Введение
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
f 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 экипажами
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
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 оценивается локальными экономическими показателями. Производство конкурентоспособной техники требует объединения усилий разработчиков и производственников в рамках новых конструкторско-технологических решений при создании РКТ. 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 4} 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
i эксплуатации'базируется на ОС «Салют» и «Мир», а также" на возможностях
производственной и полигонной баз по изготовлению, подготовке'.и 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
¦ ¦'?-'. ь-;-^Л5<з«й?#<^*йнй^^
9 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 орбите.
10 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. Обоснование 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,
11
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
¦-. i ¦ • . -. ¦ ,
1 '¦ технологии, принципах комплексного проектирования,-параллельной разработки'
изделий и технологий, инверсии технологии, «сквозной» технологии, обеепечения 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
i вклад в развитие теоретической и методологической базы исследований,
М выполненных в диссертации, внесли А.А. Медведев, Н.А. Анфимов, О.М.
,-..,!
12
Алифанов, Л.А. Горшков, А.А. Золотов, В.И. Лукьященко, [В.К. Kappacij K.C. 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 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,
Г! 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,
¦ ~~^SW*i»^««***»^^ .
13 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
Ж**,,
14 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
15 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
I ¦ ¦
опубликованы в 24 работах, из них 3 статьи, 1&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.,
i0 • на Академических чтениях по космонавтике, посвященных памяти
16
СП. 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, f
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.
Основные положения, выносимые на защиту, заключаются в следующем. Область рациональных характеристик орбитальных станций соответствует высоким функциональным характеристикам массы целевого оборудования и высокой надежности функционирования на этапе целевого использования ОС с одной стороны и низким затратам на создание ОС с другой. ж) Эта область рациональных характеристик может быть получена в результате
анализа взаимозависимости функциональных, эксплуатационных и стоимостных составляющих эффективности ОС. Результаты анализа находят отражение в техническом задании и используются при выборе технических требований к ОС. ii-л Анализ является результатом применения при подготовке эксплуатации ш технологических принципов создания сложных технических систем: а комплексного проектирования, параллельной разработки, сквозной технологии, инверсии технологии, обеспечения технологичности и технологического ; прогнозирования.
Методические основы формирования диссертационной работы, а также ряд общих положений о научной работе почерпнуты автором в пособиях [3] и + [66].
17 Настоящее исследование предваряется анализом тенденций развития
ОС, роли и места орбитальной эксплуатации в жизненном цикле ОС и обзором методов проектирования и, в том числе, способов обеспечения длительного функционирования ОС на орбите, содержащихся в первой главе. На основе этого анализа сделан вывод о существенной значимости рассматриваемой проблемы для ОС в связи с решающим влиянием проблем эксплуатации на проект ОС и существенными экономическими затратами на транспортные операции в обеспечение ТОР на орбите. Анализ значимости ТОР орбитальных станций и соотношения заменяемых и незаменяемых на орбите элементов дает качественное представление о влиянии требований по ремонтопригодности на технический облик ОС. Обзор источников технической литературы отражает состояние развития методов проектирования ОС и методов технического обслуживания и ремонта сложных технических систем. Изложены общие подходы к обеспечению эффективности ОС в течение длительного времени. Как недостаток ранее использовавшихся методов проектирования ОС отмечается отсутствие количественного анализа на этапе проектирования особенностей эксплуатации ОС, включающей транспортно-техническое обеспечение, грузопоток и ремонтно-восстановительные работы экипажа на орбите.
Во второй главе обосновываются общие подходы к проблеме повышения качества и эффективности орбитальных станций. Анализируются составляющие качества и эффективности кт их связь с решением задач настоящего исследования. Выбор показателей эффективности осуществляется на основе принятых до настоящего времени показателей с учетом особенностей орбитальной эксплуатации. Эффективность оценивается как с помощью частных, так и с помощью комплексного показателей. Отмечена необходимость учета вероятностного фактора и ошибок, связанных с вероятностной природой |
