Техническую документацию подразделяют на три группы

САМОЛЕТ КАК ОБЪЕКТ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

Самолеты относятся к классу летательных аппаратов, использующих аэродинамический принцип полета. Они расходуют энергию запасенного топлива для создания движущей, подъемной и управляющих сил с помощью воздушной среды. В настоящее время это самый распространенный тип летательных аппаратов с огромным потенциалом дальнейшего развития, так как освоенная область скоростей и высот полета, в которой возможна реализация аэродинамического принципа полета, очень мала, а потребности общества в таких летательных аппаратах постоянно возрастают.

Как объект проектирования современный самолет представляет собой сложную техническую систему с развитой иерархической структурой, большим числом элементов и внутренних связей, возрастающих примерно пропорционально квадрату числа элементов. Так, планер современного широкофюзеляжного самолета состоит более чем из миллиона деталей.

В любом самолете можно выделить ряд функциональных подсистем, определяющих в совокупности его полезные свойства. Это: подсистема создания подъемной силы, подсистема, обеспечивающая устойчивость и управляемость самолета на заданной траектории, подсистема обеспечения движущей силы, подсистемы обеспечения целевой функции, жизнеобеспечения, обеспечения управления и навигации в различных условиях полета и др. Каждая из таких подсистем может включать в себя комплекс простых и сложных систем и отдельных элементов.

Расчленение самолета на подсистемы, удобное для изучения и анализа, отнюдь не означает, что они полностью автономны. Системы самолета взаимосвязаны и взаимообусловлены. Например, в настоящее время для сверхзвуковых маневренных самолетов широкое применение находят так называемые интегральные схемы, основанные на объединении крыла, фюзеляжа, силовой установки, систем управления и устойчивости с целью достижения максимальной эффективности.

Рис. 1.1. Функционально-структурная схема самолета в авиационном комплексе

С другой стороны, самолет сам по себе – это техническое устройство, средство, мертвое вне действия, вне производства. И только как элемент более сложной системы, включающей самолетные парки и летные экипажи, технические средства и персонал для подготовки самолета к полету, технические средства и персонал для обеспечения полета, самолет способен выполнять определенные задачи. Следовательно, самолет является подсистемой сложной системы более высокого иерархического уровня – авиационного комплекса, под которым понимается органическое сочетание людских и материальных ресурсов и действиями которого вырабатывается определенный полезный для общества эффект. Функционально-структурная схема самолета как элемента авиационного комплекса представлена на рис. 1.1. Авиационный комплекс, в свою очередь, является элементом транспортной системы или системы обороны страны.

Отмеченная специфика самолета диктует необходимость применения системного подхода к его проектированию. Теоретической базой такого подхода является наука – системотехника.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ И ЗАДАЧИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ. ЭТАПЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

Под проектированием самолета понимается процесс разработки технической документации, которая обеспечивает возможность промышленного изготовления нового самолета, отвечающего заданным требованиям, и позволяет осуществлять его надежную эксплуатацию в заданных условиях.

Техническую документацию подразделяют на три группы.

Первая группа включает в себя схемную, конструкторскую, монтажную и текстовую документацию. Эта документация отражает идеи и принципы, заложенные в проектируемый самолет, отвечая на вопрос, что должно быть изготовлено.

Вторая группа – это технологическая документация, регламентирующая методы и средства изготовления самолета.

Третья группа – эксплуатационная документация, обеспечивающая правильную эксплуатацию самолета.

Задачей проектирования является разработка схемы, структуры и конструкции будущего самолета и составляющих его элементов, которая должна обеспечить при определенных ограничениях наиболее эффективное выполнение поставленных целей.

Решение этой задачи требует четкого определения целей проектирования и установления критериев оценки результатов проектирования, поскольку достижение целей проектирования «любой ценой», естественно, неприемлемо.

Ограничения, помимо чисто физических, могут включать в себя ограничения, накладываемые сроками проектирования, возможностями имеющихся в распоряжении проектировщиков экспериментальной базы, лабораторного оборудования и вычислительной техники. Не менее существенные ограничения при проектировании диктуются производственно-технологическими аспектами. Они определяются наличием необходимых материалов и комплектующих изделий, возможностями лабораторного и производственного оборудования, а также уровнем производственных навыков персонала авиационного предприятия. Опыт разработки принципиально новых самолетов свидетельствует, что успех их создания зачастую зависел от коренной реконструкции не только экспериментальной и производственно-технологической базы авиационного предприятия. Создание таких самолетов иногда требовало реконструкции целых отраслей промышленности страны, являясь мощным стимулом научно-технического прогресса.

Сложность самолета как объекта проектирования определяет специфику процесса его разработки. Для реализации процесса проектирования потребовалось создание специализированных проектных организаций – ОКБ, включающих большое число специалистов в различных технических областях, сложные лабораторные и производственные подразделения. ОКБ представляют собой большие организационно-технические системы, развивающиеся и совершенствующиеся по мере уело» нения объекта и средств проектирования. Эти организации в своей деятельности опираются на работу отраслевых научно-исследовательских институтов, занимающихся разработкой перспектив развития авиации в различных ее направлениях (ЦАГИ, ГосНИИ ГА, ЦИАМ, ВИАМ и т.д.) и на опыт производства и эксплуатации самолетов на серийных заводах и в летных подразделениях. Авиастроение – сложнейшая отрасль отечественной индустрии, вобравшая в себя все передовые достижения отечественной и мировой науки и техники. Это в известной мере барометр уровня научно-технического развития общества (наряду с космонавтикой, радиоэлектроникой, атомной энергетикой).

Из всего длительного процесса создания самолета, от зарождения идеи до запуска в серийное производство и эксплуатацию, мы будем рассматривать лишь проектирование. Это сложный процесс, требующий огромного объема вычислений, графических работ и различного рода исследований. В нем можно выделить ряд этапов, отражающих сложившуюся технологию процесса проектирования.

Рассмотрим этапы этого процесса и дадим характеристику задач, решаемых на каждом из них.

Рис. 1.2. Основные этапы разработки проекта самолета

Непосредственному проектированию предшествует внешнее проектирование: этап выработки требований к самолету, осуществляемый совместно заказчиком и ОКБ. На этом этапе на основе параметрических исследований перспективных самолетов как элементов транспортной или боевой системы, анализа их взаимодействия с компонентами комплекса, в котором они будут функционировать, прогнозируются потребные общие характеристики будущего самолета. При этом осуществляются многовариантные расчеты по определению и оптимизации технико-экономических показателей эксплуатации предполагаемого самолета на намеченной сети авиамаршрутов. В результате этой работы определяются необходимые технико-экономические и тактико-технические характеристики самолета, позволяющие сформулировать требования на его проектирование (ТЗ). Следует подчеркнуть, что обоснованное задание требований во многом определяет успех программы создания нового самолета.

Целью следующего этапа проектирования, называемого предварительное проектированиеилиразработкой технических предложений, является выбор схемы и определение наивыгоднейшего сочетания основных параметров самолета и его систем, обеспечивающих выполнение заданных требований, либо обоснование необходимости их корректировки. На этом этапе на основе анализа ТЗ, идей главного конструктора, опыта конструкторского бюро и рекомендаций НИИ формируется концепция самолета, разрабатывается его аванпроект. При этом определяются в первом приближении основные геометрические, весовые и энергетические характеристики проектируемого самолета, а также формируются законы управления им на различных участках траектории для различных, предусмотренных требованиями, профилей полета. Это этап синтеза облика и определения основных размеров самолета, в процессе которого связываются воедино различные аспекты проектирования самолета, касающиеся исследования его геометрических, весовых, аэродинамических характеристик, высотно-скоростных и дроссельных характеристик двигателей, оборудования и снаряжения, летно-технических данных и траекторий полета.

Выходной информацией этого этапа являются чертежи общих видов рационального варианта самолета, а также документация о его летно-технических, экономических и эксплуатационных характеристиках. На основании этих материалов компетентные органы принимают решение о целесообразности дальнейшей разработки проекта.

В процессе эскизного проектированияполученные ранее геометрические, весовые и энергетические параметры самолета воплощаются в конкретную конструктивную компоновку отвечающую различным, весьма противоречивым требованиям в том числе эксплуатационным и технологическим.

В процессе компоновки уточняют центровку самолета расчету которой предшествует составление весовой сводки на основе прочностных и весовых расчетов агрегатов планера и силовой установки, ведомостей оборудования, снаряжения, грузов и т.д. В процессе эскизного проектирования обычно проводят широкие теоретические и экспериментальные исследования агрегатов систем самолета. Изготавливают и продувают в аэродинамических трубах модели самолета и его отдельных агрегатов. По результатам этих исследований уточняют аэродинамический расчет, расчеты устойчивости и управляемости, а также характеристик аэороупругости. На основании этих расчетов вносят соответствующие исправления в компоновку самолета, уточняют весовые расчеты. Строят макет самолета, позволяющий произвести взаимную пространственную увязку агрегатов и систем самолета, размещение оборудования, оценить удобство размещения экипажа и пассажиров.

Итог этого этапа – эскизный проект; он дает информацию об уточненных характеристиках самолета, а также о форме размерах и взаимном расположении основных агрегатов и функциональных элементов самолета. Макетная комиссия производит комплексную оценку проекта, необходимую для принятия решения о разработке рабочего проекта и его реализации.

Заключительный этап собственно процесса проектирования – рабочее проектирование; он направлен на практическую реализацию заявленных характеристик и параметров самолета. На этом этапе выпускается вся техническая документация, необходимая для изготовления, сборки, монтажа как отдельных агрегатов и систем, так и самолета в целом. Разрабатываются чертежи общих видов агрегатов самолета, сборочные и деталировочные чертежи отдельных его частей. Проводятся: экспериментально-исследовательские работы, связанные с внедрением новых материалов типов конструкции; статические и динамические прочностные и ресурсные испытания конструкций; стендовые испытания систем оборудования, управления, жизнеобеспечения. При этом уточняются весовые расчеты и расчеты на прочность всех элементов конструкции. Информация, полученная на этом этапе, позволяет уточнить данные о проекте и внести соответствующие коррективы в расчеты, выполненные на предыдущих этапах.

В процесс проектирования следует также включить изготовление опытных образцов самолетов и их испытания – наземные и летные, поскольку в ходе этих испытаний определяются фактические характеристики самолета и степень удовлетворения тактико-технических требований (ТТТ). На основании этой информации принимается решение о внесении изменений в проект.

При изготовлении опытных образцов осуществляется отработка технической документации и технологии изготовления самолета.

По итогам этого этапа принимается решение о запуске самолета в серийное производство.

Анализ показывает, что проектирование – сложный, многоэтапный процесс. Существенным является то, что этот процесс обычно итерационный, причем итерации осуществляются не только между основными этапами проектирования, но и внутри каждого из них.

Отметим место и удельный вес различных этапов разработки проекта самолета.

Рис. 1.3. Изменение затрат и распределение принятых решений (в%) на различных этапах разработки самолета.

1 – анализ ТТТ, исследование областей применения; 2 – выработка концепции самолета; 3 – разработка аванпроекта; 4 – разработка эскизного проекта; 5 – рабочее проектирование; 6 – постройка самолета, стендовые испытания; 7 – летные испытания

Видно, что процесс общего проектирования, включающий техническое предложение и эскизный проект – наиболее ответственные этапы создания самолета. На этих этапах при затрате максимум 20...25% времени от всей работы и не более 5...10% средств принимается 75...80% основных решений по проекту (технических и организационных). От того, насколько правильные решения принимаются на ранних этапах, часто зависит судьба проекта, и не только потому, что ошибки, допущенные на ранних этапах разработки проекта, приводят к слишком большим затратам средств и времени на его доработку в процессе рабочего проектирования и постройки, но и потому, что от них может вообще зависеть возможность реализации проекта.