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.
Благодарим Департамент корпоративных коммуникаций ПАО "Объединенная авиастроительная корпорация" за предоставление данного материала.
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».
Иерархическая структура комплексной математической модели самолета
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.
«Применение модельно-ориентированного подхода позволяет выявлять нестыковки систем и агрегатов на ранних стадиях проектирования, помогает находить оптимальные конструкторские решения, что способствует уменьшению количества изменений, вносимых в конструкторскую документацию в ходе доведения конструкции до совершенства. Проведение “виртуальных испытаний” с использованием математических моделей дает возможность сократить количество стендовых, наземных и летных испытаний. Все это в совокупности значительно сокращает время и затраты на разработку авиационной техники, позволяет вывести новое изделие на потребительский рынок раньше, чем при “классическом” проектировании, без использования модельно-ориентированного подхода», – Юрий Логвин, заместитель директора КБ Инженерного центра по управлению проектными данными корпорации «Иркут».
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».
Модельно-ориентированный подход при разработке авиационной техники
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. 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».
Без математических моделей невозможно было бы создать стенд прототипирования кабины самолета МС-21
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».
«Системный подход изменил процесс проектирования: вы строите не одну систему, а сразу несколько систем, объединяя их в единое целое, смотрите, как они работают до того, как появятся в “железе”. Это позволяет выловить ошибки еще при комплексировании этих систем, когда на них только пишется техзадание, когда они только разрабатываются, и до того, как появятся первые натурные стенды. Если эти ошибки выявятся на более поздней стадии создания самолета, то они обойдутся дорого и по времени, и по деньгам», – Владимир Олейников, заместитель начальника отдела Инженерного центра корпорации «Иркут».
Предприятием-пионером, начавшим широкомасштабное внедрение модельно-ориентированный подход в авиационной отрасли не только в нашей стране, но и в зарубежной практике является корпорация «Иркут». «В рамках программы МС-21 применение модельно-ориентированного подхода позволило снизить трудозатраты, – делится опытом Владимир Олейников. – Всего за две недели, применяя математическую модель топливной системы, смогли построить тарировочные характеристики топливных баков в зависимости от изменения угла тангажа. Без применения математической модели на это было бы потрачено полгода. Эта же матмодель позволила детально проанализировать работу топливной системы, в результате чего были убраны два клапана в расходном отсеке топливных баков, что привело к улучшению технологичности и экономии на покупных изделиях. Анализ совместной работы систем на комплексной матмодели, включающей систему уборки и выпуска шасси и систему управления общесамолетным оборудованием, позволил сократить отработку алгоритмов системы уборки-выпуска шасси на полтора-два месяца».
Корпорация «Иркут» стала предприятием-пионером, начавшим широкомасштабное внедрение модельно-ориентированный подход в авиационной отраслило снизить трудозатраты
В текущее время «Иркут» активно применяет разработанные модели, начиная с этапа проектирования до отработки систем на натурных стендах самолета МС-21, в том числе на стенде «железная птица». Это позволило сократить большую часть рутинной работы по подготовке и анализу результатов испытаний.
«Речь идет не о полной замене “железа” матмоделью, а о том, чтобы изготовленное или купленное “железо” отработало сразу, и не потребовалось повторных работ, – рассказывает главный инженер-конструктор Лаборатории киберфизических систем Сколковского института науки и технологии (Сколтех), кандидат технических наук Михаил Ситников. – Используя модели, нами разработана и подтверждена на испытаниях технологическая база для сокращения не менее чем в два раза времени ресурсных испытаний тормозных колес».
Не секрет, что воспроизведение отказов и аварийных ситуаций с использованием стендового оборудования, лабораторий и летных испытаний весьма дорого и, зачастую, опасно. Однако целый набор таких режимов необходимо выполнить, например, для сертификации воздушного судна. «Выключение сразу двух двигателей, отключение топливной системы, выход на запредельные режимы полета, – приводит примеры Владимир Олейников. – Все эти режимы нужно подтвердить. Есть, например, требование, чтобы при отрицательной перегрузке, когда оголяются заборные устройства в баках, топливный насос продолжал работать определенное время на имеющемся запасе топлива в магистралях. Мы провели моделирование и показали, что для нашего самолета это время даже больше, чем требуется принятыми нормами летной годности. Провести же такую демонстрацию на реальном самолете сложно, да и достаточно опасно».
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.
«Недостаточное внимание к проработке взаимодействия систем узлов и агрегатов на ранних стадиях проектирования приводит в последующем к дополнительным испытаниям и доводке на стадиях стендовых и летных испытаний, что увеличивает время разработки и стоимость проекта. Поэтому, для эффективного решения поставленных задач требуется менять парадигму проектирования и проверять все решения на самых ранних стадиях разработки, создавать комплексные математические модели систем летательных аппаратов, учитывающие динамическое взаимодействие всех систем и изменение внешних условий, в зависимости от профиля полета и алгоритма работы систем управления», – Александр Георгиев, эксперт в области модельно-ориентированного подхода, кандидат технических наук.
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».
«Хорошая матмодель способна сократить время на создание стенда. Она дает точное понимание, какое нужно “железо”. Стенд же при этом лишь подтверждает, что модель правильная. Когда раньше создавался натурный стенд, то до 90 % времени уходило на его доводку, и только 10 % на то, для чего стенд создавался, – для подтверждения заявленных характеристик оборудования и их сертификации. Цель создания матмоделей – максимально сократить те 90 % времени, которые уходят на подготовку стенда», – Михаил Ситников, главный инженер-конструктор Лаборатории киберфизических систем Сколковского института науки и технологии (Сколтех), кандидат технических наук.
Департамент перспективных исследований – Научно-технический центр ОАК разработал и выпустил отраслевой стандарт «Требования к математическому моделированию и его результатам». В нем сформулированы требования не только к построению математических моделей, их верификации и валидации, достоверности результатов, но и требования к специалистам, которые занимаются моделированием, к их подготовке. Стандарт был разослан во все авиационные КБ, где были назначены ответственные за его внедрение.
«Созданный стандарт позволяет не только систематизировать работу с математическими моделями, но и отражает часть опыта по внедрению модельно-ориентированного подхода в корпорации “Иркут”, – рассказывает Александр Георгиев. – Когда на предприятии вводилась система управления математическими моделями, в ней были заложены обязательные требования, которые необходимо выполнять при размещении моделей в репозитории – заполнить данные о верификации, валидации моделей, квалификации специалиста, создавшего или изменившего матмодель. По этим данным можно судить о степени достоверности моделей. Эти и другие требования детально сформулированы в этом стандарте, в разработке которого приняли участие ведущие специалисты всех КБ».
«Модельно-ориентированный подход позволяет увидеть не только систему в целом и понять поведение системы на всех режимах работы, но и разработать доказательную документацию для сертификации системы на основе моделирования», – Евгений Данилов, эксперт по авиационным топливным системам.
«Перед тем как подписать техническое задание на разработку системы, я делаю модель и согласую предварительные результаты с заказчиком. С моделью все встает на свои места – как желания, так и возможности. Заказчик действительно понимает, что это лучший вариант процесса проектирования», – Дмитрий Карасев, технический эксперт по моделированию систем.
«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.
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.
Текст: Константин Лантратов
Фото: Марина Лысцева
