Регистрация / Вход
Прислать материал

14.628.21.0004

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.628.21.0004
Тематическое направление
Транспортные и космические системы
Исполнитель проекта
Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный аэрогидродинамический институт имени профессора Н.Е.Жуковского"
Название доклада
Разработка и реализация методики оптимизации аэродинамики авиационной силовой установки в рамках многодисциплинарной оптимизации третьего поколения и её применение к задачам оптимизации перспективных летательных аппаратов нового типа.
Докладчик
Курсаков Иннокентий Александрович
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Целью исследований является сокращение на 40% временных затрат на оптимизацию внешней аэродинамики авиационной силовой установки в составе летательного аппарата по сравнению с существующей методикой. Для этого планируется решение нескольких задач:
1.Создание в РФ расчётной методики оптимизации силовой установки самолёта с учётом взаимодействия элементов силовой установки и планера;
2.Оптимизация аэродинамики силовой установки самолёта классической компоновки и анализ эффективности существующей методики;
3. Формирование требований к разрабатываемой методике оптимизации, выработанных на основе анализа эффективности существующей методики оптимизации и требований к современному уровню совместной многодисциплинарной оптимизации;
4. Разработка новой технологии оптимизации внешней аэродинамики силовой установки перспективного летательного аппарата нестандартной компоновки.
5.Оптимизация аэродинамики силовой установки, спроектированной совместно с иностранными партнёрами, перспективного летательного аппарата новой компоновки с целью уменьшения потерь эффективной тяги и улучшения его экологических свойств.
6.Определение эффективности разработанной методики по сравнению с существующей.
Актуальность и новизна исследования
В настоящее время к перспективной авиационной технике предъявляются повышенные требования по безопасности полётов и топливной эффективности. Для удовлетворения всем этим, часто противоречивым, требованиям необходимо создание новых образцов летательных аппаратов с высокими лётно-техническими характеристиками. В России одним из основных программных документов, прогнозирующих будущее развитие авиационной техники, является Форсайт развития авиационной науки и техники до 2030 года и на дальнейшую перспективу, подготовленный научно-исследовательскими институтами авиационной промышленности Российской Федерации. В разделе «Развитие методов и технологий» сказано, что «при формировании облика перспективных ЛА, оптимизации их основных параметров может успешно применяться система многодисциплинарного проектирования, объединяющая в едином программном комплексе базовые дисциплины». Однако, имеющиеся в настоящий момент программные средства требуют существенных временных затрат на монодисциплинарную оптимизацию всего летательного аппарата, что ограничивает область их возможного применения. При этом в настоящий момент в Российской Федерации не существует программных средств, позволяющих проводить многодисциплинарную оптимизацию всего летательного аппарата с достаточной точностью в приемлемые для практического применения сроки. Для решения проблемы сокращения временных затрат в проекте предлагается применить распределение оптимизационных задач по коллективам различного профиля с последующей интеграцией полученных данных. Внедрение данного подхода позволит осуществить многодисциплинарную оптимизацию летательного аппарата в сложившихся условиях.
Описание исследования

В ходе первого этапа исследований, выполненного в 2015 году, была успешно проведена модернизация отечественного программного продукта EWT-ЦАГИ с целью поддержки международного формата данных CPACS. Это позволило проводить совместные работы с иностранными партнёрами. Также была проведена модернизация программного комплекса с целью автоматизации расчёта аэродинамических характеристик летательного аппарата с работающей силовой установкой, что позволило существенно сократить время на каждый оптимизационный цикл.

На данном этапе проводилась многодисциплинарная оптимизация регионального самолёта классической схемы совместно с иностранными партнёрами. При оптимизации учитывались параметры, обусловленные внешней аэродинамикой, динамикой полёта летательного аппарата, а также характеристики двигателя и весовые характеристики конструкции самолёта и бортовых систем. В качестве основной целевой функции использовалась масса топлива при заданной дальности полёта и количестве пассажиров.

В данном проекте проводилась декомпозиция задачи многодисциплинарной оптимизации таким образом, чтобы каждый из участников консорциума проводил только монодисциплинарную оптимизацию. При этом задачи многодисциплинарного анализа должны быть объединены в единую цепочку, которая представляет собой многодисциплинарный анализ текущего варианта летательного аппарата. В самом простом случае в ходе решения такая цепочка замыкается оптимизатором и подобное исследование производится на каждом шаге глобального итерационного процесса.

Первым шагом при реализации описанного выше процесса должно быть определение входных и выходных параметров в оптимизационном процессе для каждого участника. Такой перечень был определён для каждого участника. Соответствующий перечень, был разработан ФГУП «ЦАГИ» для оптимизации внешней аэродинамики силовой установки. При этом часть параметров, использующихся при оптимизации, варьируется в глобальном процессе оптимизации, а часть используется исключительно при внутреннем анализе исполнителя.

На данном этапе иностранные партнёры проводили многодисциплинарную оптимизацию аэродинамики самолёта классической схемы, используя простые методы с низкой точностью. Такой подход не позволяет получить точность, приемлемую для практического использования, но позволяет проводить многодисциплинарную оптимизацию в приемлемые сроки. Так как точность полученного результата не являлась приоритетом на данном этапе, а основное внимание уделяется процессу оптимизации и особенностям взаимодействия между партнёрами, то такой подход являлся наиболее рациональным.

Основной задачей ФГУП «ЦАГИ» на данном этапе являлось исследование аэродинамики полученного летательного аппарата. Исследование проводилось с использованием пакета прикладных программ EWT-ЦАГИ. В ходе исследования проводилось численное моделирование обтекания самолёта на крейсерском режиме полёта. Детальное моделирование обтекания летательного аппарата, полученного в ходе оптимизации иностранными партнёрами, позволило выявить ряд проблем с итоговой геометрией. Выяснилось, что приближённые методы не учитывают некоторые особенности обтекания летательного аппарата. В частности не корректно указывают углы установки крыла. Также было отмечено нерациональное положение мотогондолы двигателя в итоговой геометрии, предоставленной иностранными партнёрами. Указанные проблемы были устранены при проведении оптимизации ФГУП «ЦАГИ». В дальнейшем проблемы такого рода будут устранены у всех участников консорциума. Стоит отметить, что одна из целей проведения тестовой оптимизации как раз и являлось выявление таких особенностей.

После проведения численного анализа особенностей обтекания и устранения вышеописанных проблем ФГУП «ЦАГИ» была проведена оптимизация внешней аэродинамики летательного аппарата классической компоновки. В итоге, в ходе данного этапа выбрана схема регионального самолёта с оптимальными массово-габаритными параметрами, полученными с помощью приближённых методов, и оптимальными аэродинамическими характеристиками, полученными с помощью точных методов. Таким образом, получено решение многодисциплинарной оптимизационной задачи с использованием подхода, использующего методы различной точности для каждой дисциплины.

После завершения оптимизации был проведён анализ эффективности процесса оптимизации как с точки зрения качества полученного результата, так и времени оптимизации. Результаты анализа будут использованы при создании новой методики многодисциплинарной оптимизации и её применения на последующих этапах.

Результаты исследования

Среди основных результатов стоит отметить:

 - Создание программного модуля для пакета прикладных программ EWT-ЦАГИ для автоматизации компонентов оптимизационного процесса, касающихся расчёта внешней аэродинамики летательного аппарата с работающей силовой установкой. Автоматизация всего процесса оптимизации является немаловажным требованием для современных оптимизационных исследований во всём мире, так как позволяет существенно сократить время на каждый оптимизационный цикл и исключить вероятность ошибки, связанной с человеческим фактором.

- Создание программного модуля, позволяющего использовать принятый международным проектом AGILE формат данных CPACS. Данную модификацию провели все иностранные участники консорциума, что позволило наладить взаимодействие между партнёрами. Подобная унификация является общемировой практикой и широко используется в научной деятельности.

- Перечень входных и выходных параметров, необходимых для проведения оптимизации внешней аэродинамики силовой установки летательного аппарата классической компоновки. Проведена оценка чувствительности результата ко всем исследованным параметрам, что позволит в дальнейшем сократить число варьируемых параметров, и использовать только наиболее важные. Также все параметры были разделены на глобальные, которые должны быть использованы в глобальном цикле оптимизации, и локальные, которые используются только для оптимизации внешней аэродинамики силовой установки. Оценка чувствительностей ограничения набора переменных используется в большинстве современных работах по многодисциплинарной оптимизации.

- Согласование задач монодисциплинарной оптимизации с целью решения задачи многодисциплинарной оптимизации. Данная декомпозиция задачи является одной из основных трудностей при многодисциплинарной оптимизации и необходима для распараллеливания работ между участниками консорциума.

- Анализ эффективности результатов оптимизации внешней аэродинамики силовой установки с целью улучшения характеристик самолёта классической компоновки с использованием имеющихся в ЦАГИ методов. Результаты анализа позволили определить основные проблемы при оптимизации, а также наметить пути сокращения временных затрат на процесс оптимизации.

- Перечень требований к разрабатываемой методике оптимизации, который был сформирован на основе опыта, полученного в ходе проекта. Данные требования затрагивали, как общий процесс многодисциплинарной оптимизации, так и процесс монодисциплинарной оптимизации, проводимый ФГУП «ЦАГИ». Требования учитывали весь имеющийся в международном консорциуме опыт оптимизации летательных аппаратов.

- Разработка новой технологии оптимизации внешней аэродинамики силовой установки перспективного летательного аппарата нестандартной компоновки. Данная технология будет реализована и применена к оптимизации перспективных летательных аппаратов на следующих этапах данной работы. В течении последних лет исследуемые летательные аппараты разрабатываются мировыми лидерами в области авиастроения, но их многодисциплинарная оптимизация будет проводится впервые. Этот факт подчёркивает важность и востребованность данной работы.

- Разработка рекомендаций по модификации учебных курсов МФТИ, которые позволят своевременно готовить специалистов, обладающих знаниями о современных подходах к многодисциплинарной оптимизации летательных аппаратов.

Практическая значимость исследования
Полученные научно-технические результаты будут использованы при проектировании новых типов перспективных летательных аппаратов. Внедрение технологии, сокращающей время многодисциплинарной оптимизации летательного аппарата, позволит сократить период вывода на рынок новых образцов авиационной техники, а также существенно снизить затраты на их разработку. Оба эти фактора позволят сделать отечественные самолёты более конкурентоспособными на отечественном и мировом рынках.
Наличие отлаженной технологии оптимизации внешней аэродинамики силовой установки позволит проводить разработку пилонов и мотогондол для перспективных отечественных самолётов. Это позволит повысить надёжность и топливную эффективность следующего поколения авиационной техники. Также разрабатываемая технология, реализованная в отечественном программном продукте позволит проводить весь цикл оптимизации без использования зарубежного программного обеспечения, что является конкурентным преимуществом.
Многодисциплинарная оптимизация новых типов летательных аппаратов позволит выработать концепции самолётов следующего поколения. Участие в этом процессе российских организаций наряду с мировыми лидерами в области авиастроения позволяет рассчитывать, что мировой опыт в области создания перспективных летательных аппаратов будет учтён при создании следующего поколения отечественной авиационной техники.
Среди возможных потребителей разрабатываемой технологии стоит отметить отечественные и зарубежные предприятия авиационной отрасли и авиаконструкторские бюро. Также результаты данной работы будут представлять интерес для высших учебных заведений, готовящих кадры для авиационной отрасли.
В ходе выполнения проекта будет сформирован консорциум с отлаженной системой взаимодействия, согласованными форматами данных и чётким распределением обязанностей для проведения распределённой многодисциплинарной оптимизации. Ожидается, что при успешном завершении проекта, Участника конкурса будут привлекать к последующим международным проектам по многодисциплинарной оптимизации.
Постер

TS-14.628.21.0004.ppt