Перспективы концептуального проектирования

Практика проектирования сложных технических систем показывает, что решающую роль в эффективности будущей системы и ее жизнеспособности определяет этап проектирования и в особенности начальный этап – выбор концепции, выбор основных параметров. По оценкам специалистов именно этот этап в шкале важности или значимости решений может составить до 50-70% успешности проекта (рисунок 11.1).

Рисунок 11.1 – Относительная значимость проектных решений и доля затрат по стадиям разработки.

Жизненный цикл самолета – это длинный путь от замысла, имеющегося задела в фундаментальных исследованиях в области аэродинамики, термодинамики, материаловедения, САПР и др., многочисленных работ, посвященных изучению рынка сбыта, оценки имеющихся ресурсов и технологий, включая результаты поиска перспективных источников энергии и новых принципов работы энергоустановок, от технологического и конструкторского заделов конкретного предприятия … до утилизации отработавших свой срок изделий.

Смоделировать этот сложный процесс «жизни» самолета с учетом неизбежных изменений конъюнктуры рынка, включая появление новых систем, изменение приоритетов и логистики, внедрение новых технологий, материалов, оборудования и систем и многого др. с достаточной степенью достоверности практически невозможно. Неопределенность проектной информации и в ряде случаев ее избыточность (точнее невозможность ее обработки и структурирования для осмысленного представления и использования) и противоречивость существенно затрудняют принятие решения.

Современные методы проектирования нацелены на раскрытие или снятие неопределенности, на исследование устойчивости выбранных решений к возможным изменениям исходных данных, выбранных приоритетов и критериев эффективности. Повышение достоверности оценки эффективности будущего самолета (авиационного комплекса) во многом определяется опытом, специфичным для каждого предприятия, создающего эту сложную технику. Сюда относятся: конструкторский и технологический задел, накопленный опыт создания и доводки подобных образцов, материальная и финансовая оснащенность, информационное и, что особенно важно, кадровое обеспечение. Здесь, как и везде, кадры решают все. Опыт, знания, талант и «вкус» конструктора делают самолет красивым, и только тогда обрекают его на успех.

Таким же красивым, как и самолет, является и интегральный критерий – стоимость жизненного цикла самолета, который учитывает всю совокупность затрат на маркетинг, НИР, ОКР, проектирование, производство, эксплуатацию и утилизацию. Но прогнозный характер большинства оценок, опирающийся на ретроспективу, конкурирует с точностью получаемого результата. Связь исследуемых технических параметров самолета с критерием стоимости жизненного цикла не явная, опосредованная через летно-технические характеристики (ЛТХ) самолета, применяемые технологии и пр., а может и вообще не осознаваться или не учитываться при проектировании. Во всем также важно видеть и участие непредсказуемого человеческого фактора, его пристрастия, ответственности, способности.

Декомпозиция, присущая процессу проектирования, традиционно трансформирует и систему критериев оценки самолета до уровня их вычисляемости. Поэтому уровень концептуального проектирования гражданских самолетов чаще всего оценивают по весовому и аэродинамическому совершенству, включая экономические показатели, такие как себестоимость перевозок и стоимость летного часа, и экологические требования по шуму и эмиссии. В составе критериев самолетов военного и специального назначения присутствуют такие особенности как малозаметность, маневренность, стоимость боевого вылета и пр.

Как известно, центр авиационной науки в нашей стране – это ЦАГИ им. Н.Е.Жуковского. Ведущиеся в нем исследования перспектив развития авиационной техники базируются на применении эффективной технологии концептуального проектирования. В основе этих исследований – последовательное наращивание научно-технического задела, поиск новых технических решений, широкое применение методов и средств САПР (рисунок 11.2), расширение их возможностей системой трехмерной компоновки самолета в соответствии с принципами CALS-технологий.

Рисунок 11.2 – Концептуальное проектирование пассажирского самолета в ЦАГИ.

Наряду с повышением эффективности самолетов традиционных схем, их конструкции, силовой установки и систем в ЦАГИ ведутся исследования новых путей развития авиации. Среди них – разработка нетрадиционной авиационной техники, которая может обеспечить качественный скачок по сравнению с эволюционным совершенствованием. Проведенное в ЦАГИ исследование концепции пассажирского самолета с аэродинамической схемой «летающее крыло» показало возможность существенного снижения эксплуатационных расходов.

Большое внимание в поиске новых концептуальных решений уделяется оценке их практической эффективности, на которую делает ставку проектант. Для этого осуществляют математическое моделирование различных вариантов, проводят многочисленные эксперименты, в том числе в аэродинамических трубах, на испытательных станциях, стендах и в лабораториях, летные испытания моделей. В качестве примера, на рисунке 11.3 представлена отрабатываемая модель будущего самолета схемы «летающее крыло» американской компании Boeing.

Рисунок 11.3 – Концептуальный самолет X-48B компании Boeing на старте и на испытаниях в аэродинамической трубе.

Поиск новых схем, отличных от нормальной или классической аэродинамической схемы, по мнению ряда специалистов, говорит о концептуальном кризисе, так как практически все транспортные самолёты построены именно по этой схеме. Хотя на авиационных выставках и салонах представлено огромное многообразие самолётной техники, в основном это принципиально одинаковые самолёты, отличающиеся лишь по эксплуатационно-технологическим признакам, но имеющие общие концептуальные решения и, соответственно, недостатки. Изящные решения по крылу, оперению, силовой установке и многому другому в новом концепт-проекте самолета будущего компании Airbus, тем не менее, не могут скрыть традиционную аэродинамическую схему (рисунок 11.4, а).

Рисунок 11.4 – Концептуальные проекты:

а) пассажирский самолет будущего компании Airbus;

б) бразильский «бизнес-джет» MSJ.

Также как и традиционные решения внешней компоновки продолжают доминировать и в новых проектах известного бразильского авиационного конгломерата Embraer. Концерн приступил к разработке двух концептуальных самолетов в связи с необходимостью заполнить пробел между двумя популярными моделями Phenom 300 и Legacy 600, имеющими большую разницу в цене ($7 и $26 миллионов). Стоимость двух новых самолетов: среднего (midsize jet, MSJ – рисунок 11.4, б) и полулегкого (midlight jet, MLJ) «бизнес-джетов», будет в среднем ценовом диапазоне. Модификация самолета средних размеров MSJ будет на 1, 5 м длиннее полулегкого судна MLJ при равном размахе крыльев. На борту MSJ предусмотрены места для 8 пассажиров, дальность полета до 4480 км, скорость – соответствующая числу М=0, 8. Дальность полета MLJ равна 3520 км, крейсерская скорость соответствует числу М=0, 78 при той же пассажировместимости и высоте полёта, но меньшей длине взлетной дистанции.

Поиск аэродинамических преимуществ в новых самолетах продолжается. Так называемая " флюгерная утка", по мнению отечественных разработчиков (www.yuanaircraft.ru), позволяет реализовать концепцию недорогого и безопасного частного реактивного самолёта. В настоящее время проект такого самолёта уже находится в разработке: им станет шестиместный ЮАН-7 " Quick Flyer" (рисунок 11.5, а), который сможет совершать полёты с максимальной дальностью 3-4 тыс. км на высоте 13-15 км с крейсерским числом М=0, 7-0, 8. По предварительным оценкам цена такого самолёта может составить $1, 2-1, 5 миллионов. Перспективная схема нашла свое воплощение и в двухместном легком самолете ЮАН-4 " Quick Bird" (рисунок 11.5, б).

Рисунок 11.5 – " Флюгерная утка":

а) шестиместный ЮАН-7 " Quick Flyer";

б) лёгкий двухместный самолёт ЮАН-4 " Quick Bird".

Специалисты из Массачусетского технологического института и Кембриджского университета представили концептуальный проект бесшумного экологичного пассажирского самолета SAX-40 (рисунок 11.6), который во многом похож на концепт X-48B компании Boeing. Разработчики планируют построить первый такой самолет к 2030 году. Однако для этого им придется решить ряд серьезных технических задач, главная из которых – разработка принципиально новой системы двигателей, которая может быть интегрирована в новый концептуальный проект авиалайнера.

Рисунок 11.6 – Концептуальный проект бесшумного пассажирского самолета SAX-40.

К разработке концептуального проекта самолета, шум которого будет практически не слышен за периметром летного поля, группа ученых из известных университетов и более 30 компаний, включая Boeing и Rolls Royce, приступила в 2003 году. Планируется объединить крылья и фюзеляж в единую конструкцию, что позволит совершать взлет и посадку на меньших скоростях, благодаря чему снизится шум и уменьшится потребление топлива. Новый самолет лишится закрылков – основного источника шума при взлете и посадке, а его двигатели будут встроены в корпус в отличие от традиционного способа размещения их под крыльями. Кроме того, сопла двигателей будут иметь возможность изменять свой размер во время полета, что позволит уменьшать скорость реактивной струи во время взлета и посадки и наращивать ее при наборе высоты. Новый самолет станет не только менее шумным, но и будет потреблять меньше топлива. По оценкам разработчиков авиалайнер, который проектируется для перевозки 215 пассажиров, будет иметь показатели на 25% лучше, чем современные самолеты.

Исследования новых схем на этапе концептуального проектирования самолета проводятся и на высокоточных моделях, когда сужается проектная область переменных или проводятся выборочные расчетные исследования гипотетически выгодных схемных решений (рисунок 11.7).

Рисунок 11.7 – Исследования аэродинамической схемы «утка» пассажирского самолета [33].

Не менее интересное новое концептуальное транспортное средство под названием Transition представлено на рисунке 11.8. Создатели его – специалисты небольшой американской компании Terrafugia (штат Массачусетс). Transition представляет собой летающий автомобиль, который легко может передвигаться по автодорогам, летать и помещаться в стандартном автомобильном гараже. Автомобиль разрабатывался с 2006 года, и свой первый полет совершил 5 марта 2009 года. Способен ехать со скоростью до 105 км/час по шоссе и летать с крейсерской скоростью 185 км/час. Длина автомобиля 5, 7 метра, высота 2, 1 метра, ширина со сложенными крыльями 2 метра. Размах крыльев 8, 4 метра.

Рисунок 11.8 – Концептуальное транспортное средство Transition.

Проект Transition разработан таким образом, что крылья, необходимые в полете, компактно складываются возле дверей и не мешают другим транспортным средствам при передвижении по магистралям. Также такая особенность позволяет легко помещать аппарат в гараж. В качестве силового агрегата в Transition использован бензиновый двигатель Rotax 912S мощностью в 75кВт. Пока что салон самолета-автомобиля рассчитан только на двух человек - пилота и пассажира. Средняя стоимость составляет 194 тысячи долларов США.

Ярким примером концептуального поиска решений для самолетов является стремление конструкторов найти более эффективные решения, чем жесткие и фактически однорежимные крылья. Жёсткие крылья, очевидно, не могут оптимально работать в разных режимах полёта. Это известно давно, и отсюда родилась идея морфинга — трансформации самолётных крыльев для большего их сходства с живыми. Причём в качестве прообразов используются не только птицы, но и рыбы. Над проектами морфинг-самолётов уже не первый год работают инженеры и учёные в разных компаниях и институтах. В идеале крылья нового поколения самолётов должны изменять свой размах до 50%, а также в широких пределах менять стреловидность, профиль поперечного сечения, угол поперечного V и другие основные геометрические параметры. Оценки аэродинамического и весового совершенства жестких крыльев с изменяемым размахом проводятся, в том числе и на кафедре конструкции и проектирования летательных аппаратов (КиПЛА) СГАУ.

Университет Пенсильвании показал первые результаты своих исследований, в которых крылья самолета изменяют форму, как крылья птицы, и закрыты чешуёй, как рыба (рисунок 11.9). Крылья, способные плавно изменять свою форму в широких пределах, представляют интерес для коммерческих самолетов, истребителей и беспилотных разведывательных аппаратах (БПЛА). Как известно, задача разведывательных БПЛА - быстро добраться в удалённый район, а затем на небольшой скорости часами курсировать, передавая изображение с видеокамер.

Рисунок 11.9 – Проект морфинг-самолета (университет Пенсильвании, США).

Морфинг-крылья, разработанные в университете Пенсильвании, могут менять и свою площадь, и форму поперечного сечения. Основа этих крыльев - изменчивая клеточная или сотовая силовая структура, выполняющая роль " костей и связок", а также сегментированная чешуйчатая " кожа". Многоугольные ячейки каркаса, расположенные вдоль верхней и нижней поверхностей крыла, могут складываться по-разному, изгибая, таким образом, крылья вверх и вниз. Если их трансформировать согласованно, то меняется размах крыла.

Однако, несмотря на исследования в данном направлении, проведённые разными организациями в течение нескольких лет, пока все-таки не созданы ни морфинг-истребители, ни беспилотные разведчики на основе гибких крыльев.

Работы в области альтернативных видов топлива и энергетических установок не прекращались с самого первого полета самолета, также как и исследования летательных аппаратов с машущими крыльями. Пример инновационного развития демонстрирует мировой лидер авиации общего назначения – американская компания Cessna Aircraft, которая совместно с компанией Bye Energy объявила о разработке и создании электрического двигателя для самолета Cessna 172 Skyhawk (рисунок 11.10).

Рисунок 11.10 – Легкий самолет Cessna 172 Skyhawk.

Самый массовый (с 1956 года их было построено свыше 43 000 самолётов) и самый безопасный самолёт в истории авиации может получить очередное перерождение. Первый полет концептуального самолета Cessna 172 Skyhawk с электрическим двигателем запланирован уже на конец 2010 года. Использование альтернативных видов топлива в авиации общего назначения имеет свои перспективы и в России из-за дороговизны и малой доступности в регионах авиационного бензина.

Важным направлением в концептуальном проектировании является использование полученных на этом этапе результатов в последующих этапах создания самолета без соответствующего переформатирования данных, а также возможность легкого и быстрого внесения изменений в уже разработанный концепт. Использование CALS-технологии и CAD/CAM/CAE систем в сочетании с базами данных и знаний позволит в перспективе создать интеллектуальную САПР предварительного проектирования самолета [32]. Онтологический анализ предметной области «самолет», структурирование и формализация самого процесса создания самолета, позволят разработать механизмы заполнения информационной матрицы, описывающей эту сложную техническую систему, и в итоге автоматизировать этап концептуального проектирования самолета, превратив компьютер из вычислителя в интеллектуального помощника.

В CALS-технологиях применяют средство для обеспечения коллективной работы со сложными сборками, обеспечивающее контроль взаимосвязей и прохождения изменений, управление ассоциативными связями между моделями деталей в сборке. Применяемые технологии являются базой для параметрического моделирования изделия любой сложности. Механизм управляемой ассоциативной связи между геометрическими моделями дает возможность объединить концептуальное проектирование и детальное конструирование таким образом, чтобы изменения на концептуальном уровне автоматически отражались бы на уровне не только отдельных деталей, но и на вторичных технологических моделях. Можно создать «концептуальный» шаблон, который принято называть управляющей структурой, определяющий наиболее существенные параметры изделия, от которых зависят его функциональные характеристики. Используя этот шаблон для построения отдельных деталей, можно построить модель, которая допускает параметрические исследования с высокой степенью детализации. Это дает инструмент быстрого и точного анализа влияния различных параметров на характеристики изделия.

В СГАУ на кафедре КиПЛА ведутся работы по трехмерному моделированию самолета на этапе концептуального проектирования в системе CATIA. На рисунке 11.11 показана построенная на основе данных технического задания поверхностная модель проекта пассажирского самолета. Исходными данными являлись выбранные безразмерные параметры крыла, фюзеляжа, оперения и вычисленные значения площади крыла и диаметра фюзеляжа.

Рисунок 11.11 – Геометрическая модель проекта пассажирского самолета в системе CATIA.

Разработанный в Московском авиационном институте (Государственном техническом университете - МАИ) программный комплекс позволяет осуществлять: построение внешних обводов фюзеляжа на основании внутренней компоновки; продольную компоновку салона с учетом требований комфортности полета пассажиров; передачу данных в CAD-систему SolidWorks для дальнейшей проработки проекта самолета (рисунок 11.12).

Рисунок 11.12 – Компоновка пассажирской кабины в системе SolidWorks [34].

Управление процессом проектирования сложных технических объектов в среде CAD/CAM/CAE, независимо от стадии проекта, осуществляется под управлением PDM-систем на основе технологии параллельного проектирования. Методы и инструментальные средства PDM-систем позволяют в процессе проектирования и компоновки конструкции, систем и оборудования сложных технических объектов организовать совместную работу специалистов разных подразделений и технических направлений, т.е. осуществить технологию параллельного проектирования. Для этого формируется модель распределения пространства проекта, которая предназначена для всестороннего рассмотрения и детального анализа принимаемых решений по конструкции, системам и оборудованию будущего сложного технического объекта специалистами различных подразделений и технических направлений предприятия, а также представителями предприятий соразработчиков и поставщиков систем и оборудования (рисунок 11.13). Наличие модели распределения пространства проекта позволит на более ранних этапах проектирования:

¾ привлечь представителей Заказчика для отработки окончательных технических требований к проекту сложного технического объекта;

¾ без привлечения больших производственных ресурсов внести в проект необходимые изменения и уточнения;

¾ учесть требования опытного и серийного производства, а также особенности технического обслуживания.

Рисунок 11.13 – Визуализация модели распределения пространства в среде CAD/CAM/CAE [35].

Полноценный электронный курс, предназначенный для обучения студентов и магистрантов концептуальному проектированию самолета, в нашей стране пока не разработан. Хотя отдельные разделы компьютеризированы и имеются в авиационных университетах: СГАУ, МАИ, КГТУ им. А.Н. Туполева. Из зарубежных разработок магистрантам можно рекомендовать доступный (бесплатный) Интернет-курс Стенфордского университета по концептуальному проектированию самолета (Aircraft Design: Synthesis and Analysis), в котором отражены все основные разделы, описанные, в том числе, и в данном учебном пособии, но с учетом той специфики и того опыта преподавания, который сложился в американском университете. Курс построен таким образом, что после выбора и определения всех основных параметров и характеристик самолета имеется возможность получить упрощенный вида самолета в плане и его объемную картинку (рисунок 11.14) [29].

This material is based on course notes for a graduate level course in aircraft design at Stanford University. The course involves individual aircraft design projects with problem sets and lectures devoted to various aspects of the design and analysis of a complete aerospace system. Students select a particular type of aircraft to be designed and, in two academic quarters, define the configuration using methods similar to those used in the aircraft industry for preliminary design work. Together with the vehicle definition and analysis, basic principles of applied aerodynamics, structures, controls, and system integration, applicable to many types of aerospace problems are discussed. The objective of the course is to present the fundamental elements of these topics, showing how they are applied in a practical design.

Рисунок 11.14 – Результаты концептуального проектирования в Интернет- версии Aircraft Design: Synthesis and Analysis.

This internet-based version of Aircraft Design: Synthesis and Analysis is an experiment. It is a new type of textbook whose pages may be distributed throughout the world and access able via the world-wide-web. The text will be evolving and new items will be added continually.

Программа Advanced Aircraft Analysis (AAA) является в определенной степени отраслевым стандартом программного обеспечения для предварительного проектирования самолета. Разработанная и поддерживаемая американской компанией DARcorporation, AAA установлена в более чем 45 странах (в России пока её нет) и используется в крупнейших авиационных вузах, производителями самолетов и военными организациями по всему миру. В основном, ААА специализирована на проектирование малых гражданских, военных (истребители) и транспортных самолетов (рисунок 11.15). https://www.darcorp.com/Software/AAA/.

Рисунок 11.15 – Результаты концептуального проектирования административного самолета в ААА.

В программе ААА есть практически все основные блоки, необходимые для подготовки, расчета и оценки первого рисунка самолета, в том числе расчет стоимости жизненного цикла самолета.

Современные достижения в области математического моделирования, в прикладных авиационных науках и практика проектирования позволяют существенно сократить сроки и средства на отработку новых образцов. Тем не менее, стремление найти эффективное решение приводит к расширению области поиска, что приводит к увеличению затрат. Концентрация ресурсов на наукоемких направлениях есть способ добиться успехов в выбранном направлении. За рубежом задачи такого масштаба по силам известным консорциумам, университетам и крупным компаниям с государственной поддержкой. В Российской Федерации помимо ЦАГИ важную роль играет Объединенная авиастроительная корпорация (ОАК), а также отраслевые НИИ и проектные организации, национальные исследовательские университеты.