Типы проектных моделей самолета

В соответствии с методологией системного проектирования бессмысленно пытаться разработать некую универсальную модель проектирования самолета, охватывающую все типы задач, связанных с разработкой проекта. Типы моделей, их полнота и достоверность зависят как от этапа разработки проекта, постановки задачи проектирования, так и от типа разрабатываемого самолета.

Рис. 2.4. Технико-экономические характеристики пассажирского самолета

При разработке проектных моделей самолета используется блочный принцип моделирования. Суть этого принципа заключается в том, что отдельные группы связей, характеризующие геометрические, весовые, аэродинамические, экономические, компоновочные и другие свойства самолета, объединяются в отдельные системы уравнений – блоки. Достоинством такого подхода является возможность параллельной разработки модели специалистами, компетентными в определенных областях, большая гибкость в построении расчетных моделей при различных постановках задачи проектирования, а также определенные преимущества при программной реализации моделей для решения задачи на ЭВМ.

На этапе «внешнего» проектирования, где роль математического моделирования особенно велика, в основном используются модели эффективности и экономические модели, описывающие функционирование большого числа различных систем и элементов – от систем административного управления до отдельных технических устройств. Так, например, на этапе «внешнего» проектирования транспортного самолета рассматривается модель всей системы воздушных перевозок, включающая субмодели существующего и прогнозируемого грузооборота (распределение грузов по массе, габаритам, по временной и пространственной шкалам); субмодели, имитирующие пропускную способность аэропортов и возможности аэродромных служб, служб управления воздушным движением, ремонтно-эксплуатационной базы; субмодели, описывающие программу серийного производства вновь создаваемого самолета с учетом ее реализуемости промышленностью и т.д. Самолет в этих моделях представляется набором технико-экономических характеристик, пример графического представления которых дан на рис. 2.4. Экономические характеристики самолета моделируются зависимостью себестоимости авиаперевозок от дальности полета a (L), коп/(т×км). Техническое функционирование самолета на авиалинии моделируется зависимостями массы коммерческой нагрузки и рейсовой скорости от дальности. На графике также приведена зависимость взлетной массы от дальности полета. В задачах «внешнего» проектирования независимыми переменными (параметрами) являются летно-технические характеристики самолета, а критерии оптимальности формируются из характеристик системы в целом (степень эффективности выполнения поставленной задачи при ограниченных ресурсах). В рассматриваемом примере транспортной системы определяются такие характеристики, как общее количество самолетов (потребный парк), диапазон дальностей полета, крейсерская скорость, грузоподъемность, длина взлетно-посадочной полосы и некоторые другие, позволяющие сформулировать ТЗ на проектирование.

Как правило, на этом уровне весовые характеристики самолета моделируются относительной величиной массы пустого снаряженного самолета; аэродинамические – полетным аэродинамическим качеством; характеристики силовой установки – удельным расходом топлива. Все эти характеристики определяются на основе статистической обработки данных по прототипам с учетом прогноза развития к определенному сроку.

Модели самолета, используемые на этапах «внутреннего» проектирования, отличаются гораздо большей степенью детализации и полнотой учета разнообразных факторов, влияющих на выбор проектно-конструкторских решений.

В соответствии с блочным принципом моделирования отдельные группы отношений между параметрами и характеристиками самолета, отражающие различные стороны его структуры и функционирования и базирующиеся на различных научно-технических дисциплинах, объединяются в ряд субмоделей.

Назовем основные из них:

– Геометрические модели описывают отношения между параметрами самолета и характеристиками его формы и размеров. С их помощью по выбранной компоновочной схеме и некоторым обобщенным параметрам определяется геометрия самолета – его обводы, площади, объемы, сечения крыла, оперения и фюзеляжа. Данные этой модели используются для весовых, аэродинамических и прочностных расчетов, компоновки самолетов, графического отображения результатов проектирования, а также разработки технологической оснастки и программ для станков с числовым программным управлением.

– Весовые модели объединяют систему отношений между геометрией самолета и особенностями его конструктивно-силовой схемы, структурой и размещением оборудования и снаряжения, условиями нагружения и массой всего самолета и отдельных его элементов.

– Аэродинамические модели связывают геометрию самолета и его аэродинамические характеристики (коэффициенты аэродинамического сопротивления, подъемной силы, моментов и величины сил и моментов для различных условий полета).

– Модели силовой установки описывают отношения между габаритами, рабочими параметрами двигателя и его тягой и расходом топлива для различных условий полета.

– Динамическая модель самолета описывает его летные и маневренные характеристики (диапазон скоростей, дальность, скороподъемность, потолок и т.д.) в функции его аэродинамических, весовых характеристик и характеристик силовой установки.

– Модели устойчивости и управляемости связывают характеристики статической и динамической устойчивости и управляемости самолета относительно трех осей с его аэродинамическими, весовыми (инерционными) и геометрическими характеристиками.

– Прочностные модели позволяют выявить связи между аэродинамическими, весовыми и геометрическими характеристиками самолета и характером нагружения силовых элементов конструкции, уровнем напряжения в них и величинами деформации.

– Модели компоновки и центровки позволяют произвести взаимную пространственную увязку основных компонентов самолета. Они отражают сложные связи характеристик устойчивости и управляемости, аэродинамических и весовых с характеристиками, диктуемыми эксплуатационными и другими требованиями.

– Экономические модели отражают связи технических параметров самолета с затратами на его проектирование, изготовление и эксплуатацию.

Перечисленные модели базируются на различных методах весового, аэродинамического расчета самолета, прочностных расчетов и расчетов устойчивости и управляемости, расчетов силовой установки и т.д. Применение тех или иных методов, отличающихся степенью точности, зависит от стадии разработки проекта и типа решаемой задачи. При этом решающими факторами, определяющими выбор того или иного метода, является, с одной стороны, наличие исходной информации, позволяющей применить для решения рассматриваемой задачи тот или иной метод, и, с другой стороны, целесообразные масштабы модели. При этом учитываются затраты машинного времени при реализации задачи на ЭВМ и трудоемкость обработки и анализа результатов расчета за приемлемое время. Поскольку информация о проектируемом объекте появляется в процессе проектирования по мере углубления детализации проработки проекта, модели проектирования самолета развиваются и уточняются как на различных этапах проектирования, так и внутри каждого этапа.

На начальном этапе проектирования, когда информация о проектируемом самолете в основном ограничена его потребными характеристиками и прошлым опытом проектирования самолетов аналогичного назначения, применяются полуэмпирические методы расчета самолета, базирующиеся на упрощенных теоретических формулах и аппроксимации, отражающих важнейшие параметрические связи. В некоторых случаях в эти формулы вводят поправочные коэффициенты, получаемые на основе обработки статистического и экспериментального материала.

Так, в основе методов весового расчета лежит вычисление с помощью приближенных параметрических уравнений массы материала силовых конструкций, воспринимающих изгибающий момент и перерезывающую силу. Масса остальных элементов (стыковые узлы, вырезы, механизация и т.д.) определяется с помощью статистических зависимостей и эмпирических коэффициентов, принятых по характеристикам реальных конструкций.

Предварительные методы аэродинамического расчета базируются на упрощенных теоретических формулах, связывающих аэродинамические характеристики наиболее крупных частей самолета (крыла, фюзеляжа, гондол двигателей, оперения) с основными геометрическими параметрами этих агрегатов (λ, с, χ, η, λ_ф, S_мид,...), а также числом Μ полета. Интерференция учитывается приближенно с помощью эмпирических соотношений, полученных по результатам эксперимента.

Упрощенный подход к определению характеристик силовой установки состоит в аппроксимации тяг и удельных расходов Р, С_Р = f (Μ, Η, n_др,...), рассчитанных достаточно строгими теоретическими методами для семейства однотипных двигателей, имеющих одинаковый уровень технического совершенства. Полученные в результате аппроксимации простые параметрические соотношения затем корректируются в соответствии с характеристиками силовых установок реальных самолетов.

Достаточно хорошо разработаны инженерные методы расчета летных характеристик самолета и оценок эффективности.

Наименее изучены методы математического описания компоновки самолета, особенно «внутренней» компоновки. Это объясняется трудностью формализации учета весьма большого числа факторов, учитываемых в процессе компоновки самолета.

Применение перечисленных выше методов в рамках единой модели позволяет осуществлять поиск комбинаций параметров, формирующих облик самолета. Когда определены параметры самолета первого приближения, появляется возможность уточнить расчетную модель путем использования более строгих теоретических зависимостей, отражающих физику моделирующих процессов, а также возможность учета дополнительных факторов, информация о которых появилась в процессе разработки проекта.

Отметим, что при разработке принципиально новых самолетов, то есть в условиях отсутствия прошлого опыта либо результатов предварительных исследований, без физического моделирования задача формирования облика самолета подчас становится неразрешимой. Имея модель, адекватно отображающую реальный объект, можно перейти к решению задач, связанных с поиском допустимых или оптимальных параметров проектируемого объекта.

Как следует из приведенного выше краткого описания методологии системного проектирования, практическая реализация ее невозможна без широкого применения ЭВМ. Эта методология стимулировала развитие методов автоматизированного проектирования и конструирования на базе систем автоматизированного проектирования.