Главная страница / Аналитический центр / Комитет по стратегическому планированию и приоритетным проектам / Новые технологии и перспективные направления / Создание и развитие системы концептуального (предварительного) проектирования перспективных летательных аппаратов

Создание и развитие системы концептуального (предварительного)
проектирования перспективных летательных аппаратов

Важнейшим этапом создания перспективных летательных аппаратов является формирование облика и выбор (разработка) основных конструктивно-технологических решений, составляющих основу будущего аппарата. Традиционно эта стадия включает в себя этапы формирования рациональных технических требований к перспективным ВС, разработки концепции, технического предложения (аванпроекта) и эскизного проекта. Характерней особенностью данных этапов является наличие большое количество различных вариантов конструкции будущего ЛА, которые рассматриваются и тщательно анализируются с целью выбора наиболее оптимального, в максимальной степени удовлетворяющего требованиям технического задания. Число рассматриваемых концепций (будущих обликов) может достигать нескольких десятков, а иногда и сотен вариантов.

Учитывая то, что на данном этапе принимается до 70% наиболее ответственных решений, определяющих дальнейшую судьбу проекта, чрезвычайно высоки риски возможных ошибок (просчетов, недочетов), устранение которых на следующих этапах приводит к существенному удорожанию и затягиванию сроков реализации проекта. На данной стадии, как правило, проводится анализ и осуществляется выбор не только ключевых конструктивных элементов будущего летательного аппарата (включая двигатели, системы и оборудование), но и осуществляется их взаимная интеграция, а также закладываются основы будущей производственной системы; проводится анализ (оценка) текущих уровней готовности ключевых технологий; формируются планы по их доведению в соответствии с согласованным графиком.

В 1970-х гг. в ЦАГИ под руководством заместителя директора института - начальника НИО-10 проф. Л.М. Шкадова была создана первая версия программного комплекса «Автоматизированная расчетная диалоговая система проектирования» (АРДИС) дозвуковых пассажирских самолетов. В 1980-х гг. была разработана вторая (улучшенная) версия данной системы. Большой вклад в создание и развитие системы АРДИС внесли бывшие и нынешние сотрудники ЦАГИ – С.А. Важенин, Н.Н. Глушков, В.Е. Денисов, А.Ю. Уджуху, Ю.М. Никитченко и многие другие.

В период 1980-х годов система АРДИС была внедрена в ЦАГИ, КБ им. С.В. Ильюшина и КБ Туполева. Система АРДИС была использована при разработке проектов пассажирских самолетов Ил-86Д и Ил-96-300, а также рекомендаций по унификации двигателей при проектировании самолетов Ту-204 и Ил-96.

В период 1990-2015 гг. система АРДИС была сохранена в ФГУП «ЦАГИ», во-многом, благодаря усилиям бывшего заместителя начальника НИО-10 - начальника отдела № 1 А.Ю. Уджуху. Данная система использовалась при выполнении НИР по формированию рациональных требований к перспективным гражданским ВС, оценке уровня их конкурентоспособности, расчету различных вариантов перспективных ВС (в т.ч. МС-21, ШФ ДМС и др.). Существующий программный комплекс содержит значительное количество результатов расчетов (летно-технических характеристик и других параметров исходных и расчетных данных) существующих российских и иностранных самолетов, а также проектов самолетов; всего – 240 пакетов, в том числе:

• российские (отечественные) самолеты – 11 пакетов;
• иностранные самолеты – 36 пакетов;
• проекты российских самолетов – 190 пакетов;
• проекты иностранных самолетов – 3 пакета.

В последние годы основным инициатором и исполнителем работ по совершенствованию (развитию) системы АРДИС является начальник отдела НИО-10 В.И. Бузулук.

Кроме системы «АРДИС», в ФГУП «ЦАГИ» и ведущих российских авиастроительных КБ разработаны отдельные программные комплексы, отличающиеся тематической (предметной) направленностью, уровнем и глубиной проработки используемых математических моделей, наличием пакетов исходных и расчетных данных, качеством программной реализации. Кроме того, используется значительное количество иностранных пакетов ПО, предназначенных для решения различных научных и инженерных задач. Также имеется ряд российских программных комплексов, предназначенных для проектирования перспективных, в т.ч. авиационных конструкций.

Учитывая постоянно возрастающий уровень сложности разрабатываемых ЛА, накопление большого объема расчетных, экспериментальных и фактических данных, а также общий уровень развития российского авиастроения, в настоящее время особенно актуальной является задача создания (модернизации) системы предварительного проектирования перспективных ВС и внедрение ее в ведущих научных и конструкторских организациях отрасли на условиях коллективного использования.

На наш взгляд, наиболее эффективным способом решения данной задачи является проведение работ по модернизации (совершенствованию) системы АРДИС с целью обеспечения ее соответствия современным требованиям и применения при формировании облика перспективных гражданских (коммерческих) самолетов и разработке (создании) новых авиационных конструкций.

В случае успешного проведения данных работ, обновленная (модернизированная) система могла бы использоваться при решении следующих основных задач:

1) формирование рациональных требований к перспективным гражданским (пассажирским) самолетам;
2) формирование облика (включая предварительное и техническое проектирование) будущего ЛА;
3) анализ вариантов (параметрические исследования, включая расчет и сравнение технических, экономических и эксплуатационных характеристик, оценку (сопоставление) различных компоновочных решений, а также оценку их эффективности по сравнению с существующими и перспективными ВС);
4) оценка эффективности предлагаемых к применению различных (в т.ч. перспективных) конструктивно-технологических решений (технологий).

В состав современной системы концептуального (предварительного) проектирования перспективных летательных аппаратов должны входить тематические блоки (модули), обеспечивающие решение основных задач: аэродинамическое и прочностное проектирование; интеграцию силовой установки и планера; формирование систем управления и жизнеобеспечения; расчет летно-технических, экономических и эксплуатационных характеристик; моделирование функционирования ЛА в составе авиапарка на сети авиалиний.

Система автоматизированного проектирования перспективных ЛА должна охватывать все начальные этапы проектирования – от определения рациональных требований до разработки эскизного проекта (включительно) – и обеспечивать автоматизацию основных операций, характерных для этапа предварительного (концептуального) проектирования, а также информационный обмен с предыдущими, смежными и последующими стадиями разработки проекта, в т.ч.:

• подготовку, поиск и хранение исходной информации;
• выбор параметров и проведение расчетов;
• анализ результатов расчетов;
• ввод информации, полученной в результате расчетных и экспериментальных исследований и конструкторских проработок;
• подготовку информации в объеме и форме, необходимых для разработки рабочей конструкторской документации;
• учет текущих и перспективных требований к ВС и условиям их эксплуатации, включая требования к системе ОрВД и наземной (аэродромной) инфраструктуре (сертификационные и эксплуатационные требования);
• нормированное быстродействие алгоритмов расчета;
• приемлемую точность результатов расчетов, а также возможность корректировки результатов расчетов, выполняемых в рамках отдельных (тематических) блоков (программ).

Система должна быть открытой с точки зрения решаемых задач, методов расчета и анализируемых факторов. Должна быть предусмотрена возможность обмена данными и совместной работы с имеющимися и перспективными корпоративными и коммерческими системами (продуктами). Трудоемкость использования системы должна быть минимальной, как на стадиях освоения и применения, так и на стадиях сопровождения и внесения изменений. Важным фактором является удобный и понятный для пользователя интерфейс, включая максимально возможное использование средств и методов визуализации. Основным методом взаимодействия пользователя с системой должен быть диалоговый; при этом должна быть предусмотрена возможность работы с использованием удаленных рабочих станций. Система должна быть обеспечена полной и подробной документацией по применяемым расчетным методам и программному обеспечению; сопроводительная документация должна быть доступной для понимания пользователями и специалистами различного уровня.

Разработка и внедрение данной системы позволят существенно повысить уровень и глубину проработки перспективных ВС, качество взаимодействия (кооперации) между наукой и промышленностью, эффективность государственной поддержки развития отрасли. Данная система может быть также использована в качестве инструмента, позволяющего максимально объективно оценивать (рассчитывать) эффективность и потенциальный вклад перспективных конструктивно-технологических решений (новых технологий); ее внедрение будет способствовать поиску наиболее эффективных предложений, расширению участия в разработке (создании) перспективных ВС научно-исследовательских, проектных, конструкторских и прочих организаций и коллективов.

Специалисты Технологической платформы и заинтересованных организаций неоднократно обращались к данной тематике. В 2015 году в инициативном порядке была проведена работа по анализу и систематизации информации о состоянии и возможностях развития (модернизации) системы АРДИС. По результатам данной работы были подготовлены аналитические материалы, которые были представлены в ФГУП «ЦАГИ» и ПАО «ОАК»; проведены консультации и совещания с профильными специалистами. С основными положениями данных материалов можно ознакомиться в публикации.

ПУБЛИКАЦИЯ

4-5 апреля 2018 г. В рамках Научно-технического конгресса по двигателестроению специалистами ФГУП «ЦАГИ» был представлен доклад «Комплексная оптимизация проектных параметров двигателя 6-го поколения по интегральным критериям, обеспечивающим конкурентоспособность магистрального самолета».

Данная работа была выполнена в рамках разработки (создания) перспективного российско-китайского широкофюзеляжного самолета CR 929 путем проведения расчетов с использованием программного комплекса «АРДИС».

По согласованию с коллегами из ФГУП «ЦАГИ», публикуем презентацию и тезисы данного доклада.

Презентация (ЦАГИ)

Основные тезисы:

д.т.н. В.И. Бузулук, к.т.н. Б.С. Гуревич, ФГУП «ЦАГИ им. Н.Е. Жуковского» (г. Жуковский)
А.А. Евстигнеев, ФГУП «ЦИАМ им. П.И. Баранова» (г. Москва)

Проведена комплексная оптимизация степени двухконтурности перспективного ТРДД 6-го поколения и других проектных параметров двух вариантов дальнего магистрального самолета ШФДМС по интегральным критериям, обеспечивающим конкурентоспособность гражданской авиационной техники 2030-х годов.

Методология исследований основана на обобщении и анализе расчетно-теоретического научно-технического задела, накопленного в ЦАГИ и ЦИАМ в данной области, а также на дополнительных расчетных исследованиях, в том числе с использованием программы расчета летно-технических и взлетно-посадочных характеристик воздушных судов гражданской авиации на этапе предварительного формирования облика [1].

Показано, что по мере увеличения степени двухконтурности ТРДД в диапазоне m = 10-22 удельный расход топлива уменьшается, а потребная взлетная тяговооруженность, площадь входа в двигатель, его удельная и абсолютная масса увеличиваются.

Оптимальное значение степени двухконтурности ТРДД существенно зависит от используемого критерия. Так, минимум взлетной массы G0 достигается при числе m = 13,9-14,8 и несколько сдвигается вправо при увеличении расчетной дальности. Наибольшая топливная эффективность достигается при m 18,1 и практически не зависит от расчетной дальности. Минимум прямых эксплуатационных расходов (ПЭР) достигается при числах m = 14,7-15,4.

Величина выигрыша в уменьшении G0 по сравнению с вариантом m = 10 не превышает 0,8%. Аналогичный выигрыш в уменьшении ПЭР составляет 0,65-1,05%. Выигрыш в увеличении топливной эффективности является более существенным и достигает 3,6%.

ЛИТЕРАТУРА: [1]. Бузулук В.И., Гуревич Б.С., Титоренко Л.П. Программа расчета летно-технических и взлетно-посадочных характеристик воздушных судов гражданской авиации на этапе предварительного формирования облика. ФГУП «ЦАГИ». Свидетельство о государственной регистрации № 2017612810 от 03.03.2017 г.

Обращаемся ко всем заинтересованным организациям и экспертам – направлять свои комментарии (предложения) по данному направлению (проекту).