Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ. Практика проектирования самолета невозможна без глубокого понимания физической природы различных закономерностей, положенных в основу принятия того или иного проектного решения, и без развитого математического аппарата, позволяющего гибко сочетать преимущества экспериментальных и аналитических методов исследования широкого круга задач, "отвечающих" за общий уровень технического совершенства ЛА, в первую очередь, в области аэродинамики, конструкции, технологии производства, материаловедения и др.
Достижение технической и экономической эффективности самолета сейчас уже невозможно без учета на самых ранних стадиях проектирования технологии производства ЛА, поскольку технологические решения могут привести к необходимости корректировки ранее применявшихся методик и разработки новых.
В связи с этим представляется перспективной разработка многофункциональных физических моделей, позволяющих в ходе эксперимента оценить качество того или иного технологического решения. Это актуально особенно в сфере формирования аэродинамического облика самолета, где разработка адекватных математических моделей силового взаимодействия среды и движущегося в ней тела представляет серьезные трудности, так как физические процессы характеризуются пространственно-временными соотношениями и переход к более простым моделям может оказаться практически невозможным. Поэтому развиваемое направление исследований в области физического моделирования вихревых структур, математической и экспериментальной идентификации аэродинамических характеристик (АДХ), позволяющие оценить эффективность методов совершенствования качества внешней поверхности и сформировать прогрессивные технологические решения создания планера ЛА, которому посвящена диссертационная работа, является актуальной.
Актуальность проблемы подтверждается тем, что выполненные исследования и разработки проводились по важным государственным программам:
-
Постановление Совета министров СССР от 11.08.79 о "Создании среднемагистрального пассажирского самолета ТУ-204".
-
Постановление Совета министров СССР от 6.12.90 №1267-178 о "Проведении работ по созданию экспериментального ВКС".
-
Постановление правительства РФ "Резонанс".
-
Постановление правительства РФ "Кольцо".
-
Постановление правительства РФ "Синтез".
-
Грант ГК РФ ВО "Новые конструкционные материалы в аэрокосмической технике" Л-1305/8 1992г.
-
Постановление правительства РФ №369 от 23.04.94 о "Создании среднего транспортного самолета ТУ-330".
8. Договор с Госкомоборонпромом РФ №104/96 о "Создании сред-немагистрального самолета ТУ-214".
ЦЕЛЬ ИССЛЕДОВАНИЯ. Задача идентификации АДХ ЛА относится к числу центральных задач аэродинамического проектирования самолета. Эта проблема является сложной комплексной проблемой не только в силу того, что взаимодействие ЛА с окружающей средой на критических режимах (взлет и посадка) имеет пространственный и нестационарный, отрывной характер, но и по причине сложности его физического представления и математического описания.
В настоящее время нет единой теории, позволяющей построить адекватные вихревые пространственные модели течений и получить на их основе достоверную оценку АДХ и рекомендации по их целенаправленному изменению.
Целью настоящего исследования является разработка комплексной методики оценки аэродинамического качества ЛА и способов повышения его ЛТХ с помощью формирования заданных свойств внешней поверхности на основе новых технологических решений.
Сформулированная таким образом многоплановая проблема объединяет в себе три основных направления исследований.
Первое — создание метода построения многофункциональной физической модели вихревой системы в объеме влияния, позволяющей оценить взаимодействие вихревых структур и прогнозировать АДХ.
Второе направление связано с разработкой строго формализованных и экспериментальных методик идентификации, позволяющих выполнить поэтапное снятие неопределенностей об АДХ модели.
Третьей компонентой проблемы является развитие эффективных путей повышения качества внешней поверхности ЛА за счет разработки оригинальных информационноемких технологий производства.
Следует отметить, что отличительной особенностью развиваемого подхода является его универсальность (охватывает широкий спектр задач по обеспечению аэродинамического качества ЛА), в результате чего отпадает необходимость использования достаточно дорогих, узко специализированных методик исследования.
Полученные результаты строго обоснованы идеями и методами теории многоуровневых иерархических систем, методами структурного анализа и синтеза, методами математического планирования эксперимента, математического и имитационного моделирования сложных технических систем.
СТРУКТУРА ДИССЕРТАЦИИ. Проблема разработки комплексной методики оценки аэродинамического качества ЛА и способов повышения его ЛТХ с помощью формирования заданных свойств внешней поверхности на основе новых подходов к технологии производства предполагает решение перечисленных ниже задач, которые и определяют структуру работы.
Прежде всего, сложность рассматриваемой научно-технической проблемы требует четкого определения границ того круга задач, который в дальнейшем исследуется.
В работе предполагается конкретная реализация концепции проектирования ЛА, которая не только обобщает результаты научных разработок в этом направлении, но и дополняет их с методологической точки зрения, включив в рассмотрение процессы физического моделирования изучаемых явлений, их связи по решаемой проблеме и возможность "влияния" на основной критерий — стоимость жизненного цикла изделия.
Далее развиваемое направление исследования, нуждается в разработке комплексной методики идентификации АДХ несущей поверхности. Этот шаг, по сути дела, представляет собой процедуру формирования порождающей системы аксиом, заложенной в основе аэродинамического проектирования ЛА и его частей, так как позволяет разработать физическую модель вихревой системы, а следовательно, и определить силовое взаимодействие среды и движущегося тела. Кроме того, в постановку задачи входят нетрадиционные методы идентификации АДХ, развиваемые в работе как входные факторы, влияющие на стоимость жизненного цикла.
В рамках физического моделирования к ним относится способ определения аэродинамических коэффициентов моделей ЛА, основанный на использовании гибкой связи между моделью и измерительным комплексом.
Дополнительные ресурсы для уменьшения стоимости жизненного цикла развиваются в рамках создания оригинальных информацион-ноемких технологий проектирования и изготовления ЛА. Суть предлагаемых методик сводится, во-первых, к разработке количественных функциональных взаимосвязей аэродинамических характеристик с типовыми неровностями поверхности ЛА и его агрегатов и, во-вторых, к агрегированию на основе информационной модели изделия автоматизированной технологии его изготовления с автоматизированными технологиями геометрического проектирования и аэродинамического анализа, что в итоге позволяет эффективно влиять на выбор системы обоснованных допусков на внешние обводы планера ЛА.
Эффективность предлагаемых, методов подтверждается их внедрением в широкий спектр практических задач.
ОСНОВНЫМИ НАУЧНЫМИ РЕЗУЛЬТАТАМИ, выдвигаемыми на защиту, являются следующие:
1. Концепция декомпозиции крупномасштабной технической проблемы проектирования ЛА на иерархически организованную систему проектных решений с итеративным обменом информацией между уровнями иерархии. Механизм структуризации связей позволяет выполнить агрегирование рассматриваемых в работе задач в единую систему, связывающую физическое моделирование, вычислительный эксперимент и
конструктивно-технологические решения как факторы, влияющие на стоимость жизненного цикла.
-
Принципы идентификации АДХ на основе физического моделирования взаимовлияющих вихревых структур, доведенные до инженерной методики расчета суммарных АДХ тонкой несущей поверхности.
-
Строго формализованные и экспериментальные методики идентификации, позволяющие выполнить поэтапное снятие неопределенностей об АДХ модели ЛА и его частей.
-
Совокупность методов, позволяющих улучшить качество наружной поверхности путем комплексной увязки конструктивных и технологических решений при реализации допусков на возможные отклонения элементов поверхности.
-
Блочно-модульная структура автоматизированной технологии изготовления сложных аэродинамических поверхностей, связывающая на основе информационной модели изделия систему геометрического моделирования, блок аэродинамического анализа и систему генерации программ движения рабочего инструмента для станка с ЧПУ.
-
Результаты внедрения развитых в работе методов в решение практических задач.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА. Б отличие от существующих подходов к унификации задач проектирования ЛА предложенная в диссертационной работе концепция включает в процесс принятия проектных решений в качестве основной альтернативы физическое моделирование изучаемых явлений и по результатам системно-структурного анализа информационных потоков в процессе проектирования формирует механизмы связей.
Для идентификации АДХ несущей поверхности впервые сформулирована порождающая система аксиом, определяющая возмущенное движение тела в среде, называемой объемом влияния.
Впервые предложены метод и алгоритмы идентификации АДХ тонкой несущей поверхности при пространственном движении, существенно использующие знание физической модели объема влияния.
Предложен способ определения АДХ моделей ЛА, позволяющий повысить точность определения АДХ за счет организации гибкой связи между моделью и измерительным комплексом.
Предложена методика определения оптимального допуска на состояние наружной поверхности крыла серийного пассажирского самолета.
На основе критерия минимальной стоимости жизненного цикла предложена методика улучшения качества наружных поверхностей путем комплексной увязки конструктивных и технологических решений при реализации допусков на возможные отклонения внешней поверхности.
Впервые предложена системная методология, позволяющая построить отображение совокупности аэродинамических требований на
принимаемые конструктивно-технологические решения. Разработана программная реализация основных информационных процедур.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ. Развиваемые в диссертационной работе методы физического моделирования взаимовлияющих вихревых структур использованы для получения оригинальных технологических решений в следующих практических задачах.
-
На АО АНТК им. А.Н. Туполева внедрен экспресс-метод идентификации АДХ на основе вихревой модели несущей поверхности, позволяющий прогнозировать аэродинамические свойства компоновок. Экономический эффект от внедрения метода составил 130 тыс. руб. (по ценам 1982 г.).
-
На том же предприятии внедрена многофакторная методика выбора минимального значения допуска на наружные обводы, связывающая в единую количественную модель параметры геометрии поверхностей, характеристики конструктивно-технологических решений и режимы полета.
Внедрение методики позволяет получить существенную экономию топлива и, как следствие, экономический эффект ориентировочно 0,3 % от стоимости жизненного цикла парка самолетов.
-
Нетрадиционные методы идентификации АДХ использованы на этапе разработки аванпроекта перспективного космического летательного аппарата многократного использования ТУ-2000. Методы позволяют оценивать вариации аэродинамических компоновок ЛА сложных схем.
-
На АО "Взлет" в структуру решения многофункциональных задач исследовательских летных испытаний включена в рамках общей идеологии испытаний отдельная подсистема идентификации АДХ модели на гибкой связи с заранее оговоренными условиями подобия по результатам испытаний. Экономический эффект от внедрения метода составил 750 тыс. руб. (по ценам 1983-1993 гг.).
-
Развиваемые в диссертационной работе методы могут быть использованы в задачах судостроения, автомобилестроения, биомеханики, экологии, при создании механо-математической модели, описывающей движение спортсмена и позволяющей проигрывать на ЭВМ различные варианты техники скольжения и др.
-
Материалы работы используются в учебном процессе МАТИ — РГТУ им. К.Э. Циолковского: лекции по курсам "Аэродинамика самолета", "Гидроаэродинамика", "Динамика полета ЛА", "Методы планирования экспериментальных исследований", практические Занятия и лабораторные работы, а также при курсовом и дипломном проектировании.
Результаты разработок представлялись на тематических выставках ВДНХ СССР и были удостоены бронзовых медалей — в 1984 году за экспериментальные исследования аэродинамических характеристик моделей ЛА и его частей в напорной гидротрубе и в 1987 году за исследование аэродинамических характеристик моделей частей ЛА.
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основное содержание диссертации отражено в 61 работе, опубликованных в 1976-97 гг. и написанных как самостоятельно, так и соавторстве с Фабрикантом Н.Я., Туполевым А.А., Черемухиным Г.А., Рулиным В.И., Костылевой Н.Е., Пуховым А.Л., Са-лаховым М.А., Беляковой З.Н. и другими специалистами, принимавшими участие в совместных работах.
Основные результаты работы докладывались на 19 всесоюзных, всероссийских, отраслевых и вузовских научно-технических конференциях и семинарах.
Материалы диссертации вошли в 22 технических отчета по хоздоговорным и госбюджетным НИР.
Кроме того, по результатам исследований, отраженных в работе, получено 5 авторских свидетельств, опубликовано 8 учебно-методических разработок, получено 4 диплома первой степени за научное руководство НИРС на Всесоюзных конкурсах студенческих научно-технических работ в 1977 (г. Ташкент), 1984 (г. Москва), 1988 (г. Уфа), 1990 (г. Москва) гг.
ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы ( наименований), изложена на страницах машинописного текста, содержит таблиц и иллюстрирована рисунками.
