Проектирование самолетов

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ВЫСШЕГО И СРЕДНЕГО СПЕЦИАЛЬНОГО

ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ УЗБЕКИСТАН

ТАШКЕНТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АВИАЦИОННЫЙ ИНСТИТУТ

Авиакосмический факультет

Кафедра: «Конструкции и проектирования летательных аппаратов»

КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ

По дисциплине «Проектирование самолетов»

для направления образования:

В 521000 «Авиастроение и космическая техника» и В 162 600 « Авиастроение и космическая техника (педагог по специальности)»

области знаний 520 000 «Инженер и инженерное дело» высшего образования

Султанов А.Х.

ТАШКЕНТ-2000

Конспект лекций по курсу «Проектирование самолетов» обсужден и одобрен на заседании кафедры «Конструкция и проектирование ЛА»

15 ноября 2000 г., протокол № 4 .

Зав.каф. «КиПЛА»доц.Султанов А.Х.

Рецензент: Зам.гл.конструктора ГАО ТАПОиЧ: Киргизбаев А.Х.

Одобрен и рекомендован к внутри вузовскому изданию Учебно-методическим Советом АКФ, протокол № __ от __ ________ 2000г.

Председатель метод

Совета АКФдоц. Хидоятов А.В.

А.Х. Султанов.

Конспект лекций является учебным пособием для студентов, обучающихся по направлению бакалавриатуры В 521000 «Авиастроение и космическая техника». В пособии изложены общие основы и методы проектирования гражданских самолетов. Рассмотрены вопросы связанные с выбором схемы и основных параметров, методики расчета взлетной массы, геометрических размеров, параметров силовой установки, расчета центровки самолета. Особое внимание уделено на вопросы проектирования магистральных пассажирских самолетов и их грузовым модификациям, изложены основные положения теории модификаций.

ЛЕКЦИЯ №1. ВВЕДЕНИЕ. РАЗВИТИЕ САМОЛЕТОСТРОЕНИЯ

самолет взлетный центровка

План лекции

Зарождение авиации

Развитие отечественной авиационной техники

Становление проектирования самолетов, как науки

Более трех четвертей века отделяет нас от полетов первых практически пригодных самолетов. Их появлению предшествовали многовековые попытки изобретателей многих стран покорить воздушный океан с помощью летательных аппаратов тяжелее воздуха. К концу XIX -- началу XX столетия, благодаря работам многих выдающихся ученых, среди которых видное место занимали члены Российской Академии наук М. В. Ломоносов, Л. Эйлер, Д. И. Менделеев, был разработан ряд положений теории полета летательных аппаратов тяжелее воздуха. Творцами этой теории являются Н. Е. Жуковский, С. А. Чаплыгин и др. Их труды заложили реальную основу для создания самолетов. Неоценимый вклад в развитие практического самолетостроения внесли выдающиеся русские конструкторы А. Ф. Можайский, С. В. Гризодубов, И. И. Стеглау и др. Построенные в России в начале XX столетия самолеты “Русский витязь” и “Илья Муромец” И. И. Сикорского, “Святогор” В. А. Слесарева, самолеты Я. М. Гаккеля обладали уникальными для своего времени характеристиками.

Подлинный расцвет авиации неразрывно связан с победой Октябрьской революции, в 1917 году. Оценив потенциальные возможности использования авиации для организации обороны молодой Советской республики и развития ее экономики, В. И. Ленин уделял постоянное внимание созданию научной и производственной базы авиастроения, организации воздушного флота.

Несмотря на невероятно трудные условия, вызванные последствиями первой мировой и гражданской войн, уже в 1923--1924 гг. появляются советские самолеты оригинальной конструкции. Среди них: И-1 Н. Н. Поликарпова -- первый в мире истребитель -- свободнонесущий моноплан, АНТ-2 А. Н. Туполева -- первый цельнометаллический самолет. В 1925 г. начались испытания самолета АНТ-4 (ТБ-1) -- цельнометаллического свободнонесущего моноплана с двигателями, расположенными на крыле, ставшего эталоном для всех самолетов аналогичного класса.

В годы первых пятилеток продолжались реконструкция существующих и строительство новых авиационных предприятий. Укреплялись научно-исследовательские учреждения. В этот период советские авиаконструкторы создали такие широко известные самолеты, как У-2, И-3, И-4, И-5, Р-5, ТБ-3, АНТ-9, АНТ-14, К-5, “Сталь-2”, “Сталь-3”, Ш-2 и др. Эти самолеты составляли основу воздушного флота страны в конце 20-х и первой половине 30-х годов. На них были осуществлены рекордные полеты, показавшие, что советская авиация уверенно выходит на передовые рубежи в мире. Так, самолет Р-5 Н. Н. Поликарпова на международном конкурсе самолетов-разведчиков в Тегеране, проходившем в 1930 г., занял первое место.

Необычна судьба самолета У-2 (По-2) конструкции Н. Н. Поликарпова. Построенный в 1928 г. как самолет первоначального обучения летного состава, он также широко использовался для нужд народного хозяйства в качестве транспортного, санитарного и сельскохозяйственного. Благодаря своим уникальным свойствам он оказался одним из самых долговечных самолетов в мире. Около 40 тысяч самолетов У-2 построили наши заводы.

Выдающимся достижением советской конструкторской мысли явилось создание в 1930 г. и серийное производство тяжелого бомбардировщика ТБ-3 (АНТ-6). Этот цельнометаллический свободнонесущий моноплан с четырьмя двигателями А. А. Микулина, являвшийся дальнейшим развитием самолета ТБ-1, обладал непревзойдёнными для своего времени характеристиками.

В 30-е годы на базе достижений первой пятилетки, обеспечивших создание отечественных авиационных двигателей различной мощности, производство высокопрочных авиационных материалов, а также успехов в развитии авиационной науки были созданы самолеты И-15, И-16, АНТ-25 (РД), “Максим Горький” (АНТ-20), “Сталь-7”, “Родина” (АНТ-37 БИС), ДБ-3 (Ил-4), УТ-2, Пе-8 (АНТ-42), И-153 “Чайка”. На них были установлены международные рекорды скорости, высоты и дальности полета.

В предвоенные годы и годы второй мировой войны были созданы знаменитые самолеты Пе-2, Ил-2, Як-1, Як-3, Ла-5, Ла-7, ЛаГГ-3, МиГ-3, Ту-2, обеспечившие превосходство советской авиации над авиацией противника. Отечественная авиация, советская конструкторская школа с честью выдержали суровые испытания войны.

В послевоенные годы в кратчайшие сроки авиация осуществила переход на реактивные двигатели. Появляются самолеты с изменяемой геометрией крыла, укороченного и вертикального взлета и посадки.

В СССР создан первый в мире реактивный пассажирский самолет Ту-104, самолеты ИЛ-18, Ан-10, турбовинтовые гиганты Ту-114, Ан-22 “Антей”. С советского аэродрома в декабре 1968 г. взлетел первый в мире сверхзвуковой пассажирский самолет Ту-144. Талант советских ученых и конструкторов вывели отечественную авиацию на передовые рубежи в мире.

Всемирную известность получили самолеты, созданные конструкторскими коллективами, возглавляемыми А. Н. Туполевым, Н. Н. Поликарповым, Д. П. Григоровичем, А. С. Яковлевым, С. В. Ильюшиным, А. И. Микояном, П. О. Сухим, С. Л. Лавочкиным, О. К. Антоновым, Г. М. Бериевым, В. М. Мясищевым в тесном сотрудничестве с коллективами двигателестроителей, возглавляемыми А. А. Микулиным, А. Д. Швецовым, В. Я. Климовым, С. К. Туманским, А. М. Люлька, А. Г. Ивченко, Н. Д. Кузнецовым, П. А. Соловьевым, и коллективами научно-исследовательских институтов.

Огромны заслуги в развитии фундаментальных и прикладных авиационных дисциплин -- аэродинамики, гидрогазодинамики, теории управления полетом, прочности и аэроупругости -- таких советских ученых, как М. В. Келдыш, А. И. Макаревский, С. А. Христианович, В. В. Струминский, И. В. Остославский, Б. С. Стечкин, А. Н. Журавченко, А. И. Черемухин и др.

Советская школа проектирования самолетов опирается на научный, диалектический метод. Характерными чертами этой школы являются:

постоянное стремление к простоте, надежности и высокой технологичности разрабатываемых конструкций;

новаторский, творческий подход к решению возникающих задач;

умение рационально сочетать технический риск с трезвыми расчетами, постоянная опора на достижения науки;

нацеленность на решение сложнейших инженерно-технических проблем ценой минимальных затрат.

Успехи этой школы во многом определяются продуманной системой подготовки кадров авиационных конструкторов. Особую роль в формировании авиационного образования играет курс “Проектирование самолетов”.

Становление проектирования самолетов как научной дисциплины относится ко второй половине 30-х годов. В это время появляются первые работы по выбору рациональных параметров самолета, первые учебники по проектированию самолетов. Авторами их были советские ученые и конструкторы П. М. Крейсон, П. Д. Самсонов, Н. Н. Фадеев, Л. И. Сутугин, Н. Н. Поликарпов.

Дальнейшее развитие теоретических основ проектирования связано с именами таких ученых, как В. Ф. Болховитинов, Н. А. Фомин, А. Л. Гиммельфарб и др. Работы этих ученых заложили тот фундамент, который позволил, опираясь на достижения прикладных авиационных наук и общей теории проектирования сложных систем, на развитие численных методов оптимизации, создать подлинно научный курс “Проектирование самолетов”.

Из истории ГАО - ТАПОиЧ

Крупнейшее в СНГ и на Азиатском континенте самолетостроительное предприятие было создано в 1932 году в г. Химки Московской области. В 1941 году завод был эвакуирован в г. Ташкент. 7 января 1942 года коллектив завода выпустил первый пассажирский и десантно-транспортный самолет - Ли-2. В период с 1954 по 1957 годы на заводе выпускались пассажирские самолеты Ил-14. В дальнейшем завод был специализирован на производство тяжелых военно-транспортных самолетов и их модификаций.

Так, в разные годы, выпускались следующие самолеты: 1958…1960 г. - самолет Ан-8, 1961…1973 г. - самолет Ан-12, 1966…1973 г. - тяжелый десантно-транспортный самолет Ан-22 «Антей». Эти самолеты были спроектированы в ОКБ имени О.К. Антонов (г. Киев). С 1973 года на заводе было начато серийное производство военно-транспортных самолетов Ил-76 ОКБ им. С.В. Ильюшина (г. Москва). Различные модификации этого самолета выпускаются и в настоящее время. Это гражданские грузовые модификации Ил-76 МД и Ил-76 МФ. С 1982 по 1993 годы на ГАО ТАПОиЧ изготавливались центроплан и крыло самых крупных в мире стратегических военно-транспортных самолетов Ан-124 «Руслан» и Ан-225 «Мрия». С 1992 года на заводе начато производство пассажирских самолетов местных воздушных линий Ил-114 Авиакомплекса им. С.В. Ильюшина. В 1996 году изготовлена грузовая версия этого самолета - Ил-114Т, способного перевозить до 7т. коммерческой нагрузки на расстояние до 1100 км.

Контрольные вопросы

Кратко изложите историю развития советской авиации.

Назовите типы самолетов, разработанных отечественными авиаконструкторами впервые в мире.

Назовите характерные черты школы проектирования самолетов.

Какие последние достижения авиации вам известны?

Перечислите типы самолетов, произведенные на Ташкентском авиационном заводе.

ЛЕКЦИЯ №2. ПРОЦЕСС СОЗДАНИЯ САМОЛЕТА

План лекции

Самолет, как объект проектирования

Определение и задачи проектирования. Этапы проектирования

Удельный вес этапов проектирования

1. Самолет, как объект проектирования

Самолеты относятся к классу летательных аппаратов, использующих аэродинамический принцип полета. Они расходуют энергию запасенного топлива для создания движущей, подъемной и управляющих сил с помощью воздушной среды. В настоящее время это самый распространенный тип летательных аппаратов с огромным потенциалом дальнейшего развития, так как освоенная область скоростей и высот полета, в которой возможна реализация аэродинамического принципа полета, очень мала, а потребности общества в таких летательных аппаратах постоянно возрастают.

Как объект проектирования современный самолет представляет собой сложную техническую систему с развитой иерархической структурой, большим числом элементов и внутренних связей, возрастающих примерно пропорционально квадрату числа элементов. Так, планер современного широкофюзеляжного самолета состоит более чем из миллиона деталей.

В любом самолете можно выделить ряд функциональных подсистем, определяющих в совокупности его полезные свойства. Это подсистема создания подъемной силы, подсистема, обеспечивающая устойчивость и управляемость самолета на заданной траектории, подсистема обеспечения движущей силы, подсистемы обеспечения целевой функции, жизнеобеспечения, обеспечения управления и навигации в различных условиях полета и др. Каждая из таких подсистем может включать в себя комплекс простых и сложных систем и отдельных элементов.

Расчленение самолета на подсистемы, удобное для изучения и анализа, отнюдь не означает, что они полностью автономны. Системы самолета взаимосвязаны и взаимообусловлены. Например, в настоящее время для сверхзвуковых маневренных самолетов широкое применение находят так называемые интегральные схемы, основанные на объединении крыла, фюзеляжа, силовой установки, систем управления и устойчивости с целью достижения максимальной эффективности.

Рис. 1. Функционально-структурная схема самолета в авиационном комплексе

С другой стороны, самолет сам по себе -- это техническое устройство, средство, мертвое вне действия, вне производства. И только как элемент более сложной системы, включающей самолетные парки и летные экипажи, технические средства и персонал для подготовки самолета к полету, технические средства и персонал для обеспечения полета, самолет способен выполнять определенные задачи. Следовательно, самолет является подсистемой сложной системы более высокого иерархического уровня -- авиационного комплекса, под которым понимается органическое сочетание людских и материальных ресурсов и действиями которого вырабатывается определенный полезный для общества эффект. Функционально-структурная схема самолета как элемента авиационного комплекса представлена на рис. 1. Авиационный комплекс, в свою очередь, является элементом транспортной системы или системы обороны страны.

Отмеченная специфика самолета диктует необходимость применения системного подхода к его проектированию. Теоретической базой такого подхода является недавно появившаяся и бурно развивающаяся наука -- системотехника.

2. Определение и задачи проектирования. Этапы проектирования

Под проектированием самолета понимается процесс разработки технической документации, которая обеспечивает возможность промышленного изготовления нового самолета, отвечающего заданным требованиям, и позволяет осуществлять его надежную эксплуатацию в заданных условиях. Техническую документацию в соответствии с требованиями ЕСКД подразделяют на три группы. Первая группа включает в себя схемную, конструкторскую, монтажную и текстовую документацию. Эта документация отражает идеи и принципы, заложенные в проектируемый самолет, отвечая на вопрос, что должно быть изготовлено. Вторая группа -- это технологическая документация, регламентирующая методы и средства изготовления самолета. И, наконец, третья группа -- эксплуатационная документация, обеспечивающая правильную эксплуатацию самолета.

Задачей проектирования является разработка схемы, структуры и конструкции будущего самолета и составляющих его элементов, которая должна обеспечить при определенных ограничениях наиболее эффективное выполнение поставленных целей. Решение этой задачи требует четкого определения целей проектирования и установления критериев оценки результатов проектирования, поскольку достижение целей проектирования «любой ценой», естественно, неприемлемо.

Упомянутые при определении задач проектирования ограничения, помимо чисто физических, могут включать в себя ограничения, накладываемые сроками проектирования, возможностями имеющихся в распоряжении проектировщиков экспериментальной базы, лабораторного оборудования и вычислительной техники. Не менее существенные ограничения при проектировании диктуются производственно -технологическими аспектами. Они определяются наличием необходимых материалов и комплектующих изделий, возможностями лабораторного и производственного оборудования, а также уровнем производственных навыков персонала авиационного предприятия. Опыт разработки принципиально новых самолетов свидетельствует, что успех их создания зачастую зависел от коренной реконструкции не только экспериментальной и производственно-технологической базы авиационного предприятия. Создание таких самолетов иногда требовало реконструкции целых отраслей промышленности страны, являясь мощным стимулом научно-технического прогресса.

Сложность самолета как объекта проектирования определяет специфику процесса его разработки. Для реализации процесса проектирования потребовалось создание специализированных проектных организаций -- окб, включающих большое число специалистов в различных технических областях, сложные лабораторные и производственные подразделения. ОКБ представляют собой большие организационно-технические системы, развивающиеся и совершенствующиеся по мере усложнения объекта и средств проектирования. Эти организации в своей деятельности опираются на работу отраслевых научно-исследовательских институтов, занимающихся разработкой перспектив развития авиации в различных ее направлениях (ЦАГИ, ГосНИИ ГА, ЦИАМ, ВИАМ и т. д.) и на опыт производства и эксплуатации самолетов на серийных заводах и в летных подразделениях. Авиастроение-- сложнейшая отрасль отечественной индустрии, вобравшая в себя все передовые достижения отечественной и мировой науки и техники. Это в известной мере барометр уровня научно-технического развития общества (наряду с космонавтикой, радиоэлектроникой, атомной энергетикой).

Из всего длительного процесса создания самолета, от зарождения идеи до запуска в серийное производство и эксплуатацию, мы будем рассматривать лишь проектирование. Это сложный процесс, требующий огромного объема вычислений, графических работ и различного рода исследований. В нем можно выделить ряд этапов, отражающих сложившуюся технологию процесса проектирования.

Рассмотрим этапы этого процесса и дадим характеристику задач, решаемых на каждом из них.

Непосредственному проектированию предшествует этап выработки требований к самолету, осуществляемый совместно заказчиком и окб. На этом этапе (иногда его называют внешним проектированием) на основе параметрических исследований перспективных самолетов как элементов транспортной или боевой системы, анализа их взаимодействия с компонентами комплекса, в котором они будут функционировать, прогнозируются потребные общие характеристики будущего самолета. При этом осуществляются многовариантные расчеты по определению и оптимизации технико-экономических показателей эксплуатации предполагаемого самолета на намеченной сети авиамаршрутов. В результате этой работы определяются необходимые технико-экономические и тактико-технические характеристики самолета, позволяющие сформулировать требования на его проектирование (ТЗ). Следует подчеркнуть, что обоснованное задание требований во многом определяет успех программы создания нового самолета.

Целью следующего этапа проектирования, называемого разработкой технических предложений (предварительное проектирование), является выбор схемы и определение наивыгоднейшего сочетания основных параметров самолета и его систем, обеспечивающих выполнение заданных требований, либо обоснование необходимости их корректировки. На этом этапе на основе анализа ТЗ, идей главного конструктора, опыта конструкторского бюро и рекомендаций НИИ формируется концепция самолета, разрабатывается его аванпроект. При этом определяются в первом приближении основные геометрические, весовые и энергетические характеристики проектируемого самолета, а также формируются законы управления им на различных участках траектории для различных, предусмотренных требованиями, профилей полета. Это этап синтеза облика и определения основных размеров самолета, в процессе которого связываются воедино различные аспекты проектирования самолета, касающиеся исследования его геометрических, весовых, аэродинамических характеристик, высотно-скоростных и дроссельных характеристик двигателей, структуры оборудования и снаряжения, летно-технических данных и траекторий полета.

Выходной информацией этого этапа являются чертежи общих видов рационального варианта самолета, а также документация о его летно-технических, экономических и эксплуатационных характеристиках. На основании этих материалов компетентные органы принимают решение о целесообразности дальнейшей разработки проекта.

В процессе эскизного проектирования полученные ранее геометрические, весовые и энергетические параметры самолета воплощаются в конкретную конструктивную компоновку, отвечающую различным, весьма противоречивым требованиям, в том числе эксплуатационным и технологическим.

В процессе компоновки уточняют центровку самолета, расчету которой предшествует составление весовой сводки на основе прочностных и весовых расчетов агрегатов планера и силовой установки, ведомостей оборудования, снаряжения, грузов и т. д. В процессе эскизного проектирования обычно проводят широкие теоретические и экспериментальные исследования агрегатов и систем самолета. Изготавливают и продувают в аэродинамических трубах модели самолета и его отдельных агрегатов. По результатам этих исследований уточняют аэродинамический расчет, расчеты устойчивости и управляемости, а также характеристик аэроупругости. На основании этих расчетов вносят соответствующие исправления в компоновку самолета, уточняют весовые расчеты. Строят макет самолета, позволяющий произвести взаимную пространственную увязку агрегатов и систем самолета, размещение оборудования, оценить удобство размещения экипажа и пассажиров.

Итог этого этапа -- эскизный проект; он дает информацию об уточненных характеристиках самолета, а также о форме, размерах и взаимном расположении основных агрегатов и функциональных элементов самолета. Макетная комиссия производит комплексную оценку проекта, необходимую для принятия решения о разработке рабочего проекта и его реализации.

Заключительный этап собственно процесса проектирования -- рабочее проектирование; он направлен на практическую реализацию заявленных характеристик и параметров самолета. На этом этапе выпускается вся техническая документация, необходимая для изготовления, сборки, монтажа как отдельных агрегатов и систем, так и самолета в целом. Разрабатываются чертежи общих видов агрегатов самолета, сборочные и деталировочные чертежи отдельных его частей. Проводятся: экспериментально-исследовательские работы, связанные с внедрением новых материалов, типов конструкций; статические и динамические прочностные и ресурсные испытания конструкций; стендовые испытания систем оборудования, управления, жизнеобеспечения. При этом уточняются весовые расчеты и расчеты на прочность всех элементов конструкции.

Рис. 2. Основные этапы разработки проекта самолета

Информация, полученная на этом этапе, позволяет уточнить данные о проекте и внести соответствующие коррективы в расчеты, выполненные на предыдущих этапах.

В процесс проектирования следует также включить изготовление опытных образцов самолетов и их испытания -- наземные и летные, поскольку в ходе этих испытаний определяются фактические характеристики самолета и степень удовлетворения тактико-технических требований (ТТТ). На основании этой информации принимается решение о внесении изменений в проект.

При изготовлении опытных образцов осуществляется отработка технической документации и технологии изготовления самолета.

По итогам этого этапа принимается решение о запуске самолета в серийное производство.

3. Удельный вес этапов проектирования

Анализ показывает, что проектирование -- сложный, многоэтапный процесс. Существенным является то, что этот процесс обычно итерационный, причем итерации осуществляются не только между основными этапами проектирования, но и внутри каждого из них. Укрупненная схема процесса разработки проекта представлена на рис. 2.

Отметим место и удельный вес различных этапов разработки проекта самолета.

Рис. 3. Изменение затрат и распределение принятых решений (в %) на различных этапах разработки самолета: 1 -- анализ ТТТ, исследование областей применения; 2 -- выработка концепции самолета; 3 -- разработка аванпроекта; 4 -- разработка эскизного проекта; 5 -- рабочее проектирование; 6 -- постройка самолета, стендовые испытания; 7 -- летные испытания

На рис. 3 показана тенденция изменения затрат на разработку самолета и распределение принимаемых решений (в %) по отдельным этапам разработки. Видно, что процесс общего проектирования, включающий техническое предложение и эскизный проект -- наиболее ответственные этапы создания самолета. На этих этапах при затрате максимум 20 ... 25 % времени от всей работы и не более 5 ... 10 % средств принимается 75 ... 80 % основных решений по проекту (технических и организационных).

От того, насколько правильные решения принимаются на ранних этапах, часто зависит судьба проекта, и не только потому, что ошибки, допущенные на ранних этапах разработки проекта, приводят к слишком большим затратам средств и времени на его доработку в процессе рабочего проектирования и постройки, но и потому, что от них может вообще зависеть возможность реализации проекта.

Ключевые слова и выражения

Авиационный комплекс - органическое сочетание людских и материальных ресурсов и действиями которого вырабатывается определенный полезный для общества эффект.

Аванпроект, эскизное проектирование, рабочее проектирование - последовательные этапы проектирования летательного аппарата.

Контрольные вопросы

1. Какие функциональные подсистемы определяют в совокупности полезные свойства самолета?

2. Что такое «авиационный комплекс»?

3. Назовите этапы проектирования летательного аппарата.

4. Что включает в себя каждый конкретный этап проектирования?

5. Какие опасности таят в себе ошибки в проектировании?

ЛЕКЦИЯ № 3. ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ ДЛЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

План лекции

Эволюция методов проектирования самолетов

Методология системного проектирования

Исходные данные для проектирования

1. Эволюция методов проектирования самолетов

При проектировании можно базироваться на двух принципах: эволюционные изменения и создание нового. В первом случае изделие совершенствуется в течение определенного времени путем внесения незначительных улучшений. При этом риск допустить крупные ошибки невелик. Бурный рост научных и технических открытий, весь ход общественного развития выдвинули на первый план задачу создания изделий, базирующихся на новых технических решениях. Такой путь проектирования сопряжен с большей степенью риска. На практике в соответствии с диалектикой проектирования эволюционные изменения и появление нового происходят одновременно, т. е. конструктор одновременно создает новое и осуществляет эволюционные изменения. Для реализации такого подхода к проектированию самолетов потребовался определенный этап развития авиации, этап накопления опыта и фактов, обобщения их в систему знаний -- науку о проектировании нового вида техники.

Этот период характеризовался становлением методологии проектирования самолетов. Под методологией проектирования понимается совокупность принципов и методов, а также математический аппарат, с помощью которого решаются проектно-конструкторские задачи. Рассмотрим, как развивались методы проектирования, на примере решения задачи о выборе проектных параметров, определяющих форму и размеры самолета.

В основе проектирования первых самолетов лежал метод копирования (метод подобия), базирующийся в основном на законах подобия. Не имея опыта проектирования, не зная законов аэродинамического полета, конструкторы создавали самолеты, копируя очертания птиц, летучих мышей и других летающих существ. Были разработаны бесчисленные проекты летательных аппаратов тяжелее воздуха.

В 20-х годах нашего века, когда уже был накоплен значительный опыт разработки и постройки первых самолетов и планеров, когда авиационные науки (в основном бурно развивающаяся аэродинамика) позволяли установить основные связи между формой, размерами самолета и его летными характеристиками, метод копирования был вытеснен так называемым статистическим, методом. В его основе уже лежит определенный научный подход, основанный на обработке прошлого опыта, установлении эмпирических закономерностей, отражающих объективные законы проектирования. При этом методе параметры нового самолета определяются на основе экстраполяции статистически обработанных данных по ранее созданным самолетам аналогичного назначения (самолетам-прототипам). Этот метод базируется на предположении о непрерывном, плавном изменении во времени параметров и характеристик самолетов определенного типа. Однако экстраполяция параметров и характеристик при длительном сроке создания современного самолета (6 ... 10 лет) в условиях научно-технической революции может привести к существенным, принципиальным ошибкам. Недостаток такого метода проектирования заключается и в том, что он не позволяет учитывать все многообразие связей между параметрами и характеристиками самолета, а следовательно, определять пути изменения данных прототипов. Естественно поэтому, что использование этого метода оправдано лишь при применении эволюционного принципа проектирования. Когда проектируется принципиально новый самолет, возможности этого метода ограничены. Вместе с тем опыт авиастроения свидетельствует, что только очень немногие проекты могут быть признаны совершенно новыми, и даже при их разработке значительное число технических решений принимается на основе прошлого опыта. По этой причине статистический метод в целом либо в отдельных его частях по-прежнему находится на вооружении проектировщиков, трансформировавшись в так называемый метод проектирования от прототипа.

Дальнейшее развитие методов расчета весовых, аэродинамических характеристик, расчетов устойчивости и управляемости, показателей эффективности самолета поставили на реальную основу развитие аналитических методов определения его основных проектных параметров. Эти методы базируются на совместном решении системы уравнений, учитывающих важнейшие связи между параметрами и характеристиками самолета с учетом различного рода ограничений. В результате такого решения ищется допустимый (в смысле удовлетворения уравнениям существования самолета) вариант проекта. Применение аналитических методов открыло широкую возможность для проведения параметрических исследований по определению влияния изменения проектных параметров и ограничений на технико-экономические характеристики самолета. Отсюда оставался один шаг до решения задач по отысканию наивыгоднейших (оптимальных) параметров самолета, удовлетворяющих выбранному критерию оценки совершенства проектных решений. Это дало толчок к развитию так называемых методов оптимального проектирования самолетов. Первой отечественной работой, посвященной оптимизации параметров самолета, является работа советского инженера Н.Н. Фадеева «Изыскание рациональных размеров самолета» (Труды ЦАГИ, вып. 461, 1939). Практическая реализация методов оптимального проектирования длительное время затруднялась чисто вычислительными трудностями, особенно при решении многопараметрических задач. Применение последовательной оптимизации по отдельным параметрам не давало ощутимых результатов.

Примерно к середине 60-х годов сложились объективные предпосылки для дальнейшего развития теории проектирования самолета. Важнейшие из них:

-- развитие общей теории сложных технических систем (системотехники);

-- развитие прикладных авиационных наук, раскрывающих сущность явлений, определяющих законы формирования самолета и его подсистем;

-- успехи в области математики, в первую очередь теории оптимизации и численных методов;

-- появление ЭВМ.

По мере накопления опыта решения различных задач оптимизации отдельных элементов самолета, все более широкого использования ЭВМ при решении таких задач постепенно увеличивалось число параметров, вовлекаемых в процесс одновременной оптимизации. Совершенствовались критерии оценки проектно-конструкторских решений в направлении учета многоцелевого характера применения самолета и динамики изменения требований к нему за период эксплуатации.

Наряду с этим развивалась общая теория проектирования больших систем, на базе которой практика и теория проектирования самолетов постепенно обретают логическую завершенность, обеспечивая подлинно научный подход к прогнозированию параметров и характеристик будущего самолета. Идеи системного проектирования интуитивно использовались при проектировании самолетов и ранее. Они нашли отражение в расчленении процесса проектирования на этапы, а самолета--на подсистемы и агрегаты. Системное проектирование базируется на строго упорядоченном комплексном подходе, учитывающем сложные связи и взаимное влияние между элементами системы. Включая в себя как составную часть метод оптимального проектирования, оно отличается от широко распространенных процедур оптимизации отдельных устройств и характеристик систем применением системных, в частности комплексных (обобщенных), критериев оптимальности, использованием математических моделей, описывающих существенные черты системы в целом, математическим аппаратом оптимизации, широким применением ЭВМ.

2. Методология системного проектирования

Теоретической базой проектирования больших технических систем (к которым, как мы показали, относится самолет) является сравнительно недавно появившаяся наука -- системотехника, которая ставит своей целью создание и изучение наиболее общих способов описания законов функционирования и методов анализа и синтеза больших систем. В отличие от проектно-технических дисциплин (аэродинамика, динамика, строительная механика и т.д.), изучающих отдельные процессы, объекты, элементы и устройства, системотехника изучает поведение больших совокупностей определенным образом взаимосвязанных процессов, объектов и устройств.

Системотехника тесно переплетается с теорией исследования операций (ТИО). В ТИО излагаются критерии оптимальности и оценки эффективности различных решений, операций, проектов, рассматривается теория моделирования операций и проектов, а также даются математические методы оптимизации различных решений. Таким образом, ТИО, наряду с концепциями системного подхода, является методологической основой проектирования оптимальных технических систем.

После формализации на основе математического моделирования задача проектирования системы может быть сведена к задаче нахождения глобального экстремума функции многих переменных (параметров) при ограничениях на эти параметры в виде функциональных равенств и неравенств. Область вычислительной математики, занимающаяся решением таких задач (математическое программирование), является математической основой проектирования оптимальных систем.

Системное исследование -- это изучение системы и ее поведения в целом как единого объекта, выполняющего определенные функции в конкретных условиях. Системный подход -- это учет всего, что влияет на выполнение системой поставленных перед нею задач и достижение определенных целей.

В основе системного подхода лежит предположение о возможности расчленения сложных систем и процессов на составляющие их относительно самостоятельные элементы (подсистемы, подпроцессы). Это существенно облегчает анализ и синтез сколь угодно сложных систем. При этом очень важно правильно выбрать объект системного исследования, чтобы системное его изучение давало значительный эффект по сравнению с рассмотрением системы по частям. Обладая достаточной масштабностью, чтобы имело смысл его отдельное исследование, такой объект должен допускать хотя бы приближенное описание его структуры и функционирования математическими методами. При определении масштаба исследуемой системы необходимо учитывать вычислительные возможности современных ЭВМ. Поэтому весьма важными задачами системного проектирования являются обоснованное расчленение (декомпозиция) системы на подсистемы, а процесса проектирования на подпроцессы (этапы) и определение существенных структурно-функциональных связей между расчлененными элементами (определение «входов» и «выходов»).

Системное проектирование всегда направлено на поиск параметров системы, оптимальных в смысле выполнения ею своего функционального назначения с учетом возможной многофункциональности и взаимосвязи с другими подсистемами. При этом определение взаимосвязанного комплекса критериев, позволяющих на каждом уровне расчленения системы отыскивать с помощью формальных методов ее оптимальные параметры, а также иметь возможность объективно оценивать результаты проектирования, также является одной из важнейших задач системного проектирования.

Поскольку системное проектирование опирается на широкое использование математических методов исследования и ЭВМ для решения проектных задач, не менее важна разработка приемлемых математических моделей исследуемых систем и процессов. Такие модели должны позволять применение формальной логики и элементарных арифметических операций для решения весьма сложных задач. Последующие задачи системного проектирования направлены на разработку алгоритма и программы для решения задачи на ЭВМ, анализ результатов и подготовку материалов для принятия решений.

Раскроем содержание отмеченных выше задач системного проектирования применительно к самолету. Изучение системы начинается с выявления ее структуры и установления связей между элементами. Как отмечалось выше, самолет является сложной системой, входящей в большие авиационные системы (комплексы). В авиационном комплексе (ак) самолет проявляет себя через технико-экономические характеристики (ТЭХ), включающие в себя летно-технические характеристики (ЛТХ), характеристики надежности и живучести, а также характеристики целевой нагрузки. Совокупность этих характеристик определяет эффективность использования самолета в авиационном комплексе.

Граф обобщенных характеристик самолета в АК, построенный на основе отношения принадлежности, представлен на рис. 3.3. Подобное рассмотрение структуры самолета позволяет установить основные проектные (информационные) связи между элементами самолета как составной части: АК.

Рассмотрим иерархию и содержание задач, связанных с проектированием самолета. Являясь элементом большой авиационной системы, самолет через свои ТЭХ оказывает влияние на показатели эффективности системы, а следовательно, и на экономику отрасли (если речь идет, например, о транспортных системах) и всего народного хозяйства. Технико-экономические характеристики, в свою очередь, являются функцией параметров самолета, выбираемых в процессе его проектирования. Вследствие этого возникает проблема установления связи между выбором проектных параметров и характеристик самолетов и оценкой их с точки зрения всего народного хозяйства.

Попытки непосредственного разрешения этой проблемы путем выбора параметров конкретного самолета на основе исследования их влияния на экономику всего народного хозяйства практически неосуществимы. Это объясняется как громоздкостью модели решения такой задачи, так и слабым влиянием параметров самолета на соответствующий критерий оценки. Для анализа экономической эффективности самолетов в комплексной транспортной системе народного хозяйства вполне достаточно характеризовать их, как и другие виды транспорта, средними стоимостными показателями, формируемыми в сфере эксплуатации самолетов на основе их ТЭХ, определяемых проектными и конструктивно-технологическими решениями в процессе проектирования самолета.

Рис.1. Граф обобщенных характеристик самолета в авиационном комплексе

Таблица 3.1

Стадии	Иерарх. уровень	Содержание задач	Организации, ответственные за решение задач
«Внешнее» проектирование	I	Определение потребных объемов грузо-пассажирских перевозок авиационным транспортом	Госплан РУз, Институт комплексных транспортных проблем
	II	Потребный типаж и желаемые ТЭХ самолетов, число самолетов (парк) каждого типа и их распределение по авиалиниям	Министерство гражданской авиации, ГосНИИГА
«Внутреннее» проектирование	III	Определение облика и проектных параметров самолета, удовлетворяющего заданные требования	Министерство авиационной промышленности, НИИ, ОКБ
	IV	Проектно-конструкторские задачи по уточнению облика самолета, его конструктивно-силовой и общей компоновочной схем, определению структуры и параметров подсистем	Отделы ОКБ
	V	Конструкторские задачи по разработке узлов и деталей и составлению технической документации для производства и эксплуатации самолета	Бригады ОКБ

В соответствии с этим можно выделить пять основных уровней решения задач по разработке нового самолета, представленные в табл. 3.1. Видно, что уровень II соответствует разработке технического задания на проектирование. Уровни III, IV, V соответствуют этапам разработки аванпроекта, эскизного и рабочего проектов соответственно.

Информация, соответствующая прямым межуровневым связям, получается на основе решения задач рассматриваемого уровня. Причем для верхнего уровня она представляет собой искомые переменные (оптимизируемые параметры), а для нижнего -- дисциплинирующие условия, являющиеся основой для формулирования критериев и ограничении решения задач данного уровня.

Обратные связи отражают:

для I уровня -- прогнозируемую себестоимость авиаперевозок по авиалиниям или среднюю себестоимость перевозок тонна-километра по воздушному транспорту;

для II уровня -- прогнозируемые летно-технические характеристики самолетов;

для III уровня -- прогнозируемые физико-механические свойства материалов и комплектующих изделий (элементная база), технологические процессы, результаты НИР и ОК.Р и т. д.

Ввиду сложности моделей теоретически необходимое число итерационных циклов между различными уровнями весьма трудно реализовать на практике. Вместе с тем опыт многочисленных исследований указывает на возможность в определенной мере независимого рассмотрения систем разного уровня. Эта возможность объясняется оптимизационным характером задач, решаемых на каждом уровне. Чем выше по иерархии смежные уровни, тем реже потребность в обмене информацией между ними. Вероятностный характер информации, на основе которой решаются задачи рассматриваемых уровней, вносит некоторую степень неопределенности, которая, однако, не отражается существенно на результатах.

Анализ структуры самолета и иерархии задач проектирования позволяет обоснованно подойти к проблеме декомпозиции самолета на подсистемы, а процесса его проектирования -- на ряд взаимосвязанных задач. Методология системного проектирования базируется на следующих основных положениях об оптимальности систем.

1. В общем случае система, состоящая из оптимальных элементов (подсистем), не обязательно будет оптимальной. Она должна оптимизироваться в целом, как единый объект с заданным целевым назначением. Это, однако, не означает, что оптимизация по частям вообще не имеет смысла.

2. Система должна оптимизироваться по количественно определенному и единственному критерию, отражающему в математической форме цель оптимизации. Отсутствие такого критерия, как правило, свидетельствует о нечетком понимании разработчиком стоящей перед ним задачи.

3. Поскольку система оптимизируется в условиях количественно определенных ограничений на оптимизируемые параметры, ее оптимальность всегда относительна, условна.

В этих условиях весьма важной проблемой является выбор системы критериев, позволяющих для каждого рассмотренного уровня проектных задач, для каждого элемента подсистемы выбирать такие параметры и характеристики, которые бы обеспечивали высокую эффективность системы в целом. При этом необходимо руководствоваться принципом оптимальности, который гласит: если объекты элементов и подсистем всех уровней оптимальны по критериям, соответствующим системам более высокого уровня, то вся система оптимальна. Это означает, что, хотя каждой стадии проектирования и каждой подсистеме авиационного комплекса либо самолета может соответствовать свой критерий оценки, все они должны быть непротиворечивы, отвечая общим целям авиационного комплекса.

Приведем основные правила выбора критериев с учетом особенностей связей.

Правило 1. При выборе оптимальных параметров определенного объекта с фиксированными функциональными связями необходимо, чтобы критерии, используемые в случае оптимизации его элементов и подсистем, являлись показателями качества соответствующих систем более высокого уровня.

Правило 2. В случае оптимизации параметров объектов, имеющих прямые функциональные связи, необходимо, чтобы эти

объекты были оптимальны по критерию оценки системы, функции которой они выполняют.

Правило 3. При выборе оптимальных параметров объекта, определяющих иерархические функциональные связи, в качестве критерия следует принимать показатель качества системы высшего уровня, ограничивающий рамки влияния этих параметров.

Под функциональными связями здесь понимаются такие, которые определяют возможность выполнения системой своих функций.

Математическое моделирование проектных задач с использованием ЭВМ является важнейшей составной частью методологии системного проектирования.

Моделирование предполагает построение модели и ее исследование, включающее отыскание допустимых решений, анализ чувствительности модели и оптимизацию. Построить модель системы -- это значит дать ее количественное описание с помощью системы уравнений, связывающих параметры и характеристики системы. Под параметрами системы мы понимаем независимые переменные и их численные значения. Синонимом слова «параметр» является слово «аргумент». Характеристики -- это переменные и их численные значения, зависящие от значений параметров, а также от значений параметров и самих характеристик. Например, геометрические параметры самолета, такие как удлинение, относительная толщина, стреловидность крыла и т. д., определяют важную аэродинамическую характеристику -- коэффициент лобового сопротивления. Он, в свою очередь, зависит от скорости полета самолета, являющейся его характеристикой. Синонимом слова «характеристика» является слово «функция». Отметим, что в иерархических системах понятия «параметр» и «характеристика» имеют относительный характер, поскольку параметры верхнего уровня при переходе к нижнему уровню обычно превращаются в характеристики.

Построение математической модели начинается с формализованного описания проектируемого объекта, которое в общем случае представляет собой смысловое выражение его модели. Для этого вначале целесообразно выявить параметры, которые могут оказать существенное влияние на результаты моделирования. Это весьма ответственный этап деятельности проектировщика, носящий творческий характер, поскольку определение существенности в значительной степени зависит от стадии проектирования, типа решаемой задачи (ее постановки), а также в не меньшей степени от опыта проектировщика и наличия априорных сведений о проектируемом объекте.

Количество таких параметров на определенном этапе проектирования должно быть таким, чтобы набор их конкретных значений давал достаточную информацию для принятия необходимых на рассматриваемом уровне разработки проекта решений.

После составления перечня существенных параметров приступают к следующему этапу разработки модели -- установлению отношения (связей) между параметрами, а также между параметрами и характеристиками. При этом важно из всего многообразия таких отношений выделить наиболее существенные, позволяющие получить необходимую информацию о возможности реализации тех или иных проектных концепций для удовлетворения целей проектирования, а также меру эффективности этих концепций.

При рассмотрении отношений может выясниться, что некоторые параметры не удается при существующем уровне знаний связать отношениями с характеристиками и другими параметрами. В этом случае их приходится исключать из формализованного описания модели, оставляя для последующего рассмотрения. Следующим этапом построения модели является ее математическое описание. Для математического описания самолета обычно используются конечные алгебраические и трансцендентные уравнения, обыкновенные дифференциальные уравнения и уравнения в частных производных. Алгебраические и трансцендентные уравнения обычно применяются для описания геометрических, массовых, аэродинамических и частично энергетических отношений между характеристиками и параметрами самолета. Обыкновенными дифференциальными уравнениями описываются траекторные параметры и динамические характеристики. Для описания некоторых динамических и прочностных характеристик, в частности связанных с определением тепловых потоков на поверхности самолета, используются дифференциальные уравнения в частных производных.

В зависимости от того, учитывается ли фактор времени в параметрической модели, различают динамические и стационарные модели. Последние, естественно, более просты для исследования и поэтому используются чаще.

Заключительный этап построения модели -- разработка вычислительного алгоритма, т. е. определенной последовательности расчетов и логических процедур для решения поставленной задачи, проводимых на основе определенных методов и математической модели системы.

Осуществив программную реализацию алгоритма, математическую модель необходимо проверить на соответствие моделируемому объекту путем решения тестовой задачи. В процессе испытания модели устраняют возможные ошибки, уточняют и при возможности упрощают математическое описание, сокращают число независимых (управляющих) параметров.

3. Исходные данные для проектирования

В начале говорилось о том, что в проектировании самолета имеется две стадии: «внешнее» проектирование и «внутреннее» проектирование. В дальнейшем рассматриваются проблемы внутреннего проектирования.

Высший иерархический уровень внутреннего проектирования, соответствующий этапу разработки технического предложения (этапу предварительного проектирования), имеет своей задачей формирование облика самолета: выбор схемы самолета и определение наивыгоднейшего сочетания основных параметров самолета и его систем, удовлетворяющих заданным тактико-техническим требованиям (см. уровень III в табл. 3.1).

Исходными данными для проектирования самолета могут быть:

-- тактико-технические требования заказчика к данному самолету;

-- идеи главного конструктора;

-- рекомендации НИИ промышленности.

Кроме того, исходными данными для проектирования являются и ограничения на условия эксплуатации и на особенности применения самолета (ограничения на результаты проектирования) и ограничения, обусловливаемые методами проектирования.

...