Основные этапы проектирования самолета

Самолет – это класс летательных аппаратов, использующих аэродинамический принцип полета. При движении самолета в воздушной среде создаются: - аэродинамическая подъемная сила; - аэродинамические управляющие силы и моменты.
Проектирование самолета (летательного аппарата) – это процесс разработки технической документации, которая:
– дает возможность изготовления самолета (летательного аппарата) с заданными требованиями;
– обеспечивает надежную эксплуатацию (использование) самолета в заданных условиях с заданными экономическими нормативами).
Техническая документация делится на три группы (в соответствии с требованиями ЕСКД):
– Первая группа технической документации отвечает на вопрос: " Что за изделие должно быть сделано? ", содержит схемную, конструкторскую, монтажную, текстовую документацию.
– Вторая группа - отвечает на вопрос: " Какими технологиями (какими методами, средствами, ресурсами) это изделие должно быть сделано? ", содержит технологическую документацию, регламентирующую (регулирует и определет) методы и средства изготовления самолета.
– Третья группа - отвечает на вопрос: " Как надо правильно эксплуатировать (использовать) это изделие? ", содержит эксплуатационную документацию, для обеспечения правильной эксплуатации самолета.

Проектирование самолета осуществляет специализированная проектная организация – конструкторское бюро (КБ или ОКБ).

Проектирование нового самолета – это сложный процесс, который включает в себя большой объем: - вычислений, - графических работ; исследований различного рода. Проектирование нового самолета – это также процесс принятия компромиссных решений (процесс выбора оптимальных решений). Но самое важное – это то, что проектирование – это процесс творческий. Создать то, чего ещё нет, вообразить будущую конструкцию машины – этого не сможет никакой сверх компьютер (не сможет никакой сверх искусственный интеллект)!

Процесс проектирования нового самолета можно разделить на несколько этапов.

Краткое описание основных этапов:

Внешнее проектирование самолета: анализ областей и условий применения самолета; - определение требований к самолету; - выработка общей концепции; - прогнозирование; - операционное моделирование; - установление основных критериев, технико-экономические расчеты; - другие работы. Внешнее проектирование часто выполняется совместно Заказчиком и Конструкторским бюро, либо только Заказчиком. Результатом внешнего проектирования самолета является определение необходимых технико-экономических и тактико-технических характеристик самолета, и как следствие – техническое задание на проектирование самолета (с указанием тактико-технических требований к будущему самолету).

Внутреннее проектирование самолета выполняется Конструкторским бюро и состоит из: - предварительного проектирования; - эскизного проектирования; - рабочего проектирования. Затем следует принятие решения о запуске самолета в серийное производство.

Предварительное (предэскизное) проектирование самолета: выработка концепции самолета; - выбор схемы и формирование облика самолета; - определение структуры его подсистем; - моделирование; - параметрические исследования; анализ эффективности; - оптимизация; - другие исследования и работы. Результатом предварительного проектирования является определение концепции самолета; основные геометрические, весовые и энергетические характеристики будущего самолета (чертежи общих видов оптимального варианта самолета, документация о летно-технических, экономических и эксплуатационных характеристиках); формируются законы управления самолетом на разных участках полета, предусмотренных требованиями, и как следствие – аванпроект самолета (разработка технического предложения). На основании данных предварительного проектирования специальная комиссия принимает решение о целесообразности дальнейшей разработки проекта.
При положительном решении – готовится Техническое предложение, и проектные работы переходят к этапу эскизного проектирования самолета.
Формально, этап предэскизного проектирования самолета можно свести к трем основным типам задач:
1– формирование допустимой области существования проекта и определение размеров самолета (размерных параметров самолета), удовлетворяющих предъявленным к проекту требованиям и ограничениям;
2– исследование влияния изменения проектных параметров и ограничений на облик самолета и его характеристики;
3– оптимизация параметров самолета для выбранной системы критериев.
Особенностью этапа предэскизного проектирования самолета является возможность непрерывного внесения изменений в проект самолета до момента "замораживания схемы" самолета.

Эскизное проектирование (техническое проектирование) самолета: определение конструктивно-силовой схемы; компоновка, центровка, расчеты веса, аэродинамики, прочности; - аэроупругость; - экспериментальные исследования аэродинамики, прочности, надежности; - экспериментальные исследования агрегатов и систем; - уточнение расчетов аэродинамики, устойчивости, управляемости, аэроупругости, веса, центровки, прочности, надежности; - создание макетов, взаимная пространственная увязка агрегатов и систем самолета, размещение оборудования, оценка удобства размещения экипажа, пассажиров, полезной нагрузки; - другие исследования и работы. Результатом эскизного проектирования является Эскизный проект самолета. Макетная комиссия выполняет комплексную оценку эскизного проекта, необходимую чтобы принять решение о целесообразности его дальнейшей разработки. При положительном решении – проектные работы переходят к этапу рабочего проектирования самолета.

Аэродинамическое проектирование самолета: его целью является обеспечение самолету устойчивого, упорядоченного типа обтекания при всех режимах полета самолета, который можно:
– измерить;
– рассчитать;
– предсказать.
Рабочее проектирование самолета: выпуск всей технической документации для изготовления самолета; - экспериментальные и исследовательские работы; - уточненные расчеты; - стендовые испытания и доработки агрегатов и систем; - изготовление опытного образца самолета и доработка технологии изготовления самолета; - наземные и летные испытания и получение фактических характеристик самолета; - другие исследования и работы. По результатам рабочего проектирования выдается решение (положительное или отрицательное) о запуске самолета в серийное производство.

Начальные этапы проектирования, включая Техническое предложение (предэскизное проектирование) и Эскизное проектирование - это самые ответственные этапы создания самолета. Часто судьба всего проекта зависит от того, насколько верные решения принимаются на этих этапах!!!

Ошибки, допущенные на начальных этапах разработки проекта:
- приводят к очень большим затратам средств и времени на исправления в проекте;
- из-за ошибок проектирования – резко ограничивается количество новых самолетов, а иногда вообще зависит "Быть или не быть" для всего проекта по созданию нового самолета…

Для значительного увеличения аэродинамического качества самолета необходим комплексный подход – необходимо улучшать всю аэродинамическую компоновку самолета (всю аэродинамическую форму самолета) и сформировать облик нового самолета, используя рациональное аэродинамическое проектирование всего самолета в комплексе, с учетом функциональных особенностей самолета, его прочности и весовых параметров.

Кроме того, надо помнить о том, для каких целей и задач проектируется самолет. Это означает, что увеличение аэродинамического качества самолета - это не самоцель, это средство улучшить основные параметры нового самолета.
Совершенствование всей конструкции самолета, его функциональных возможностей, прочности, надежности, экономичности, эксплуатационных параметров – весь этот комплекс мер позволит создать новые технологии, обеспечить хорошее будущее для нового проекта и для нового самолета, вывести авиацию на новый технический и технологический уровень…

Внешняя форма (внешний вид) самолета зрительно характеризует его аэродинамические параметры. Например, для крыла самолета - потеря внешней формы означает потерю подъемной силы, а также потерю прочности крыла. Для фюзеляжа самолета, потеря внешней формы - это потеря жесткости и прочности, это значительный рост аэродинамического сопротивления и т.д.

Обычно формирование облика самолета выполняется на этапе предварительного проектирования самолета (предэскизного проектирования), когда коллектив конструкторов исследует влияние изменения проектных параметров и ограничений на облик самолета и его характеристики. На этапе предэскизного проектирования нового самолета могут отсутствовать данные аэродинамических сил и моментов, и также картина обтекания самолета на основных режимах полета. Без этих данных невозможно расчитать самолет, невозможно предсказать его поведение в реальном полете. Без данных об аэродинамических силах и моментах невозможно выполнить проектирование самолета, невозможно ответить на вопросы динамики полета самолета (устойчивость, управляемость и т.д.), невозможно выполнить расчет самолета на прочность, также невозможно решить другие важные задачи.

Современное проектирование самолета сейчас рассматривается как результат труда огромного коллектива, который максимально использует возможности автоматизированного проектирования (возможности математического моделирования).
Однако новые концепции (новые формы и возможности) самолетов (летательных аппаратов) могут появиться только благодаря таланту отдельных конструкторов.

Когда разрабатывается (создается) принципиально новый самолет, базирующийся на еще не апробированных технических концепциях, резко возрастает роль и объем физического моделирования – физического эксперимента, особенно аэродинамического эксперимента. Аэродинамические исследования дают основу для аэродинамического проектирования нового самолета.

Проектирование самолета является финальной целью аэродинамики самолета, и все действия должны вести к ней. Определение концепции и формирование "правильного" облика самолета могут дать 80 % уверенности в успехе программы разработки нового самолета.