Вскоре заказчики будут получать не только готовое воздушное судно, но и полноценную детализированную цифровую модель самолета, непосредственно связанную с его регистрационным номером и отражающую функционирование всех его систем. Созданная в процессе проектирования авиалайнера цифровая модель будет сопровождать воздушное судно на протяжении всего его жизненного цикла. Информация, полученная в процессе моделирования, будет сравниваться с данными, зафиксированными в режиме реального времени, чтобы выявить различные отклонения, спрогнозировать необходимость проведения технического обслуживания и остаточный ресурс самолета…
Цифровой близнец реального самолета – это один из способов продвижения современных технологических новшеств на новый уровень, начиная от процесса проектирования посредством виртуального моделирования и летных испытаний до сертификации воздушного судна на основе полученных в процессе моделирования данных. Для достижения поставленной цели потребуются значительные государственные и отраслевые инвестиции на разработку и совершенствование различного инструментария, такого как средства вычислительной гидродинамики (CFD) для моделирования аэродинамики и методы конечных элементов (FEM) для моделирования конструкции будущего самолета.
За последние 50 лет вычислительная инженерия достигла значительных успехов, но для полноценного моделирования воздушного судна и его двигателей в цифровом виде необходимо дальнейшее развитие программного обеспечения. “Для использования CFD на всех этапах полета на протяжении всего процесса проектирования необходимы значительные инвестиции, – говорит Джеффри Слотник, технический советник Boeing по вычислительным технологиям и аэродинамике. – В конце 1980-х – начале 1990-х годов наблюдался высокий рост инвестиций в CFD, и мы получили на этом огромную прибыль. В середине 1990-х годов поток инвестиций прекратился, и в течение следующих 20 лет происходил процесс валидации данной технологии”.
“Когда я присоединился к компании Boeing 36 лет назад, технология CFD была сравнительно очень молодой. Тогда мы могли проектировать только крыло ВС, без расчета двигателей и винглетов, – говорит Роберт Грегг, главный аэродинамик подразделения Boeing Commercial Airplanes. – Постепенно мы пришли туда, где находимся сегодня, когда использование аэродинамической трубы необязательно для оценки силы воздушного сопротивления. Решения принимаются посредством CFD для полностью интегрированного самолета”.
По словам Роберта Грегга, с момента создания первого поколения гражданских авиалайнеров эффективность аэродинамики самолетов повысилась на 40%; также на 40% увеличилась эффективность силовых установок. “Наверное, половина этих улучшений достигнута за счет применения CFD, – объясняет он. – Мы также использовали средства CFD для сокращения времени испытаний в аэродинамической трубе”. Например, время испытаний в аэродинамической трубе для самолетов Boeing-777 по сравнению с B767 было снижено на 25%, для B787 по сравнению с B767 – на 85%.
Значительно сократилось и количество испытаний в аэродинамической трубе моделей крыла самолетов. В 1980 г. в рамках проекта B767 были проведены испытания 77 образцов, а по программе B777 в 1995 г. эта цифра снизилась до 11 образцов. Но с того времени количество испытаний образцов крыла остается постоянным.
“Чем больше инженеры вникают в детализированную аэродинамику, тем более углубленным становится проектирование отдельных компонентов, – говорит Стивен Морфорд, главный инженер по анализу систем и аэродинамике компании Pratt & Whitney. – Современные двигатели могут похвастаться общей степенью сжатия от 40:1 до 50:1, причем количество ступеней на 10-15% меньше по сравнению с двигателями, которые изготавливались 20 лет назад и имели степень сжатия 30:1”.
“Использование CFD позволяет быстрее и без существенных ошибок достичь поставленных целей”, – подчеркивает Морфорд. Например, в процессе разработки редукторных турбовентиляторных двигателей PW1000G компания Pratt & Whitney использовала только два испытательных стенда вместо 40 стендов, которые были задействованы в разработке семейства двигателей PW4000 в 1980-1990 гг. Использование CFD при проектировании камер сгорания позволило на 75% сократить количество испытаний и на 60% – выброс вредных веществ в атмосферу.
Но восприятие CFD в авиационной отрасли не совсем однозначно. “Средства CFD – один из решающих факторов успеха, – подчеркивает Морфорд. – Без них мы бы не смогли спроектировать самолет или силовую установку. По крайней мере это было бы очень трудно. Таковы плюсы. Что касается минусов, то можно сказать, что мы не всегда получаем правильные ответы на вопросы. Как определить – получили мы правильную информацию посредством CFD или нет? Благодаря успешному применению CFD в прошлом, мы стали активнее использовать эти методы при проектировании новых двигателей. Сейчас на разработку двигателей уходит гораздо меньше времени, примерно на 25%, но когда мы получаем неверные результаты компьютерного моделирования, такая ошибка обходится очень дорого”.
Однако при проектировании двигателей есть ряд ограничений на использование CFD. “Нерасчетные ситуации приводят нас к определенным проблемам, – говорит Стивен Морфорд. – При изучении поведения камеры сгорания в условиях взлета или полета на крейсерской высоте химические процессы смешивания топлива с воздухом настолько быстры, что все ограничено исключительно аэродинамикой, и здесь проблем с компьютерным моделированием не возникает. Но если говорить о запуске двигателя на большой высоте в условиях низкого давления и низкой температуры окружающего воздуха, то тут уже появляется вопрос: можно ли воспламенить топливо? Такие требования предъявляет процесс сертификации, и на сегодняшний день это не поддается компьютерному моделированию”.
Другая проблема – это скорость. Как отмечает Морфорд, для моделирования поведения отдельных элементов проектируемого самолета не хватит вычислительной мощности даже всех компьютеров мира. В числе других ограничений использования CFD отмечается невозможность анализа аэроакустики, термоакустической нестабильности, а также расчета параметров теплопередачи.
Для реализации проекта виртуального самолета Airframe Digital Twin, разрабатываемого Научно-исследовательской лабораторией ВВС США (AFRL), необходима интеграция различных физических закономерностей и аналитического инструментария. Цифровой близнец – это интегрированная мультифизическая многошкальная вероятностная модель самолета, в которой физические модели обновляются за счет получения информация с датчиков, расположенных на реальном самолете и регистрирующих состояние воздушного судна, его техническое обслуживание и историю полетов.
Модель является виртуальной копией реального самолета и позволяет непрерывно прогнозировать техническое состояние ВС и его остаточный ресурс. С помощью данной модели можно также спрогнозировать вероятный отклик реального самолета на критические ситуации и возникновение ранее неизвестных проблем.
Предполагается, что цифровой близнец будет включать точные модели самолета и его компонентов, начиная от моделирования отклика структурных элементов на действие аэродинамических сил и заканчивая молекулярной динамикой и процессом трещинообразования, включая дефекты материалов и производственный брак. Система управления техническим состоянием воздушного судна постоянно контролирует аэродинамические и другие нагрузки, а также измеряет ухудшение технического состояния самолета, например, за счет контроля напряжения материала в зоне усталостной трещины или отслоения в композитном материале.
Информация с бортовых датчиков используется для обновления физических моделей, заложенных в основу проекта. Предполагается, что цифровую модель самолета можно будет использовать для проведения виртуальных летных испытаний. По мнению представителей AFRL и Национального аэрокосмического агентства США (NASA), данную систему даже можно будет использовать и для проведения цифровой сертификации воздушного судна.
AFRL приступила к реализации программы Digital Twin Spiral 1 в конце прошлого года, предоставив контракты на $20 млн. компаниям General Electric Global Research и Northrop Grumman Aerospace Systems. Специалисты Northrop стремятся разработать прогностическую и вероятностную модель реального самолета, которая позволит повысить качество прогнозирования образования усталостных трещин. Она объединит современную модель летных нагрузок, модель обнаружения повреждений и вероятностный анализ надежности планера. Предложенный метод будет проверен в ходе двух полномасштабных экспериментов, которые будут завершены к 2020 г.
Немецкий аэрокосмический центр DLR реализует программу Digital-X, направленную на моделирование полета воздушного судна в виртуальном пространстве. Первичной целью проекта является разработка программного обеспечения для анализа поведения самолетов и вертолетов на основе высокоточных методов моделирования. Руководство DLR считает, что методы высокоточного числового моделирования являются ключевым фактором для надежного и эффективного проектирования будущих самолетов.
“Методы CFD претерпели значительное развитие за последние 35 лет, – говорит Хорд Россоу, директор Института DLR по аэродинамике и потоковым технологиям. – Они служат дополнением к испытаниям в аэродинамической трубе и летным испытаниям, и в принципе их можно признать зрелым инструментом для анализа конфигурации на различных этапах полета. Проект так называемого X-craft направлен на моделирование поведения самолета на протяжении всего полета, а значит, нам нужно заняться моделированием всех физических процессов, с которыми приходится сталкиваться во время полета”.
Какой будет отдача? По словам Россоу, это сокращение времени и затрат на проектирование новых самолетов, а также снижение рисков. Кроме того, высокоточное числовое моделирование позволит еще на этапе реализации проекта рассмотреть на ранней стадии требования к производственному процессу. “Можно попробовать смоделировать первый полет на компьютере, чтобы получить первичную информацию об особенностях работы и точности управления воздушным судном, – говорит Россоу. – В результате будет сэкономлено время и деньги”.
Он также отмечает возможность использования цифрового моделирования в рамках программ по сертификации самолетов. В частности, CFD можно использовать в качестве дополнительного инструмента в ходе сертификации, с помощью которого можно в короткие сроки проверить различные ситуации. Как ожидается, моделирование будет играть все более и более важную роль в получении данных, необходимых для проведения сертификации нового двигателя или самолета, сокращения затрат денежных средств и времени на их разработку, но реальные подтверждения все же остаются необходимыми, поэтому испытания в аэродинамической трубе и летные испытания по-прежнему очень важны. (Авиатранспортное обозрение/Машиностроение Украины и мира)