Некоторые особенности проектирования современных самолетов

Еще недавно процесс проектирования в основном заключался в выборе схемы и основных геометрических параметров самолета и выполнялся небольшой группой проектировщиков. Так, например, предварительная проработка проекта самолета Локхид F-104 (50-е годы) потребовала участия всего десяти конструкторов, четырех специалистов в области аэродинамики и небольшого числа других специалистов. Разработка опытного самолета заняла всего 1 год и была выполнена коллективом, насчитывавшим менее 100 человек.

Эволюция в развитии основных параметров и характеристик самолета сопровождалась постоянным усложнением не только конструкции и общей компоновки планера и силовой установки, но и всех его систем.

Самолеты выпуска 70-х годов существенно сложнее самолетов аналогичного назначения 50-х годов. Соответственно выросли и трудоемкость их изготовления, и время, затрачиваемое на создание. Практикой доказано, что время, необходимое для исследований в аэродинамических трубах, затраты человеческого труда и потребный объем вычислений для создания перспективных самолетов возрастают по экспоненциальному закону. Продолжительность разработки самолета (до первого полета опытного образца) составляет в среднем 3...4 года, а при разработке принципиально новых самолетов, не имеющих прототипов (ХВ-70, «Конкорд», «Харриер»), это время увеличивается более чем вдвое, достигая 8...10 лет. Время до первого полета серийного образца составляет от трех до восьми лет, а в ряде случаев и более («Мираж» F.1, «Харриер» – 10...11 лет, «Конкорд» – 14 лет).

Вследствие увеличения потребных ресурсов человеческого труда и машинного времени, необходимого на разработку конструкции, постоянно возрастает число специалистов, участвующих в создании самолетов. По зарубежным данным, трудозатраты в человеко-часах (чел.-ч) на разработку 1 кг массы конструкции самолета возросли с 40...5 чел.-ч/кг в начале пятидесятых годов до 25...30 чел.-ч/кг в настоящее время.

Все это вызывает увеличение расходов на создание самолетов. Тенденция изменения стоимости разработки и цены одного экземпляра самолета за последние 40 лет показана на рис. 1.4.

Рис. 1.4. Изменение стоимости разработки и цены одного самолета по годам:

–––– стоимость разработки самолета; – – – цена одного самолета.

Планируемые и истинные величины стоимости и времени проектирования и изготовления, как правило, существенно отличаются. Это объясняется ограниченными возможностями человека обрабатывать огромные потоки информации, принимать решения в условиях большой неопределенности, вызванной невозможностью достаточно глубокой проработки всех вопросов, связанных с проектированием и изготовлением самолета на различных этапах его разработки.

Привлечение к разработке современного самолета большого числа людей, все более узко специализированных в отдельных областях знаний, превращает организацию их целенаправленной деятельности в сложную проблему.

При современных все ускоряющихся темпах научно-технического прогресса динамика процесса проектирования является одной из важнейших его характеристик и всемерное сокращение сроков проектирования становится одним из главных требований. Действительно, при увеличении сроков проектирования новизна и оригинальность решений, используемых в проекте, теряются. Еще не будучи реализованным, проект может морально устареть и потерять смысл.

Чтобы обеспечить гарантию успеха программы создания современного самолета в условиях ограниченных материальных ресурсов и сроков разработки, нужна более высокая степень точности прогнозирования характеристик самолета при его проектировании. Это одна из трудноразрешимых задач разработки обширных и сложных авиационных программ.

В настоящее время наметились следующие пути преодоления отмеченных выше сложных проблем. Одним из путей повышения точности прогнозирования, а следовательно, снижения риска из-за принятия необоснованных решений, является более широкое проведение научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по перспективным направлениям авиастроения. Целью таких работ является создание научно-технического задела. По зарубежным данным для создания конкурентоспособного самолета, который бы не устарел к моменту начала его эксплуатации, необходимо использовать в его разработке от 50 до 150 новых технических решений. При этом важно, чтобы не менее 2/3 из них были отработаны и проверены уже к началу проектирования. В этих условиях также возрастает роль моделирования, полунатурных и натурных экспериментов на возможно более ранних этапах разработки проекта. Например, можно испытать новый двигатель или какую-либо систему самолета, установив их на серийный самолет или летающую лабораторию. Это тем более важно, что циклы создания отдельных подсистем самолета, например планера и двигателя, значительно отличаются.

Второй путь связан с разработкой и использованием фундаментальных методов анализа и принятия решений на базе математических моделей, адекватно отображающих характер и закономерности исследуемых объектов и процессов. Реализация этого направления в значительной степени связана с дальнейшим развитием теории проектирования самолетов, а также с применением ЭВМ в их проектировании.

В настоящее время с целью сокращения сроков и стоимости разработки проекта при одновременном повышении качества проектирования ставится задача использования ЭВМ и средств машинной графики при решении всех задач проектирования, не связанных с проявлением неповторимых человеческих качеств (интуиция, воображение, исследовательские способности).

Известно, что проектирование сложного технического объекта – итерационный процесс последовательного приближения к заданным или оптимальным характеристикам. Широкое применение ЭВМ позволит существенно расширить вариантность проектирования, степень приближения к наилучшему решению за более короткое время, т.е. повысить качество проектирования и снизить сроки разработки проекта. Схематично это иллюстрируется графиком, представленным на рис. 1.5.

Рис. 1.5. Преимущества автоматизированного проектирования:

–––– обычные методы проектирования; – – – автоматизированное проектирование;

А – выигрыш во времени; В – выигрыш в качестве.

Разработка теоретических основ проектирования, значительные успехи в области вычислительной техники позволяют говорить о возможности автоматизации большинства операций процесса проектирования в ближайшем будущем. Успехи, достигнутые в разработке методов, алгоритмов и программ расчета аэродинамических, весовых, прочностных характеристик, параметров силовых установок, оценок летно-технических, экономических и эффективностных данных, уже привели к созданию целого ряда комплексных программ и автоматизированных систем проектирования самолетов, применяемых на различных этапах разработки проекта.

Использование ЭВМ при разработке проектов самолетов оказывает влияние на организацию процесса проектирования, предъявляет новые требования к квалификации проектировщиков. От них теперь требуется не только знание физических процессов, обусловливающих создание самолета, его эксплуатацию, но и знание математических приемов, позволяющих формализовать эти процессы, то есть представить их в виде, позволяющем получить требуемое решение на ЭВМ.