18.5. Проектирование самолета и ЭВМ

   Создание проекта самолета требует достаточно глубокой (на уровне содержания эскизного проекта) проработки нескольких вариантов проекта с целью принятия единственного решения, которое с максимальной достоверностью гарантирует получение уровня технического совершенства и характеристик самолета, близких к оптимальным. Увеличение числа факторов, которые необходимо учесть при проектировании самолета, потребовало привлечения к процессу проектирования большого количества различных специалистов, что существенно осложнило процесс обмена информацией между ними. Углубление проработки каждого варианта проекта с целью принятия более верного решения потребовало применения уже на ранних этапах проектирования более точных и, как следствие, более сложных расчетов.
   Даже разработка одного из вариантов проекта (возможной концепции) самолета требует нескольких итераций - многократного применения определенной последовательности действий, во-первых, для того, чтобы объединить требования многих специалистов, представляющих разные технические дисциплины, и, во-вторых, для того, чтобы оптимизировать проектные параметры. Естественно, что чем больше итеративных циклов будет выполнено, тем будет выше уровень технического совершенства проекта, однако это требует огромных трудозатрат, времени и средств.
   Появление в арсенале проектировщиков такого мощного орудия труда, как ЭВМ, позволило создать большое количество частных прикладных программ, позволяющих с большой скоростью и безошибочно вести расчеты по математическим моделям отдельных видов проектирования, поддающихся достаточно точной формализации (например, расчеты аэродинамических характеристик, траекторные расчеты и т. п.).
   Развитие средств вычислительной техники, увеличение быстродействия ЭВМ, появление математического обеспечения ЭВМ и устройств, позволяющих автоматизировать не только расчетные, но и графические работы (системы машинной графики), осуществлять общение проектировщика с ЭВМ в "интерактивном" (диалого-ориентированном, т. е. приближенном по форме к общению человека с человеком) режиме работы, обеспечило возможность автоматизации значительного объема проектно-конструкторских работ, привело к созданию различных систем автоматизированного проектирования (САПР), позволяющих с различной степенью детализации моделировать процесс проектирования.
   При разработке ТЗ на проект на этапе "внешнего" проектирования ЛА (см. раздел 2.1) можно с достаточной для инженерной практики точностью описать аналитическими методами процессы функционирования парка самолетов с определенными ЛТХ при перевозке пассажиров на некоторой сети аэродромов или при проведении определенной боевой операции.
   Процесс разработки технического предложения на предварительном этапе "внутреннего" проектирования также достаточно хорошо поддается аналитическому описанию.
   Задача аналитического проектирования ЛА в общем случае требует построения математической модели проекта, которая характеризуется:
      - совокупностью определяющих проект требований (внешние параметры) - y₁, y₂,..., y_m (это могут быть, например, требования ТЗ на проект самолета: масса и другие параметры полезной нагрузки; потребная дальность полета; крейсерская скорость; класс аэродрома базирования и, соответственно, длина и ширина ВПП, ее прочность; категория и параметры системы автоматической посадки на аэродроме базирования и т. д.);
      - совокупностью параметров, определяющих проект (внутренние параметры) - x₁, x₂,..., x_n (это те параметры самолета, которые должны быть определены в процессе решения задачи: прежде всего, взлетная масса, удельная нагрузка на крыло, стартовая тяговооруженность, аэродинамические характеристики, размеры самолета и его агрегатов, состав и параметры систем и т. д.);
      - целевой функцией (критерием или критериями эффективности), позволяющей выбрать среди альтернативных проектов лучший, обеспечивающий экстремальное значение целевой функции (например, себестоимость пассажиро-километра).
   Формирование математической модели проекта предполагает:
    1. Получение уравнений связи внешних и внутренних параметров

y₁=f₁(x₁, x₂, ..., x_n);

y₂=f₂(x₁, x₂, ..., x_n);

. . . . . . . . . . . . . . . . .

y_m=f_m(x₁, x₂, ..., x_n).

   Это, например, уравнение, которое позволяет рассчитать потребную длину ВПП в зависимости от взлетной массы самолета, удельной нагрузки на крыло, стартовой тяговооруженности, аэродинамических характеристик самолета и т. д.
    2. Наложение ограничений на значения внешних параметров, т. е. учет требований

j₁ (y₁, y₂, ..., y_m);{£, =, ³}[y₁];

j₂ (y₁, y₂, ..., y_m);{£, =, ³}[y₂];

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

j_m (y₁, y₂, ..., y_m);{£, =, ³}[y_m].

   Эти ограничения могут быть сформулированы, например, следующим образом:
      - потребная длина ВПП (при фиксированных прочих параметрах ТЗ) L_ВПП £ 1800 м либо L_ВПП = 1800 м;
      - потребная дальность полета (при фиксированных прочих параметрах ТЗ) L = 10000 км либо L ³ 10000 км.
    3. Наложение ограничений на значения внутренних параметров

y₁ (x₁, x₂, ..., x_m);{£, =, ³}[x₁];

y₂ (x₁, x₂, ..., x_m);{£, =, ³}[x₁];

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

y_m (x₁, x₂, ..., x_m);{£, =, ³}[x₁].

   Ограничения на значения внутренних параметров могут быть сформулированы аналогично, например из условий базирования на аэродроме заданного класса линейные размеры самолета (длина и размах крыла) l £ 80 м либо l = 80 м.    Отметим некоторые особенности такой математической модели.
   В общем случае количество внешних и внутренних параметров и количество ограничений на них не связаны между собой.
   Если ограничения на значения внешних параметров несовместимы (противоречивы), то задача не имеет решения. Если они совместимы, а определяемая ими область внутренних параметров не имеет ограничений, то оптимизация проекта не всегда возможна. Если же ограничения на значения внешних параметров совместимы и есть ограничения на определяемую ими область внутренних параметров, то возможна оптимизация проекта.
   Поставленная задача может быть и неразрешимой, что означает невозможность создания проекта, отвечающего поставленным требованиям (ограничениям на значения внешних параметров) при заданных ограничениях на значения внутренних параметров в рамках принятой математической модели (системе уравнений связи внешних и внутренних параметров).
   Особо отметим следующее обстоятельство. В каждом из внешних и внутренних ограничений может быть поставлено любое из условий (соответствующее знакам £, =, ³). Это оказывает определяющее влияние на результаты аналитического проектирования. Если в ограничениях на значения внутренних параметров знак равенства - это лишь резкое сокращение числа альтернативных вариантов проектов, которые могут быть реализованы, то знак равенства в ограничениях на значения внешних параметров - это невозможность получения области внутренних параметров, которые обеспечили бы существование проекта - в результате будет получено единственное решение, которое при любых изменениях условий применения ЛА может оказаться нежизнеспособным.
   Здесь нелишним будет вернуться к разделу 3.3.5, в котором мы уже отмечали, что ТЗ должно давать проектировщикам свободу выбора.
   При аналитическом проектировании с использованием ЭВМ и применением такой математической модели появляется возможность не только увеличить количество исследуемых параметров, определяющих проект, построить область существования проекта для возможно более широких диапазонов изменения этих параметров и выбрать конкретные значения искомых параметров по некоторой целевой функции. Основным достоинством аналитического проектирования является возможность оценить условия существования проекта, т. е. оперативно оценить не только качественно, но и количественно, как любые изменения внешних параметров (при фиксированной целевой функции) изменяют внутренние (искомые) параметры и, наоборот, как изменения внутренних параметров (при фиксированных внешних параметрах) изменяют количественно целевую функцию и т. д. Это существенно расширяет свободу выбора проектировщика, помогает ему в поиске нетрадиционных, оригинальных решений.
   В этой ситуации большой проблемой становится возможность оценки человеком полученной информации, поскольку задачи проектирования являются многопараметрическими. САПР предоставляют проектировщику возможность быстрого получения любых двух-трехмерных привычно обозримых человеком областей существования проекта из многомерного пространства.
   Существенно облегчает восприятие многомерной информации представление ее в виде, показанном на рис. 18.3.

Рис. 18.3. Представление многомерной информации

   Рис. 18.3,а можно рассматривать как результат сравнения по транспортным возможностям проекта самолета 1 (сплошная линия) с наиболее близким к нему самолетом-прототипом 2 (пунктирная линия). При одинаковой коммерческой нагрузке самолет 1 превосходит самолет 2 по основным транспортным возможностям, уступая только по перевозимой коммерческой нагрузке с максимальным запасом топлива.
   Рис. 18.3,б иллюстрирует изменения основных летных характеристик (внешних параметров) проектируемого самолета-истребителя 1 (пунктирная линия) в результате изменения некоторых компоновочных решений (внутренних параметров). Самолет 2 (сплошная линия) с измененной компоновкой, при одинаковой с самолетом 1 максимальной скорости на высоте, превосходит его по максимальной скорости у земли, максимальной эксплуатационной перегрузке, угловым скоростям, радиусу виража, уступая по потребной длине ВПП и высоте практического потолка.
   На рис. 18.4 представлены рабочие модели трехмерной компоновки дозвукового пассажирского самолета большой пассажировместимости и палубного сверхзвукового самолета вертикального взлета и посадки, проекты которых разработаны в МАИ в 1996-1997 годах. Рисунок достаточно наглядно иллюстрирует некоторые новые возможности, предоставляемые проектировщикам системами проектирования с использованием ЭВМ, в частности системами машинной графики.
   Отметим, что все иллюстрации в учебнике выполнены с применением систем машинной графики.

Рис. 18.4. Пример использования систем машинной графики в процессе компоновки

   Моделирование процесса проектирования на быстродействующих ЭВМ с выводом результатов расчетов в виде таблиц и графиков характеристик самолета, чертежей общих видов, компоновочных чертежей и т. д. позволяет значительно ускорить процесс проектирования, рассмотреть большее число вариантов проекта и за счет большого числа итераций приблизиться к оптимальному уровню технического совершенства самолета.
   По мере углубления проработки проекта все большее число задач, которые приходится решать проектировщикам, практически невозможно описать аналитическими методами, тем не менее использование ЭВМ оказывает существенную помощь проектировщикам при разработке эскизного и технического (рабочего) проекта ЛА.
   Рис. 18.5 иллюстрирует тот факт, что применение ЭВМ при проектировании дает выигрыш во времени для достижения определенного уровня технического совершенства проекта или, что особенно важно, выигрыш в качестве, совершенстве проекта при заданном техническим заданием времени разработки проекта.

Рис. 18.5. К применению ЭВМ при проектировании самолета

   Естественно, что разработка проекта нового самолета начинается не на пустом месте. Опытное конструкторское бюро обычно специализируется на создании самолетов определенного типа, участвует в разработке ТЗ на проект. Поэтому к моменту получения ТЗ в ОКБ уже есть исходный (опорный) вариант проекта, начальный уровень совершенства которого определяется опытом ОКБ, всем опытом, накопленным самолетостроением в процессе его развития.
   Использование ЭВМ в проектировании предоставляет проектировщику уникальные возможности обращения к этому опыту за счет автоматизированных систем баз знаний (экспертных систем), которые позволяют проектировщику найти все необходимые данные не только о результатах решения какой-либо проектной задачи, но и об алгоритме решения и о том, как и почему это решение получено, в том числе и о результатах неверных решений и их последствиях.
   Возможности, предоставляемые ЭВМ проектировщику по организации больших междисциплинарных потоков информации, стимулируют развитие методологии проектирования в направлении формализации синтеза новых проектных решений и создания интегрированных систем проектно-конструкторских работ, технологической подготовки производства и управления производством и непосредственно производства.
   Широкое применение ЭВМ в проектировании и производстве, естественно, способствует созданию эффективных ЛА. Будучи неспособной устранить многочисленные технические неопределенности, ЭВМ, освобождая проектировщика от рутинной, нетворческой работы, позволяет ему сосредоточить свои усилия именно на рассмотрении общих концептуальных проблем, на принятии решений в компромиссных ситуациях и на раскрытии этих неопределенностей.
   Раскрытие технических неопределенностей требует проведения широкого спектра наземных и летных экспериментов. Широкое применение ЭВМ, снижая затраты на разработку проекта по конкретному ТЗ, высвобождает средства для создания в ОКБ опытных и экспериментальных самолетов, что способствует выявлению и раскрытию технических неопределенностей и уменьшает риск при использовании новых концепций и конструктивно-технологических решений.