Самолет как объект проектирования

САМОЛЕТ КАК ОБЪЕКТ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

Самолеты относятся к классу летательных аппаратов, использующих аэродинамический принцип полета. Они расходуют энергию запасенного топлива для создания движущей, подъемной и управляющих сил с помощью воздушной среды. В настоящее время это самый распространенный тип летательных аппаратов с огромным потенциалом дальнейшего развития, так как освоенная область скоростей и высот полета, в которой возможна реализация аэродинамического принципа полета, очень мала, а потребности общества в таких летательных аппаратах постоянно возрастают.

Как объект проектирования современный самолет представляет собой сложную техническую систему с развитой иерархической структурой, большим числом элементов и внутренних связей, возрастающих примерно пропорционально квадрату числа элементов. Так, планер современного широкофюзеляжного самолета состоит более чем из миллиона деталей.

В любом самолете можно выделить ряд функциональных подсистем, определяющих в совокупности его полезные свойства. Это: подсистема создания подъемной силы, подсистема, обеспечивающая устойчивость и управляемость самолета на заданной траектории, подсистема обеспечения движущей силы, подсистемы обеспечения целевой функции, жизнеобеспечения, обеспечения управления и навигации в различных условиях полета и др. Каждая из таких подсистем может включать в себя комплекс простых и сложных систем и отдельных элементов.

Расчленение самолета на подсистемы, удобное для изучения и анализа, отнюдь не означает, что они полностью автономны. Системы самолета взаимосвязаны и взаимообусловлены. Например, в настоящее время для сверхзвуковых маневренных самолетов широкое применение находят так называемые интегральные схемы, основанные на объединении крыла, фюзеляжа, силовой установки, систем управления и устойчивости с целью достижения максимальной эффективности.

Рис. 1.1. Функционально-структурная схема самолета в авиационном комплексе

С другой стороны, самолет сам по себе – это техническое устройство, средство, мертвое вне действия, вне производства. И только как элемент более сложной системы, включающей самолетные парки и летные экипажи, технические средства и персонал для подготовки самолета к полету, технические средства и персонал для обеспечения полета, самолет способен выполнять определенные задачи. Следовательно, самолет является подсистемой сложной системы более высокого иерархического уровня – авиационного комплекса, под которым понимается органическое сочетание людских и материальных ресурсов и действиями которого вырабатывается определенный полезный для общества эффект. Функционально-структурная схема самолета как элемента авиационного комплекса представлена на рис. 1.1. Авиационный комплекс, в свою очередь, является элементом транспортной системы или системы обороны страны.

Отмеченная специфика самолета диктует необходимость применения системного подхода к его проектированию. Теоретической базой такого подхода является наука – системотехника.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ И ЗАДАЧИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ. ЭТАПЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

Под проектированием самолета понимается процесс разработки технической документации, которая обеспечивает возможность промышленного изготовления нового самолета, отвечающего заданным требованиям, и позволяет осуществлять его надежную эксплуатацию в заданных условиях.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ САМОЛЕТОВ

Разработка проекта самолета требует интеграции знаний в области физики, математики, аэродинамики, устойчивости и управляемости, технологии и материаловедения, экономики, двигателестроения, черчения и конструирования, строительной механики и других прикладных и фундаментальных наук. Вместе с тем проектирование самолета не может базироваться только на сумме знаний перечисленных выше дисциплин. Это самостоятельная научно-техническая дисциплина, имеющая свою внутреннюю логику, свои законы и методы.

Ведущиеся до сих пор дискуссии о том, что же такое проектирование – наука или искусство – лишь отражают уровень наших знаний о законах, формирующих облик самолета, типы и параметры его подсистем.

Под моделью понимается такая мысленно представленная и формально описанная (абстрактная) или материально реализованная (физическая) система, которая, отображая или воспроизводя объект исследования, способна замещать его так, что ее изучение дает нам необходимую информацию об этом объекте.

Существуют два типа моделей – физические и математические.

Физические модели имеют ту же физическую природу, что и оригинал. Физическое моделирование дает наиболее полное представление об исследуемых явлениях, однако оно часто связано со значительными затратами времени и средств.

Математические модели основываются на идентичности математического описания процессов в модели и оригинале; они делятся на аналитические и численные модели.

Аналитические модели позволяют провести исследования в наиболее общем виде, однако возможности их построения ограничиваются известными трудностями, в основном связанными с необходимостью существенного упрощения рассматриваемого явления. Как правило, аналитическое моделирование применяется для анализа сравнительно несложных явлений.

Наиболее универсальный метод математического моделирования – численное, осуществляемое с помощью ЭВМ. Численное моделирование в настоящее время является основным инструментом исследования сложных систем.

Хотя процессу инженерного анализа и свойственны творческие черты, все же этот вид деятельности в основном опирается на здравый смысл и специальные знания. Он носит более узкий характер, чем изобретательство. Эти два процесса отличаются в том отношении, что изобретательство направлено на поиск возможных решений, и целью его является создание возможно большего числа альтернатив (Альтернатива – необходимость выбора между исключающими друг друга возможностями; в тексте – каждая из этих возможностей.). Инженерный же анализ направлен на изучение этих решений, и целью его является получение фактических результатов по каждой из рассматриваемых альтернатив.

Третья составляющая инженерного проектирования – принятие решений есть процесс выбора одной альтернативы из многих, наилучшей из них. Этот процесс характеризуется следующими чертами:

1) Наличие цели. Если ее нет, то не возникает потребность в принятии решения;

2) Наличие альтернативных линий поведения. Это означает, что существует несколько способов достижения цели. С различными альтернативами связаны различные вероятности успеха и различные затраты, причем не всегда достоверно известные. Поэтому принятие решения зачастую сопряжено с неопределенностью;

3) Необходимость учета существенных факторов (ограничений) – геометрических (габариты и форма устройства), весовых, прочностных, экономических и т.д.

После того, как четко сформулирована цель (определена целевая функция), необходимо составить возможно более полный перечень возможных решений, поскольку от полноты и качества этого перечня зависит качество решения. После этого составляется перечень существенных ограничений, которые должны быть учтены при принятии решения. Процесс принятия решения, как правило, многошаговый, в котором каждый последующий шаг сужает область поиска, ограничивая как число возможных вариантов решения задачи, так и число факторов, которое следует учитывать. Это весьма трудоемкий процесс, соединяющий в себе науку и искусство. Поэтому очень важно уметь приводить сложный процесс принятия решения к задаче, которую можно решать с помощью математических методов с использованием ЭВМ. Это достигается, если принятие решения основывается на исходных количественных факторах, то есть когда этот процесс удается формализовать. В этом случае принятие решения базируется на количественных методах оптимизации. Представив поставленную цель в виде целевой функции γ = γ (х₁, х₂,..., х_n), где х₁, х₂,..., х_n – независимые параметры, определяющие характеристики проектируемого объекта, можно свести задачу принятия решения к оптимизационной задаче отыскания экстремума целевой функции.

При подготовке и принятии решения проектировщик сталкивается с необходимостью компромиссного выбора или, иными словами, с поиском условного оптимума. К тому же очень часто исходные факторы носят не количественный, а качественный характер, что затрудняет поиск оптимума. При этом инженеру часто приходится принимать решения и двигаться дальше, не будучи уверенным в том, что принимаемое им решение является наилучшим. Альтернатива, возможно, пригодная лишь на первый случай, должна быть принята, прежде чем ее можно будет проанализировать и оптимизировать. Поэтому среди качеств, необходимых инженеру-проектировщику, не последнюю роль играет способность принимать решение в сложных ситуациях.

Анализ проектирования как творческого процесса позволяет квалифицировать его как итерационный процесс, в котором три его составляющих неразрывно связаны. Общая схема этого процесса представлена на рис. 2.2.

Рис. 2.2. Схема процесса проектирования.

Существенным в этой схеме является то, что синтез новых технических объектов осуществляется на основе многократного повторения анализа для различных вариантов проектных альтернатив (наборов входных параметров).

Оптимизация в процессе проектирования играет двоякую роль, обеспечивая, с одной стороны, определение в рамках выбранной альтернативы наивыгоднейшего сочетания проектных параметров и, с другой стороны, – выявление наилучшей, в известном смысле, альтернативы из рассматриваемых.

САМОЛЕТ КАК ОБЪЕКТ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

Самолеты относятся к классу летательных аппаратов, использующих аэродинамический принцип полета. Они расходуют энергию запасенного топлива для создания движущей, подъемной и управляющих сил с помощью воздушной среды. В настоящее время это самый распространенный тип летательных аппаратов с огромным потенциалом дальнейшего развития, так как освоенная область скоростей и высот полета, в которой возможна реализация аэродинамического принципа полета, очень мала, а потребности общества в таких летательных аппаратах постоянно возрастают.

Как объект проектирования современный самолет представляет собой сложную техническую систему с развитой иерархической структурой, большим числом элементов и внутренних связей, возрастающих примерно пропорционально квадрату числа элементов. Так, планер современного широкофюзеляжного самолета состоит более чем из миллиона деталей.

В любом самолете можно выделить ряд функциональных подсистем, определяющих в совокупности его полезные свойства. Это: подсистема создания подъемной силы, подсистема, обеспечивающая устойчивость и управляемость самолета на заданной траектории, подсистема обеспечения движущей силы, подсистемы обеспечения целевой функции, жизнеобеспечения, обеспечения управления и навигации в различных условиях полета и др. Каждая из таких подсистем может включать в себя комплекс простых и сложных систем и отдельных элементов.

Расчленение самолета на подсистемы, удобное для изучения и анализа, отнюдь не означает, что они полностью автономны. Системы самолета взаимосвязаны и взаимообусловлены. Например, в настоящее время для сверхзвуковых маневренных самолетов широкое применение находят так называемые интегральные схемы, основанные на объединении крыла, фюзеляжа, силовой установки, систем управления и устойчивости с целью достижения максимальной эффективности.

Рис. 1.1. Функционально-структурная схема самолета в авиационном комплексе

С другой стороны, самолет сам по себе – это техническое устройство, средство, мертвое вне действия, вне производства. И только как элемент более сложной системы, включающей самолетные парки и летные экипажи, технические средства и персонал для подготовки самолета к полету, технические средства и персонал для обеспечения полета, самолет способен выполнять определенные задачи. Следовательно, самолет является подсистемой сложной системы более высокого иерархического уровня – авиационного комплекса, под которым понимается органическое сочетание людских и материальных ресурсов и действиями которого вырабатывается определенный полезный для общества эффект. Функционально-структурная схема самолета как элемента авиационного комплекса представлена на рис. 1.1. Авиационный комплекс, в свою очередь, является элементом транспортной системы или системы обороны страны.

Отмеченная специфика самолета диктует необходимость применения системного подхода к его проектированию. Теоретической базой такого подхода является наука – системотехника.