Электронный пуск на гиперзвуке

Лаборатория полунатурного моделирования оптических систем наведения.

Создание высокоточного оружия сегодня немыслимо без применения широкого спектра технологий моделирования и моделирующих комплексов. Они позволяют создавать более совершенное и интеллектуальное оружие, наиболее выгодное по критерию «эффективность-стоимость», сводят к необходимому минимуму количество натурных пусков. Стандартом качества при этом стало использование конечно-элементного, математического, имитационного и полунатурного моделирования.

Что стоит за этими терминами? Как на практике названные технологии способствуют созданию высокоточного оружия, в том числе гиперзвукового? На эти и другие вопросы в беседе с обозревателем «Независимого военного обозрения» Николаем ПОРОСКОВЫМ отвечает заместитель генерального конструктора по инновационному развитию корпорации «Тактическое ракетное вооружение» (КТРВ) Станислав СЫЧЕВ.

– Станислав Игоревич, когда в оборонно-промышленном комплексе начали активно применять моделирование? И как в КТРВ обратились к этой теме?

– Моделирование как таковое в мире начали применять с появлением электронно-вычислительных машин в первую очередь в атомных проектах и впоследствии уже широко – в области экологии и экономики. Без компьютерного моделирования не обходится ни одна область человеческой деятельности, в том числе и военная сфера. На нашем предприятии эта работа ведется с того момента, когда стало возможным моделировать процесс применения и полета такого сложного изделия, как ракета. Первые свои шаги в моделировании мы начали делать в 1968 году с появлением у нас аналоговой электронно-вычислительной машины МН-14, за которой последовали ЕС-1033 и БЭСМ-4М.

И только годы спустя в полном объеме моделирование было применено при разработке ракет Х-25М и Х-31, для своего времени это были прогрессивные изделия, требующие большого количества наземных лабораторно-стендовых испытаний. Это наши последние аналоговые изделия, которые еще не имели на своем борту центрального процессора.

С появлением на борту ракеты цифровых процессоров методы моделирования получили самое широкое распространение, в частности имитационное и полунатурное моделирование. Прежде всего это было вызвано необходимостью отработки разветвленных боевых алгоритмов, реализованных на базе этих процессоров. Для исключения ошибок в этих алгоритмах требовалось проверить все ответвления сложной логики боевого применения в различных тактических ситуациях, в том числе при применении на фоне естественных и искусственных помех. И такая большая работа проводилась для нашей первой цифровой противокорабельной ракеты типа Х-35, которая на своем борту имела процессоры как в системе управления, так и в радиолокационной системе наведения. Без моделирования эта ракета вряд ли увидела бы свет.

– Почему именно сегодня остра тема моделирования?

– После Послания президента России В.В. Путина Федеральному собранию 1 марта 2018 года широко была поднята тема цифровизации как базового направления нового индустриального развития. С мая 2018 года существует Министерство цифрового развития, связи и массовых коммуникаций. Ключевыми направлениями цифровизации в промышленности являются переход на цифровые технологии поддержки всех стадий жизненного цикла образцов вооружения и внедрение высокопроизводительных вычислений, неотъемлемой частью которых является моделирование. Вообще же моделирование в наши дни стало неотъемлемой частью любой опытно-конструкторской работы (ОКР). Невозможно себе представить создание современного высокоточного оружия без моделирования.

– Что оно дает технически и экономически?

– Дает повышение качества отработки изделия, обеспечивает безопасность носителя оружия при пуске и позволяет значительно сэкономить средства. Вопрос экономии сейчас стоит особенно актуально, учитывая сокращение Государственного оборонного заказа в 2018–2019 годах, который до 2017 года стабильно рос.

Если сразу приступить к натурным испытаниям, то из-за элементарной ошибки можно потерять дорогостоящее изделие. Например, был случай в нашей практике: из-за такой ошибки ракета в ходе испытаний развернулась и полетела обратно в направлении стартовой позиции. Хорошо, что штатно сработала аппаратура самоликвидации.

– Насколько меньше требуется натурных пусков при моделировании?

– Практика показывает, что примерно в 5–10 раз. Так, например, в период проведения летных испытаний ракеты Х-31 было выполнено более 100 пусков, а при испытаниях ее модернизированного варианта, ракеты повышенной дальности, по мере внедрения технологий моделирования было выполнено уже около 25 пусков, при этом статистика отказов сместилась в сторону конструктивных дефектов. При последующих ОКР количество пусков при проведении летно-конструкторских и государственных испытаний еще снизилось, в среднем до 15 опытных работ. Вместе с уменьшением количества ракет, необходимых для испытаний, экономия также осуществляется за счет очевидного сокращения количества мишеней, которые при удачном пуске зачастую полностью выводятся из строя.

Но главное, моделирование позволяет удовлетворить в полной мере постоянно возрастающие технические требования государственного заказчика к изделиям. Нарастающая техническая сложность компенсируется глубиной внедрения технологий моделирования в жизненный цикл разработки образца высокоточного оружия, что позволяет завершать ОКР по его созданию в заданные сроки.

Лаборатория полунатурного моделирования радиолокационных систем наведения. Фото пресс-службы корпорации «Тактическое ракетное вооружение»

– Вопросами моделирования сегодня занимаются как разработчики оружия, так и специализированные организации.

Еще полвека назад моделирующими комплексами для авиации начали заниматься в Государственном научно-исследовательском институте авиационных систем (ГосНИИАС). С 70-х годов наши предприятия неразрывно связаны друг с другом, начиная с разработки и последующего моделирования в ГосНИИАС ракет Х-23 и Х-25.

Как правило, при разработке изделия выполняется полный цикл моделирования, включающий полет носителя, предстартовую подготовку, пуск и наведение ракеты в различных условиях боевого применения. Это эквивалентно тысячам пусков для одного изделия. Потом нужно проанализировать результаты, выявить и устранить ошибки и весь процесс повторить снова, для того чтобы добиться штатной работы всех систем. Такой объем работ сложно выполнить силами одного предприятия, поэтому в моделировании задействована, как правило, вся кооперация исполнителей ОКР, в том числе и ГосНИИАС, на базе которого выполняется контрольное моделирование в составе авиационного носителя ракеты и ее автономного полета. Институт – своего рода госприемка, дающая разрешение на проведение натурных пусков.

– Что такое электронные пуски?

– В ходе ОКР разрабатывается и изготавливается «железо», включающее различные подсистемы и датчики. При полунатурном моделировании происходит отладка алгоритмов и логики применения, реализованных в штатной аппаратуре изделия в различных условиях полета и тактической обстановки, при этом сама аппаратура установлена на специальные динамические стенды, а система наведения размещена в безэховой экранированной камере. Вот такой «сеанс» моделирования и называется электронным пуском. Он воспроизводит натурный пуск в лабораторных условиях, при этом позволяет смоделировать невоспроизводимые и нереализуемые на полигоне условия.

Электронные пуски также используются для статистической оценки точности наведения. Смысл в том, что необходимо десятки, а то и сотни раз слетать к цели, чтобы определить, с какой точностью мы будем ее поражать. Одного или нескольких натурных пусков недостаточно, чтобы с высокой вероятностью определить точность попадания в цель, так как при полете на ракету действует множество случайных факторов. Приходится набирать эту статистику в электронных, а не в натурных пусках.

– Насколько такие электронные пуски заменяют натурные испытания? Насколько они необходимы при анализе неудачных пусков, выявлении «узких мест» в конструкции изделия?

– При пуске ракеты мы получаем телеметрическую информацию о параметрах траектории для последующего анализа. Если происходит нештатный пуск, эта информация для нас становится вдвойне ценной. С ее помощью мы стараемся повторно воспроизвести аналогичную ситуацию на стенде, задавая точно такие же начальные условия, что были на полигоне: температуру, ветер, параметры носителя при пуске и другие.

А затем мы можем путем итерационной доработки алгоритмов и последующих электронных пусков устранить причину неудачи. Более того, моделирование позволяет выявлять не только алгоритмические ошибки, но и отказы бортовой аппаратуры и конструктивные дефекты, которые могли послужить причиной нештатного пуска.

Таким образом, моделирование – едва ли не единственный действенный метод анализа неудачных натурных пусков.

– В корпорации созданы лаборатории по отработке бортовых комплексов ракет с радиолокационными, оптическими и спутниковыми системами наведения, с имитацией сложной многоцелевой и помеховой обстановки. Как это сказывается на конечной продукции?

– В рамках каждой ОКР, для каждой ракеты необходимо создавать комплекс полунатурного моделирования, мы называем его стендом главного конструктора. Эта работа нацелена на обеспечение качества отработки, повышение глубины анализа, сокращение количества неудачных пусков и в конечном счете на создание образца, соответствующего требованиям тактико-технического задания. Эти требования с каждым новым образцом все более усложняются. Каждое изделие имеет различные особенности и в своем роде уникально. Для ракеты с радиолокационной системой наведения нужна большая безэховая камера, где создается радиолокационная обстановка, имитирующая реальную при применении оружия. Если ракета с оптической системой наведения, то необходимо смоделировать образ цели в оптическом диапазоне – телевизионном или тепловизионном. Это не менее сложная задача, нежели изготовление самой ракеты. Для этого создаются имитаторы цели.

На стенде главного конструктора все это «встречается»: бортовой комплекс управления ракеты, имитаторы и динамические стенды и, конечно, инженеры-разработчики. Это завершающая часть исследований – среда, позволяющая вывести ракету на летные испытания на полигоне и сдать государственному заказчику.

Есть еще одна немаловажная задача, которую решает стенд главного конструктора. Работа на стенде позволяет передать опыт и знания намного быстрее и эффективнее, так как это делается наглядно. Инженеры различных направлений работают на стенде вместе и сразу видят результаты своих усилий, их особенности и недостатки.

Подготовка стенда к работе. Фото пресс-службы корпорации  «Тактическое ракетное вооружение»

– Гиперзвуковые летательные аппараты работают в более жестких внешних условиях по сравнению с классическими, что накладывает ряд дополнительных требований к их проектированию. Ведь при гиперзвуковом полете на аппарат воздействуют высокие температуры, вследствие аэродинамического нагрева достигающие тысяч градусов, а на больших гиперзвуковых скоростях – и плазма, которая препятствует распространению сигнала системы наведения ракеты. Необходимо набрать полный массив характеристик, описывающих будущий облик изделия, для этого, в частности, проводится моделирование аэродинамики и прочности, ресурса и надежности конструкции. На этапе проектирования для этого используются программные пакеты конечно-элементного моделирования. Это компьютерные программы, которые позволяют моделировать любую конструкцию в виде сетки из миллиона ячеек. Отсюда и название: конечно-элементный.

Введение санкций ускорило переход на отечественные программные коды, в том числе во избежание так называемых закладок, которые могут привести к некорректному моделированию, особенно на режимах с большими скоростями. Более того, в рамках программы «Цифровая экономика» президентом поставлены задачи к 2024 году сделать возможным использование преимущественно отечественного программного обеспечения и создать сквозные цифровые технологии преимущественно на основе отечественных разработок.

Корпорация в рамках гранта Фонда перспективных исследований выполнила проект по систематизации и структуризации как существующих, так и новых авторских кодов в области гиперзвука, работа над которым продолжалась около трех лет. В рамках проекта собиралась информация о том, какой задел есть в Академии наук, научно-исследовательских институтах промышленности и организациях ОПК. Другими словами – какие авторские коды позволят нам создать законченный программный продукт (так называемую потребительскую версию) для конечно-элементного моделирования, охватывающий большинство классов задач в области гиперзвука. В этом проекте нам помогали ЦАГИ, ЦИАМ, Институт проблем механики РАН и другие организации.

В настоящее время идет работа по созданию потребительской версии, обобщающей отечественные авторские коды в области гиперзвука, которую уже можно будет внедрять на предприятиях промышленности.

Что касается испытательного оборудования, то многое нам еще предстоит создать, особенно это касается гиперзвуковых аэродинамических труб для полномасштабных продувок моделей гиперзвуковых аппаратов.

Высокодинамичный трехкоординатный стенд имитации углового движения. Фото пресс-службы корпорации «Тактическое ракетное вооружение»

– «ЛОГОС» – это пакет конечно-элементного моделирования широкого назначения, то есть не только для ракет, но и для сухопутной, морской, авиационной и космической техники. «ЛОГОС» – отечественная замена широко распространенному американскому пакету «ANSYS». Он позволяет решать основные классы задач при создании вооружения и военной техники. «ЛОГОС» разрабатывается с 2010 года и в настоящее время вышел на этап внедрения, в том числе и на предприятиях корпорации. Создаются центры обучения. В Москве, например, такой центр уже создан на базе ЦИАМ.

Тем не менее для специализированных задач, в частности в области гиперзвука, возможностей пакета «ЛОГОС» недостаточно, поэтому корпорация занимается разработкой собственного продукта, о котором я уже говорил выше.

– При моделировании не последнюю роль играет оснащенность предприятий высокопроизводительными ЭВМ. Есть в КТРВ нужда в суперкомпьютерах?

– Чтобы выполнять расчеты на современных пакетах конечно-элементного моделирования, требуется представить поверхность ракеты в виде множества ячеек – конечных элементов, как если бы на ракету накинули большую рыболовную сеть с мельчайшими ячейками. Для того чтобы оценить состояния конструкции в тот или иной момент времени, необходимо найти решение системы алгебраических уравнений для каждой такой ячейки. И чем большим количеством таких ячеек будет представлена конструкция, тем более точным будет результат расчетов, но при этом потребуется и большее количество вычислительных ресурсов. Таким образом, чем сложнее конструкция, тем больше требуется конечных элементов для ее описания. Для достижения приемлемого качества и точности расчетов при проектировании современной ракетной техники используются сетки с десятками миллионов ячеек, а вычисления на таких сетках естественно требуют мощных высокопроизводительных кластеров.

Потребности у корпорации в таких высокопроизводительных ресурсах, конечно, высоки, и по прошествии времени эти потребности будут только увеличиваться.

– Предприятия корпорации подключены к системе сертифицированных суперкомпьютерных центров?

– Этот процесс еще не завершен. Создаваемые центры должны быть интегрированы через открытые и закрытые сети связи с предприятиями ОПК. Мы в интеграции заинтересованы, потому что предприятиям нет смысла содержать на своей базе большие вычислительные центры, так как это требует значительных энергозатрат, технического обслуживания и постоянной модернизации вследствие сменяемости архитектур процессоров. Такие центры должны быть на балансе государства или специализированных организаций, которые установят тарифы по их использованию в ядро-часах. Предприятие сможет брать в аренду столько ядер, сколько ему необходимо.

При этом небольшой по производительности кластер на предприятии все-таки нужен для подготовки исходных данных, проведения предварительных оценочных расчетов и решения специализированных задач, также компактная высокопроизводительная рабочая станция должна быть у каждого инженера-конструктора для работы в системах автоматизированного проектирования с большими конструкторскими сборками.

Государство выделяет сегодня субсидии на компенсацию затрат, связанных с арендой этих самых ядро-часов. Субсидии, конечно, не будут вечными, пока они работают, предприятия могут оценить свои действительные потребности в высокопроизводительных ресурсах и в дальнейшем однозначно понимать, сколько нужно ядро-часов для решения тех или иных классов задач, за которые уже будут платить собственные средства.

По-моему, схема логичная и продуманная. Сложились продуктивные отношения с Минпромторгом РФ, который уделяет этим вопросам большое внимание. Есть уверенность, что мы получим хороший и, главное, крайне необходимый для предприятий ОПК результат, и такие центры появятся в ближайшее время.

– Не испытываете нехватки в квалифицированных специалистах в области моделирования?

– Такая нехватка была всегда. Но у нас работают люди, которым интересно это дело, они им живут!

В вузе невозможно научить человека моделировать вооружение и военную технику, в том числе ракеты, так как в этих вопросах очень много специфики. Там дают фундамент – общие базовые знания. Поэтому мы доучиваем ребят, когда они приходят к нам на работу, и делаем из них специалистов уже на предприятии. Также у нас существуют различные программы повышения квалификации, на которые ежегодно выделяются средства.

Еще у нас есть целевой набор студентов: ребятам, которые учатся в МАИ, МГТУ и других вузах, корпорация выплачивает дополнительную стипендию, обеспечивает прохождение практики на наших предприятиях, в результате они понимают, на какие предметы им следует обратить особое внимание. После окончания учебы эти студенты должны отработать несколько лет на одном из наших предприятий. Для дальнейшего закрепления на рабочих местах самым талантливым и перспективным корпорация предоставляет возможность по себестоимости приобрести квартиру.

Генеральный директор корпорации Борис Викторович Обносов заведует кафедрой в МАИ, специализирующейся на авиационных робототехнических системах и комплексах, ряд директоров дочерних предприятий также возглавляют кафедры МАИ, а ведущие специалисты читают там лекции. При ВПК «НПО машиностроения» есть Аэрокосмический факультет, который является структурным подразделением МГТУ им. Н.Э. Баумана, лекции там также читают ведущие специалисты и инженеры предприятия.

– При проектировании высокоточного оружия что или кто имеет решающее значение?

– Инженеры-разработчики. Поэтому столько в них и вкладываем. Решающее значение имеет и государственная политика. Невозможно предприятию-разработчику в одиночку создать оружие с нуля и до выхода изделия в серийное производство. В этом процессе участвуют НИИ промышленности, такие как ГосНИИАС, ЦАГИ, ЦИАМ, Летно-испытательный центр Министерства обороны, полигоны – все они на балансе государства. Без поддержания стендовой и испытательной базы этих организаций, без ее развития, без кооперации невозможно создавать перспективные изделия.