Тонкий расчет, или как сэкономить на сертификации

31 марта 2017 года в воздух поднялся авиалайнер Boeing 787-10, прототип самого вместительного широкофюзеляжного самолета семейства Dreamliner. Самолет взлетел с аэродрома в Норт-Чарлстоне в 9:37 утра по местному времени и совершил посадку в 14:35. Во время полета была достигнута высота в 6100 метров, а скорость составила 710 км/ч. Опытный образец провел в небе 4 часа 58 минут. Так начались летные испытания третьего представителя семейства Boeing 787 Dreamliner, а чуть ранее был дан старт новой, на порядок более экономичной и современной, программе сертификационных испытаний.

Разработка как новой, так и модернизированной модели самолета, отвечающей всем требованиям, — дорогостоящий, трудоемкий и строго формализованный процесс. Но только он гарантирует наивысший уровень безопасности полета. Любой летательный аппарат — будь то гигантский авиалайнер или небольшой двухместный самолет — перед началом эксплуатации должен пройти все сертификационные испытания на соответствие требованиям надзорных органов.

На сертификацию исходной модели 787 Dreamliner в общей сложности ушло 8 лет, 4656 часов летных испытаний и более 200 000 часов работы экспертов Федерального авиационного управления США (FAA), а расходы на сертификационные испытания оказались колоссальными.

"Нашей целью было организовать самую скучную в мире программу летных испытаний", — именно такими словами главный инженер концерна Boeing Уэйн Тайгерт рассказывает о программе сертификационных летных испытаний авиалайнера Boeing 787-10.

"Скучный", пожалуй, не то слово, которым можно охарактеризовать 900 часов испытаний трех самолетов, учет тысячи нормативных требований, подготовку более 4000 документов и затраты, исчисляемые миллионами долларов.

Решение Simcenter STAR-CCM+ , включающее наиболее полный набор физических моделей всех существующих систем инженерного анализа, не только обеспечило полное соответствие результатов моделирования и реального поведения авиалайнера в любом режиме работы, но и позволило значительно сократить временные и финансовые затраты.

Трудности сертификации

Стоимость сертификационных испытаний малых самолетов оценивается в 1 млн долларов США. 25 млн долларов требуется для летательных аппаратов общего назначения. В случае с пассажирскими авиалайнерами эта цифра превышает 100 млн. Затраты на сертификационные испытания и связанные с ними задержки нередко сопоставимы со стоимостью всего проекта. Часто именно этап испытаний определяет прибыльность или убыточность программы.

Нередко процесс сертификации сопровождается срывом графиков работы и сроков поставок самолетов, перерасходом средств, ненадлежащими характеристиками безопасности вследствие несоответствия конструкций нормативным требованиям. Это приводит к необходимости выполнять дополнительные проектные работы и осуществлять повторные манипуляции.

Неизменным остается стремление производителей сократить объемы дорогостоящих испытаний, обеспечив аргументированное подтверждение летной годности самолета. Специалисты компании TLG Aerospace по праву считаются признанными экспертами в данных вопросах. Многопрофильная команда инженеров TLG Aerospace обладает богатым опытом и демонстрирует высочайший профессионализм, помогая заказчикам пройти сертификационные испытания FAA не только максимально эффективно, но и относительно быстро и недорого.

Виртуальная сертификация

Сертификационные испытания в FAA соответствуют принципам работы надзорных органов в разных странах мира и состоят из трех этапов: сертификация конструкции, сертификация производства и сертификация летной годности. Этап сертификации конструкции включает подтверждение безопасности конструкции с выдачей сертификата типа для новых типов самолетов или сертификата модификации типа для модификаций. На этапе сертификации производства дается разрешение на изготовление деталей, узлов и систем, а выполнение этапа сертификации летной годности позволяет начать эксплуатацию самолета.

Получение сертификата FAA требует проведения летных испытаний или предоставления результатов расчетов, подтвержденных испытаниями. В авиационной отрасли такой подход получил название "виртуальная сертификация". Расчеты выполняются для полной модели всего самолета, а их результаты затем подтверждаются летными испытаниями в определенном режиме, заранее установленном надзорным органом.

Полная модель учитывает оценку четырех аспектов: аэродинамики, прочности конструкции, расчета массовых характеристик и авионики. В итоге летные испытания позволяют подтвердить корректность комплексной интегрированной модели самолета, а также факт применения консервативных оценок при расчетах. Регулирующие органы контролируют расчеты, так как результаты служат подтверждением безопасности конструкции. Как правило, производители авиационной техники стараются ограничить применение консервативного подхода в проектировании, чтобы снизить массу и повысить технические характеристики самолетов.

Сертификационная модель

По словам Роберта Линда, директора по разработкам и официального представителя FAA по расчетам летных характеристик и флаттера в компании TLG Aerospace, программно-аппаратное обеспечение для аэродинамических расчетов в условиях роста их объема стало значительно доступнее и проще, теперь проводить сертификационные испытания можно быстрее и дешевле. Виртуальная сертификация начинается с создания базы данных аэродинамических характеристик в Simcenter STAR-CCM+. Кроме того, компания TLG Aerospace проводит в системе и гидродинамические расчеты.

"Расчетная модель, созданная с помощью Simcenter STAR-CCM+, отличается устойчивостью и высокой точностью, — говорит Андрю Маккомас, технический руководитель и специалист по аэродинамике компании TLG Aerospace. — Выстроенные на основе данного решения рабочие процессы и методики просты и наглядны".

Большая часть сегодняшней работы Линда заключается в убеждении заказчиков в возможности проведения виртуальной сертификации типа летательного аппарата. Он является одним из четырех постоянных представителей FAA в компании TLG Aerospace и уполномочен утверждать ряд результатов сертификации от имени FAA. Решения Siemens PLM Software позволяют TLG Aerospace создавать сертификационные модели целого летательного аппарата, прикладывать к ним нагрузки, проводить виртуальные испытания на флаттер и управляемость во всех режимах полета.

Во время испытаний Boeing 787-10 Simcenter STAR-CCM+ используется в специальной среде для сертификации, которая отличается от среды проектирования. Фактически производится не просто выполнение расчетов с последующим утверждением специалистами FAA, методы вычислительной аэродинамики помогают построить как аэродинамическую, так и прочностную модели летательного аппарата, а также модели авионики. Они способны имитировать реакцию конструкции самолета в полете, определять нагрузки и характеристики управляемости.

Для проведения сертификационных испытаний нового летательного аппарата необходима база данных аэродинамических характеристик, для формирования которой требуется масштабный сбор информации. Методы вычислительной аэродинамики позволяют рассчитывать аэродинамические характеристики самолета в предельных режимах полета. Результаты расчетов используются в аэродинамической модели более низкого уровня для оценки аэроупругости. Компания TLG Aerospace проводит калибровку модели аэроупругости с получением соответствующих характеристик всего летательного аппарата на основе аэродинамических расчетов его жесткой конструкции летательного аппарата. Готовая модель аэроупругости точно воспроизводит комплексные и распределенные аэродинамические характеристики всего самолета, а также дает возможность моментально рассчитать свойства аэроупругости.

Полученные результаты позволяют подтвердить выполнение нормативных требований в конкретных режимах полета, а последующие летные испытания доказывают корректность расчетных моделей. При этом риск наиболее опасных режимов полета может быть оценен заранее, на уровне виртуальных тестов. Подтвержденную модель можно применять для оценки соблюдения нормативных требований в различных режимах эксплуатации, также ее наличие существенно сокращает число изменений, вносимых по результатам летных испытаний.

Как сократить затраты на сертификацию

Средство численного моделирования Simcenter STAR-CCM+ позволяет принципиально снизить расходы на сертификацию. Решение может использоваться в качестве источника для заполнения базы данных аэродинамических характеристик. За счет гибкой схемы лицензирования Power-on-Demand, предлагаемой Siemens PLM Software, можно запускать сразу несколько сеансов численного моделирования на множестве компьютерных кластеров в облаке с учетом обеспечения безопасности данных. Экономичная схема лицензирования без необходимости оплаты ежегодного продления лицензии заметно ускоряет создание базы данных аэродинамических характеристик. Дополнительным преимуществом численного моделирования служит сокращение объема испытаний в аэродинамической трубе. В настоящее время испытания в аэродинамической трубе все еще применяются для наполнения баз данных аэродинамических характеристик самолетов новых конструкций. Однако виртуальные испытания для одних режимов дополняют, для других — полностью заменяют натурные испытания, что позволяет экономить бюджет. Испытания в аэродинамической трубе по-прежнему остаются наилучшим способом исследования режимов с зарождающимся отрывом потока, виртуальные же расчеты лучше справляются с небольшими углами атаки и подробными исследованиями поля скоростей потока.

Таблица иллюстрирует результаты проведенного TLG Aerospace сравнения затрат на расчеты, выполняемые в ранее использовавшихся системах и в Simcenter STAR-CCM+, с затратами на испытания в аэродинамической трубе. При минимальном объеме инвестиций решение Simcenter STAR-CCM+ способно сократить и даже полностью заменить ряд натурных испытаний. С учетом затрат на изготовление моделей и стоимости часа работы аэродинамической трубы это дает существенную экономию времени и средств.

Гибкое использование вычислительных ресурсов и облачное лицензирование устраняют все технические ограничения на одновременное проведение многочисленных аэродинамических расчетов. Теперь компания TLG Aerospace может регулярно проводить крупномасштабные и детальные расчеты. При этом большинство моделей просчитываются меньше чем за час, независимо от их размера.

Повторная сертификация и новые возможности

При внесении изменений в сертифицированную конструкцию летательного аппарата требуется проведение повторной сертификации. Анализ поведения модифицированных конструкций в граничных режимах полета — опасный, дорогостоящий и длительный процесс. В прошлом инженерам приходилось проводить испытания, не имея четкого представления о последствиях внесенных в конструкцию изменений. Разрешение FAA применять аэродинамические расчеты для подтверждения того, что модификация не приведет к нарушениям нормативных требований, позволило таким компаниям, как TLG Aerospace, использовать систему аэродинамических расчетов.

Помимо этого, аэродинамические расчеты помогают определить аэродинамические нагрузки на навесные конструкции летательных аппаратов, выявить места обледенения, выбрать оптимальное место размещения системы воздушных сигналов, оценить внутренние воздушные потоки и т.д.

Если на самолет устанавливается новый обтекатель радара, изготовителю необходимо доказать, что, в случае отделения обтекателя в полете, он не столкнется с самолетом. Реализовать подобный сценарий на практике почти нереально. По мнению TLG Aerospace, в Simcenter STAR-CCM+ имеются все необходимые инструменты для проведения подобных расчетов без привлечения сторонних программ. Более того, виртуальная сертификация стимулирует процесс разработки инновационных летательных аппаратов.

Вряд ли расчеты смогут полностью заменить испытания в аэродинамической трубе, тем не менее роль вычислительной аэродинамики в процессах сертификации со временем будет только расти, дополняя и уточняя результаты летных испытаний.

Сегодня такие компании, как TLG Aerospace, используют средства вычислительной аэродинамики в качестве надежного и проверенного средства сертификационных испытаний в наиболее нагруженных режимах полета, сокращающего число условий и нагрузки при летных испытаниях, а также прогнозирующего потенциальные опасности. Гибкие схемы лицензирования и масштабируемые вычислительные ресурсы сильнее укрепляют позиции виртуальной сертификации. Проект, осуществленный для Boeing 787-10, продемонстрировал, что инструмент Simcenter STAR-CCM+ позволяет с легкостью получить сертификаты FAA. Теперь компания TLG Aerospace может браться за проекты значительно большего масштаба, повышать конкурентоспособность, экономить средства заказчиков и эффективнее расходовать бюджет.