Совершенствование методов проектирования кораблей и обоснование проектных решений
И.Г. ЗАХАРОВ - доктор технических наук, профессор, контр-адмирал,
В.В. ЕМЕЛЬЯНОВ - кандидат технических наук, капитан 1 ранга,
В.П. ЩЕГОЛИХИН - доктор технических наук, капитан 1 ранга,
В.В. ЧУМАКОВ - доктор медицинских наук, профессор, полковник медицинской службы
Корабли являются важнейшим компонентом сил, используемых в вооруженной борьбе на море. Они представляют собой сложные технические системы высокой степени иерархии. В них объединены в единый комплекс разнообразные оружие и технические средства с различным характером боевого и повседневного функционирования, а также степенью влияния на эффективность выполнения поставленных задач. Наконец, в отличие от других боевых систем (танки, самолеты и т.д.) корабли являются самыми дорогими и малосерийными системами.
Поэтому заранее требуется уверенность в целесообразности создания того или иного корабля с соответствующими тактико-техническими элементами (ТТЭ). Это обусловливает трудность и многоступенчатость проектирования корабля, а также значительный консерватизм решений во время этого процесса. В классическом случае процесс проектирования включает несколько этапов:
исследовательское проектирование, имеющее целью разработку оперативно-тактического задания (ОТЗ) и тактико-технического задания (ТТЗ) на проектирование. Исследовательское проектирование определяет целесообразность создания корабля, проверяет реализуемость основных технических решений и принципов конструктивного оформления корабля;
эскизный проект, в котором уточняются основные ТТЭ корабля и выбирается несколько наиболее оптимальных вариантов для дальнейшей работы;
технический проект, окончательно устанавливающий основные ТТЭ и завершающий творческую поисковую работу выбором единственного варианта;
рабочий проект, по которому начинается постройка корабля.
Начальный этап проектирования, до разработки ТТЭ включительно, всегда выполнялся в центральных научных организациях ВМФ (ЦНИВК, НТК, 1-й ЦНИИ МО) при участии ряда специальных научно-исследовательских учреждений. Именно этот этап проектирования является самым важным и менее известным. Тем более что за весь послевоенный период на этом этапе произошли наибольшие изменения. Таким образом, процесс проектирования начинается с формирования общего замысла создания корабля, который исходит из возлагаемых на корабль задач и основывается на достижениях научно-технического прогресса. В соответствии с общим замыслом определяется технический облик с оптимальным сочетанием ТТЭ, необходимых для разработки научно обоснованного задания на последующие стадии проектирования. Разработку таких заданий и называют исследовательским проектированием. Исследовательское проектирование как самостоятельная область в общей теории проектирования кораблей сформировалось относительно недавно - в 50-60-х годах, когда кораблестроение перешло на путь комплексного внедрения достижений научно-технического прогресса.
Сравнение с кораблями-аналогами, как метод выбора ТТЭ новых кораблей, во многом утратило свое значение в связи с существенными изменениями в характере вооружений борьбы на море, а роль конкретных прототипов уменьшилась в результате высоких темпов научно-технических достижений по ряду видов вооружения и технических средств. Боевые действия современных кораблей-аналогов могут резко отличаться в зависимости от решаемых кораблями задач, общей оперативно-стратегической обстановки и военно-географических условий, что неминуемо отразится на замысле создания и облике кораблей и, следовательно, на степени развития и соотношении отдельных их качеств. Наконец, безграничные возможности науки и техники, открывшиеся в начале 60-х годов, породили у ряда военных и ученых иллюзию возможности создания принципиально новых кораблей, способных заменить традиционные классы. Эти обстоятельства в определенной степени привели не только к волюнтаризму в создании кораблей, но и к значительным перекосам в развитии науки проектирования не только кораблей, но и вооружения.
Так, в 60-70-х годах сформировался взгляд на развитие техники, как полностью подчиненное тактике боевого использования. Это привело к игнорированию той цены, за которую получались заданные ТТЭ. Однако объективные научные результаты при проведении исследований по обоснованию ТТЭ могли быть получены только при рассмотрении единой системы корабль-вооружение. В начале 70-х годов такой взгляд на проблему проектирования уже стал доминирующим, хотя и не всеобъемлющим. Вместе с тем в отечественном кораблестроении в 70-х годах начался переход к созданию кораблей, их вооружения и технических средств с более полной взаимной увязкой. Правда, и в 90-х годах такой подход трактовался только в теории.
В методологическом плане потребности практики исследовательского проектирования и соответствующий научный потенциал обусловили дальнейшее совершенствование графоаналитического метода проектирования на основе совместного использования методов подобия и математической статистики. В сочетании с частными графическими проработками это позволило во многом отойти от конкретного прототипа. Большой вклад в развитие этих методов внесли А.И. Балкашин, С.А. Базилевский, Л.Б. Бреслав, Б.А. Колызаев, А.И. Косоруков, В.А. Литвиненко, Г.И. Попов, А.Э. Цукшвердт и другие отечественные ученые ВМФ.
Наконец, усилиями отечественных и зарубежных ученых были разработаны методы оценки количественных показателей, а также математические модели оценки боевой эффективности и военно-экономической оптимизации ТТЭ на стадии проектирования кораблей. Данные модели базируются на вероятностном описании процесса боевых действий и моделировании не отдельных тактических ситуаций, а операций или систематических боевых действий в целом, и показатели эффективности выбираются в строгом соответствии с поставленными целями - основным принципом, сформулированным в теории боевой эффективности академиком А.Н. Колмогоровым. В решении этих вопросов участвовали В.А. Абчук, И.Я. Динер, Ф.А. Матвейчук, М.П. Прохоров, С.К. Свирин, В.Г. Суздаль, Л.Ю. Худяков и другие.
Любое проектирование, в том числе и исследовательское, базируется на огромном количестве исходных данных. При этом перспективные противодействующие боевые системы на момент проектирования нового корабля достоверно неизвестны, вследствие чего возникает необходимость получения прогноза их характеристик. По этой причине большое значение в исследовательском проектировании имеют методы научного прогнозирования, которые получили значительное развитие в 70-80-х годах в разработках В.П. Кузина, В.М. Пастушенко, Ю.П. Убранцева и других.
Все это расширило возможности разработки и объективной сравнительной оценки вариантов проектируемого корабля с существенно отличными друг от друга техническими решениями.
Новым в решении отдельных задач исследовательского проектирования являлось использование средств ЭВТ, хотя оно еще не в полной мере обеспечивало комплексную оптимизацию процесса с учетом требуемой многовариантности, глубины и оперативности проектных исследований.
Существенным шагом в развитии методов исследовательского проектирования в 70-е годы явилось создание и внедрение в 1-м ЦНИИ МО системы автоматизированного проектирования (САПР) - принципиально нового программно-технического инструмента проектных исследований. Указанная система была создана большим коллективом ученых ВМФ: В.Н. Буровым, Ю.С. Вольфсоном, Б.А. Колызаевым, Л.Ю. Худяковым, П.А. Шаубом и другими.
Благодаря созданию САПР стало возможным решать все задачи исследовательского проектирования в комплексе, начиная с технической разработки вариантов корабля и кончая оптимизацией его ТТЭ по критериям боевой и военно-экономической эффективности на базе многовариантных расчетов по более точным математическим моделям. Создание САПР в значительной степени устранило разрывы между объективной потребностью увеличения многовариантности, глубины и повышения оперативности проектных исследований, вычислительными возможностями специалистов и средствами инженерного труда, имевшимися ранее в их распоряжении. Стали реальными проработка и комплексная оценка до нескольких сотен вариантов проектируемого корабля.
В 80-е годы в развитии теории и методов исследовательского проектирования отмечается дальнейшее совершенствование системного подхода к созданию кораблей в комплексе с их оружием и техническими средствами, а также средствами боевого и повседневного обеспечения. Именно системный подход стал главной методической основой создания математических моделей для САПР. Системный подход определяется как оптимальная техническая реализация замысла создания корабля по следующим основным факторам:
боевой эффективности при выполнении боевых задач в различных условиях и различными способами;
научно-техническим возможностям создания технических средств к необходимому сроку;
взаимосвязи отдельных подсистем корабля между собой, в том числе построению структуры корабля в виде взаимодействующих функциональных комплексов с учетом динамики их совместной работы и принципа иерархической оптимизации;
экономической обоснованности и обеспеченности создания необходимого числа кораблей в заданные сроки;
наличию и состоянию взаимодействующих и обеспечивающих сил и средств.
Отдельные принципы системного подхода, касающиеся в основном оценки технической совместимости и частной оптимизации подсистем корабля, принимались во внимание на протяжении всей истории кораблестроения. При этом соответствующие задачи в прошлом были относительно простыми из-за сравнительно слабой технической взаимосвязи подсистем.
После создания САПР понятие системного подхода существенно расширилось. В нем отражен учет многих факторов, обеспечивающих оптимизацию ТТЭ кораблей как единой системы корабль-вооружение-средства обеспечения, что требует разработки и совершенствования соответствующих количественных методов. Значительный вклад в развитие методологии системного подхода внесли ученые ВМФ: И.Г. Захаров, М.М. Четвертаков, П.А. Шауб и другие. Благодаря внедрению принципов системного подхода в 80-х годах коллективу ученых ВМФ удалось разработать достаточно много математических моделей для САПР 1-го ЦНИИ МО, увязанных по информации, и, следовательно, впервые осуществилось автоматизированное исследовательское проектирование.
Многие созданные для САПР математические модели обладали значительной новизной и оригинальностью. К таким моделям можно отнести: операционную модель (моделирование боевой операции) для оценки подводных лодок (Л.Ю. Худяков) и надводных кораблей (В.И. Никольский), оценку живучести надводных кораблей (А.М. Иванов, А.И. Косоруков), имитационные модели боевых действий и оценку надводных кораблей (С.А. Иванов), совместное проектирование "корабль - основное оружие" (С.А. Губкин, М.М. Четвертаков-младший), и ряд других.
С начала 80-х годов САПР 1-го ЦНИИ МО стала активно использоваться для обоснования ТТЭ практически на все корабли. Первой подводной лодкой, обоснование которой было проведено на САПР. стала атомная подводная лодка проекта 945А, а из надводных кораблей - СКР проекта 11540.
В конце 80-х годов значительное развитие в САПР получили методы геометрического моделирования для получения графического изображения варианта корабля в процессе его проектирования на более поздних этапах автоматизированного исследовательского проектирования (АИП) и для получения координат различных его элементов в процессе разнообразных расчетов, в том числе и живучести. Для этого в математическую модель АИП была включена геометрическая модель корабля (разработана Н.В. Никитиным).
Вместе с методами определения количественных характеристик автоматизированного исследовательского проектирования постоянно совершенствовались и методы оптимизации. Так, в конце 80-х годов в САПР, наряду с традиционными методами оптимизации, был внедрен и апробирован на ряде ТТЭ метод многокритериальной оптимизации многоцелевого корабля, разработанный И.Г. Захаровым. Наряду с созданием математических моделей определялась и специальная технология работы на САПР: разрабатывались последовательность выполнения моделей, организация данных для расчетов (разработка баз данных), форма представления полученных результатов и многое другое.
Первоначально САПР создавалась как система для стадии исследовательского проектирования с целью выработки рекомендаций руководству по принятию решений на стадии формирования ТТЭ. Однако позже, используя достигнутый ранее результат, имеется возможность автоматизировать и другие важные задачи, решаемые научными организациями ВМФ, такие как:
обоснование планов военного кораблестроения;
отработка общих требований к проектированию кораблей и судов и обоснование этих требований;
обоснование направлений развития корабельного вооружения и корабельной техники на перспективу;
оптимизация срока службы корабля и оценка целесообразности модернизации;
оценка новых проектных решений, которые прямо не оказывают влияния на ТТЭ (например, компоновка корабля и ее влияние на эффективность через живучесть и т.п.);
научно-техническое сопровождение, когда с использованием САПР осуществлялась оценка отклонения от ТТЭ и получались количественные показатели для экспертизы готового проекта.
В целом теория и методы исследовательского проектирования постоянно совершенствуются и их внедрение в практику способствует ускорению научно-технического прогресса в кораблестроении.
Важное
