Конструкция и проектирование самолетов

Задачи и организация процесса проектирования. Целью проектирования нового самолета является создание конструкции, обладающей уникальными характеристиками, обеспечивающими более эффективное выполнение традиционных для данного типа самолетов функций либо новых, которые не могут быть решены другими способами.

Задана проектирования состоит в разработке такого проекта, реализация которого при определенных ограничениях обеспечивала бы наиболее эффективное выполнение поставленных целей проектирования. Эти ограничения определяются:

- физическими законами механики полета ЛА по аэродинамическому принципу;
- уровнем научно-технических достижений в авиастроении и смежных отраслях;
- производственно-технологическими и экономическими аспектами.

Современный самолет представляет собой сложный технический комплекс с развитой иерархической структурой, большим числом элементов и внутренних связей. Так, планер широкофюзеляжного самолета включает более 1 млн деталей.

В любом самолете можно выделить ряд функциональных подсистем, предназначенных для следующего:
- создания подъемной силы;
- обеспечения устойчивости и управляемости самолета на заданной траектории;

- обеспечения движущей силы;
- выполнения целевых функций;
- жизнеобеспечения;
- обеспечения управления и навигации в различных условиях полета и др.

Каждая подсистема может включать комплекс простых и сложных систем. Системы самолета взаимосвязаны и взаимообусловлены. Например, для сверхзвуковых маневренных самолетов широкое применение находят интегральные схемы, объединяющие крыло, фюзеляж, силовую установку, системы управления и устойчивости.

Самолет, в свою очередь, является элементом авиационного комплекса, органично сочетающего людские и материальные ресурсы, выполняющего определенный полезные функции. Функционально-структурная схема авиационного комплекса представлена на рис. 2.1.1. Авиационный комплекс — это элемент транспортной системы или системы обороны страны.

Рис. 2.1.1. Функционально-структурная схема авиационного комплекса

Все это определяет необходимость применения системного подхода к проектированию самолетов.

Для реализации процесса проектирования самолетов потребовалось создание специализированных проектных организаций (ОКБ), включающих сложные лабораторные и производственные подразделения. В своей деятельности ОКБ опирается на работу отраслевых научно-исследовательских институтов (НИИ), занимающихся разработкой перспектив развития авиации в различных ее направлениях (ЦАГИ, ГосНИИ АС, ГосНИИ ГА, ЦИАМ, ВИАМ, ВИЛС и т.д.), и на опыт производства и эксплуатации самолетов.

Сложившаяся организация исследований и разработок, связанных с созданием нового самолета, представлена на рис. 2.1.2 в виде многоэтапного процесса принятия решений с итерационными циклами как между отдельными этапами, так и внутри каждого из них. Этот процесс укрупненно можно разделить на четыре взаимосвязанных, но отличающихся объектами исследования и задачами этапа.

Рис. 2.1.2. Основные этапы разработки проекта самолета

Первый этап — “внешнее” проектирование — заключается в исследовании сложных организационно-технических систем, включающих в качестве элемента самолеты или семейство самолетов.

На этом этапе принимаются решения о типах, требуемых характеристиках самолетов и их распределении по авиалиниям, характеристиках аэродромов базирования и их оборудовании, способах обслуживания самолетов, номенклатуре и параметрах перевозимых грузов, составе экипажей и т.д. На этом этапе формируется концепция будущего самолета и определяются количественно цели проектирования в виде перечня его функций, реализуемых в определенных условиях эксплуатации.

Результатом этих исследований является техническое задание на проектирование самолета. Существует определенный порядок его разработки и его типовая структура.

Второй этап проектирования — разработка технического предложения (предварительное проектирование, аванпроект), заключается в выборе схемы и определении наивыгоднейшего сочетания основных параметров самолета, состава и структуры его систем, обеспечивающих выполнение заданных функций. Объектом исследования является самолет определенного назначения.

На этом этапе на основе анализа технического задания, идей главного конструктора, опыта конструкторского бюро и рекомендаций НИИ ранее сформулированная концепция самолета реализуется в виде его аванпроекта.

В первом приближении определяются основные геометрические, массовые и энергетические характеристики проектируемого самолета, а также формируются законы управления им на различных участках траектории для различных, предусмотренных требованиями, профилей полета.

Кроме того, связываются воедино различные аспекты проектирования самолета, касающиеся выбора и согласования его геометрических, массовых, аэродинамических характеристик, высотно-скоростных и расходных характеристик двигателей, конструкции планера и структуры оборудования и снаряжения, летно-технических данных и характеристик боевой или транспортной эффективности.

Результатом этого этапа являются чертежи общих видов рационального варианта самолета и его компоновки, а также документация о его летно-технических, экономических и эксплуатационных характеристиках. На ее основании компетентные органы принимают решение о целесообразности дальнейшей работы над проектом или необходимости корректировки технического задания.

Третий этап — эскизное проектирование — конкретная конструктивная компоновка самолета, отвечающая различным, весьма противоречивым требованиям, в том числе эксплуатационным и технологическим.

В процессе компоновки уточняется центровка 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 проводятся широкие теоретические и экспериментальные исследования агрегатов и систем самолета: изготовляются и продуваются в аэродинамических трубах модели самолета и его отдельных агрегатов; по результатам исследований уточняются аэродинамический расчет, расчет устойчивости и управляемости, характеристики аэроупругости.

По их результатам вносятся соответствующие исправления в компоновку самолета, уточняются весовые расчеты. Строится макет самолета, позволяющий произвести взаимную пространственную увязку агрегатов и систем самолета, размещение оборудования, оценить удобство размещения экипажа и целевой нагрузки.

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.

Второй и третий этапы иногда называют общим проектированием, имея в виду, что объектом исследования является самолет в целом.

Четвертый этап — рабочее проектирование — имеет целью выпуск всей технической документации, необходимой для изготовления, сборки, монтажа как отдельных агрегатов и систем, так и самолета в целом.

На этом этапе на основе конструкторскотехнологической проработки выпускаются чертежи общих видов агрегатов самолета, сборочные и деталировочные чертежи отдельных частей самолета. Этот процесс (конструкторование или проектирование конструкций) направлен на материальное воплощение проекта в производстве.

На этом этапе, как правило, проводят:
- экспериментально-исследовательские работы, связанные с внедрением новых материалов, типов конструкций;
- статические и динамические испытания конструкций на прочность, вибрацию, ресурс;
- стендовые испытания систем оборудования, управления, жизнеобеспечения.

Информация, полученная на этом этапе, позволяет уточнять и конкретизировать данные о проекте и, при необходимости, вносить соответствующие коррективы в весовые и прочностные расчеты.

Процессы изготовления опытных экземпляров самолета, его наземные и летные испытания органически связаны с этапами проектирования. В процессе изготовления опытных образцов осуществляется отработка технической документации и технологии изготовления самолета. В ходе испытаний определяются фактические характеристики самолета и степень соответствия техническому заданию. На основании полученной информации принимаются решения о внесении изменений в проект.

По итогам летных испытаний принимается решение о возможности серийного производства самолета.