Директор ФСВТС_ Дмитрий Шугаев_цитата_ч-б

Дмитрий Шугаев: В сфере ВТС Россия действует строго в рамках закона и своих международных обязательств. В этом смысле мы комфортный и надежный партнер

Ориентация на модель. Цифровое проектирование в авиастроении

Новые цифровые технологии позволили при проектировании уже на ранних этапах работы, не тратя большие деньги и время, получить достаточно детальное представление о новом самолете. Они способны ускорить стендовую отработку и сертификацию воздушного судна, отработку всевозможных режимов его полета.

 

Кроме того, те же технологии позволяют лучше организовать работу с поставщиками систем и агрегатов. Этот новый подход называется модельно-ориентированным.

В последние десятилетия научно-технический прогресс позволил достичь новых рубежей в создании самолетов: улучшились летно-технические характеристики, повысилась экономичность и экологичность аппаратов, улучшились их эксплуатационные характеристики. Это привело к снижению стоимости эксплуатации и повышению комфортабельности воздушных судов. Однако сама авиационная техника становится сложнее, а количество исполнителей работ, поставщиков оборудования, постоянно увеличивается.

У современных самолетов насчитывается порядка 30-40 систем, у каждой из которых может быть свой поставщик, а тот, в свою очередь, может иметь 5-15 своих поставщиков – все зависит от сложности системы.

Однако головной фирме, занятой интеграцией систем, необходимо не только убедиться в реальности ранее заявленных поставщиками характеристик, но и подтвердить саму возможность интеграции всех их в рамках разрабатываемого аппарата. Актуальными также остаются вопросы о выборе поставщиков и определении исходных данных и требований для разработки систем на ранних стадиях проектирования.

До последнего времени в авиастроении применяется документоориентированный подход к проектированию, основанный на обмене документами, содержащими статичные данные. Технические требования к деталям, узлам, агрегатам и системам были записаны на бумажных носителях в виде цифр, таблиц, графиков. Исполнитель в ответ на эти технические требования предъявлял документы, в которых приводил характеристики его изделий.

«Однако документы не позволяют отслеживать весь спектр параметров работы поставляемых изделий в различных условиях, а также их изменения при взаимодействии с другими узлами, агрегатами и системами, – говорит эксперт в области модельно-ориентированного подхода, кандидат технических наук Александр Георгиев. – Это создает дополнительные риски для интегратора, связанные с тем, что проблемы выявляются на более поздних стадиях – на этапе комплексирования, когда смена поставщика затруднительна или невозможна и требуется дополнительное время на доработку и проведение дополнительных испытаний».

«Семь раз отмерь»

Изменить ситуацию помогает подход к проектированию, основанный на обмене математическими моделями между всеми участниками разработки с самых ранних стадий, начиная с научно-исследовательских работ и продолжаясь на всех стадиях опытно-конструкторских работ. Такой подход к проектированию называется модельно-ориентированным. Он использует безбумажный обмен технической информацией между всеми участниками разработки.

«Этот подход позволяет, начиная с ранних стадий разработки авиационной техники, проработать множество вариантов, в том числе проанализировать выполняемость и полноту требований, и создать базис для принятия обоснованных технических решений что, по сути, соответствует народной мудрости “семь раз отмерь – один раз отрежь”», – говорит Александр Георгиев.

Модельно-ориентированный подход основан на обмене математическими моделями, отражающими динамику физических процессов моделируемого объекта. Это следующий этап развития математического моделирования, который стал возможным благодаря высокой производительности современной вычислительной техники и развитию инженерного программного обеспечения.

Такой подход к проектированию становится инструментом для анализа выполняемости и полноты требований к авиационной технике и принятия обоснованных технических решений, начиная с ранних стадий разработки.

«Модельно-ориентированный подход позволяет на самых первых этапах проектирования проверить реализуемость требований при разработке авиационной техники, увидеть взаимодействие систем и провести анализ совместной работы до реализации систем в железе, проконтролировать процесс разработки системы путем периодического встраивания в комплексную математическую модель самолета присланных разработчиками моделей своих систем, – поясняет заместитель начальника отдела методологии проектирования и обучения Инженерного центра корпорации “Иркут” Владимир Олейников. – На дальнейших стадиях проектирования можно создавать имитаторы систем, используемые в полунатурных стендах. Применение такого подхода дает возможность автоматизировать процесс проверки алгоритмов систем на всем множестве возможных отказов, в том числе двойных и тройных. На этапе сертификации воздушного судна результаты моделирования могут стать доказательной базой выполнения требований авиационных правил».

Система, инструментарий, поддержка

В рамках внедрения модельно-ориентированного подхода требуется не только организовать процесс работы с математическими моделями, но и развернуть в рамках предприятия систему управления математическими моделями.

Ещё по теме: Новая технология мышления – разработка и применение цифровых двойников

Она должна включать учет версий математических моделей, мониторинг их достоверности, их применяемость в системах, стендах и тренажерах. Необходим и инструментарий автоматизированной сборки единой комплексной матмодели летательного аппарата из отдельных моделей систем, разрабатываемых как на предприятии, так и получаемых от участников научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ.

Есть и еще ряд необходимых условий.

«Для внедрения модельно-ориентированного подхода в организации-разработчике авиационной техники необходима не только поддержка руководства КБ и наличие в каждом системном отделе инженеров, занимающихся созданием математических моделей систем, – считает заместитель директора КБ Инженерного центра по управлению проектными данными корпорации “Иркут” Юрий Логвин. – В КБ должен быть создан отдел, имеющий в своем составе сотрудников, способных решать мультидисциплинарные задачи с использованием широкого спектра требований, которые координировали бы работу отделов по созданию математических моделей самолетных систем, интегрировали их в комплексную математическую модель воздушного судна, выявляли нестыковки в “матрицах соответствия”, создавали соответствующую нормативную базу».

Истории внедрения

На протяжении последних пяти-семи лет на таких предприятиях как корпорация «Иркут», компании «Туполев» и «Ильюшин», Национальный центр вертолетостроения им. М. Л. Миля и Н. И. Камова (НЦВ «Миль и Камов») активно реализуется применение модельно-ориентированного подхода при проектировании систем авиационной техники. Специалисты из системных подразделений применяли этот подход совместно с имеющимися в КБ методологиями проектирования, что позволило получить весьма ценные результаты и сделать важные выводы для перспективного развития авиационной техники в целом.

«На самых первых этапах проектирования той или иной системы, когда решается вопрос ее облика и составляются технические задания, по существу, все вынуждены “моделировать” поведение системы, прикидывать параметры и их взаимосвязь, – рассказывает заместитель начальника отдела авиационной теплофизики компании “Туполев” Александр Харихин. – Делалось это часто не организованно, хаотично, без учета многих параметров и взаимосвязей. Появление программных средств, нацеленных на создание математических моделей систем, дает возможность уже с первых шагов проектирования строить такие модели и далее, по мере проектирования, совершенствовать как саму систему, так и ее математическую модель. Например, на этапе подготовки стендовых испытаний созданная матмодель системы позволяет в короткие сроки оценить и объем испытаний, и их особенности, и, главное, создать в короткие сроки саму модель стенда. Это позволяет, по существу, еще до закупки оборудования и монтажа стенда провести сами испытания численно. Проверить работоспособность системы, логику и возможности системы управления, энергопитания. Оценить поведение системы и стенда в критических и закритических условиях, и многое другое».

«В рамках выполнения первого этапа проекта по разработке комплексной компьютерной модели вертолета Ми-171А2 в 2019 году в ОКБ “Ми”, входящем в НЦВ “Миль и Камов”, для сотрудников были проведены курсы по разработке мультифизичных компьютерных моделей вертолетных систем и агрегатов, – вспоминает начальник отдела управления проектами центра компетенций по направлению PLM НЦВ “Миль и Камов” Антон Поплавский. – После этого в ходе совместной работы с соисполнителем был разработан верхний уровень комплексной компьютерной модели, так называемый “скелетон”. Он представлял собой “вертолет в сборе”, содержащий блоки компьютерных моделей систем, и определяющий взаимосвязь и взаимовлияние систем на борту вертолета на основании протоколов интерфейсных контрактов ICD. Блоки “скелетона” были размещены в развернутой и настроенной в ОКБ “Ми” системе хранения и управления данными системного моделирования. Она обеспечивала возможность хранения и сопровождения компьютерных моделей и результатов компьютерного моделирования».

Сформированные в ходе первого этапа проекта частные технические задания по разработке компьютерных моделей вертолетных систем легли в основу второго этапа проекта (2020-2021 годы). Его результатом должна стать валидированная комплексная компьютерная модель (цифровая модель) вертолета Ми-171А2.

«В 2020 году планируется начать выполнение аналогичных проектов по разработке комплексных компьютерных моделей вертолетов Ка-226 и “Ансат”», – делится планами Антон Поплавский.

Модельно-ориентированный подход давно и широко используется в Центральном аэрогидродинамическом институте им. профессора Н. Е. Жуковского (ЦАГИ).

«Существенная часть научно-технической деятельности нашего подразделения основана на использовании программных математических моделей, а именно моделей динамики полета летательных аппаратов, реализованных в тех или иных программных средах, – рассказывает ведущий инженер отделения динамики полета и систем управления ЦАГИ Антон Стеблинкин. – Без данных матмоделей невозможно создание систем управления полетом самолета. С помощью моделей летательных аппаратов и их систем управления в частности уточняются и отлаживаются программы автоматизированного тестирования натурных систем на стендах, получаются эталонные характеристики, с которыми сверяется эксперимент. В этом смысле наша деятельность уже давно во многом использует принципы модельно-ориентированный подход».

Лучше раньше и лучше

Математическое моделирование всегда использовалось на отечественных предприятиях авиационной отрасли, имеющих значительный задел и опыт не только не уступающий зарубежным конкурентам, но и превосходящий их. Оно, как правило, проводилось с целью решения конкретных задач в рамках отдельных подразделений.

Такой подход был обусловлен тем, что использовался принцип декомпозиции, то есть системы узлы и агрегаты рассматривались отдельно. Но условия нагружения и функционирования рассматриваемых объектов не зависели от взаимодействия самих систем. Поэтому в последнее время, ввиду ужесточения требований со стороны авиационных властей и эксплуатирующих организаций, ситуация изменилась – системы стали сложнее, принципы декомпозиции работают не эффективно, подходы к разработке летательных аппаратов стали комплексными – не декомпозируемыми.

По сути, на самых ранних этапах проектирования создается «цифровой прототип» систем самолета, как инструмент для принятия конструкторских решений. «Цифровой прототип» развивается в ходе разработки изделия и, впоследствии, становится «цифровым двойником» самолета. Это возможно только при внедрении модельно-ориентированного подхода.

Анализ опыта зарубежных авиационных компаний – разработчиков авиационной техники – показывает, что данному подходу уделяется первостепенное значение. Имеются целые подразделения, которые занимаются сбором и адаптацией исходных данных, корректировкой и комплексированием моделей систем, разработкой имитаторов систем на основе математических моделей систем, разработкой программ автоматизации испытаний. Такие отделы позволяют им эффективно решать вопросы верификации и валидации моделей, сопровождения моделей, а также поддержки комплексной модели в актуальном состоянии.

Новая жизнь архивов

Применение модельно-ориентированного подхода позволило головным предприятиям разработать полный перечень исходных данных, требуемых для проектирования систем. Кроме того, такой подход обеспечил процесс сквозного проектирования системы – от проверки требований к ней, анализа ее работы, создания ее имитаторов, пилотажных стендов, до применения при сертификации расчетов, сделанных с использованием математических моделей. Модельно-ориентированный подход также позволил автоматизировать процесс расчетов и выполнять их не только по выбранным режимам, но и по всему перечню испытаний и программ функционирования, а также во всех диапазонах возможных изменений параметров систем.

«Полученные результаты позволяют не только использовать в полной мере весь имеющийся технический задел КБ, но и усилить его в части автоматизации расчетов, дополнить инструментарием, используемым в мировой практике проектирования, – считает Михаил Ситников. – Часть методологий “Эпохи кульмана” пришлось критически пересмотреть и развить в свете современных подходов создания “цифровых прототипов”, которые объективно более совершенны и эффективны».

Степень новизны вновь разрабатываемых систем, как правило, не превышает 30 %. Поэтому все накопленные архивные данные по системам и результаты предыдущих испытаний вполне могут быть использованы для проверки корректности моделей. Так «цифровые прототипы» станут достоверным базисом для принятия и обоснования новых проектных решений. Это дает новый импульс в понимании того, как и зачем использовать наработки прошлых лет для перспективных изделий. Архивные данные получают новую жизнь и становятся актуальной и рабочей ценностью для сокращения рисков при проектировании.

«Мы по-новому начинаем воспринимать забытые термины – “типовое проектное решение” и “коэффициент использования типовых проектных решений”», – говорит заместитель директора КБ Инженерного центра по управлению проектными данными корпорации «Иркут» Юрий Логвин.

«Для полноценного внедрения модельно-ориентированного подхода чрезвычайно важной является задача создания на отдельно взятом предприятии или на предприятиях авиационного консорциума, реализующих один проект, необходимой IT-инфраструктуры. Она обеспечит доступ проектных команд к репозиторию актуальных моделей тех объектов, которые в конечном изделии являются взаимодействующими и взаимовлияющими, – считает Антон Стеблинкин. – Второй важной задачей при внедрении модельно-ориентированного подхода является введение отраслевых стандартов по использованию инструментария».

Цель – искусственный интеллект

«Модельно-ориентированный подход становится ключом к успеху при создании любой современной техники, – уверен Владимир Олейников. – Его эффективно применяют во всех областях машиностроения – не только в авиастроении, но и в ракетно-космической отрасли, автомобилестроении, судостроении».

Однако применение модельно-ориентированного подхода требует от специалистов высокой квалификации и глубоких знаний не только в конкретной дисциплине, но и в смежных областях.

Таким образом, одним из серьезнейших вызовов является воспитание и удержание на предприятиях квалифицированных кадров, способных решать мультидисциплинарные задачи с использованием широкого спектра требований, предъявляемых к будущему изделию.

Ещё по теме: Центр НТИ СПбПУ: какой должна быть современная подготовка инженеров?

В свою очередь имеется ряд проблем, решение которых в дальнейшем позволит существенно сократить сроки проектирования. К ним относится организация управления моделями на всем жизненном цикле изделия, разработка отраслевых стандартов по модельно-ориентированному подходу, нормативных документов. Решение этих вопросов позволит предприятиям не только поднять общую компетентность сотрудников, но и подготовить данные для сертификации самолета на основе виртуальных испытаний задолго до проведения стендовых, наземных и летных. В дальнейшем, уже при эксплуатации воздушного судна математические модели позволят создавать корректные системы диагностики самолетных систем, которые можно использовать сервисным службам, как на земле, так и в воздухе.

Если же заглянуть в будущее, то верифицированные и валидированные модели определенно могли бы помочь сделать следующий шаг, который сейчас является весьма актуальным, а именно – разработка систем принятия решений, то есть искусственного интеллекта.

Полный текст (оригинал) статьи читайте в корпоративном журнале ОАК «Горизонты» №2 (26) 2020

Партнеры