Каждый год в январе в рамках форума SciTech Американского института аэронавтики и космонавтики обсуждаются новые тенденции в аэрокосмической отрасли.

По итогам последнего форума можно сделать вывод, что наиболее актуальные на сегодня вопросы связаны с улучшением:

• силовых установок;
• автономных систем;
• технологий аддитивного производства деталей;
• технического обслуживания, ремонта и эксплуатации.

Все эти направления связаны одной глобальной тенденцией – всё большим усложнением авиационных систем.

Разработать такие сложные системы и удовлетворить потребности рынка можно только с использованием связанного компьютерного моделирования на всех стадиях жизненного цикла продукта – от предпроектного анализа до эксплуатации. А на это как раз и направлена концепция всеобъемлющего инженерного моделирования (Pervasive Engineering Simulation), предлагаемая компанией Ansys.

1. Уменьшение затрат и выбросов благодаря электрическим и гибридным авиационным двигателям

Передовые эксперты аэрокосмической отрасли подчёркивают необходимость снижения уровня загрязнения окружающей среды, соблюдения норм и правил при одновременном повышении производительности авиационных двигателей. Другими словами, авиационные двигатели должны вырабатывать больше мощности при меньшем расходе топлива, уровне шума и меньших выбросах.

Для достижения этой цели специалисты аэрокосмической отрасли работают над повышением эффективности двигателей на жидком топливе, а также исследуют электрические и гибридные силовые установки.

Высокую важность имеют также аэроакустические параметры этих двигателей, поскольку беспилотные летательные аппараты (БПЛА) и городские воздушные транспортные средства уже начали завоёвывать воздушное пространство наших городов.

Для производства таких новых летательных аппаратов потребуется глубокое понимание особенностей работы различных элементов летательного аппарата на больших высотах: материалов, аккумуляторов, инвертеров, кабелей, программного обеспечения, электроники и систем управления.

Связанные расчеты позволяют учесть все эти особенности при разработке электрических и гибридных авиационных двигателей. Узнать больше вы можете по ссылке: Comprehensive Multiphysics Design for Electric Machines (на английском языке).

2. Автономные беспилотные системы – это будущее аэрокосмической отрасли

Ещё одним направлением развития аэрокосмической промышленности являются различные автономные беспилотные системы – как летательные, так и космические аппараты. Все любители научной фантастики знают, что именно беспилотные аппараты обеспечат будущее космических путешествий.

Хотя космические зонды используются уже очень давно и активно, они всё ещё очень уязвимы к любым неожиданным воздействиям. На то, чтобы отправить запрос и получить ответ от центра управления полётами, понадобится не один час, а иногда и не один день. За это время зонд может быть утерян или уничтожен.

Но вернёмся к земным проблемам. Многие компании работают над технико-экономическим обоснованием местного авиатранспорта — вышеупомянутых БПЛА, которые будут обеспечивать транспортное соединение между региональными аэропортами. Экономическая выгода таких БПЛА может быть обеспечена только при сокращении экипажа до одного пилота или при внедрении беспилотного управления.

Самолёты с одним пилотом требуют высокой степени автоматизации и перепроектирования кабины. Для этих задач компания Ansys предлагает такие решения:

• программный продукт Ansys SCADE для оптимизации встраиваемого программного обеспечения;
• инструменты оптического моделирования Ansys, позволяющие разработать приборы с учётом того, чтобы пилот мог их считывать при любых погодных условиях.

Для разработки абсолютно автономного самолёта необходимо выполнить моделирование замкнутой системы, включающей датчики, программное обеспечение системы управления и интеллектуальные алгоритмы. Выполнить проверку этих беспилотных автономных систем на все возможные ситуации в разумные сроки можно только при помощи технологий виртуальной реальности и связанных расчетов.

Узнать больше вы можете по ссылке: Fast-tracking Safe Autonomous Vehicles (на английском языке).

3. Техническое обслуживание самолётов нового поколения будет полагаться на результаты компьютерного моделирования

Рынок технического обслуживания и ремонта воздушных судов неуклонно растёт с увеличением производства самолётов и сложности их систем. На сегодняшний день значительная часть бюджета авиакомпаний уходит на покрытие расходов на внеплановое техническое обслуживание. Разумное планирование циклов обслуживания для предотвращения поломок и неисправностей позволяет минимизировать расходы, связанные с вынужденным нахождением самолёта на земле.

В отличие от предыдущих поколений, нынешнее поколение самолётов позволяет получить значительно больше данных, которые могут быть использованы для лучшего понимания и прогнозирования работы систем. Техническое обслуживание воздушных судов, спланированное на основе диагностической информации, уже приносит большую экономию.

Однако, когда речь заходит о работе новых технологий, это прогнозирование далеко не столь эффективно, поскольку оно основано на исторических данных. Авиационная промышленность не может ждать десятилетие, пока будут накоплены все необходимые данные для внедрения прогнозного технического обслуживания самолётов следующего поколения. Вместо этого можно воспользоваться результатами компьютерного моделирования отказов.

Узнать больше вы можете по ссылке: The Need for Speedy Innovation in the MRO and Aviation Industries (на английском языке).

4. Аддитивные технологии позволяют объединять детали самолётов и уменьшать их вес

Топологическая оптимизация и технологии аддитивного производства позволяют объединять детали самолётов и уменьшить их вес

Ещё одной тенденцией, которая стремительно влетела в аэрокосмическую промышленность, является аддитивное производство деталей. Особый интерес представляет 3D-печать из металлов. Технологии аддитивного производства в сочетании с топологической оптимизацией позволяют не только добиться существенного уменьшения веса деталей, но и объединять их, уменьшая стоимость и время сборки. В конечном итоге это упрощает техническое обслуживание и сокращает расход топлива.

Кроме того, внедрение технологии аддитивного производства позволит изготавливать детали самолётов по заказу, что увеличит эффективность цепочки поставок.

Однако главная проблема аддитивных технологий производства, помимо удовлетворения сертификационным требованиям, заключается в том, что для её внедрения необходимы эксперты очень высокого уровня, которых не так просто найти. Процесс печати должен быть разработан таким образом, чтобы избежать деформаций детали и высоких остаточных напряжений, а также уменьшить количество опор. Плохо оптимизированные процессы печати приводят к большому количеству бракованных деталей, и, как следствие, к значительным потерям времени и денег. В связи с этим ручной перебор параметров процесса печати не является приемлемым методом.

Проще говоря, разработка деталей для аддитивного производства – задача не из лёгких, а для оптимизации процесса печати необходимо использовать компьютерное моделирование. Узнать больше вы можете, ознакомившись со страницей программного продукта Ansys Additive Suite на сайте ANSYS (на английском языке).

5. Возрастающая сложность конструкций летательных аппаратов требует применения междисциплинарного подхода

У всех тенденций, описанных выше, есть одна общая особенность – усложнение авиационных систем, которое связано с большим количеством рисков и может приводить к существенным временным и финансовым расходам.

Связанные расчеты играют важную роль в решении этих сложных задач и минимизации риска. При выполнении таких расчетов различные программные продукты передают данные между собой как в одностороннем, так и, для ряда задач, в двустороннем порядке. Это позволяет спрогнозировать работу авиационных систем в реальных условиях эксплуатации.

Однако, в аэрокосмической отрасли плотно укоренились традиционные (а иногда и устаревшие) методы проектирования, расчётов и организации работ. В большинстве случаев расчётные отделы по-прежнему работают каждый над своей отдельной задачей в рамках одного физического процесса, а потом передают полученные результаты в другой отдел. Конструкции самолётов тем временем становятся слишком сложными, чтобы и дальше придерживаться такого разобщенного подхода.

Внедрение связанных расчетов стало очень непростым шагом для многих компаний, поскольку оно требует резкого изменения структуры и привычного рабочего процесса. Однако его обоснованность и эффективность была продемонстрирована многими стартапами в космической отрасли. Такие компании, как Virgin Galactic и SpaceX, достигли невероятных успехов за несколько коротких лет, создав серьёзную конкуренцию самым крупным компаниям аэрокосмической отрасли.

Самолёты нового поколения ставят очень сложные задачи, которые нельзя решить путём рассмотрения каждого физического явления в отдельности. Пришло время ускорить этапы разработки и испытаний, а осуществить это можно только при помощи междисциплинарного подхода и связанных расчётов.

О технологиях моделирования, которые могут помочь при решении задач, связанных с некоторыми из этих тенденций, можно прочесть в статье: 6 Simulation Technologies Aerospace Engineers Don’t Want to Miss in 2019 (на английском языке).

Источник: www.ansys.com/blog
Автор: Paolo Colombo