Инженерные исследования в аэрокосмической сфере

Единственный способ создать безопасные авиационные системы высокой сложности, удовлетворяющие требованиям рынка – использовать инструменты междисциплинарного моделирования на протяжении всего жизненного цикла изделия – от разработки концепции до эксплуатации и проведения техобслуживания.

Тренды в аэрокосмической отрасли, которые будут развиваться в ближайшем будущем:

• технологии реактивных двигателей;
• автономные системы;
• компоненты, изготовленные с помощью аддитивных технологий;
• техобслуживание, ремонт и эксплуатация.

Эти тенденции в авиастроении вместе формируют тренд по увеличению сложности систем управления полетом.

Переход авиации на электрические двигатели позволит забыть о таком понятии, как «заправка самолета»

Единственный способ создать безопасные авиационные системы высокой сложности, удовлетворяющие требованиям рынка – использовать инструменты междисциплинарного моделирования на протяжении всего жизненного цикла изделия – от разработки концепции до эксплуатации и проведения техобслуживания. Все эти инструменты доступны в среде всеобъемлющего моделирования от компании ANSYS.

Итак, основные тренды в авиастроении ближайшего будущего:

1.  Уменьшение стоимости полетов и количества выбросов в атмосферу с помощью электрических и гибридных двигателей

Электрические и гибридные авиационные двигатели позволят сократить затраты и количество выбросов в окружающую среду

Ведущие авиастроительные компании стремятся увеличить производительность авиационных двигателей и в то же время соответствовать экологическим нормам, не нанося вреда окружающей среде.

Иначе говоря, двигатели должны производить больше энергии, потребляя при этом меньше топлива. Для этого инженеры оптимизируют двигатели сгорания, увеличивая их эффективность, а также ведут разработки в области гибридных и полностью электрических силовых установок.

Особое внимание будет уделяться аэроакустике двигателей, поскольку полеты дронов и городского воздушного транспорта будут проходить в том числе и над жилыми районами.

При разработке новых авиационных систем инженерам будет необходимо более подробно изучить поведение и эффективность материалов, аккумуляторов, инверторов, кабелей, программного обеспечения и электронных схем управления в условиях полетов на большой высоте. Многодисциплинарное моделирование позволит инженерам учитывать все эти факторы при проектировании электрических и гибридных авиационных двигателей.

2. Автономные полеты – новый этап развития аэрокосмической отрасли

Автономные беспилотники – будущее авиации

Системы автономных полетов – еще один из основных трендов в аэрокосмической отрасли. Технологии автономного управления будут внедряться как в беспилотниках, так и в космических кораблях.

Любому фанату научной фантастики известно, что автономные системы управления – это ключ, открывающий дверь в эру космического туризма. Несмотря на то, что люди уже запускали в космос зонды, они были крайне уязвимы в непредвиденных ситуациях. Если зонду требовалась помощь центра управления, передача сигналов до Земли и назад могла занимать часы, а иногда и дни. За это время зонд мог быть уничтожен.

Что касается нашей планеты, то здесь авиакомпании уже разрабатывают экономическое обоснование для создания локальных систем воздушного сообщения, соединяющих близлежащие региональные аэропорты. Такой тип перевозок является выгодным, поскольку позволяет сократить экипаж, оставив только пилота, или более того, заменить пилота автономной системой с искусственным интеллектом.

Самолету с одним пилотом необходим высокий уровень автоматизации, а также полная реновация кабины управления. Чтобы спроектировать новую кабину, инженеры могут использовать:

• ANSYS SCADE – средство оптимизации встраиваемого программного обеспечения;
• инструменты оптического моделирования ANSYS, позволяющие убедиться, что пилот сможет рассмотреть все элементы панели управления в любых погодных условиях.

Чтобы разрабатывать полностью автономные самолеты, инженерам необходимо моделировать в замкнутом контуре датчики, ПО системы управления и алгоритмы искусственного интеллекта. Инструменты виртуальной реальности и междисциплинарного моделирования позволят тестировать системы автономного пилотирования и обеспечить их своевременную и адекватную реакцию на любые ситуации.

3. Техобслуживание, ремонт и эксплуатация новых авиационных технологий будут проводиться на основе данных моделирования

Будущее техобслуживание авиационной техники невозможно без моделирования

Рынок услуг по техобслуживанию и ремонту самолетов активно развивается благодаря увеличению количества воздушных судов и сложности их сборки.

В настоящее время значительная часть бюджета многих авиакомпаний уходит на незапланированное техобслуживание самолетов. Синхронизация циклов техобслуживания позволит инженерам минимизировать расходы, связанные с простоем воздушного судна.

Именно поэтому самолеты нового поколения, в отличие от предыдущих, предоставляют значительно больше данных, которые можно использовать для прогнозирования работы систем и выявления неполадок. Уже сейчас предиктивное обслуживание приносит авиакомпаниям значительную экономию.

Однако подобное прогнозирование не всегда эффективно для систем нового поколения, так как оно основывается на полученных ранее статистических данных. Авиационная индустрия не может ждать 10 лет, чтобы накопить достаточно данных для предиктивного обслуживания, поэтому необходимо заполнить эти пробелы, моделируя отказы и сбои техники с помощью инструментов численного моделирования.

4. Аддитивные технологии позволяют сделать детали самолета более прочными и легковесными

Топологическая оптимизация и аддитивные технологии позволят облегчать элементы и объединять несколько деталей в одну

Внедрение аддитивных технологий (АТ) – еще одна тенденция в аэрокосмической отрасли. Перспектива изготовления металлических деталей аддитивным методом вызывает у инженеров большой интерес. Специалисты понимают, что аддитивное производство в сочетании с топологической оптимизацией могут принести индустрии даже больше пользы, чем уменьшение веса, так как позволят объединять несколько деталей в одну.

Путем объединения деталей инженеры смогут сократить время и стоимость сборки. Кроме того, небольшое количество деталей, а также их легковесность упростят процесс техобслуживания и позволят экономить на топливе. Аддитивные технологии также позволят изготавливать детали по мере необходимости, поэтому система поставок будет работать более эффективно.

Однако основной проблемой использования АТ, помимо сертификации, является поиск высококвалифицированных специалистов. Процесс печати изделия должен быть рассчитан так, чтобы избежать коробления и остаточных напряжений, а также сократить количество поддержек до минимума. Неоптимизированные процессы печати приведут к большому количеству брака, потере драгоценного времени и средств, поэтому оптимизация печати вручную – далеко не самый приемлемый путь.

Одним словом, изготовление деталей с помощью АТ – это непросто. Для оптимизации процесса печати необходимы средства моделирования, например, ANSYS Additive Suite.

5. Повышение уровня сложности авиационных систем требует комплексного междисциплинарного моделирования

Все перечисленные выше тренды так или иначе связаны с повышением уровня сложности систем. Высокая сложность связана с большими рисками, которые могут привести к большим затратам времени и средств.

Проектирование и оптимизация самолета – задача, включающая в себя множество аспектов физики

Многодисциплинарное моделирование играет значительную роль в решении этих сложных задач и уменьшении рисков. В междисциплинарном моделировании результаты расчетов из различных аспектов физики взаимодействуют и иногда влияют друг на друга. Это означает, что инженеры смогут получить полное представление о работе систем в реальных условиях.

Тем не менее, отрасль сильно привязана к уже устоявшимся методам проектирования и моделирования. Отдельные инженерные группы сосредотачиваются на разных областях физики, и обмен данными между ними затруднен. Такой изолированный подход к проектированию уже не актуален при создании более сложных авиационных систем нового поколения.

Переход к междисциплинарным расчетам – это новый образ мышления, и еще не все компании готовы принять его. Однако его преимущества уже были продемонстрированы на примере множества стартапов, связанных с космической отраслью. Такие компании, как Virgin Galactic и SpaceX всего за несколько лет достигли невероятных успехов, создав сильную конкуренцию лидерам рынка.

Задачи, связанные с разработкой более сложного оборудования, нельзя решить путем создания множества отдельных моделей. Поэтому многодисциплинарное моделирование – единственно верный способ ускорить этапы разработки и тестирования.