Системные аспекты проектирования ствольного оружия

Допущено Учебнометодическим объединением вузов
по университетскому политехническому образованию
в качестве учебника для студентов,
обучающихся по специальности
«Стрелковопушечное, артиллерийское и ракетное оружие»

Б.К. Новиков

проектирования
Системные аспекты

ствольного оружия

Москва 2008

им. Н.Э. Баумана
МГТУ

ИЗДАТЕЛЬСТВО

УДК 623.97(075.8) 
ББК  32.187:30.2 
          H73 
 
 
Рецензенты: 
д-р техн. наук,  проф. Г.А. Березкин; д-р техн.  
наук В.Н. Иванов; д-р техн. наук В.Е. Смирнов;  
д-р техн. наук, проф. В.К. Хохлов  

   Новиков Б.К. 
Системные аспекты проектирования ствольного оружия. 
Учебник. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2008. –  
518 с.: ил. 

Н73 

ISBN 978-5-7038-3073-4 

В рамках единой методологии и информационной технологии 
предложен комплекс проектных процедур, базирующихся на методах исследования операций и системного анализа с применением формальных и эвристических способов прогнозирования, регрессионного анализа, теории распознавания образов и методов 
искусственного интеллекта. Изложены сведения по автоматизированным методам подготовки данных для принятия решений на стадии формирования требований к перспективным образцам ствольного оружия. Рассмотрены вопросы формализации системы 
предпочтений экспертов и способы получения обобщенных показателей качества ствольного оружия в условиях неопределенности исходной информации и риска последствий принимаемых решений.  
Для студентов и аспирантов, проходящих подготовку в МГТУ 
им. Н.Э. Баумана по специальности «Стрелково-пушечное, артиллерийское и ракетное оружие», а также для специалистов по проектированию ствольного оружия. Будет полезен для инженеров, аспирантов и студентов других специальностей (машиностроительных, 
приборостроительных, экономических и пр.). 
 
 
 
                                     УДК 623.97(075.8) 
                                                                                                 ББК 32.187:30.2 

                 
                                                  © Новиков Б.К., 2008 
                                                                             © Оформление. Издательство МГТУ 
ISBN 978-5-7038-3073-4                                        им. Н.Э. Баумана, 2008 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

Предисловие................................................................................................ 
5 
Введение ...................................................................................................... 
7 
1. Информационно-системный подход к  проектированию ствольного  
    оружия...................................................................................................... 11 
1.1. Основные положения системного анализа ................................... 13 
1.2. Стадии и этапы проектирования.................................................... 34 
2. Модели системного проектирования ствольного оружия................... 61 
2.1. Система моделей ............................................................................. 63 
2.2. Аппроксимационные и вторичные модели................................... 79 
2.2.1. Общие принципы построения аппроксимационных  
          моделей ................................................................................... 81 
2.2.2. Методы формирования аппроксимационных моделей ...... 90 
2.2.3. Методы сокращения объема анализируемой информа- 
          ции........................................................................................... 114 
2.2.4. Вторичные математические модели..................................... 142 
2.3. Математические модели «в отклонениях».................................... 147 
2.4. Концепция обобщенных объектов................................................. 165 
3. Методы формирования критериев оценки образцов  
    ствольного оружия.................................................................................. 175 
3.1. Классы систем подготовки данных ............................................... 175 
3.2. Формулировка задачи выбора и принятия решения .................... 185 
3.3. Экспертные процедуры при принятии решения........................... 192 
3.4. Прогнозирование характеристик ствольного оружия.................. 208 
3.4.1. Эвристическое прогнозирование.......................................... 213 
3.4.2. Статистическое прогнозирование ........................................ 221 
3.5. Подготовка исходных данных для формализации системы 
       предпочтений................................................................................... 230 
3.6. Формирование функции ценности................................................. 234 
3.6.1. Основные понятия и определения........................................ 235 
3.6.2. Методики построения функции ценности........................... 246 
3.7. Классификационные задачи принятия решений .......................... 256 
3.8. Принятие решений в условиях неопределенности....................... 294 
4. Формализованный комплекс процедур синтеза технических  
     решений .................................................................................................. 315 
4.1. Синтез принципов действия........................................................... 315 

Оглавление 
4

4.2. Структурный синтез........................................................................ 324 
4.3. Параметрический синтез ................................................................ 361 
4.3.1. Однопараметрические методы.............................................. 365 
4.3.2. Многопараметрические методы ........................................... 390 
4.3.3. Система ограничений при поиске решений ........................ 412 
4.3.4. Линейное программирование ............................................... 422 
4.4. Технологическая последовательность синтеза технических 
  решений........................................................................................... 447 
4.5. Игровая процедура структурно-параметрического синтеза........ 450 
4.6. Алгоритмизация проектных расчетов ........................................... 473 
4.6.1. Противотанковое артиллерийское орудие........................... 474 
4.6.2. Миномет схемы «мнимый треугольник»............................. 478 
4.7. Оценка уровня соответствия требованиям к выходным 
       характеристикам.............................................................................. 485 
Список литературы..................................................................................... 509 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

ПРЕДИСЛОВИЕ 

Omne initum difficile est1. 

Монографии и учебники по проектированию ствольного оружия, изданные по большей части до 90-х годов прошлого столетия, 
за редким исключением посвящены описанию конструктивных 
особенностей и методов расчета процессов функционирования и 
проектирования отдельных агрегатов и оружия в целом. Методологические и системные вопросы проектирования ствольного 
оружия освещены в значительно меньшей степени. Настоящая 
книга представляет собой попытку восполнить указанный пробел. 
Основной упор сделан не на описание математических моделей и 
устройства ствольного оружия, а на изложение системных принципов организации вычислительных процессов при проектировании, способов формирования описаний образцов на разных этапах 
и стадиях проектирования, методов их сравнительной оценки и 
отбора рациональных технических решений. 
Во введении дан краткий очерк развития теории проектирования ствольного оружия, включающий вопросы автоматизации 
проектных расчетов, особенности традиционных методов проектирования и применения экспертно-моделирующих систем при 
подготовке данных для принятия проектных решений. 
В первой главе приведены сведения о терминологии системного анализа, классификация систем, рассмотрены особенности 
задач анализа и синтеза при проектировании образцов ствольного 
оружия, а также освещены вопросы иерархической взаимосвязи основных этапов и стадий проектирования и информационных потоков между ними. 
Вторая глава содержит сведения о системе моделей для проектных расчетов ствольного оружия. При этом основное внимание 
уделено способам формирования аппроксимирующих соотношений и вторичных моделей с использованием методов фракционного анализа, что обусловлено предположением, что с традиционны______________ 
1 Всякое начало трудно. (Здесь и далее эпиграфы взяты из кн.: Крылатые латинские изречения / Сост. Н.С. Сухов. М.: Прометей, 1990.) 

Предисловие 
6

ми моделями (внутренней и внешней баллистики, устойчивости, 
прочности и пр.) читатель знаком по другим литературным источникам. 
В третьей главе изложены сведения по методам формализации 
системы предпочтений при проектировании ствольного оружия, 
включая методы прогнозирования характеристик и параметров, 
формирования глобальных критериев сравнительной оценки и 
классификации образцов ствольного оружия в условиях неопределенности и риска. 
Четвертая глава содержит данные о системе формализованных 
процедур для решения задач синтеза, в том числе способы  
генерации новых технических решений, методы организации поиска рациональных проектных параметров в линейной и нелинейной 
постановке, а также данные по вероятностным методам в системной 
технологии управления качеством ствольного оружия при его разработке и испытаниях. 
Автор надеется, что книга окажется полезной не только студентам и аспирантам, проходящим подготовку по специальности 
«Стрелково-пушечное, артиллерийское и ракетное оружие», но и 
разработчикам ствольного оружия, а также специалистам других 
отраслей. 
Глубокую благодарность автор выражает действительному 
члену Российской академии ракетных и артиллерийских наук, доктору технических наук, профессору Льву Николаевичу Лысенко, 
принципиальные критические замечания которого в значительной 
мере определили структуру, содержание и объем книги. 
Автор выражает искреннюю признательность рецензентам: генерал-майору, доктору технических наук, профессору Геннадию 
Алексеевичу Березкину, доктору технических наук Владимиру Николаевичу Иванову, доктору технических наук Виктору Евгеньевичу Смирнову и доктору технических наук, профессору Валерию 
Константиновичу Хохлову за критические замечания,  которые с 
благодарностью были приняты автором и в полной мере учтены при 
подготовке рукописи к изданию. 
Особо автор признателен ректору Московского государственного технического университета имени Н.Э. Баумана, члену-корреспонденту Российской академии наук Игорю Борисовичу Федорову, 
без содействия которого настоящая книга не была бы издана. 

 

ВВЕДЕНИЕ 

A communi observantia non est recedentum2. 

В последнее время достигнуты значительные успехи в области 
конструирования, расчета и проектирования артиллерийского вооружения. Внедрение в артиллерийскую науку методов исследования операции, теории оптимального проектирования вывело  
артиллерию на передовые рубежи прикладных наук. Однако до 
настоящего времени между исследованиями процессов в ствольных системах и проектированием отсутствует должная корреляция 
[18], поскольку существующие и создаваемые математические модели расчета и анализа далеко не всегда ориентированы на конкретные этапы и стадии проектирования, в первую очередь по 
объему и согласованности информации, обеспечивающей расчет 
по математическим моделям. Такое явление, по-видимому, обусловлено отсутствием единого информационного подхода к проектированию и методологической базы. 
Процессы проектирования вооружения и различных технических объектов кроме предметно-ориентированной специфики связаны значительным количеством общих вопросов, определяющих 
единство в их представлении на абстрактном уровне. 
Существует большое количество определений термина «проектирование», отражающих в конечном итоге тот факт, что процесс 
проектирования рассматривается как интуитивный творческий акт 
и относится в большей степени к искусству, чем к науке [48, 49]. 
Такая концепция, подтверждаемая и философами, долгое время 
служила базой для развития теории проектирования. 
Суть традиционного метода проектирования сложных технических объектов может быть сформулирована как широкое использование интуиции, опыта и других творческих возможностей проектировщика, подтверждаемое проверочными расчетами и испытаниями макетов проектируемых образцов. Такая методология, 
позволяющая отдельным талантливым конструкторам (В.Г. Гра______________ 
2 Нельзя пренебрегать тем, что принято всеми. 

Введение 
8

бин, В.П. Грязев, М.Т. Калашников, А.Е. Нудельман, Ф.Ф. Петров, 
А.А. Рихтер, Б.И. Шавырин, А.Г. Шипунов и другие) разрабатывать совершенные образцы вооружения, не может быть рекомендована широкому кругу проектировщиков. 
Отдельные процедуры традиционной методологии проектирования, хотя и могут формально регламентироваться, фактически, 
при детальном рассмотрении, содержат операции, сводящиеся к 
неформальным процессам. Отсутствие возможностей использования идей системного анализа в строгом его понимании, невозможность осуществления глобальной оптимизации, нереализуемость 
алгоритмов решения проектных задач с применением численных 
методов – все это привело к формированию групп приемов и методов, составляющих методологическую базу традиционного метода проектирования: 
• использование интуиции и подсознательного опыта проектировщика, позволяющие выносить суждения, принимать решения 
и создавать принципиально новые конструкции и технологические 
процессы (этот прием нашел широкое применение при первоначальном выборе принципа действия системы, предвари-тельном 
формировании ее облика и структуры, отборе вариантов для дальнейшей проработки); 
• обобщение предшествующего опыта, выражающееся в обращении к существующим проектным решениям для выбора прототипа, конструктивной, структурной или принципиальной схемы, 
принципа действия (этот прием дополняет предыдущий и применяется практически на всех стадиях проектирования, начиная от 
формирования общих принципов построения проектируемой системы и кончая определением числовых значений параметров проектируемого объекта); 
• применение расчетно-аналитических методов решения так 
называемых обратных задач, т. е. математических моделей с использованием грубых, иногда слабообоснованных, допущений, 
дающих возможность по известным результатам функционирования системы назначить по аналогии с существующими образцами 
структуру проектируемой системы (часто заведомо не оптимальную) и оценить числовые значения ее параметров (этот метод, используемый в большинстве проектных задач, сформулированных в 
«докомпьютерный» период,  обычно позволяет дать лишь предварительные оценки области существования возможных проектных 
решений); 

 
Введение 
 
9

• разработка графических и графоаналитических методов 
расчета, номограмм, таблиц, диаграмм и графиков, заменяющих 
вычислительные и логические операции простыми приемами проектировщика (эта процедура часто используется при невозможности реализации предыдущего приема или при попытках оптимизации проектных решений по частным критериям оптимальности); 
• введение в процесс проектирования итеративных процедур, 
охватывающих отдельный прием или группу приемов и позволяющих уточнять получаемые результаты на отдельных этапах 
или стадиях проектирования (этот метод может рассматриваться 
как прямое следствие системного подхода к процессу проектирования и отражает сущность не только существующей, но и перспективной методологии решения проектных задач); 
• оптимизация проектных решений по системам частных критериев, в ряде случаев не согласованных между собой и не всегда 
отражающих общие цели и задачи системы в целом, с использованием аналитических процедур поиска экстремума (этот способ 
широко применяется и является объектом многочисленных исследований как задача оптимального проектирования). 
Бурное развитие вычислительной техники, хотя и устранило одну из основных причин широкого использования традиционного 
подхода к решению проектных задач, из-за отсутствия новой методологической базы и консервативности проектировщиков не привело к качественному пересмотру всего процесса проектирования. 
Попытки на первом этапе разработки систем автоматизированного проектирования ствольного оружия выполнить полную  
формализацию всех проектных процедур, обеспечив тем самым 
автоматическое проектирование, как и следовало ожидать, завершились полной неудачей. Стало ясно, что без использования эвристических процедур решение задач синтеза технических решений 
не представляется возможным [2].  Это привело к тому, что разработчики систем автоматизированного проектирования обратились 
к опыту создания экспертных систем. 
В зависимости от конкретных целей, для которых предполагается использовать экспертные системы, можно говорить о различных их типах [104, 111, 121–124], таких как чисто экспертные, 
экспертно-моделирующие, экспертно-прогнозирующие, экспертно-диагностические и пр. Основными направлениями в этой  
области являются исследования, в той или иной степени опирающиеся на применение достижений по разработке искусственного 
интеллекта. 

Введение 
10

В последние годы интерес к созданию экспертных систем 
чрезвычайно возрос, перешагнув рамки чисто научных исследований и проникнув практически во все сферы человеческой деятельности – от финансовых и производственных до военных и образовательных систем. 
К настоящему времени создано много работающих экспертных 
систем. Срок эксплуатации некоторых из них достигает десятка и 
более лет, соответственно знания, накопленные такими экспертными системами, очень ценны, но, несмотря на внушительные успехи в их разработке и эксплуатации, эти системы все еще создаются специализированными только к своей области применения. 
Классические экспертные системы обладают принципиальным 
недостатком, состоящим в использовании исключительно фактической информации, полученной от экспертов или из подключаемой базы данных. Задача же синтеза и оценки новых технических 
решений является довольно общей по своей сути, так как требует 
использования не только элементной базы, но и различных методов численного анализа и имитационного моделирования. Простое 
объединение узкоспециализированных систем в одну вряд ли приведет к качественно новым результатам. Именно поэтому в последнее время все больший интерес исследователей привлекает 
новый класс экспертных систем, получивших название экспертномоделирующие, или экспертно-прогнозирующие. 
Таким образом, для повышения качества проектирования, 
снижения затрат и сроков и увеличения доли интеллектуального, 
творческого труда проектировщика при создании ствольного оружия можно сформулировать следующие основные задачи: 
• формирование методологии системного проектирования 
ствольного оружия для синтеза технических решений с учетом ресурсов и производительности вычислительной техники и возможностей выполнения формализованных и эвристических процедур, 
сбора, хранения, обработки и обмена информацией; 
• выявление и обобщение типовых методов и приемов, позволяющих решать практические задачи, и их формализация; 
• создание основных принципов организации вычислительных 
процессов для синтеза технических решений и создание методов 
разработки системы согласованных специальных математических 
моделей и программного обеспечения системы автоматизированного проектирования ствольного оружия.