Как программный метод МАИ поможет созданию бесхвостых самолетов «летающее крыло»

Инженеры Московского авиационного института (МАИ) создали новый программный комплекс для расчета аэроупругости крыла из композитных материалов. По мнению ученых, это сократит время конструкторских работ и эффективнее распределит ресурсы при проектировании. Для проведения таких расчетов может быть достаточно одного специалиста, обладающего необходимыми компетенциями в математическом моделировании, рассказал «Ведомости. Науке» представитель вуза.

Заложенная в основу программного комплекса методика позволяет выявлять и устранять потенциально опасные явления еще на стадии проектирования. Например, флаттер – самовозникающие и быстро нарастающие колебания конструкции – или дивергенцию – неконтролируемое закручивание крыла под нагрузкой.

Работа с полимерными композитами требует глубокого знания их свойств для точности расчетов, рассказывает разработчик, начальник бригады аэроупругости и внешних нагрузок лаборатории № 2 НИО-101 МАИ Станислав Коваль. Углепластики и стеклопластики легче и прочнее алюминия, но в отличие от металлов обладают анизотропией – их свойства зависят от направления деформации. Например, материал может быть жестким вдоль укладки волокон, но легко расслаивается или ломается при воздействии сбоку. Это усложняет расчеты, говорит Коваль.

Применение нового программного комплекса на практике поможет ускорить проектирование самолетов, считают в МАИ. Особенно это касается перспективных воздушных судов, создаваемых по бесхвостой схеме «летающее крыло».

Говоря о преимуществах своей разработки, Коваль отметил, что в традиционном подходе крыло сначала проверяют на статическую прочность – как оно изгибается под нагрузкой. Затем идет проверка на динамическую упругость – как оно вибрирует. Новый метод объединяет эти этапы, что, по оценке разработчиков, должно сократить время конструкторских работ.

«При этом большая точность результатов достигается за счет включения в анализ множества дополнительных параметров», – пояснил ученый. Разработка помогает еще на ранних этапах проектирования получать более комплексную картину по динамической аэроупругости и уточнять нагрузки, действующие на самолет во время полета.

Как отметил ученый, методика включает механизмы сопоставления расчетных данных с результатами испытаний динамически подобных моделей. Это важно, поскольку математические расчеты должны подтверждаться экспериментами. Проблема сокращения сроков проектирования максимально актуальна, считают в МАИ. Сейчас этот этап для одного самолета может превышать 10 лет. Вся авиационная индустрия движется в направлении ускорения проектирования, но без потери качества, рассказали в вузе.

На чем основаны расчеты и как их внедрить на производстве

Программный комплекс представляет собой алгоритм расчета, рассказал «Ведомости. Науке» Коваль. Это связка нескольких программ, в которые модели загружаются и отлаживаются вручную, при этом совместный расчет в нескольких программах автоматизирован.

Чтобы реализовать идею на конкретном заводе, важно не число задействованных сотрудников, а уровень их компетенции в математическом моделировании физических процессов, поясняет он. Такую задачу может решать и один человек, но обладающий большим опытом и знаниями, добавил разработчик.

Расчеты по стоимости внедрения разработки пока не проводились, сказал Коваль.

Новые решения для сокращения сроков создания самолетов

Сейчас для сокращения времени и ресурсов на конструкторские работы на заводах используют опыт и наработки прошлого, при этом время требует новых решений, говорит начальник отдела филиала ПАО «Яковлев» (входит в ОАК госкорпорации «Ростех») – Центр комплексирования Евгений Неретин. При этом сроки разработки российских самолетов значительно увеличены по сравнению с зарубежными аналогами и советским периодом по различным объективным и не очень причинам, пояснил он.

«Да и с композитным крылом пока еще в России никто не работал, кроме МС-21, поэтому коллеги правильно говорят, что надо проводить много моделирования», – добавил Неретин. В России сейчас не так много проектов, в которых могли бы проводиться такие расчеты, добавил эксперт. Поэтому и финансовую составляющую коллеги оценить не смогли, отметил он.

По мнению Неретина, разработка будет полезна в современном производственном процессе. Всегда лучше сначала провести моделирование и только потом тратить деньги на изготовление опытного образца, пояснил он.

Перспективы реализации на практике

Разработку МАИ можно применять и для простых БПЛА самолетного типа, рассказал представитель вуза. Такие дроны создают из менее прочных и жестких материалов, однако они должны выдерживать большие эксплуатационные нагрузки. Новый программный комплекс, по его словам, позволит оптимизировать и конструкции возвращаемых космических аппаратов, которые испытывают значительное сопротивление при входе в плотные слои атмосферы.

В МАИ в этом году разработали несколько методов, направленных на сокращение времени и ресурсов конструкторских работ. Некоторые уже начали внедрять на производстве. Сейчас на кафедре сопротивления материалов под руководством профессора Григория Федотенкова ученые разрабатывают интеллектуальную систему волновой диагностики композитных материалов.

Система позволяет определить, соответствует ли материал заявленным характеристикам, и выявить скрытые дефекты. В авиации разработка может применяться для контроля качества новых деталей и раннего обнаружения неблагоприятных изменений. Метод основан на пропускании через изделие специальных волн, включая ультразвуковые. Датчики фиксируют отклики материала, а ИИ анализирует данные и сравнивает их с расчетной моделью.

По сути, это создание виртуальной копии изделия, которая периодически уточняется по данным эксплуатации. Но здесь особенно важно то, что ученые придают «цифровому двойнику» свойства динамической модели, способной быстро обновляться по новым измерениям, учитывать текущие нагрузки и помогать в оценке состояния конструкции, объяснил участник проекта Сергей Трошев.

Первые испытания другой технологии МАИ на предприятиях авиационной отрасли начнутся уже в этом году. Ученые Центра композиционных конструкций вуза создали программу, которая находит дефекты в композитах в тысячи раз быстрее человека. Алгоритм анализирует снимки, полученные с помощью рентгеновского 3D-сканирования и электронного микроскопа, и автоматически находит дефекты без привлечения человека.

Композитные материалы сейчас широко применяются в авиа- и ракетостроении благодаря их высокой прочности при малом весе. Но даже крошечные дефекты, такие как пустоты, трещины, места отслоения волокна от основы, могут снизить надежность конструкции, объясняет руководитель проекта Константин Шрамко.

Раньше поиск таких дефектов на образцах конструкций или материала требовал ручной обработки снимков, полученных с помощью рентгеновской установки или электронного микроскопа, и занимал дни, а иногда и недели, рассказал ученый. Методика же поменяла этот подход: ученые объединили данные двух видов сканирования и проанализировали их единым автоматическим алгоритмом, который сам находит проблемные зоны, пояснили в вузе.