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

4)на летные испытания для проверки функционирования и надежности всего комплекса,

5)на конструктивные и производственные доводки.

Каждый из указанных видов затрат имеет свою природу об­ разования и требует для их определения большого количества статистических данных. Следует заметить, что разработка нового образца БЛА является настолько сложной задачей, что, как правило, редко удается определить заранее затраты на разра­ ботку с желательной точностью.

Следует отметить, что несмотря на большой опыт проектиро­ вания БЛА, затраты на разработку, по крайней мере, УРС не только не уменьшаются, а наоборот увеличиваются. Например, на разработку УРС класса ВВ «Сперроу» 1 (США) было израс­ ходовано 30 млн. долл, (донец 40 гг. и начало 50 гг.). В настоя­ щее время в СШ А разрабатывается УРС класса ВВ.

Затраты на разработку возрастают в связи с возрастанием требований к эффективности УРС в условиях сильного противо­ действия противника. Кроме того, в настоящее время имеется тенденция к разработке более универсальных, а следовательно, и более сложных УРС.

Затраты на разработку УРС возрастают также вследствие требования к мобильности стартовой позиции. Это требование вызывается легкой уязвимостью стационарных стартовых по­ зиций.

70

паре первой УРС — начального этапа развития ракетной техники и второй — современный. Для сравнения приведены затраты на разработку современного истребителя-бомбардировщика с пере­ менной стреловидностью крыла F i l l А. Затраты на разработку современных УРС являются проектными.

Основными затратами при разработке боевых атмосферных БЛА являются затраты на систему управления. Например, для ракеты «Сперроу» 1, приведенной в табл. 2. 3, затраты распреде­ ляются следующим образом [81]:

можно не учитывать, так как они слабо зависят от параметров. Однако затраты на разработку следует учитывать, хотя бы в ви­ де разности затрат, при сравнении вариантов с различными системами управления. Значительно более высокая удельная стоимость разработки ракеты «Феникс» по сравнению с удель­ ной стоимостью разработки ракеты «Сперроу» 1 объясняется, в частности, тем, что у ракеты «Феникс» сложная система управ­ ления с двумя системами самонаведения — полуактивной и ак­ тивной.

2. 2. Затраты на производство серийных ЛА

При серийном производстве затраты на изготовление одно­ типных изделий в основном определяются их весом. Действитель­ но, увеличение веса изделия вызывается увеличением количества входящих в него деталей, увеличением размеров деталей, увели­ чением количества потребного материала и т. д. Поэтому, если (2д — затраты на производство детали или агрегата, а &я — ее вес, то

Сд = /(О д).

причем для механических деталей функция f{ G n) — возрастаю­ щая при увеличении Gn.

Часто для однотипных деталей принимают стоимость детали пропорциональной ее весу. Это не совсем точно. При подобном увеличении размеров детали не все затраты растут пропорцио­ нально весу. Вес потребного материала растет приблизительно пропорционально весу детали. Количество времени, потребного на обработку детали каркаса самолета или ракеты обычно при­ близительно пропорционально поверхности детали; это значит,

71

что для геометрически подобных деталей затраты на обработку пропорциональны О]]'3.

Установка деталей, например, панели крыла в стапель или на клепальном станке, требует количества рабочих часов почти не зависимое (в некотором интервале) от веса детали. Аналогично, время установки сварочных устройств будет зависеть от количе­ ства сварочных швов, а оно примерно пропорционально G J’ 3.

Таким образом, затраты на производство деталей можно счи­ тать

где 0 д— коэффициент пропорциональности, зависящий от типа детали и сложности производственных и контрольных операций; Уд — показатель степени, меньший единицы, зависящий от типа детали.

Удельные затраты, т. е. затраты на 1 кг готовой детали будут

Для авиационных и ракетных конструкций в основном при­ меняются тонкостенные конструкции (корпус, несущие поверхно­ сти, топливные баки, камеры сгорания двигателей и др.). Для таких конструкций затраты на производственный процесс будут пропорциональны поверхности обрабатываемых агрегатов, т. е. примерно пропорциональны G J23 G°K>67.

В справочнике [107] для ракет принимается, что удельные за­ траты на производство ракет должны быть в два раза больше, если вес их уменьшается в десять раз. Это соответствует для кон­ струкции значению

ѵк — 0,7,

см. формулу (2. 1). Указанное значение величины ѵк.с приемле­ мой точностью подтверждается и другими источниками: [17], [48], [68], [113].

При определении производственных затрат на изготовление конструкции БЛА необходимо учитывать, что себестоимость од­ ного экземпляра уменьшается при увеличении размера серии (партии). Уменьшение затрат на один экземпляр ЛА происходит по мере освоения производства данной конструкции.

Иногда для оценки влияния размера партии на стоимость ЛА принимается 80% закономерность освоения, см. [107]. При этом предполагается, что при увеличении партии вдвое стоимость ЛА снижается на 20%, т. е. становится равной 80%. Эта закономер­ ность может иметь место в ограниченном диапазоне, при этом

72

предполагается, что существенных модификаций не производит­ ся. Математически 80%-ную закономерность освоения можно вы­ разить приближенно в форме

где Qi — стоимость первого экземпляра, Q„ — стоимость п-го эк­ земпляра рассматриваемого типа БЛА.

Не меньшее значение имеет месячный выпуск. Чем месячный выпуск больше, тем накладные расходы, приходящиеся на один ЛА, будут, меньше. Для иллюстрации этого приводим стоимости БЛА СШ А класса ВВ «Фолкон» при начальном этапе серийно­ го производства. Первоначальная стоимость БЛА была 88500 дол­ ларов; когда выпуск достиг 100 снарядов в месяц, стоимость ста­ ла 25000 долларов, при выпуске 250 снарядов в месяц стоимость

только уменьшение накладных расходов, но и влияние освоения процесса производства.

Общую себестоимость БЛА можно представить в виде следу­ ющих двух зависимостей, пригодных для анализа и оптимизации

где Qcn — себестоимость снаряда; GK и G-т — веса конструкции и топлива; qK и qT— удельные стоимости конструкции и топлива; Q,п. н — стоимость полезной нагрузки (системы управления и це­ левой нагрузки).

Если анализируемый агрегат существенно отличается по удельной стоимости от остальной конструкции, то его следует выделить.

2.3. Затраты на эксплуатацию БЛА

Затраты на эксплуатацию зависят не только от размеров и веса БЛА, но и от его типа и особенностей системы управления, двигательной установки и конструкции. От веса и размеров БЛА зависят следующие эксплуатационные затраты: на стартовую позицию (стартовая установка, шахта, ракетоноситель), нц зда­ ния и сооружения для хранения, профилактических осмотров, контрольных испытаний. Значительные затраты в особенности для снарядов ПВО идут на эксплуатацию наземного (или кора­ бельного) комплекса системы обнаружения целей и системы уп­ равления снарядом.

73

Эксплуатационные затраты состоят из затрат на различного рода материальные ценности (здания, сооружения, транспортные средства, радиолокационные станции, приборы контроля и управ­ ления, запасные части) и затрат на содержание обслуживающего персонала.

Для иллюстрации относительной величины стоимости матери­ альных ценностей стартовой позиции приведем следующие при­ меры. Для межконтинентальной баллистической ракеты СШ А «Атлас F» стоимость ракеты, зданий, сооружений и оборудова­ ния, установленных на стартовой позиции составляли следующие относительные величины от всех затрат [83]:

Зенитная ракета СШ А низких и средних высот «Хоук» явля­ ется элементом передвижного комплекса, включающего, кроме ракет, радиолокационные станции, генератор электрического то­ ка, мастерские для мелкого ремонта и разное другое оборудова­ ние. Вес всего оборудования батареи, обслуживающего 6 ракет, составляет 42300 кгс. Вес же 6 ракет 3500 кгс [86], т. е. составляет только 7,7% от веса всего комплекса. Конечно, следует учитывать и тот факт, что израсходованные на батарее 6 ракет могут быть заменены другими. Однако, как видно из приведенных весов, стоимость наземного оборудования должна составлять значитель­ ную часть от всех затрат на систему оружия.

В статье [105] приводятся, например, следующие средние за­ траты в СШ А на производство наземного оборудования в процентах от стоимости всей системы оружия:

Следует заметить, что для УРС классов ВВ и ВЗ затраты носитель не учтены.

Влияние самого БЛА на стартовый комплекс будет в новном через те элементы комплекса, которые связаны с сом ракеты и ее объемом, последний — Почти пропорционален весу. Это — стартовая установка, стартовая шахта, транспорт- * ные и подъемные устройства, хранилища БЛА и топлива, соору­

жения для профилактического контроля и ремонта и др.

Для приведенных выше примеров БЛА «Атлас F» и «Хоук» в первом случае 40% затрат, а во втором случае 40% общего

74

веса комплекса ракеты связаны с весом и объемом ракеты (не включая стоимости и веса самих ракет). Таким образом, для ракеты «Атлас» затраты на внеракетные элементы комплекса, зависящие от веса и объема ракеты, будут в 2,7 раза больше затрат на ракету. Для ракеты «Хоук» аналогичные элементы комплекса весят в 5,3 раза больше самих ракет, вес всего ком­ плекса в 13 раз больше веса ракет.

Если обратиться к авиационным ракетам, то, например, по­ летный вес самолета F-111 в Г2 раз больше веса подвешиваемых на самолет 6 ракет «Феникс». Вес бомбардировщика В-52 в 20 раз больше веса двух снарядов «Хаунд-Дог», подвешиваемых на самолете.

Для баллистических ракет «Поларис», запускаемых с под­ водных лодок, еще большее соотношение между весом подлод­ ки и весом установленных на ней ракет: вес подлодки приблизи­ тельно в 30 раз больше веса ракет.

Приведенные примеры показывают, что при проектировании БЛА, имеющих сравнительно сложные стартовые и эксплуатаци­ онные устройства и сооружения, большое критериальное значе­ ние приобретает полетный вес.

Для БЛА, в особенности для систем ПВО и ПРО, большой удельный вес в общих затратах на комплекс составляет стои­ мость радиолокационных систем обнаружения целей и наведения на них снарядов. Однако эксплуатация радиолокационных и в особенности связных систем в течение нескольких лет может по­

идет на рабочую силу [123].

При выборе системы управления БЛА необходимо учитывать возможные эксплуатационные расходы и стоимость не только бортовой аппаратуры, но и внеснарядного оборудования и соору­ жений. При сравнении различных систем управления можно учи­ тывать только разность указанных затрат.

3. ВЛИЯНИЕ ИЗМЕНЕНИИ ВЕСА ПОЛЕЗНОЙ НАГРУЗКИ НА ПОЛЕТНЫЙ ВЕС

При решении этой задачи полагаем, что решение производит­ ся на этапе предэскизного проектирования, когда размеры' ЛА, вес топлива и тяга двигателей еще окончательно не зафиксиро­ ваны. Предполагается, что произведено предварительное опреде­ ление полетного веса, исходя из намеченной полезной нагрузки. Изменяя вес полезной нагрузки, предполагается, что летно-так­ тические характеристики ЛА должны оставаться неизменными. Это достигается путем соответственного изменения веса топлива,

7 5

тяги двигателей, площади крыльев, размеров корпуса и других агрегатов.

Траекторию полета и характерные тактические скорости (на­ чальная, средняя и конечная) считаем неизменными. Зависи­ мость V [t) не всегда можно сохранить неизменной. Например, при наличии участка пассивного полета при изменении ак или рт,

как видно из формулы (1.83), значение Ѵк должно измениться и, следовательно, согласно формул (1.35) или (1.37) должно измениться соответственно уравнение (1.33) или (1. 36). Однако, если сохраняются значения скоростей У0, Уср и Ѵк, то возможные изменения импульса скоростного напора будут величинами вто­

рого порядка малости по сравнению с изменениями Ѵк. Об этом смотрите пояснение после выражения (1.38) в разд. 3 гл. 1. Если для аппроксимации закона скоростей пользоваться уравнением (1. 30), то оно остается неизменным при заданных значениях У0,

Уср, Ѵк.

Вопрос, излагаемый в данном разделе, автором был решен в работе і[20]. Предлагаемое ниже решение, оставаясь в принци­ пе аналогичным, несколько упрощено и уточнено.

Рассмотрим бесконечно малое изменение полезной нагрузки dGn. н. При этом изменится полетный вес на dG 0 и, следователь­ но, для обеспечения заданных летно-тактических свойств должен изменяться вес конструкции и вес топлива. Таким образом, мож­ но написать

сЮ0= dОп н -фdGK-|- dGT.

Изменение веса конструкции при этом будет складываться из следующих элементов:

1) изменения веса конструкции-части корпуса, содержащей полезную нагрузку, см. вывод формулы (1.3),

iJlj//GI[in

2) изменения веса конструкций, зависящего непосредственно от полетного веса

P?dG0;

3) изменения веса емкостей топлива adG1;

4) изменения веса конструкции, вызванного «масштабным эффектом», т. е. изменением относительных весов при изменении полетного веса

76

Изменение веса топлива будет вызываться:

1)изменением полетного веса

М° 0;

2)«масштабным эффектом» аэродинамического сопротив­

ления

О «масштабном эффекте» более подробно см. ниже. Общее изменение полетного веса будет

характеризует кратность возрастания величины dG0 по отноше­ нию к (1 + Рф)<іОп.н, поэтому назовем ее коэффициентом роста (этот термин распространен в отечественной и зарубежной лите­ ратуре). Следовательно,

в более простом виде, если отнести вес конструкции части кор-

77

пуса, содержащей полезную нагрузку к весу последней (как вес контейнера). Обозначая в этом случае

получим

Для получения AG0 при конечном изменении полезной на­ грузки проведем интегрирование уравнения (2.6), полагая

1+ ЭФ

:const.

1+ Эф-

Справедливость этого выражения станет очевидной, если учесть, что значение Рф постоянно (см. гл. I, разд 1), а величина £ весьма слабо изменяется с весом (см. ниже) и является небольшой по сравнению с величиной 1+ Рф (меньше 50%)- Учитывая выраже­ ние для

Разлагая правую часть в степенной ряд и ограничиваясь первы­ ми двумя членами, получим, учитывая выражение (2.5),

При

ДОд і < 0 ,2

ошибка, даваемая формулой (2.7), меньше 2%.

3.1. Приближенное определение коэффициента масштабного эффекта

Величина £ характеризует влияние полетного веса (масшта­ ба веса) на коэффициент роста, см. формулу (2.5). Источником этого влияния является тот фактор, что относительный вес конст­ рукции рк и коэффициент аэродинамического сопротивления сх не остаются постоянными при изменении полетного веса. Напри-

78

мер, относительный вес конструкции крыльев при увеличении полетного веса возрастает вследствие увеличения размаха крыль­ ев. Значение сх с увеличением полетного веса уменьшается, так как поверхность корпуса (в том числе и мидель) растет пропор­ ционально G 2/3 , а площадь крыла — пропорционально G0.

Значение £ можно разбить на две части

где £в — определяется весовым масштабным эффектом, £а — оп­ ределяется аэродинамическим масштабным эффектом.

В соответствии с выражением (2. 4),

На величину £в существенное влияние оказывают масштаб­ ный эффект относительного веса несущих поверхностей р„.п, а также масштабный эффект относительного веса топливных ба­ ков низкого давления. Масштабным эффектом относительных весов других элементов конструкции можно пренебречь.

Относительный вес однотипных подобных крыльев в доста­ точно большом диапазоне G0 можно принять равным

IJ'KP= «KPGO/35

где коэффициент акр зависит от типа конструкции крыла, его формы, расчетных перегрузок, материала конструкции, удельной нагрузки на крыло и других факторов. Для.самолетных крыльев обычно теоретически принимается ркр пропорциональным GJ'2.

Сандерс, учитывая в своей весовой формуле крыла влияние раз­ личных факторов (жесткости, скоростного напора и др.), прини­ мает относительный вес крыла самолета пропорциональным G J2’5 , см. [69]. БЛА обычно имеют значительно меньшие, чем

у самолетов, размеры крыльев и поэтому у них в общем весовом балансе крыла более значительный удельный вес составляют «нерасчетные» элементы и узлы.-Поэтому для БЛА более оп­ равданным является пропорциональность р,ф величине G*,'3 . Сле­

довательно, для несущих поверхностей (для крыла и оперения)

Толщина стенок несущих топливных баков низкого давления обычно определяется силами сжатия, возникающими от изгибаю­ щего момента аэродинамических и инерционных сил или от тяги двигателей. Так как аэродинамические и инерционные силы, а также сила тяги, при обеспечении заданных баллистических ха-

79