСУ. Таким образом, механическая БСУ являлась “слабым звеном” в цепи основных торпедных систем, что делало процесс ее развития крайне актуальным.
Одно из центральных мест в разработке торпедного оружия занимает проблема обеспечения высокого уровня надежности выстрела торпеды. Об этом свидетельствует тот факт, что за неимением в то время других способов (например, периодического и предстартового контроля торпеды) обеспечения надежности и обнаружения возможных дефектов, каждую торпеду пристреливали. Эта традиция для многих торпед сохранилась и на этапе электронных аналоговых БСУ. Впоследствии данная проблема решалась посредством строгого соблюдения технологических норм при изготовлении и обеспечения должной глубины контроля (контролепригодности) материальной части в процессе эксплуатации БСУ. На данном этапе даже предстартовый контроль торпеды не осуществлялся, предпусковой обмен данными с носителем был односторонним, ввод данных в торпеду производился перед пуском торпеды механическим путем, посредством шпиндельных механизмов.
Показатели боевой эффективности торпеды оценивались по методикам артиллерийской стрельбы, необходимую статистику давала пристрелка каждой торпеды. Методы статистического моделирования за неимением соответствующего инструментария для оценки боевой эффективности не применялись.
^ Технологический процесс разработки и оптимизации торпедой БСУ, как сложной системы, является итерационным и динамика его зависит от возможности реализации (в примененной в разработке технологии проектирования) обратных связей, осуществляемых через все виды экспериментальной отработки БСУ с целью экспериментальной проверки (подтверждения) правильности реализации технических решений. Экспериментальная отработка предполагает как постановку самого эксперимента, так и регистрацию результатов эксперимента, и сопоставление результатов эксперимента с желаемыми результатами. Анализ, проводимый с этих позиций, показывает, что при разработке механических БСУ действовала лишь глобальная обратная связь, замыкающаяся через морские испытания опытных образцов торпеды. Локальных обратных связей, – через моделирование в лаборатории работы законов управления в должном объеме, при котором воссоздаются условия применения торпеды и ее систем близкие к реальным, практически не воспроизводилось из-за проблем физической их реализуемости. Впоследствии, с появлением аналоговых вычислительных машин, локальные обратные связи в виде математического моделирования были внедрены в технологию разработки механических БСУ и стали основным инструментом оптимизации законов управления.
Сложность анализа результатов морского эксперимента усугублялась отсутствием практической возможности визуального наблюдения под водой поведения торпеды. Так для визуального наблюдения за движением торпеды, идущей на малых глубинах, применялись надводная кинофотосъемка и сигнальные ракеты. Они выстреливались вверх из специального торпедного отсека “обозначения”, устанавливаемого вместо боевого зарядного отделения (БЗО) на экспериментальных пусках. Для глубокоходных торпед этот подход оказывается бесперспективным. Более эффективный подход к решению этой проблемы, реализуемый благодаря возможности спасения материальной части торпеды после проведения экспериментального пуска, состоит в осуществлении бортовой регистрации параметров функционирования торпеды и ее систем с последующей (послепусковой) обработкой зарегистрированных параметров. В механических БСУ бортовая регистрация параметров движения торпеды производилась автономным механическим регистратором с небольшим числом каналов (скорости, глубины, угловых положений встроенного в регистратор маятника). Соответствие реализованных в механических БСУ законов управления желаемым проверялось путем визуального анализа результатов регистрации лишь качественно из-за малой информативности и невысокой точности измерений.
^ 2.2 Структурный анализ механических БСУ
Функциональность и особенности функционирования БСУ диктуются внешними по отношению к ней системами (ее надсистемами), в частности надсистемой “корабль-торпеда-цель”, которая формируется (рисунок 2.1) в момент принятия атакующим кораблем решения о торпедной атаке корабля-цели. Предпусковое маневрирование атакующего корабля, например, корабля стороны А, заканчивается прицеливанием, вводом пусковых данных и пуском торпеды с дальности до корабля-цели (до корабля стороны В), близкой к эффективной (эффективная дальность – дальность, при стрельбе которой с большой вероятностью обеспечивается поражение корабля-цели, в данном случае - прямое попадание в него, т.е. когда обеспечивается заданный уровень боевой эффективности стрельбы).
После пуска торпеда теряет связь с атакующим кораблем и движется в автономном режиме по заранее рассчитанной траектории. Если эффективная дальность стрельбы у атакующего корабля больше, чем у корабля-цели (благодаря тому, что в боезапасе атакующего корабля имеются более совершенные, чем у противоборствующей стороны, торпеды), то атакующий корабль при ответной торпедной атаке с высокой вероятностью может выйти из боевого столкновения невредимым. Это обстоятельство вынуждает противоборствующие стороны совершенствовать свои торпеды, прежде всего, в части увеличения эффективной дальности стрельбы. Увеличение эффективной дальности стрельбы одной из сторон приводит к уменьшению уровня боевой эффективности противоборствующей стороны. Т.е. для поддержания требуемого уровня боевой эффективности применения торпед каждой из сторон необходимо (рисунок 2.2) постоянно повышать эффективную дальность торпед, отслеживая достижения противоборствующей стороны. Ресурсы для совершенствования торпед черпаются из базиса, который является, как правило, общим для противоборствующих сторон. В этом состоит механизм эволюции торпед и других систем, применяемых кораблями в процессе торпедной атаки, а модель системы, отображенной на структурной схеме (рисунок 2.2), можно интерпретировать как надсистему торпеды, при рассмотрении ее с позиций эволюции.
Таким образом, целью 1 функционирования торпеды, диктуемой ее надсистемой “корабль-торпеда-цель”, является дистанционное поражение корабля противоборствующей стороны по целеуказанию атакующего корабля, а целью 2, диктуемой надсистемой эволюции (как к объекту эволюции), - обеспечения больших уровней эффективной дальности и скорости ее роста в процессе эволюции, чем у противоборствующей стороны.
Реализация цели 1 предполагает решение следующих задач (реализацию следующих подцелей):
- обеспечения торпеды должным подрывным потенциалом при столкновении ее с целью,
- движение торпеды к цели в автономном режиме под действием своего ЭДК,
- управления движением торпеды по заданной атакующим кораблем траектории.
Реализация цели 2 предполагает решение задач:
- внедрения технических решений, обеспечивающих эффективную дальность хода торпеды большую, чем у противоборствующей стороны,
- внедрения в торпеде архитектурных решений (декомпозиции и организации декомпозированных компонентов) и применения технологий, позволяющих оперативно реагировать на достижения базиса в части увеличения эффективной дальности хода торпеды.
Цель 1 и вытекающие из нее задачи обусловливают основную составляющую функциональности (совокупности системных свойств) торпеды: доставка по заданной траектории боевого заряда к кораблю-цели и подрыв его при столкновении с ним. Данная составляющая функциональности торпеды порождается в результате синтеза функциональностей БЗО, ЭДК и БСУ, обеспечивающих подрыв, ход и управление движением торпеды по заданной траектории соответственно.
Как показывает исторический анализ, дальность хода торпеды, обеспечиваемая ЭДК, практически всегда превышала эффективную дальность, которая ограничивалась точностью прицеливания и точностью обеспечения БСУ заданной траектории. Т.е. транспортные характеристики ЭДК и проблематика БЗО практически никогда не были “узким местом” в решении задачи максимизации эффективной дальности. Приоритет задачи максимизации эффективной дальности торпеды обусловливает основной критерий функционирования механической БСУ: минимизация промаха при заданной дальности хода торпеды.
В рамках располагаемой функциональности и в обеспечении цели 1 механическая БСУ реализовывала следующую схему действия (последовательно решала следующие задачи):
- вывод торпеды по заданной траектории (рассчитанной на атакующем корабле и безопасной для него) на линию стрельбы и на заданную (боевую) глубину,
- стабилизация движения торпеды в заданном направлении и на заданной глубине.
Динамика системы эволюции торпед обусловила процесс совершенствования функциональности БСУ за счет последовательного введения в нее функций управления глубиной, дифферентом, курсом и креном (рисунок 2.3), т.е. к последовательному увеличению объема контроля над элементами траектории торпеды. Монотонно-возрастающий характер графика функциональности от времени объясняется необходимостью поддержания значения промаха на должном уровне при увеличении дальности хода торпед.
Функции управления были реализованы в автомате глубины, приборах курса и креновыравнивания, а также - в модуле привода рулей (рисунок 2.4). На рисунке не входящие в состав БСУ объект управления и связи, показаны пунктирной линией.
Отметим, что из-за технологических ограничений, существовавших на этапе механических БСУ, стратегия совершенствования функциональности БСУ (совершенствование управляемого движения торпеды за счет последовательного увеличения объема контроля над элементами траектории торпеды) не была реализована в полной мере. Очередной качественный скачок в реализации этой стратегии можно получить лишь с внедрением новых технологий.
Как следует из структурной схемы (рисунок 2.4), механическая БСУ помимо устройств, обеспечивающих реализацию функциональности, диктуемой атакующим кораблем в фазе пребывания его в рамках надсистемы “корабль-торпеда-цель”, содержит устройства: регистратор и приборы обозначения (например, ракеты, входящие в состав отсека обозначения), не участвующие непосредственно в формировании данной функциональности и реализующие вспомогательные (технологические) функции. А это означает, что функциональность БСУ диктуется не только надсистемой “корабль-торпеда-цель”, но и другими надсистемами, формируемыми, в частности, в процессе разработки и всего жизненного цикла БСУ. В данном случае - надсистемами, формируемыми на этапах экспериментальной отработки БСУ и ее подсистем с целью диагностики и устранения ошибок, допущенных в процессе разработки. Укрупненная структурная схема системы разработки, эксплуатации и совершенствования торпед и ее подсистем (далее система РЭСТ) приведена на рисунке 2.5. Данная структурная схема позволяет представить процесс разработки – экспериментальной отработки - эксплуатации торпед и ее подсистем в связи с процессами, протекающими в надсистемах функционирования и эволюции торпеды.
В разработке торпеды и ее подсистем можно выделить два основных этапа: проектирование и конструирование. На этапе проектирования разрабатываются и определяются все технические решения, и оформляются в виде проекта (эскизного, либо технического), а на этапе конструирования – проект воплощается в конструкторскую документацию (КД), технологическую документацию (ТД) и эксплуатационную документацию (ЭД). Выходным продуктом разработки являются документация (КД, ТД и ЭД), прошедшая корректировку и аттестацию по результатам испытаний опытных образцов. Итерационный процесс разработки завершается, когда выполнены и подтверждены результатами испытаний требования технического задания (ТЗ) на разработку торпеды. Структуры заказчика, эксплуатируя торпеды и анализируя на практике их боевую эффективность, выдвигают новые технические требования, воплощаемые в технических заданиях на разработку новых, либо модернизацию существующих торпед.
Заметим, что система РЭСТ гармонично связана с системами “корабль-торпеда-цель” и эволюции торпеды. Так система “корабль-торпеда-цель” применяется на этапе эксплуатации (эксплуатирующими организациями - флотом), и воссоздается (имитируется) в структурах подготовки и проведения испытаний при проверке выполнения требований ТЗ. Система эволюции диктует требования к качеству процессов и динамике системы РЭСТ.
^ 2.3 Архитектурный анализ механических БСУ
С целью выявления закономерностей структурного построения БСУ и принципов ее декомпозиции рассмотрим архитектуру БСУ, для чего учитывая структурное построения ее подсистем, сгруппируем компоненты подсистем в осях, инвариантных к классам БСУ (рисунок 2.6).
На рисунке вертикальные поля объединяют компоненты в подсистемы, горизонтальные поля (слои) – в типы устройств: датчики и исполнительные механизмы (ИМ), решающие устройства. Среда (снизу-вверх) делится на внешнюю, в которой функционирует БСУ и внутреннюю, физическую среду самой БСУ. Внешняя среда характеризуется физическими полями. Внутренняя среда механических БСУ включает в себя лишь механические компоненты. В нижнем слое расположены компоненты БСУ, непосредственно связанные с внешней средой коммуникативными связями. Это - датчики (чувствительные элементы), исполнительные механизмы и устройства информационной связи с внешней по отношению к БСУ аппаратурой. В верхнем, соседнем слое расположены решающие устройства.
Заметим, что такое построение позволяет наглядно представить внутреннюю организацию БСУ и ее компонент в связи с их функциональностью, их физической природой, их связью с внешней средой (физическими полями), их местом в формировании системных свойств.
В механических БСУ подсистемы управления глубиной, курсом и креном торпеды конструктивно воплощены в соответствующие автономные функциональные блоки: автомат глубины, приборы курса и креновыравнивания, модуль привода рулей является общим для всех названных подсистем. Если модуль привода рулей, объединяющий блоки горизонтальных и вертикальных рулей, условно отнести к объекту управления, то примененный здесь принцип декомпозиции БСУ можно отнести к функционально-конструктивному, поскольку функции каждой из подсистем реализуются в специально отведенных под них конструктивных блоках. Применение функционально-конструктивного принципа базируется на совпадении функционального и конструктивного разбиения системы.
Неоспоримым преимуществом применения в данном случае функционально-конструктивного принципа декомпозиции является то, что выходные характеристики декомпозированных подсистем являются в то же время тактико-техническими характеристиками БСУ, определяющими эффективность применения торпеды. Это позволило добиться хорошего качества декомпозиции БСУ как сложной системы методом декомпозиции–субоптимизации [Л2.2], важнейшей характеристикой которого является степень минимизации взаимного влияния подсистем друг на друга. В случае пренебрежения этой характеристикой ошибки, проявившиеся в одних подсистемах, на этапе агрегирования неизбежно приведут к необходимости переделки других подсистем, что может сделать процесс разработки сложной системы итерационным и неоправданно затратным. К тому же, функционально-конструктивный принцип декомпозиции позволяет сформировать инфраструктуру разработки БСУ, в которой легко осуществить четкое распределение ответственностей разработчиков за конкретные тактико-технические характеристики БСУ. Это гарантирует высокий уровень ответственности разработчика в интересах получения позитивного результата.
В итоге, для механических БСУ взаимное влияние подсистем сказывается лишь при их взаимной компоновке, это физически неизбежно в силу габаритных ограничений на общий отведенный под подсистемы объем, но оно разрешается уже на ранних этапах проектирования (на этапе компоновки) подсистем БСУ. Общим (это также неустранимое физическое ограничение, проявляющееся в задаче минимизации взаимного влияния подсистем БСУ) для подсистем является модуль привода рулей, который разрабатывается с учетом требований всех подсистем БСУ.