CC BY
197
УДК 62976 В. И. ТРУШЛЯКОВ
К. А. РОЖАЕВА
Омский государственный технический университет
СИСТЕМА ТРЕБОВАНИЙ И КРИТЕРИЕВ ПРИ РАЗРАБОТКЕ МАТЕМАТИЧЕСКИХ И ФИЗИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА ИССЛЕДОВАНИЙ
Описана предлагаемая концепция метода повышения качества проектирования на этапе НИР, разработанная на основе проектирования активной бортовой системы спуска отработанных ступеней ракет космического назначения с маршевыми жидкостными ракетными двигателями. Полученные результаты позволяют повысить качество проектирования сложных технических систем на этапе проведения НИР за счет введения дополнительных процедур при разработке математических и физических моделей, проведении численного моделирования и экспериментов, сократить время проектирования за счет выявления методических ошибок. Ключевые слова: качество, достоверность, проектирование, критерии, допущения, газификация, математические и физические модели.
Введение. В настоящий момент времени проблема повышения качества научно-исследовательских работ при разработке сложных технических систем (СТС) проявляется в высокой стоимости ошибок, которые возникают на этапе проведения НИР, на котором осуществляется формирование основных тактико-технических характеристик. На последующих этапах проектирования СТС обеспечение качества заключается в отслеживании сформированных требований к СТС на этапе НИР, поэтому в каждом отдельном случае создания СТС необходима разработка комплекса мероприятий, направленных на снижение вероятности появления различных ошибок, что приводит к необходимости разработки соответствующих дополнительных подходов, концепций, методов, обеспечивающих минимизацию вероятности появления ошибок.
Основная проблема обеспечения качества проектных методик, разрабатываемых на этапе НИР при создании перспективных СТС, как правило, не имеющих прототипов, является обеспечение их достоверности. При высокой степени достоверности результатов теоретических и экспериментальных исследований технологические, схемные и проек-тно-конструкторские параметры создаваемой СТС адекватны реальной СТС, что позволяет в результате оптимизации этих параметров в конечном итоге получить высокоэффективную СТС с соответствующими тактико-техническими характеристиками. В противном случае недостоверные результаты теоретических и экспериментальных исследований приводят к неоптимальным технологическим, схемным и проектно-конструкторским параметрам создаваемой СТС и, соответственно, заниженной её эффективности при её эксплуатации.
Ошибки, заложенные на этапе НИР, практически трудно выявляемы на последующих этапах разработки СТС, т.к. существующие подходы, кон-
цепции и методы обеспечения качества предусматривают минимизацию отклонений сравниваемых параметров с заданными в конструкторской документации (КД), созданной на этапе НИР. Дальнейшие этапы создания СТС после этапа НИР, такие как разработка технической, конструкторской, технологической документации, документации по проведению наземной экспериментальной отработки, повышения надёжности и т.д. не позволяют выявить эти ошибки (или неэффективные проектно-конструкторские параметры создаваемой СТС), совершённые на этапе НИР.
Анализ ГОСТов [1 — 6] показал, что в настоящее время отсутствуют эффективные методы по обеспечению качества проводимых исследований на этапе НИР, а используемые методы не обеспечивают требуемого уровня качества проектирования СТС, ГОСТов, регламентирующих вопросы обеспечения качества на этапе НИР, аналогичных [1—6] в настоящий момент времени нет.
Анализ исследований по данной проблеме по материалам в открытой печати показал, что в каждом конкретном случае создания СТС рассматривают подходы, концепции и методы, отражающие специфику создаваемой системы, при этом рассматривают этапы проектирования уже после формирования заданных проектно-конструкторских параметров, т.е. после этапа НИР. Например, целью исследования в [7] является решение задач повышения качества проектирования и производства радиолокационных станций на основе разработки методических принципов снижения объемов корректировок конструкторской документации. Основной упор (подход и концепция) делается на аспектах проведения конструкторских работ, считая особо опасными факторами явные и скрытые дефекты, возникающие в конструкторской и технологической документации.
В работе [8] подход и концепция обеспечения объективности мероприятий по повышению надежности основываются на проведении испытания на всех этапах жизненного цикла СТС. Однако на стадии НИР надежность не может рассматриваться, поскольку само понятие «надежность» определяет способность объекта выполнять заданные требования, которые формируются на этапе НИР.
Согласно [9], проблемой качества СТС является несовершенное управление по всему жизненному циклу продукции, что в итоге является важнейшей задачей для ученых и производственников, решение которой направлено на совершенствование многочисленных операций, включающих в себя управление организацией, планирование и маркетинг, проектирование, управление технологическими процессами, обучение, управление людскими ресурсами и т.д. Делается упор (определены подходы и концепции) на использование CALS-технологий. Отмечается, что важнейшим аспектом деятельности при создании сложных наукоемких технических комплексов в условиях применения стандартов CALS-технологий и СРПП (комплекс взаимосвязанных основополагающих национальных стандартов, устанавливающих основные правила, положения, требования по разработке и постановке продукции на производство) являются процессы разработки стандартов и метрологического обеспечения. В части повышения качества на этапе НИР предлагается разработка стандартов и метрологического обеспечения.
В [10] рассмотрена разработка метода создания и управления качеством наукоемкой продукции, обеспечивающего высокую конкурентоспособность на мировом рынке. Принятые подход и концепция основаны на разработке и внедрении форм гармонизации системы менеджмента качества, в частности, создание эффективной системы управления проектами, выявление и демонстрация логических связей между процессами, уточнение последовательности действий, определение необходимых информационных, материальных, производственных ресурсов.
Проведённый анализ показал, что в настоящее время для обеспечения качества на этапе материального производства имеются различные подходы, концепции и методы, значительное количество нормативно-технической документации, которые отражают вопрос обеспечения качества уже материальных изготовленных объектов. При этом не уделяется достаточного внимания такому важному вопросу как обеспечение качества проводимых исследований на этапе НИР, а проводимые исследования касаются различных аспектов формирования качества на тех стадиях проектирования (техническое проектирование, разработка конструкторской и технологической документации и т.д.), т.е. когда уже сформированы требования к проектно-кон-структорским, технологическим параметрам и процессам проектируемой СТС.
Предлагаемые подход, концепция повышения качества проектирования на этапе проведения НИР разрабатывается на основе разработки активной бортовой системы спуска (АБСС) отработанных ступеней ракет космического назначения (РКН) с маршевыми жидкостными ракетными двигателями [11] и, соответственно, учитывает особенности этой перспективной и не имеющей прототипов СТС. При проектировании этой СТС возникла необходимость разработки ряда новых методов для определения её технологических, схемных и проек-тно-конструкторских параметров и, соответствен-
но, проблема обеспечения достоверного описания всех этапов НИР, в том числе разработка математических и физических моделей, программ экспериментов и результатов их реализации в виде соответствующих методик.
1. Общие научно-технические проблемы разработки АБСС отработанных ступеней РКН. Традиционный состав бортовых систем РКН не предусматривает наличие предлагаемой АБСС в составе ступеней РКН. Необходимость включения этой системы в традиционный состав бортовых систем РКН обусловлен необходимостью существенного снижения техногенного воздействия на окружающую среду при реализации ракетно-космической деятельности [11].
На настоящий момент времени сформулированы и обоснованы основные направления разработки АБСС для РКН с маршевыми жидкостными ракетными двигателями, определены технологические и схемные решения, определены примерные области проектно-конструктивных и технологических решений.
Кратко направление НИР по разработке АБСС можно сформулировать следующим образом: извлечение энергетических ресурсов, заключённых в невырабатываемых остатках жидкого ракетного топлива в баках отделяющихся частей ступеней РКН на основе их газификации в топливных баках, с последующим использованием полученных газифицированных продуктов в автономном газовом ракетном двигателе или газореактивной системы стабилизации.
Основные научно-технические проблемы, которые необходимо решить на этапе НИР:
— выбор эффективных газогенерирующих составов для получения теплоносителей с заданными физико-химическими свойствами для газификации остатков топлива в каждом баке и их количества;
— исследование процессов газификации в каждом баке при подаче в него соответствующих теплоносителей в условиях невесомости и неопределённого положения жидкости в баке;
— исследование процесса сжигания полученных продуктов газификации, поступающих из баков горючего и окислителя, в автономном газовом ракетном двигателе;
— исследование изменения аэродинамических характеристик ступени РКН при вдуве газа в по-гранслой при её движении на атмосферном участке спуска;
— определение эффективного метода использования газифицированных продуктов для повышения тактико-технических характеристик РКН (автономный газовый ракетный двигатель, вдув газа в погранслой, использование газо-реактивной системы) в зависимости от условий использования;
— определение достигаемых тактико-технических характеристики РКН при использовании АБСС.
Решение первых четырёх перечисленных научно-технических проблем, не имеющих мировых аналогов, предусматривается на основе использования теоретико-экспериментальных методов.
Разработка математических и физических моделей исследуемых процессов основывается на соответствующих теориях и методах математического и физического моделирования [11, 12].
Последний пункт также предусматривает разработку новых методов расчёта для оценки получаемого эффекта от использования АБСС.
2. Система требований и критериев при разработке математических и физических моделей для повышения качества исследований. При разработке методик исследования, а далее и методик выбора проектно-конструктивных параметров АБСС, в соответствии с современными научными методами исследования предусматривается использование концепций, допущений и т.д. Как правило, в общих фундаментальных уравнениях проводят преобразования, упрощения, что в ряде случаев приводит как к методическим (методические ошибки), так и механическим (человеческие фактор) ошибкам и погрешностям [13].
Предлагаемые в работе требования и критерии и, соответственно, разработанная в дальнейшем на их основе методика повышения качества проведения исследований на этапе НИР сводится к формулированию системы требований и промежуточных оценок на всех этапах на основе использования фундаментальных законов сохранения массы, энергии, термодинамики и т.д. для математического и физического моделирования процесса функционирования АБСС.
2.1. Математическое моделирование. Система требований и критериев основывается на следующих основных положениях и рекомендациях [14]:
— систематизация и адаптация существующих методов повышения качества исследований (существующих методов поиска ошибок) в смежных отраслях в приложении к рассматриваемой задаче;
— формулировка критериев объективности получаемых промежуточных результатов по этапам исследований, например, законы сохранения энергии, массы термодинамики и т.д.;
— использование фундаментальных теорий для разработки математических моделей, обеспечивающих близость разрабатываемой математической модели к исследуемому процессу, использование упрощений и допущений для получения критериальных зависимостей, позволяющих разрабатывать инженерные методики для определения основных технологических, схемных и проектно-конструк-торских параметров АБСС;
— реализация параллельных схем вычислений для оценки исследуемых величин;
— оценка влияния погрешности, вносимыми различными допущениями и пренебрежениями при разработке математических и физических моделей на конечный результат;
— проведение верификации промежуточных результатов на всех этапах проводимой НИР;
— использование эмпирических формул (достоверных в исследуемых диапазонах) для проведения оценок полученных результатов «сверху», «снизу»;
— введение допущений, например, отсутствие химического взаимодействия между участниками теплообмена для математической модели процесса газификации [11] и т.д.;
— формирование граничных условий математической модели газификации жидкости, реализация которых возможна на физической модели;
— возможность использования измеряемых физических параметров при интегрировании математической модели.
При проведении численного моделирования необходимо:
— обоснование границ применимости и достоверности получаемых результатов;
— возможность избежать непроизводительных расчетов путем выявления методических, техниче-
ских (неправильные внесенные исходные данные) ошибок;
Для повышения качества разработки физической модели процесса газификации модельной жидкости предлагается ввести следующую систему критериев:
2.2. При разработке физической модели:
— обязательное обеспечение подобия проводимых физических экспериментов на экспериментальных модельных установках (ЭМУ) фактическим процессам, происходящим в топливном баке ступени РКН в процессе газификации в условиях невесомости;
— разработка научно обоснованной программы экспериментов на основе предварительного математического моделирования, с учётом проведения контрольных экспериментов;
— реализация оптимальной схемы измерений в ЭМУ с учётом избыточности, в том числе учета количества текущей теплоты, поступающей в ЭМУ, параметров теплоносителя (массовый секундный расход, температура, химический состав), влажности, массы жидкости в процессе эксперимента, измерение скоростей потока теплоносителя в различных точках ЭМУ, температур для всех участников теплообмена и т.д.;
— возможность использования измеряемых физических параметров при интегрировании математической модели.
При проведении эксперимента:
— сравнение поступившей величины теплоты в ЭМУ с количеством теплоты, полученным участниками процесса теплообмена;
— сохранения фундаментальных законов сохранения энергии, термодинамики в процессе эксперимента;
— условия прекращения экспериментов в случае нарушения введённых критериев и фундаментальных законов;
— полученная теплота участниками теплообмена, тепловых потерь и дренажа должны быть равны поступившей тепловой энергии с точностью проводимых измерений;
— при проведении оценки теплоты и влажности в модельной емкости проводят сравнения с табличными расчетными значениями и при превышении разницы допустимых пределов прекращают эксперименты.
При введении выше предложенных требований и критериев, позволяющих повысить качество научно-теоретических и экспериментальных исследований, достигаются следующие результаты:
— повышение достоверности измерений;
— своевременность выявления неисправностей;
— сокращение затрачиваемых ресурсов на проведение эксперимента.
Заключение. Предлагаемая система требований и критериев при разработке математических и физических моделей, являющихся основой для разработки метода повышения качества исследований при проведении НИР по разработке активной бортовой системы спуска ступеней РКН, позволяет повысить качество получаемых результатов.
Разработанные основные требования и критерии при проведении теретико-экспериментальных исследований в области газо- и гидродинамики, обладают универсальностью, простотой и доступны для приложения при проведении НИР для широкого класса сложных технических систем.
Библиографический список
1. ГОСТ РВ 15.004-2004. Система разработки и постановки продукции на производство. Военная техника. Стадии жизненного цикла изделий и материалов. — М. : Стандартин-форм, 2005. — 20 с.
2. ГОСТ РВ 15.1.000-92. Система разработки и постановки продукции на производство. Военная техника. Основные положения. — М. : Госстандарт России : Изд. стандартов, 1992. — 8 с.
3. ГОСТ РВ 15.105-2001. Система разработки и постановки продукции на производство. Военная техника. Порядок выполнения научно-исследовательских работ и их составных частей. Основные положения. — М. : Изд. стандартов, 2002. — 39 с.
4. ГОСТ РВ 0015-002-2012. Система разработки и постановки продукции на производство. Военная техника. Системы менеджмента качества. Общие требования. — Взамен ГОСТ РВ 15.002-2003. — М. : Стандартинформ, 2012. — 67 с.
5. ГОСТ РВ 15.110-2003. Система разработки и постановки продукции на производство. Военная техника. Документация отчетная научно-техническая на научно-исследовательские работы, аванпроекты и опытно-конструкторские работы. — М. : Госстандарт России : Изд. стандартов, 2003. — 19 с.
6. ГОСТ Р ИСО 10006-2005. Руководство по менеджменту качества при проектировании. — М. : Стандартинформ, 2005 — 41 с.
7. Гвоздарев, Р. С. Повышение качества проектирования и производства РЭС на основе разработки методических принципов снижения объемов корректировок конструкторской документации : дис. ... канд. техн. наук / Р. С. Гвоздарев. — М., 2012. — 153 с.
8. Мельников, И. В. Основные направления повышения надежности ракет космического назначения / И. В. Мельников // Актуальные проблемы российской космонавтики : тр. XXXVI академических чтений по космонавтике. — М. : МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2012. — С. 317-318.
9. Джинчарадзе, А. К. Создание сложных научно-технических систем и изделий с применением комплексов стандартов
CALS-технологий и СРПП / А. К. Джинчарадзе // Стандарты и качество. — 2011. — № 5. — С. 44-47.
10. Погосян, А. М. Разработка метода создания и управления наукоемкой продукцией : дис. . канд. техн. наук / А. М. Погосян. — М., 2011. — 141 с.
11. Архипов, В. А. Космический мусор. В 2 т. Т. 2. Предупреждение образования космического мусора / В. А. Архипов, В. Ю. Куденцов, В. И. Трушляков [и др.]. — М. : ФИЗ-МАТЛИТ, 2013. — 188 с.
12. Пат. 2475739 Российская Федерация, МПК7 С01 N33/22, Б64С 7/00. Способ моделирования процесса газификации остатков жидкого ракетного топлива и устройство для его реализации / Трушляков В. И., Куденцов В. Ю., Казаков А. Ю., Курочкин А. С., Лесняк И. Ю.; заявитель и патентообладатель Омский гос. техн. ун-т. — № 2011127407/11, заявл. 04.07.11 ; опубл. 20.02.13, Бюл. № 5. — 3 с.
13. Рожаева, К. А. Обеспечение качества проектирования сложных технических систем на этапе проведения НИР / К. А. Рожаева // Актуальные проблемы российской космонавтики : тр. XXXVI академических чтений по космонавтике. — М .: МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2014. — С. 37-38.
14. Рожаева, К. А. Разработка концепции обеспечения качества проектирования на этапе проведения НИР на примере разработки бортовой системы спуска ступеней ракет космического назначения / К. А. Рожаева // XL Гагаринские чтения : тр. Междунар. молодежн. науч. конф. — М. : МАТИ, 2014. — С. 133-135.
ТРУШЛЯКОВ Валерий Иванович, доктор технических наук, профессор (Россия), профессор кафедры «Авиа- и ракетостроение».
Адрес для переписки: [email protected] РОЖАЕВА Ксения Алексеевна, аспирантка кафедры «Авиа- и ракетостроение». Адрес для переписки: [email protected]
Статья поступила в редакцию 19.05.2014 г. © В. И. Трушляков, К. А. Рожаева
Книжная полка
620/Ш66
Шкаруба, М. В. Материаловедение. Технология конструкционных материалов : учеб. электрон. изд. локального распространения : учеб. пособие / М. В. Шкаруба. — Омск : ОмГТУ, 2014. — 1 o=эл. опт. диск (CD-ROM).
Учебное пособие включает описания лабораторных работ, выполняемых студентами по дисциплине «Материаловедение. Технология конструкционных материалов» и состоит из двух частей. В первой части приведены описания лабораторных работ на ЭВМ, которые студенты могут выполнять как в компьютерном классе кафедры, так и на домашних компьютерах. Во второй части приведены описания лабораторных работ на стендах, которые можно выполнять только в лаборатории. Но описания содержат подробные теоретические положения и фотографии стендов, что позволяет студентам дистанционной формы обучения познакомиться с вопросами, изучаемыми в лабораторной работе. Предназначено для студентов дневного, вечернего и заочного обучения специальности 100400.
006.9/П93
Пшеничникова, В. В. Метрология, стандартизация и сертификация в технологических процессах машиностроения : учеб. пособие / В. В. Пшеничникова, Е. В. Николаева, А. С. Молодцов. — Омск : ОмГТУ, 2014. — 102 c. — ISBN 978-5-8149-1721-8.
Рассмотрены основные понятия и определения метрологии, стандартизации и сертификации. Дана характеристика физических величин, погрешностей, единиц измерений, методов, видов и средств измерений. Приведены метрологические характеристики средств измерений. Рассмотрены основные законы, принципы и задачи стандартизации. Описаны методы стандартизации, виды и категории стандартов. Рассмотрена сертификация в России и за рубежом. Приведены виды сертификатов и основных нормативных документов. Предназначено для студентов всех направлений и специальностей очной и заочной форм обучения, изучающих дисциплину «Метрология, стандартизация и сертификация».
