Сверхзвуковой пассажирский лайнер, скоростной вертолет, орбитальный самолет – облики этих перспективных летательных аппаратов (ЛА) были определены с помощью автоматизированной системы многодисциплинарного проектирования «Архитектор», разработанной специалистами Центрального аэрогидродинамического института им. Н.Е. Жуковского (ЦАГИ). Об уникальном программном комплексе и найденных с его помощью решениях на заседании Бюро Отделения энергетики, машиностроения, механики и процессов управления РАН рассказали генеральный директор ЦАГИ, член-корреспондент РАН Кирилл Сыпало и научный руководитель ЦАГИ, академик РАН Сергей Чернышев.

Создание автоматизированной системы многодисциплинарного проектирования ЛА «Архитектор» ведется в ЦАГИ с 2019 года.

«Идеология „Архитектора” объединяет людей науки, которые больше занимаются жизненным циклом технологий, и конструкторов, которые занимаются жизненным циклом изделий, – рассказывает Кирилл Сыпало. – Поскольку мы планируем работать в одной программной среде, то нам будет очень удобно передавать друг другу решения. «Архитектор» заставляет нас, ученых, разговаривать на языке конструкторов, а конструкторов – услышать предупреждения о тех дефицитах требований, в том числе и технологических, которые мы, как ученые, видим. В принципе, так происходило всегда, но теперь мы делаем это, соотносясь с конкретными численными показателями».

Традиционная схема проектирования ЛА предполагает решение изолированных задач на основе каждой отдельной дисциплины – аэродинамики, прочности, акустики и т. д. с последующей попыткой умозрительной интеграции полученных решений в ЛА. В результате разработчики практически всегда сталкиваются с несоответствием конечного изделия исходным требованиям, что ведет к дальнейшей дорогостоящей и длительной доработке или, как вариант, к серийному выпуску недоработанного изделия. Система «Архитектор» предлагает более гибкий подход (см. рис. выше).

На начальном этапе будущий авиационный комплекс формализуется по 7 критериям: целевая, весовая, энергетическая, динамическая, экологическая, экономическая эффективности и уровень безопасности. Задача – найти оптимальное множество доступных значений характеристик ЛА, удовлетворяющих этим критериям. При этом на практике довольно часто возникает ситуация, когда исходные критерии не выполняются. Здесь возможна либо корректировка базовых критериев и требований, либо выявление дефицита требований по отдельным технологиям. Наличие такого дефицита говорит о необходимости проведения поисковых исследований. Это, пожалуй, самый важный результат стадии функционального проектирования.

«При традиционном подходе проектирование велось так, будто все детерминировано: масса известна, моменты инерции известны, аэродинамические характеристики известны, – говорит Кирилл Сыпало. – Комплекс «Архитектор» позволяет создать оптимальный облик будущего ЛА с учетом всех неопределенностей. Ведь на самом деле при проектировании мы имеем дело не с конкретными значениями характеристик, а с диапазонами их реализаций, и нам очень важно показать конструктору риски, потому что если доверительный интервал получается очень широким, то мы, скорее всего, не получим желаемого. Все это осуществляется в полуавтоматическом режиме с участием конструктора». (На рис. выше демонстрируется графическое представление доверительных диапазонов различных параметров в системе «Архитектор» в виде наглядной диаграммы, по которой можно сразу увидеть узкие места проекта).

Использование этого подхода позволяет в 1,5-2 раза сократить сроки разработки проектов и, самое главное, позволяет избежать самых дорогостоящих ошибок – ошибок на ранних этапах проектирования, на этапе формирования концепции и облика будущего ЛА. Руководители ЦАГИ показали несколько примеров перспективных концепций, сформированных с использованием системы «Архитектор».

Воздушный лайнер завтрашнего дня

«На основе решения задачи системного проектирования было выяснено, что для современной авиатранспортной системы, особенно в условиях импортозамещения, нам требуется принципиально новый самолет с увеличенной до 8000 км дальностью и вместимостью 150–160 человек, – говорит Кирилл Сыпало. – Это позволило нам сформировать ряд компоновочных решений достаточно прорывного интегрального вида для магистрального и регионального самолетов». (См. рис. выше.)

Существенное снижение уровня экологического воздействия и стоимости авиационного билета будет достигнуто за счет использования распределенных гибридных и полностью электрических силовых установок, а также металлокомпозитных конструкций на бионических принципах. В результате весовая отдача должна возрасти на 12 % при сохранении аэродинамических характеристик самолета.

Помимо перспективных ЛА программный комплекс «Архитектор» используется и при научном сопровождении существующих проектов.

   

«Мы столкнулись с проблемой преждевременных усталостных повреждений горизонтального оперения регионального самолета, обусловленных чисто аэродинамическими явлениями, а именно – вихрями, которые возникают при отклонении взлетно-посадочной механизации и включении реверса на этапе посадки, что приводит к достаточно серьезным нестационарным колебаниям хвостовой части и, естественно, уменьшению ресурса, – говорит Кирилл Сыпало. – Мы сформировали рекомендации совершенно разного уровня, начиная от серьезной переработки проекта самолета с достаточно большим, до 7 лет, сроком внедрения до самых простых способов изменения алгоритмов посадки, которые обеспечивают действительно серьезное увеличение ресурсов».

Например, изменение угла отклонения внешнего тормозного щитка с 55 до 20 градусов увеличивает потребную длину взлетно-посадочной полосы для случая максимального посадочного веса менее чем на 2 %, но приводит к серьезному, до полутора раз, увеличению ресурса хвостовой части самолета.

Вертолеты будущего

«Задача гибкого проектирования была решена для перспективных винтокрылых ЛА (ВКЛА), – приводит еще один пример Кирилл Сыпало. – Здесь два серьезнейших вызова: с одной стороны, создание скоростного вертолета с достижением феноменальных для этого вида ЛА скоростей порядка 600-700 км/ч. С другой стороны, это развитие концепции авиационной мобильности в городских условиях и создания безопасных, дешевых ЛА, передвигающихся с относительно небольшой скоростью и на относительно небольшие расстояния, но при этом способных интегрироваться в городскую инфраструктуру».

Проект «Скоростной ВКЛА» – это демонстратор, который предлагается реализовать в концепции преобразуемого винтокрыла с останавливаемым в полете винт-крылом. Этот аппарат сможет взлетать «по-вертолетному», после чего его двухлопастной жесткий винт останавливается и превращается в крыло, позволяя продолжать крейсерский полет с высокой скоростью, комфортом и топливной эффективностью. Такой ЛА может не только взлетать, но и садиться как «по-вертолетному», так и «по-самолетному», что обеспечивает повышенную безопасность.

Проект «Аэрогород» – это беспилотник-демонстратор транспортного ЛА для городских агломераций с электрической или гибридной СУ, который основан на существующих технологиях и лишен сложных механических систем. Например, вместо автомата перекоса (сложной системы рычагов и тяг, меняющей направление подъемной силы несущего винта за счет циклического изменения угла атаки каждой отдельной лопасти) для управления полетом в нем предлагается использовать уже отработанную на уровне моделей газоструйную систему управления (использующую струю воздуха или газа от двигателя, что делает ненужным хвостовой винт), которая позволит такому ЛА безопасно передвигаться в городской среде в качестве, например, аэротакси, которому не страшны пробки.

Наследник «Бурана»

Еще один пример решения, полученного с помощью программного комплекса «Архитектор», – это разработка перспективного гражданского многоразового воздушно-космического самолета (ВКС). Развитие космического туризма, организация научных исследований в ближнем космосе широким кругом специалистов, решение транспортной задачи доставки грузов на низкую орбиту делает такой класс летательных аппаратов привлекательным для разнообразных коммерческих заказчиков, научных и логистических организаций.

«Можно сказать, что это реинкарнация концепции «Бурана» для новых мирных задач, – говорит Кирилл Сыпало. – Это прежде всего транспортное обеспечение низкоорбитальных космических комплексов, доставка полезной нагрузки, ремонт и дозаправка КА, проведение научных исследований в верхних слоях атмосферы, космический туризм».

Для создания ВКС необходимо отработать целый ряд критических технологий, принципиально новых по отношению к тем, что использовались на «Буране». Это прежде всего технологии «горячих конструкций» из новых конструкционных материалов, новые теплозащитные покрытия, электромеханические приводы, системы бортовой генерации энергии, и, самое главное, – двигательные установки многократного применения.

«При этом решение экологических задач, связанных с эмиссией двигателей и генерацией звукового удара, – также на повестке дня», – подчеркивает глава ЦАГИ.

   

«Отработанную основу в виде традиционных одноразовых ракет-носителей мы объединили с еще не до конца проверенными авиационными технологиями, которые мы хотели бы использовать не только с точки зрения обеспечения требуемого режима посадки, но и обеспечения аэродинамического маневра, который существенным образом дополняет имеющиеся возможности двигательной установки для быстрой смены орбиты», – говорит Кирилл Сыпало.

Сверхзвук второго поколения

ЦАГИ достаточно давно занимается проблемой создания сверхзвукового пассажирского самолета (СПС) 2-го поколения. В рамках работ с Минпромторгом был сформирован набор концептуальных требований к аэродинамической компоновке, конструктивно-силовой схеме, материалам, системам обеспечения акустического и теплового комфорта пассажиров, что позволило сформировать концепцию самолета-демонстратора «Стриж» (см. рис. выше).

Демонстратор «Стриж» объединяет на уровне экспериментального беспилотного летательного аппарата (БПЛА) тот набор технологий, который представляется минимально необходимым для отработки основных функциональных параметров будущего СПС, но при этом он состоит из серийно выпускаемых компонентов, что позволит быстро его создать и перейти к испытаниям.

Вместе с тем был выявлен дефицит требований, который привел к необходимости проведения целого комплекса поисковых и фундаментальных исследований. Для проведения этих исследований был создан научный центр мирового уровня «Сверхзвук». В его рамках сформированы 5 лабораторий, объединяющих ведущие отраслевые институты, вузы и институты РАН по основным направлениям поисковых работ: аэродинамика и концептуальное проектирование, аэроакустика и вибрации, прочность и интеллектуальные конструкции, газовая динамика и силовая установка, искусственный интеллект и безопасность полетов.

«Самый главный результат, который будет получен в результате исследований, – это фундаментальная база данных для нормирования звукового удара», – говорит Кирилл Сыпало.

Именно снижение силы звукового удара является главным условием успеха проекта СПС 2-го поколения. Это требование во многом определяет облик демонстратора: вытянутый нос, удлиненный фюзеляж и смещенные назад крылья чрезвычайно сложной геометрии с двойным углом излома. Такая схема позволит «разбить» один мощный звуковой удар на несколько менее сильных, которые дойдут до земли не одновременно, а друг за другом в виде слабых хлопков. С этой же целью перенесены на верх фюзеляжа воздухозаборники, которые также являются источниками ударных волн при сверхзвуковом полете. При таком положении ударные волны от них будут экранироваться фюзеляжем и не дойдут до земли.

По словам научного руководителя ЦАГИ Сергея Чернышева, эта необычная компоновка родилась именно в результате применения системы «Архитектор». Именно она показала на основе экспериментальных данных и расчетов, что это единственный вариант, способный удовлетворить всем функциональным критериям сразу – от экологии до экономики.

«Общаясь с зарубежными коллегами, я могу утверждать, что аналог того подхода, который нами реализован в рамках системы „Архитектор”, сейчас активно развивается в США и Германии, и, по моим оценкам, мы продвинулись дальше, – говорит Сергей Чернышев. – Новые подходы на основе технологии гибкого проектирования – это многодисциплинарная распределенная оптимизация, когда несколько агрегатов ЛА – крыло, двигатели, система управления и так далее – оптимизируются параллельно и во взаимной увязке. Мы в ЦАГИ к этому пришли несколько лет назад и теперь приятно удивились, узнав, что NASA пошли тем же путем, в частности, в задаче концептуального проектирования сверхзвукового пассажирского самолета нового поколения. В настоящий момент наш программный комплекс в своей основе уже создан. И это действительно крупное достижение нашей страны в области науки и техники».

Подготовил Леонид Ситник. Редакция сайта РАН