книги из ГПНТБ / Дракин, И. И. Основы проектирования беспилотных летательных аппаратов с учетом экономической эффективности

бежно будут осуществляться в разных условиях. Пусть Qi — за­ траты иа один выстрел, которые могут, в зависимости от условий эксплуатации (рельефные, климатические и др.), быть различ­ ными для одного и того же типа БЛА. Если по стране или в каком-нибудь районе поражено лц целей и при этом пришлось выпустить пс снарядов, то средние затраты на поражение цели будут

1

а среднее количество снарядов, приходящихся на одну цель, будет

Заметим, что величина пс, ц в общем случае является дробной. При теоретическом определении величины критерия приходится исходить из средних условий.

При определении затрат на поражение цели или на один вы­ стрел в ряде случаев необходимо учитывать затраты на раз­ работку БЛА. Дело в том, что затраты на разработку БЛА ино­ гда доходят до очень большой величины и могут составлять большой удельный вес в общих затратах на БЛА. Например, затраты на разработку системы баллистической ракеты СШ А «Посейдон» оценивались в 1,3 млрд, долларов, а все затраты на систему, включая переоборудование подводных лодок в 3,5 млрд, долларов [118]. Следовательно, затраты на разработ­ ку составили 37% от всех затрат или 59% от производственных затрат. Затраты на разработку в значительной степени зависят от сложности комплекса БЛА и потребной надежности. Поэто­ му в тех случаях, когда сравниваемые варианты отличаются сложностью, в особенности блоков системы управления, необхо­ димо учитывать возможную разницу в затратах на разработку.

При выборе критерия для решения проектировочных задач БЛА может возникнуть сомнение в целесообразности примене­ ния экономического критерия, особенно при выборе конструк­ тивных вариантов или при оптимизации параметров конструкции и топлива, тем более, что при проектировании самолетов доволь­ но широко применяется весовой критерий. Действительно, в не­ которых случаях целесообразно применять весовой критерий (см. разд. 1.4 и 2).

Однако в ряде случаев применение весового критерия может повести к существенным ошибкам,'ведущим к необоснованному ущербу для народного хозяйства. Для иллюстрации этого ниже приведены некоторые численные примеры, для которых исполь­ зованы данные примеров последующих параграфов. При срав

60

нении вариантов энергоблока 1-й ступени ракеты-носителя с Ж РД и РДТТ (см. гл. II, разд. 7. 1) вес энергоблока (отделяемой ча­ сти ступени) с Ж РД на 43,2% меньше, чем с РДТТ, а стоимость его на 71,3% больше стоимости энергоблока с РДТТ. Отсюда следует, что если исходить из весового критерия, то целесооб­ разно установить Ж РД, а если исходить из экономического критерия, то целесообразен РДТТ.

Влияние весового критерия на ошибку оптимизации парамет­ ров БЛА приведено в табл. 2. 1, где даются в процентах ошиб­ ки определения оптимизируемого параметра по весовому крите­ рию (стартовый вес). Как видно из табл. 2. 1, применяя весовой критерий для оптимизации параметров БЛА, допускаются ошиб­

Иногда применение экономического критерия может затруд­ няться неопределенностью возможных удельных затрат. Дейст­ вительно, проектируемый БЛА может быть запущен в серийное производство лишь через несколько лет. За это время цены на материалы, в особенности на новые, могут существенно изме­ ниться. Может измениться и стоимость технологического процес­ са. Кроме того, следует учитывать и тот факт, что в процессе проектирования может измениться выбранный материал и тех­ нологический процесс.

61

При оценке удельных затрат необходимо статистическое про­ гнозирование с учетом особенностей проектируемых агрегатов. Однако ошибки при этом могут быть существенные. Для иллю­ страции порядка получающихся при этом ошибок в величине оптимизируемых параметров в последней графе табл. 2. 1 при­ водятся ошибки определения параметров БЛА при ошибках в удельных затратах на конструкцию планера ±50% • Из табл. 2. 1 видно, что эти ошибки определения параметров во много раз меньше ошибок, вызванных применением весового критерия. Таким образом, целесообразней производить оптимизацию по экономическому критерию, даже если при этом ошибки опреде­ ления'удельных стоимостей могут быть весьма существенны.

В работе [18] указывается, что экономическая оценка, сделан­ ная во время предварительного проектирования, будет удачной, если она правильна с точностью до коэффициента 2. Из приве­ денных в табл. 2. 1 примеров видно, что при оптимизации пара­ метров вполне допустимо определение удельных стоимостей с ошибкой до двух крат.

Большие ошибки определения оптимальных параметров по весовому критерию объясняются тем, что весовой критерий экви­ валентен экономическому с одинаковыми удельными стоимостя­ ми конструкции и топлива. В действительности удельные стоимо­ сти конструкций обычно в десятки и сотни раз больше, чем удельные стоимости топлива. Например, по работе [117], удель­ ная стоимость конструкции БЛА с Ж РД в 750 раз больше удель­ ной стоимости топлива.

Экономический критерий следует применять в тех случаях, когда в сравниваемых вариантах или при изменении параметров меняется соотношение весов конструкции и топлива.

1.4. Весовые критерии

Вес ЛА или детали является косвенным критерием экономи­ ческого качества: производственная стоимость ЛА или детали определенного типа примерно пропорциональна весу. Поэтому весовой критерий в ряде случаев можно рассматривать как раз­ новидность экономического критерия.

Для самолетостроения полетный вес самолета приобретает самостоятельное значение как критерий, причем он становится разновидностью не только экономического, но и тактического критерия.

Его значение становится в некоторых случаях даже более важным, чем экономический критерий. Это объясняется многоразовостью применения самолета. Вследствие этого расходы га топливо и смазку возрастают до относительно большой величи­ ны. Например, для пассажирского самолета СШ А «Боинг 727» амортизация самолета составляет 25,3%, расходы на топливо и масло 24% от всех расходов на эксплуатацию [73]. Следует

62

учесть, что расходы на техническое обслуживание примерно про­ порциональны полетному весу, они в данном примере составля­ ют 12,8%. Следовательно, вместе с затратами па топливо и мас­ ло, расходы непосредственно зависящие от полетного веса в 1,45 раза больше, чем затраты на производство конструкции са­ молета и двигателя, которые также в значительной степени за­ висят от полетного веса.

Из приведенного примера следует, что уменьшение полетно­ го веса будет более интенсивно снижать эксплуатационные рас­ ходы, чем уменьшение стоимости конструкции. Уменьшение по­ летного веса, например на 10%, снизит при тех же удельных затратах все перечисленные расходы тоже приблизительно на 10%; уменьшение же стоимости самолета на 10% поведет к сни­ жению перечисленных расходов только на 4%.

Для военных самолетов значимость полетного веса как кри­ терия еще больше возрастает, так как от полетного веса в зна­ чительной степени зависят основные летно-тактические характе­ ристики самолета (скорость, дальность, скороподъемность, пото­ лок). Поэтому в авиационной промышленности иностранных государств как военной, так и гражданской стараются разраба­ тывать и применять новые материалы с более высокими прочно­ стными характеристиками. Усложняется технология производст­ ва для обеспечения большей равнопрочности по всей поверхности детали, уменьшаются допуски на изделия. Все это ведет к удо­ рожанию конструкций, стоимость килограмма готовой конструк ции систематически растет.

Этот рост удельной стоимости подтверждается статистикой. В табл. 2.2 приводится для примера статистика удельных стои­ мостей самолетов, выпущенных авиационной промышленностью СШ А в период 1950— 1959 гг. {107]. В табл. 2.2 под удельной стоимостью понимается отношение стоимости самолетов, выпу­ щенных за год, к общему весу пустых самолетов (без топлива, экипажа и целевой нагрузки). В той же таблице приведена сред­

63

Как видно из табл. 2. 2, удельная стоимость самолетов СШ А особенно интенсивно возрастала после 1954 г. Не менее харак­ терен рост удельной стоимости военных самолетов в Англии. Если в 1955 г. стоимость одного килограмма веса пустого само­ лета составляла 17 фунтов стерлингов, то в 1960 г. — 40, а в 1967 г. — 100 фунтов стерлингов [89].

Рост удельной стоимости авиационных конструкций говорит о том, что целью авиационных конструкторов является не столь­ ко снижение стоимости конструкций, сколько получение от них максимальной целевой отдачи. Это во многих случаях достигает­ ся уменьшением веса конструкций за счет увеличения их стои­ мости.

Важность и критериальность получения конструкций мини­ мального веса подтверждается распространенным в авиацион­ ной промышленности премированием за снижение, веса. Напри­ мер, самолетостроительная фирма СШ А Локхид платила за об­ легчение на один килограмм планера стратегического транспорт­ ного самолета «Гэлакси» 330 долларов [100].

Таким образом, применение в авиационной промышленности весового критерия (полетного веса) является в значительной сте­ пени оправданным. Однако весовой критерий не исключает при­ менения экономических критериев. Например, в транспортной авиации варианты самолетов в конечном счете сравниваются по экономическим показателям.

Влияние полетного веса БЛА на его экономическую эффек­ тивность и в особенности на летно-тактические свойства не так очевидно. Действительно, необходимые летно-тактические свой­ ства можно обеспечить для БЛА, не применяя особых усилий в борьбе за вес. Кроме того, топливо, составляя значительную часть полетного веса, имеет стоимость во много раз меньше стои­ мости конструкции и поэтому искажает соответствие полетного веса стоимости всего БЛА.

Для БЛА более показательно влияние полетного веса на стои­ мость всего комплекса БЛА, включая стартовый комплекс, обес­ печение профилактического контроля, хранения, транспорта и др. Этот вопрос рассмотрен ниже в разд. 2, где показана акту­ альность весового критерия для БЛА.

Для БЛА полетный вес как критерий особенно рационален при решении различных баллистических задач: оптимизации тра­ ектории, оптимизации скоростей (средней), сравнении методов наведения. В этом случае кинематические и динамические харак­ теристики тесно связаны с полетным весом и влияют на полет­ ный вес. При решении баллистических задачоптимизации и сравнении баллистических вариантов предполагается, что тип конструкций, их относительные веса и технология производства остаются неизменными, поэтому стоимость конструкции и топ­ лива будут изменяться почти пропорционально полетному весу.

64

Если полетный вес БЛА не ограничивается в тактическом от­ ношении, то в качестве весового критерия может быть применен вес конструкции БЛА. В случае дешевого топлива, например, при применении Ж РД или ВРД, полетный вес в недостаточной степени отражает стоимость БЛА, стоимость же конструкции является основной, определяющей стоимость БЛА.

Вес конструкции БЛА является более рациональным крите­ рием, чем стартовый вес, в особенности, если удельные стоимо­ сти различных агрегатов конструкции не очень существенно от­ личаются.

В некоторых случаях в качестве критерия может быть при­ менен вес полезной нагрузки. Например, так сделано при опти­ мизации некоторых характеристик ракеты — носителя «Сатурн» 5 [14]. Для обоснования этого критерия было указано, что полезная нагрузка, выводимая ракетоносителем «Сатурн» 5 на траекторию полета к Луне, обходится по стоимости в 5 раз дороже такого же по весу количества золота.

В качестве весового критерия для баллистических задач мо­ жет применяться относительный вес топлива р,т. Этот критерий в ряде случаев позволяет существенно упростить решение задач по сравнению с решением, для которого в качестве критерия принимается полетный вес. В то же время очевидно, что для бал­

Для БЛА, запускаемых с ракетоносителей (самолетов, под­ водных лодок), полетный вес БЛА нередко становится основным критерием при решении различных проектировочных задач. Это имеет место особенно при проектировании БЛА под заданный, уже разработанный, ракетоноситель. Действительно, заданный ракетоноситель имеет ограниченные весовые возможности по размещению БЛА, поэтому вес последних должен быть ограни­ чен. Следовательно, перетяжеление конструкции БЛА должно быть компенсировано уменьшением целевой нагрузки или веса топлива БЛА. Согласно работе [7], увеличение веса БЛА, транс­ портируемого на самолете или корабле, на 1 кгс ведет к необхо­ димости увеличения веса транспортных средств на 7— 10 кгс.

В случае заданного полетного веса можно в качестве крите­ риев выбирать летно-тактические характеристики, которые не строго ограничиваются. Например, критерием может быть даль­ ность полета, скорость.

Следует отметить, что летные качества как определяющий критерий могут быть применены и для БЛА, запускаемых с зем­ ли. Например, при разработке баллистической ракеты «Першинг» (дальность ~700 км) министерство обороны СШ А ограничило вес с целью добиться максимальной дальности в пределах задан­ ной весовой категории [38].

В случае проектировочных задач, связанных с вероятностью поражения цели, иногда может быть также применен весовой критерий. В этом случае критерием должен являться суммарный вес снарядов, необходимых для поражения цели с заданной ве­ роятностью. Такой критерий допустимо применять в тех случа­ ях, когда затраты на внеснарядньіе элементы комплекса при оп­ тимизации или при сравнении вариантов остаются неизменными или почти пропорциональны полетному весу снаряда.

1.5.Срок разработки — как критерий

Внекоторых случаях доминирующим критерием при проекти­ ровании могут являться сроки различных этапов разработки. Со­ кращение времени разработки изделия, как правило, ведет и к сокращению затрат на разработку. Однако, когда разговрр идет

осроке разработки ЛА как о доминирующем критерии, это зна­ чит, что можно идти на существенное увеличение затрат на раз­ работку, лишь были бы сокращены сроки разработки.

Проанализируем динамику сроков разработки боевых БЛА на опыте СШ А. Первые разработки управляемых БЛА длились около 10 лет. Так, зенитная ракета «Найк Аякс» разрабатыва­ лась с 1944 по 1954 г., т. е. 10 лет. Разработка авиационных ра­ кет классов ВВ «Фолкон» и «Сперроу» 1 начата в 1947 г., и окон­

чена соответственно в 1955 и 1954 гг.,; т. е. срок разработки соот­ ветственно 8 и 7 лет. Ракета того же класса «Сайдуиндер» разрабатывалась 8 лет (1948— 1956 гг.).

При более поздних разработках БЛА был использован пред­ шествовавший опыт, поэтому время сократилось. Так зенитная ракета «Найк Геркулес», пришедшая на смену ракете «Наійк Аякс», разрабатывалась 6 лет (1952—1958 гг.). Стратегическая баллистическая ракета «Поларис», запускаемая с подводной лод­ ки, разрабатывалась 5 лет (1956—1961 гг.).

Модификации БЛА требуют значительно меньшего времени, причем они нередко начинают разрабатываться, когда еще не окончена разработка исходного варианта. Поэтому, например, модификация упомянутой ракеты «Поларис» под шифром «Поларис А-2» принята на вооружение в 1962 г.

Каковы же способы сокращения времени разработки БЛА? Это — в основном организационные мероприятия. Одним из важ­ нейших таких мероприятий является кроперация промышленно­ сти и научно-исследовательских организаций. Эта кооперация является основой народного хозяйства в СССР . Наличие коор­ динированной кооперации промышленности и науки позволило советским беспилотным и пилотируемым космическим аппаратам первыми в мире выйти в космос.

Если проанализировать некоторые разработки БЛА, то не­ трудно убедиться, что наибольшие потери времени идут на вы-

66

бор нужного варианта и на доведение разрабатываемого БЛА до приемлемой вероятности выполнения им целевой задачи.

Анализируя, например, разработки СШ А, нетрудно видеть, что, в ряде случаев выбирается нерациональный вариант. В этом военные организации убеждаются не доводя разработку до кон­ ца. Однако они, очевидно, для экспериментальных целей и для оправдания перед конгрессом доводят этот нерациональный ва­ риант до конца и затем уже. в процессе разработки этого нера­ ционального варианта начинают разработку нового варианта. Так было с разработкой ракеты класса ВВ «Сперроу», которая была запроектирована с наведением по радиолучу. Такая систе­ ма наведения оказалась непригодной для авиационных УРС. Поэтому были разработаны модификации «Сперроу» 2 и «Спер­ роу» 3 с радиолокационным самонаведением. Последний вариант и был принят окончательно на вооружение. Аналогичная карти­ на была с разработкой ракет «Фолкон» и «Поларис», разработка модификаций которых началась до окончания разработки пер­ вого варианта.

Выявление возможных вариантов и выбор из них одного для разработки является весьма трудной задачей. Поручение пред­ варительной разработки нескольких вариантов одному подраз­ делению— мало эффективно. Действительно, руководство под­ разделения, как правило, будет иметь тенденциозность, обуслов­ ленную опытом предшествующей работы, наличием определен­ ных знаний и информации, влиянием вышестоящего руководства

иближайших сотрудников. Поэтому наибольшие усилия будут посвящаться «облюбованному» интуитивно варианту.

Более рационально поручать разработку различных вариан­ тов различным соревнующимся подразделениям. Этот принцип можно распространять как на отдельные агрегаты и детали, так

ина весь комплекс. Когда критерием является срок, то парал­ лельная разработка объекта позволит более полно использовать творческие возможности коллективов для ускорения процессов разработки. Даже если разработка вариантов будет окончена одновременно, то время разработки будет сокращено.

При одновременной разработке нескольких вариантов могут получиться варианты с существенным качественным различием, что может иметь решающее значение для дальнейшей судьбы варианта. В качестве примера параллельной разработки приве­ дем упоминавшиеся БЛА «Фолкон» и «Сперроу». Эти БЛА на­ чали проектировать в 1947 г., первый для ВВС, а второй для

ВМС. В качестве подстраховки этих разработок в 1948 г. была параллельно подключена разработка ракеты «Сайдуиндер» [37]. Разработка этой ракеты была доведена, также как и ракет «Фолкон» и «Сперроу», до конца. В результате оказалось, что ракета «Сайдуиндер» по некоторым показателям (стоимости, надежности, простоте эксплуатации) превзошла своих конкурен­ тов и затем нашла более широкое применение. Она .была при-

пята на вооружение как в СШ А, так и во многих других госу­ дарствах.

Доведение разрабатываемых БЛА до приемлемой вероятно­ сти выполнения ими целевой задачи производится с помощью летных испытаний и является довольно длительным. При этом требуется значительное количество снарядов. Например, отра­ ботка БЛА «Фолкон» и «Сперроу» потребовала 3 лет. Уменьше­ ние времени на летную отработку БЛА связано с обеспечением надежности БЛА в процессе проектирования и производства, а также с методами проведения летных испытаний. С государст­ венной точки зрения имеет значение общее .время, необходимое для поставки данного объекта в эксплуатацию или на воору­ жение. Очевидно, что чем меньше времени на разработку БЛА, тем меньше будет его надежность и, следовательно, тем больше необходимо иметь снарядов для выполнения общей поставлен­ ной задачи, а следовательно, необходимо больше времени для их производства. Очевидно, существует оптимальное значение надежности, при котором время, потребное для введения данно­ го БЛА в эксплуатацию, будет минимально. Об оптимальной надежности см. гл. V разд. 3.

Как видим, время разработки как критерий приводит к необ­ ходимости сочетания времени с качеством и надежностью БЛА. При разработке любых мероприятий по сокращению времени разработки БЛА необходимо учитывать возможное снижение надежности, которое может повести к увеличению времени про­ изводства необходимых серийных образцов.

Время разработки, кроме непосредственного результативно­ го значения, тесно связано с экономикой. Чем дольше разраба­ тывается объект, тем больше средства затрачиваются на разра­ ботку. Действительно,' ряд работ оплачивается не по качеству произведенной работы, а по затраченному календарному време­ ни. Например, стоимость научно-исследовательских и конструк­ торских работ в значительной мере зависит от затраченного календарного времени. Научному работнику и инженеру обычно зарплата выплачивается независимо от того, получается ли у них приемлемое решение или нет.

Ряд других расходов также связан с календарным временем: амортизация и обслуживание помещений, охрана и др.

Существенные экономические потери при удлинении сроков разработки связаны с замораживанием при этом значительных фондов. Академик Трапезников считает [63], что цена потерянно­ го времени в среднем равна 15% в год от замороженных фондов.

Методы сокращения сроков разработки БЛА должны бази­ роваться на организационных и технических мероприятиях. В качестве одного из важных организационных мероприятий по сокращению сроков разработки ЛА является применение сете­ вых методов планирования и управления, см., например, работу [1]. Следует заметить, что применение сетевых методов будет

68

в том случае эффективно, если разработанные сетевые графики будут охватывать все основные элементы разрабатываемого ком­ плекса и будут согласованы как с разработчиками и поставщи­ ками, так и с соответствующими руководящими органами.

В заключение данного раздела следует отметить, что крите­ рии являются необходимыми факторами при количественной оценке сравниваемых вариантов и при оптимизации параметров. Однако принятое конструктором решение проектировочной зада­ чи может не вполне соответствовать результатам аналитического расчета.

Конструктор должен учитывать, кроме принятых критериев, ряд факторов, которые трудно численно сопоставить с приняты­ ми критериями (наличие подходящего оборудования, производ­ ственные и эксплуатационные ограничения по габаритам, сорта­ мент поставляемых материалов, наличие задела и т. д.). Отсту­ пая от формальных оптимальных значений параметров или оптимальных вариантов конструктор должен оценить ущерб, возникающий при этом. 1

Помощник министра обороны СШ А Ч. Д. Хитч (крупный ученый-экономист) по этому вопросу заявил:. «Аналитическая оценка систем в действительности есть только метод, помогаю­ щий тому, ■ кто должен принимать решение, снабжающий его необходимыми данными в наиболее целесообразной и полезной для этого форме» [66].

2. МЕТОДЫ ЭКОНОМИЧЕСКИХ ОЦЕНОК

При определении затрат на выполнение целевой задачи (ос­ новной критерий) приходится иметь дело с тремя видами за­ трат:

1)затраты на разработку комплекса ЛА,

2)затраты на производство серийных образцов,

3)затраты на эксплуатацию.

В общем случае при определении критериальной величины следует учитывать все три вида затрат. В ряде случаев отдель­ ные виды затрат можно или вовсе не учитывать или учитывать частично.

2. 1. Затраты на разработку комплекса БЛА

Затраты на разработку комплекса БЛА складываются из сле­ дующих составных затрат:

1)на проектирование экспериментальных и опытных образцов элементов комплекса БЛА,

2)на производство экспериментальных и опытных образцов

комплекса, 3) на лабораторные испытания,

69