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.

ПРОЕКТИРОВАНИЕ – ТВОРЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС

Целью инженерного проектирования является разработка и создание новых, ранее не существовавших объектов, процессов или систем. Хотя эта цель может быть достигнута на основе использования известных элементов либо принципов, всегда требуется творческий поиск такого сочетания этих элементов и процессов новым, оригинальным способом, который бы приводил к достижению новых качественных либо количественных результатов.

Задачи и связь инженерного проектирования с другими видами творческой деятельности могут быть пояснены с помощью схемы, представленной в табл. 2.1.

Таблица 2.1.

Место инженерного проектирования в ряду других видов научно-технической деятельности

Дано	Найти	Процесс
Воздействие на вход, законы природы, система или элемент	Выход	Анализ (дедукция)
Выход, законы природы, система или элемент	Воздействие на вход	Инверсный анализ
Воздействие на вход, выход, система или элемент	законы природы	Научные исследования (индукция)
Воздействие на вход, выход, законы природы	Система или элемент	Инженерное проектирование

Из этой схемы следует, что если представить проектируемый объект в виде «черного ящика», который при известных ограничениях, определяемых физическими законами, преобразует заданную на входе информацию в желаемые характеристики на выходе, то задачей инженерного проектирования является освещение содержания этого «ящика», то есть определение тех средств и путей, которые кратчайшим путем ведут к цели.

Инженерное проектирование, в свою очередь, можно подразделить на три составляющих: – изобретательство, – инженерный анализ, – принятие решений.

Изобретательство – это творческий процесс, направленный на разработку новых полезных идей и принципов для решения инженерных задач. Потребность в изобретательстве тем острее, чем выше требования к характеристикам проектируемого объекта. Известно, например, что преодоление самолетом звукового барьера стало возможным лишь после изобретения турбореактивного двигателя и стреловидного крыла.

Изобретательство, базирующееся на способности человека к абстрактному мышлению, требует от инженера широкой эрудиции, умения связывать между собой разнообразные факты и явления, умения преодолевать психологическую инерцию. Хотя существуют некоторые приемы и методы совершенствования изобретательности, все же изобретательство почти целиком относится к области эвристики. Естественно поэтому, что этот компонент инженерного проектирования трудноформализуем.

Изобретательство сопутствует всему процессу проектирования, однако наиболее ярко оно проявляется на его начальных этапах, когда формируется основная идея, замысел будущего объекта (его концепция). При проектировании самолетов именно на основе изобретательских идей главного конструктора зачастую определяется общая концепция будущего самолета.

После выбора концепции, определяющей возможный вариант решения стоящей задачи, ее необходимо проверить на соответствие физическим законам и различным ограничениям. Такая проверка называется анализом.

Инженерный анализ – это получение имеющих смысл ответов на вопросы инженерного характера за приемлемое время и при допустимых затратах. Пронизывая весь процесс проектирования, он обеспечивает на разных этапах разработки проекта выбор пути решения задачи, выбор структуры системы и технических средств ее реализации, разработку схем, конструкций. В основе инженерного анализа лежит сравнение и выбор вариантов технических решений для достижения поставленных целей проектирования.

Общая схема процесса инженерного анализа показана на рис. 2.1. Как следует из схемы, особое место в процессе инженерного анализа занимает моделирование.

Рис. 2.1. Схема процесса инженерного анализа

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.