uacrussia (uacrussia) wrote,
uacrussia
uacrussia

«Цифра» – это не магия: SSJ100 стал самолетом, спроектированным полностью по безбумажной технологии



Как вспоминает Александр Долотовский, заместитель главного конструктора по аэродинамике SSJ100 компании «Гражданские самолеты Сухого» (ГСС), целью перехода на полностью цифровое проектирование было снижение рисков разработки и повышение качества работы проектировщиков.

Для этого в молодой на тот момент компании с самого начала проекта были заложены основы системы управления жизненным циклом изделия на базе PLM-решения (от англ. Product Lifecycle Management – управление жизненным циклом продукта) TeamCenter, а непосредственно для разработки самолета использовалась CAD-среда (от англ. Computer-Aided Design – компьютерное проектирование) CATIA v5 – наиболее продвинутая в то время 3D CAD-система в авиастроении. Для отработки аэродинамической компоновки самолета с самых ранних этапов (КР2 и КР3 (то есть конструктивные решения) в действующей сейчас терминологии стандартов управления проектами ОАК) широко использовались CFD-пакеты (от англ. Computational Fluid Dynamics – вычислительная гидродинамика) как зарубежной (FLUENT), так и отечественной (EWT, BLFR56) разработки.

Детальная разработка алгоритмов системы управления без использования цифрового моделирования была бы просто невозможна, и в ГСС первая математическая модель, реализованная еще в С++, «полетела» задолго до первого полета «суперджета» в Комсомольске-на-Амуре. «В 2004 году мы уже показывали потенциальным заказчикам наши первые, тогда еще довольно наивные, представления о современных законах защиты от выхода за эксплуатационные ограничения, используя для этого небольшую, по нынешним меркам, рабочую станцию, оснащенную обычными, игровыми контроллерами, штурвалом, джойстиком и педалями. Благодаря этой небольшой установке, нам удалось сформировать основной набор функций системы управления самолета в замкнутом контуре с пилотами, что позволило избежать крупных, системных ошибок в дальнейшей работе», – рассказывает Александр Долотовский.

В разработке SSJ100 принимали активное участие не только наши конструкторы, но и ученые сразу нескольких крупных организаций, в первую очередь Центрального аэрогидродинамического института (ЦАГИ) им. профессора Н. Е. Жуковского, Саровского инженерного центра, Московского физико-технического института и Сибирского научно-исследовательского института авиации им. С. А. Чаплыгина, которых привлекали на различных этапах проекта для решения прикладных задач, прежде всего с использованием того, что сейчас принято называть «суперкомпьютерными технологиями».

«Использование расчетных методов грубо можно разделить на два основных направления – это поиск оптимального решения и сопровождение натурного и полунатурного эксперимента, – рассказывает Долотовский. – Например, оптимизация профилировки и формы крыла в плане. Для этого нами совместно с учеными НИО-2 (2-й научно-исследовательский отдел. – Ред.) ЦАГИ был проведен итерационный процесс оптимизации профилировки по многим критериям, включавшим с себя требования компоновки, прочности, технологии производства и, разумеется, аэродинамического совершенства. Но для того, чтобы удостовериться, что расчеты действительно дают заданный уровень совершенства, необходимо провести эксперимент в аэродинамической трубе, который тоже имеет определенный уровень подобия. И тут CFD приходят на помощь, позволяя учесть особенности потока в аэродинамической трубе, сделать корректный пересчет результатов, полученных в аэродинамической трубе, на условия реального полета».

В результате крыло SSJ100, оптимизация которого была выполнена в очень короткие сроки (менее двух лет), обеспечивает не только отличные показатели по расходам топлива, но и на редкость хорошие характеристики самолета в режимах сваливания, в том числе и с учетом обледенения. При этом технологии производства этого крыла отрабатывались в Комсомольске-на-Амуре параллельно с разработкой конструкции, что позволяет сейчас Комсомольскому-на-Амуре авиационному заводу (КнААЗ) им. Ю. А. Гагарина и Комсомольскому-на-Амуре филиалу (КнАФ) компании ГСС обеспечивать высокий темп производства самолетов, превосходящий даже ранее имевшийся в СССР по некоторым самолетам такой размерности.

Другой пример успешного использования цифровых технологий в аэрогазодинамике SSJ100 – проектирование мотогондолы двигателя SaM146, которую выполнили партнеры ГСС – компания PowerJet, тоже совместно с ЦАГИ. Задача, поставленная перед разработчиками, заключалась в том, чтобы обеспечить высокую эффективность воздухозаборника двигателя во всех режимах полета и при этом снизить риски повреждения двигателя от посторонних предметов на входе в мотогондолы до приемлемого уровня. С этой целью были проведены расчетные работы по многокритериальной оптимизации геометрии заборника и кока вентилятора, которые гарантируют сепарацию посторонних предметов во внешний контур вентилятора двигателя при нахождении самолета на земле и в полете.

Проведенные после этого испытания в аэродинамических трубах ЦАГИ (в частности в Т-104) показали правильность расчетных результатов, а фактический опыт испытаний самолетов SSJ100 на аэродромах России, в том числе и покрытых осадками, подтверждают эксперименты, проведенные на математических моделях и моделях в аэродинамических трубах.

Не изучались, а подтверждались


Александр Долотовский, Сергей Алексеев, Михаил Семенцов на пилотажном стенде готовятся к изучению параметров выполненного режима.

«Еще одно направление, на котором хотелось бы заострить внимание, – это разработка алгоритмов управления системами воздушного судна, особенно с учетом требований сертификации по отказобезопасности конструкции гражданского самолета, – говорит Александр Долотовский. – Здесь широкое использование математического моделирования – единственный путь к успешному результату за разумные сроки и бюджет. Использование сложных математических моделей (под сложными мы понимаем модели с высокой степенью детализации на уровне системы-подсистемы и там, где необходимо, компонента систем) позволяет простроить увязанную цепочку требований от уровня самолета до уровня компонента системы, которая минимизирует субъективный элемент при принятии решения в разработке до разумного минимума, тем существенно повышает качество работы конструктора».

Таким образом, при разработке SSJ100 была внедрена не просто замена бумажных чертежей на электронные модели в 2D- и 3D-системах проектирования, а системный подход к проектированию, когда проектное решение проверяется моделированием на каждом уровне разработки еще до начала изготовления физического компонента / подсистемы / системы / прототипа самолета. Испытания же на каждом уровне предназначались не для поиска решений, а для подтверждения полученных результатов и валидации используемых математических моделей.

Видимым результатом использования такого подхода стало то, что в поведении самолета и его систем в ходе летных испытаний количество открытий было сведено к минимуму. Характеристики самолета не изучались, а подтверждались.

От виртуальной реальности – к реальному миру


Сергей Абрамов и Александр Долотовский на имитаторе двигателей работают с установкой отказов блоков DECU.

Преимущество цифровых технологий – возможность для инженера-разработчика понять, прочувствовать процессы, происходящие с конструкцией уже на этапе разработки через методы трехмерной визуализации в цифровой модели. В результате этого понимания доводка конструкции производится на ранних этапах проектирования, что существенно сокращает этап доводочных испытаний самолета и требует гораздо меньше доработок, чем в доцифровую эпоху.

В результате, как уже говорилось, первые «полеты» самолета SSJ100 в самых разных, в том числе критических, с точки зрения устойчивости и управляемости режимах, выполнялись задолго до первого вылета реального прототипа 95001, состоявшегося 19 мая 2008 года. Для этого в ГСС построили два стенда полунатурного моделирования – пилотажный стенд и стенд «Электронная птица».

Историю первой программы цифровизации испытаний вспоминаем за чаем в огромном ангаре ГСС в Москве. Здесь и находятся эти два стенда, каждый из которых моделирует поведение самолета по-своему. Пилотажный стенд – полностью виртуальный мир. Здесь из реального оборудования только рычаги управления, блок ручного управления, педали, рычаг управления двигателем, рукоятки управления механизацией крыла и пульт триммирования. Остальное макеты и электронные модели на базе промышленных компьютеров. «Электронная птица» – по сути, совокупность стендов систем самолета, включая реальные электронные блоки и сложные цифро-аналоговые имитаторы механических частей систем, а также кабина пилотов с полным набором оборудования и органов управления.

Вот два шкафа, которые обсчитывают работу двигателей, включая их реальные компьютеры DECU (Digital Electronic Control Unit – цифровой электронный блок управления), точнее их электронная часть FADEC (Full Authority Digital Engine Control – цифровая система управления двигателем с полной ответственностью). Здесь же имитаторы внутренних элементов системы управления двигателем, которые взаимодействуют с детальной газодинамической моделью мотора.

Далее шкафы с имитаторами системы кондиционирования, рядом с ними имитаторы системы электроснабжения, авионики, шасси, гидросистемы. Дальний угол зала занимают имитаторы приводов системы управления. В центре – шатер, в котором установлена кабина самолета, окруженная проекционной системой визуализации.

Все эти многочисленные стенды соединены между собой огромным количеством проводов, соответствующих реальной «топографии» кабельной сети SSJ100. Кабельная сеть проложена под потолком и ведет к кабине SSJ100.

Иллюзия полета – полная


Степан Кореванов и Василий Малышев готовят стенд "Электронная птица" к проведению тестового полета.

Кабина – точная копия части отсека Ф1 SSJ100, изготовленная в Новосибирске на заводе компании «Сухой» и установленная в Москве еще за два года до первого «боевого» вылета SSJ100 в 2008 году. А еще годом ранее был запущен пилотажный стенд, на котором отрабатывались настройки системы управления, включая настройки органов управления, боковой ручки и короткоходовых педалей, не имевшие аналогов в отечественном гражданском самолетостроении. Да и в мировом тоже, ведь SSJ100 – вторая в мире программа, после Airbus А320, где философия кабины перестроена под использование боковой ручки вместо штурвала. И сейчас только Airbus и ГСС владеют этой технологией в равной степени, что отмечают все эксплуатанты SSJ100.

Вот для отработки этой новой концепции и был сделан пилотажный стенд с таким уровнем подобия самолету. «Иллюзия полета – полная. Народ даже укачивает», – иронизирует Александр Долотовский.

Благодаря этим стендам, а также пилотажному стенду ПСПК 102 в ЦАГИ, который тоже был подключен к этой программе, бок о бок с инженерами-конструкторами работали летчики-испытатели из ГСС и из сертификационных центров. Здесь нельзя не отметить большой вклад в облик кабины самолета и его комплекса авионики первого шеф-пилота ГСС Александра Яблонцева, к тому моменту имевшего большой практический опыт пилота-инструктора гражданской авиации, помимо основной специальности летчика-испытателя. Сергей Коростиев, нынешний шеф-пилот ГСС, особое внимание уделял и уделяет функционалу системы самолетовождения лайнера и системе предупреждения экипажа. Летчик-испытатель ЛИИ им. М. М. Громова и летчик-эксперт сертификационных властей России Владимир Бирюков вспоминает: «Количество доводочных испытательных полетов на SSJ100 было заметно меньше по сравнению с предыдущими моделями отечественных самолетов. И примерно таким же, как у Boeing или Airbus. Фактически большая часть полетов просто сводилась к верификационным испытаниям. Большую часть неизбежных доработок удалось сделать еще в виртуальной кабине».

Первый вылет SSJ100 по программе сертификационных испытаний состоялся 1 ноября 2008 года, а программа завершилась всего двумя годами позднее, 31 декабря 2010 года. Летчики провели около 1 000 полетов на четырех прототипах. В прежнее время только доводочная программа гражданского самолета, случалось, занимала пять и более лет.

Сократились сроки доводки и испытаний самолетов, что позволило снизить себестоимость программы (не только за счет экономии на керосине и сокращения циклов техобслуживания перед каждым вылетом, но и за счет снижения объемов дорогостоящих доработок уже построенного прототипа).

Выросло качество и безопасность полетов, поскольку пилоты были заранее осведомлены о большинстве возможных проблемных моментов.

«Однако использование цифровых технологий не отменяет физического эксперимента, – считает Александр Долотовский. – Разработчику нельзя забывать, что модель – это всего лишь модель, и достоверность виртуального эксперимента необходимо верифицировать испытаниями прототипов.

Поэтому все полученные расчетными методами технические решения в области аэродинамики и не только обязательно подтверждались испытаниями моделей самолета в аэродинамических трубах ЦАГИ и СибНИА». Особенно это касалось аэродинамических характеристик на больших углах атаки и в сваливании, где нестационарные процессы динамики течения все еще требуют развития моделирующего математического аппарата. Но, как уже говорилось, благодаря использованию современных суперкомпьютерных технологий, центр тяжести задач в физическом эксперименте переносится с поиска решения на верификацию расчетного результата.

Аналогичная ситуация сложилась при проведении летных испытаний. «Виртуальные испытания ни в коем случае не заменят полностью натурные, – убежден Владимир Бирюков. – Современные технологии пока не в состоянии передать полностью перегрузки и угловые скорости, которые испытывает пилот, например, в режимах сваливания. Но основные характеристики самолета сейчас неплохо известны уже до первого вылета. Это, в частности, подтверждается тем, что с самого первого полета мы видели высокое подобие между поведением модели самолета на пилотажных стендах и в реальных полетах».

А «Электронная птица» и пилотажный стенд SSJ100 активно загружены до сих пор. Наш визит состоялся вечером в один из будних дней. Инженеры и летчики отрабатывали новую версию программного обеспечения авионики и системы управления, которые необходимы для обеспечения эксплуатации самолета SSJ100 в аэропорту Лондон-Сити в интересах ирландской компании CityJet. Специфику освоения этого аэродрома (а полоса в Лондон-Сити – укороченная и узкая), как пояснил Александр Долотовский, согласно уже принятой в ГСС практике, сначала отрабатывают на стендах.

Смогут ли производители самолетов сэкономить на керосине для испытаний самолетов, а компьютеры полностью заменить полеты? И Александр Долотовский, и Владимир Бирюков утверждают, что на данном этапе развития технологий – нет. Главное ограничение любого, даже самого совершенного, тренажера – это то, что он всего лишь тренажер. Его возможности ограничены точностью моделирования, которую необходимо подтверждать в реальном эксперименте. Реальный экономический эффект от использования безбумажных технологий – в существенном росте качества проектирования, кратно сокращающем этапы доводки самолета, на этапе постройки и начала испытаний реальных прототипов.

Мифы вокруг цифр


Цифровая 3D-модель SSJ100

Александр Долотовский, заместитель главного конструктора по аэродинамике SSJ100 компании «Гражданские самолеты Сухого»:

«Один из расхожих мифов эффекта цифровизации жизненного цикла самолета – что кратное удешевление стоимости всех процессов жизненного цикла происходит за счет сокращения потребных инженерных ресурсов. Это не так. Один компьютер, даже самый мощный, не заменяет несколько инженеров. По-прежнему для принятия решения необходим человек с соответствующим опытом и квалификацией. Более того, наличие необходимого количества квалифицированных специалистов в конструкторском бюро является обязательным требованием авиационных властей для поддержания действия сертификата разработчика и сертификата производителя.

Реальный источник экономии – в другом. Использование сложных математических моделей позволяет реально управлять рисками при принятии технических решений на всех этапах жизненного цикла проекта для исключения дорогостоящих итераций на этапах постройки или испытаний прототипа. Для этого профильным инженерам необходимы сложные и верифицированные математические модели и инструменты 3D-проектирования, заменяющие физические макеты и позволяющие прочувствовать конструкцию через проведение цифровых испытаний принятых технических решений до, а не после постройки прототипа».
Tags: ssj100, технологии
Subscribe
  • Post a new comment

    Error

    Anonymous comments are disabled in this journal

    default userpic

    Your IP address will be recorded 

  • 1 comment