Основные этапы проектирования авиационного комплекса

Безусловно, было бы крайне желательно построить процесс создания АК как непрерывный, т. е. поставить цель, спроектировать средства для ее достижения, изготовить их малой серией, провести их опытную (пробную) эксплуатацию, оценить эффективность этих средств при достижении цели, а потом уже решить вопрос о широкомасштабном использовании этих средств. Так, собственно, и строился процесс проектирования на начальных этапах развития авиации.
Однако в настоящее время такая организация процесса проектирования совершенно неприемлема не столько из-за большой стоимости и длительности такого процесса (хотя и это весьма существенно), сколько из-за того, что даже опытная эксплуатация малой серии не позволит выявить множественный и сложный характер тех изменений, которые внесет во внешнюю среду длительная эксплуатация создаваемого технического объекта.
Сложившаяся в настоящее время практика проектирования предполагает разделение процесса проектирования на несколько последовательных взаимосвязанных и соподчиненных этапов, основные из которых:
- «внешнее» проектирование, завершающееся разработкой ТЗ на весь комплекс средств, обеспечивающих выполнение поставленной задачи;
- «внутреннее» проектирование, завершающееся разработкой конкретных объектов (отдельных компонентов комплекса, в том числе ЛА и его систем).
На этапе «внешнего» проектирования основной упор делается не на разработку конкретных объектов и изделий, а на исследование и анализ тех изменений, которые вызовет во всех сферах жизни общества создание предполагаемой технической системы. Здесь моделируются процессы функционирования комплекса, обладающего некоторыми характеристиками, при выполнении определенной задачи, например при перевозке пассажиров на некоторой (реально существующей или планируемой) сети аэродромов или при проведении предполагаемой боевой операции. Реальная компоновка и конструкция ЛА, входящего в состав комплекса, рассматривается на этом этапе в самом общем виде на уровне возможных (прогнозируемых) летно-технических, эксплуатационных и стоимостных характеристик. Тем не менее на этом этапе должны быть найдены наиболее рациональные сочетания требований, определяющие технические возможности комплекса; стоимость его создания и эксплуатации; сроки разработки, производства и поставки заказчику.
Для решения этой проблемы рассматривается возможно большее количество альтернативных вариантов комплексов, для каждого из которых оценивается также степень технического и экономического риска, определяемого возможными изменениями обстановки в будущем, располагаемыми и потенциально возможными уровнями техники и технологии, организационными и техническими возможностями предполагаемых разработчиков комплекса.
Естественно, что большинство моделей, описывающих на этом этапе проектирования функционирование комплекса и его взаимодействие с внешней средой, имеют вероятностно-статистический, эмпирический (от греч. empeiria – опыт) характер, т. е. отражают предыдущий (часто субъективный) опыт разработчиков ТЗ, построены на основе неполной или недостаточно верной информации и не дают возможности оценить события с достаточной степенью достоверности (вероятности). В такой ситуации решения принимаются на основе неоптимального компромисса (от лат. compromissum – соглашение на основе взаимных уступок).
Несмотря на то, что разработанное таким образом ТЗ должно в последующем уточняться, этап «внешнего» проектирования является весьма ответственным, необходимым и обязательным, поскольку дает исходные данные для углубленной проработки ЛА на следующих этапах проектирования.
Этап «внутреннего» проектирования (или собственно проектирование) условно разделяется на последовательно выполняемые этапы предварительного, эскизного и рабочего проектирования.
Условность такого разделения определяется глубиной проработки (степенью детализации) всех систем ЛА. На этапе предварительного проектирования прорабатывается несколько концепций ЛА со степенью детализации, достаточной для того, чтобы объективно оценить преимущества и недостатки каждой из них при условии выполнения поставленного перед разработчиком ТЗ, выбрать наиболее приемлемую концепцию. При этом компромисс между весьма противоречивыми требованиями ТЗ достигается на основании более объективных результатов моделирования ЛА, его летно-технических, эксплуатационных, экономических характеристик.
Параллельно такая же работа ведется в организациях, разрабатывающих другие компоненты вновь создаваемого комплекса. Результаты этой работы позволяют вернуться к этапу «внешнего» проектирования и более точно и объективно промоделировать процесс функционирования комплекса, уточнить и конкретизировать ТЗ на разработку ЛА и других компонентов комплекса. В итоге формируется окончательный вариант ТЗ и техническое предложение (ТП), т. е. предварительный проект– «аванпроект» комплекса, объективно обосновывающий важнейшие проектно-конструкторские решения, которые останутся практически неизменными на последующих этапах разработки проекта. Это позволяет говорить, что в результате разработки ТП «устоялась» («заморозилась») схема комплекса и ЛА. Эта работа требует огромных трудозатрат, иногда уходят месяцы и годы на разработку окончательного варианта ТЗ, чтобы разработчик приступил к дальнейшей работе над проектом, если на основании материалов предварительного проекта заказчик примет решение о его целесообразности. Более подробно содержание остальных этапов «внутреннего» проектирования (эскизного и рабочего проектирования) будет рассмотрено в главе 18.
Здесь уместно еще раз подчеркнуть, что проектирование – многоступенчатый итерационный процесс с возрастающей детализацией и точностью проработок, связанный с получением достоверной и полной информации и позволяющий принимать решения на основе оптимальных компромиссов с минимальным техническим и экономическим риском.
Естественно, что создание современного ЛА требует не только применения современной методологии проектирования, но и привлечения к коллективной разработке проекта большого числа высококвалифицированных специалистов различных специальностей.

2.2. Иерархия систем летательного аппарата.
Специализация инженеров, создающих системы

Первый полет нового ЛА – событие неординарное. С момента выработки окончательного ТЗ до первого полета ЛА проходит 5–10 лет, эксплуатация боевых самолетов продолжается еще 5–10 лет, самолетов гражданской авиации – 15–20 лет. За это время техника и технология уходят далеко вперед, ЛА морально стареет, становится неконкурентоспособным по отношению к вновь созданным ЛА. Кроме того, на такой длительный срок практически невозможно прогнозировать изменение политической, экономической ситуации и появление новых технических решений, приводящих к резкому, скачкообразному развитию техники. Поэтому процесс разработки технических требований к будущим проектам идет непрерывно.
Это позволяет не только своевременно начать новую разработку, скорректировать или прекратить работу над уже начатыми проектами, но и для поддержания конкурентоспособности находящейся в эксплуатации техники или вести ее непрерывную модернизацию (франц. modernisation, от moderne – новейший, современный), т. е. изменение отдельных элементов конструкции и систем без принципиального их преобразования, или проводить ее модификацию .
Работа специалистов по формированию предварительного ТЗ на проект может быть определена как исследование, анализ того, какие изменения произойдут с известной им системой (обществом, природой) в результате воздействия на нее вновь создаваемой системы (АК или РКК) и насколько это соответствует поставленным целям. Этой работой занята сравнительно небольшая часть специалистов ОКБ (специалисты по системному анализу, боевой или транспортной эффективности), привлекающих к ней в качестве консультантов специалистов- проектировщиков.
Современные ОКБ заняты не только перспективными разработками. Работа над проектом ЛА на стадиях эскизного и рабочего проектирования, обеспечение работы серийных заводов, модернизация или модификация ЛА, находящихся в эксплуатации, – этим заняты в основном проектировщики всех специальностей.
Работа специалистов-проектировщиков может быть определена как синтез (от греч. synthesis – соединение) новой системы (технического комплекса), воздействие которой на известную проектировщику внешнюю среду произведет в ней запланированные проектировщиком изменения. Такой подход коренным образом отличается от исследования и анализа и вырабатывает у проектировщика совершенно иные навыки мышления, чем у исследователя. Синтез – это процесс поиска такого технического решения, анализ которого исследователем должен показать, что это решение не только отвечает требованиям, но и является наилучшим (оптимальным) вариантом из всех альтернатив, способных удовлетворить ТЗ.
В силу противоречивости требований ТЗ и множества возможных способов их удовлетворения оптимальное техническое решение всегда является компромиссом решений, предлагаемых участвующими в работе проектировщиками различных специальностей. Причем это свойственно не только проекту комплекса в целом, но и любому его компоненту, вплоть до простейшей детали.
Естественно, что соображения любого специалиста, участвующего в синтезе проекта, играют важную роль в поиске оптимального решения. Естественно и то, что каждый специалист склонен считать требования своей дисциплины важнейшими. Более того, в междисциплинарных работах человеческий фактор оказывает огромное влияние и на разработку методологии принятия решений, и на сам процесс проектирования. Коллектив специалистов, представляющих различные дисциплины, должен выработать стратегию принятия решения, определить «правила компромисса». Причем для каждого ЛА эти правила существенно различны, как и различны критерии эффективности. Малая масса, малое аэродинамическое сопротивление, которое испытывает ЛА в полете, высокая надежность всегда желательны, но получены они могут быть только за счет каких-либо других характеристик ЛА. С другой стороны, малая масса более важна для космического аппарата, чем для пассажирского самолета; малое аэродинамическое сопротивление более важно для сверхзвукового истребителя, чем для вертолета; высокая надежность при длительном сроке службы более важна для межпланетного ЛА, чем для одноразовой летающей мишени.
С 30-х годов, когда началась специализация проектировщиков (появились узкие специалисты – аэродинамики, прочнисты, технологи и т. д. и организационно оформились соответствующие бригады), в специальной литературе по проектированию регулярно появляются рисунки, которые с различными вариациями иллюстрируют возможные результаты проектирования, при котором требования одних специалистов подавляют требования других.
Рис. 2.1. представляет возможные результаты проектирования самолета только узкими специалистами различных бригад.

Поэтому в ОКБ организационно складывается иерархическая структура подразделений и специалистов, руководящих проектированием и ведущих непосредственные разработки ЛА в целом и отдельных его систем, определяющая характер и разделение труда специалистов. Успех большого коллектива различных специалистов в решении сложных и взаимосвязанных задач проектирования зависит прежде всего от инженера-конструкто- ра. В создании ЛА участвуют группы конструкторов различных специальностей, разрабатывающих планер, системы управления, взлетно-посадочные устройства, силовую установку, пассажирское или специальное оборудование, системы жизнеобеспечения, пилотажно-навигационное и радиотехническое, электротехническое, энергетическое и другое оборудование.
От квалификации конструктора зависит результат работы предприятий, проектирующих, изготавливающих и эксплуатирующих ЛА, потому что в конечном итоге именно по чертежам конструктора воплощаются в металле идеи всех специалистов, участвующих в работе над проектом. Все специалисты ОКБ так или иначе работают на конструктора: вырабатывают исходные данные для конструирования или анализируют (моделированием или в процессе натурных испытаний) работу конструктора, оценивая ее эффективность.

Рис. 2.1. Самолеты, спроектированные узкими специалистами бригад.

1 – наземного обслуживания (одно из основных требований – максимально удобные подходы ко всем системам и агрегатам при обслуживании); 2 – двигателя; 3 – фюзеляжа; 4 – крыла; 5 – оперения; 6 – вооружения; 7 – радиоэлектронного оборудования; 8 – жизнеобеспечения и спасения; 9 – технологии производства (здесь одно из основных требований – максимально возможная простота изготовления); 10 – прочности (одно из основных требований – максимально надежные и простые для расчетов элементы конструкции); 11 – аэродинамики (одно из основных требований – максимально удобообтекаемые формы); 12 – плазов (от франц. place – место) – эта бригада занимается вычерчиванием с высокой точностью теоретических чертежей самолета в натуральную величину, изготовлением чертежей шаблонов и макетов, в основном деревянных

К сожалению, ведущая роль конструктора в создании конечного продукта проектирования (летательного аппарата) в отечественной практике незаслуженно принижена, часто недооценивается не только другими инженерно-техническими работниками ОКБ, но и специалистами, финансирующими и планирующими работу предприятий.
Психологически любому специалисту трудно согласиться с ведущей ролью какой-либо другой специальности, считать свою дисциплину ведомой, т. е. сознательно поставить ее на более низкую (по отношению к ведущей) ступень иерархической структуры. Практически невозможно с помощью только передовой методологии и организации работы проектировщиков преодолеть невидимые и сложные барьеры между представителями различных профессий и специальностей.
Каждый специалист, вступающий в процессе проектирования в междисциплинарное сотрудничество, должен четко и ясно осознавать не только свое место и роль в этой работе, но, что не менее важно, понимать цели, позиции и критерии, которыми руководствуются другие специалисты, реализующие выполнение ТЗ.

Глава 3

СРЕДА, В КОТОРОЙ СУЩЕСТВУЕТ
И ФУНКЦИОНИРУЕТ ЛЕТАТЕЛЬНЫЙ АППАРАТ

Каждый специалист, участвующий в создании ЛА, должен понимать, что принять определенное техническое решение на основе оптимального компромисса можно только в результате оценки всей совокупности факторов (от лат. factor – делающий, производящий), т. е. причин, движущих сил, влияющих на потребные качества и определяющих функциональные возможности и облик ЛА.

3.1. Факторы, влияющие на функциональные
возможности и облик летательного аппарата

Факторы, которые следует учитывать на всех этапах проектирования, изготовления и эксплуатации ЛА, также обладают системными свойствами, они взаимосвязаны и взаимообусловлены, и их можно разместить по иерархическим уровням.
Цели, поставленные перед проектировщиком, позволяют ему сформировать группу факторов, включающих в себя требования ТЗ, а также различные технические условия, нормы, правила и инструкции, которые отражают опыт развития авиационной техники. Эти факторы в процессе развития техники изменялись в направлении повышения безопасности полета, расширения возможностей использования ЛА, улучшения его эксплуатационных характеристик.
Средства, которыми располагает проектировщик для достижения поставленных перед ним целей, определяют группу факторов, включающую в себя организационные мероприятия, обеспечивающие работу проектировщика, и научно-технический, производственный и экономический потенциал, который может быть задействован при проектировании и изготовлении ЛА. Эти факторы в процессе развития теории и практики проектирования ЛА изменялись в направлении специализации и интеграции организаций и специалистов, создающих ЛА, использования передовых достижений науки и техники при создании ЛА.
Рассматривая ЛА, любую его систему как объект, взаимодействующий с внешней по отношению к нему средой, можно выделить группу факторов, определяемую взаимодействием объекта с внешней средой («внешние» факторы), и группу факторов, определяемую взаимодействием компонентов самого объекта («внутренние» факторы). Так, для обеспечения высокой скорости полета («внешний» фактор) целесообразно строить моноплан (от греч. monos – единственный и лат. planum – плоскость) – самолет с одним крылом (рис. 3.1), имеющий небольшое лобовое сопротивление (сопротивление воздуха при движении).

Рис. 3.1. Один из первых самолетов, произведенных в Советской России, – спортивный моноплан АНТ-1 (1923) конструкции А. Н. Туполева	Рис. 3.2. Первый в мире самолет-биплан «Флайер-1» (1903) американских конструкторов братьев Райт

Однако длительное время вследствие низких характеристик конструкционных материалов, используемых в самолетостроении, отсутствия конструкторского опыта и надежных методов расчета на прочность только биплан (от лат. bis – дважды) – самолет с двумя крыльями, расположенными одно над другим (рис. 3.2), обеспечивал необходимую прочность и жесткость конструкции крыла («внутренний» фактор) за счет соединения верхнего 1 и нижнего 2 крыльев системой стоек 3 и расчалок 4. Естественно, что биплан при прочих равных условиях испытывает значительно большее лобовое сопротивление, чем моноплан.
Таким образом, цель, поставленная проектировщиком, и методы, средства проектирования и производства, находящиеся в его распоряжении, определяют результат его работы – облик и функциональные возможности (характеристики) ЛА.
В процессе разработки ЛА в первую очередь необходимо учитывать все возможные случаи взаимодействия его с окружающей средой. Мы ранее условились считать, что внешняя среда, в которой функционирует ЛА, состоит из естественной среды и искусственной среды (технической, созданной руками человека).

3.2. Естественная внешняя среда - атмосфера Земли
и околоземное пространство

Естественной внешней средой для современных ЛА является атмосфера Земли (от греч. atmos – пар и сфера) и околоземное космическое пространство. Атмосферой принято считать область вокруг Земли, в которой газовая (воздушная) среда вращается вместе с Землей как единое целое.
Атмосфера состоит из воздуха, представляющего собой смесь газов. Воздух – среда очень неустойчивая и непостоянная. Изменение основных параметров воздуха (давления, плотности, температуры) по высоте, неодинаковое распределение солнечной радиации на земном шаре, изменяющееся и по времени года, и в течение суток, вертикальные движения воздуха приводят к тому, что в зависимости от высоты над землей, географического места и других факторов весьма различны химический состав воздуха, его электрические характеристики.
Многолетние исследования атмосферы Земли приборами, поднимаемыми на различные высоты с помощью стратостатов, шаров-зондов, самолетов, геофизических ракет и искусственных спутников Земли, позволили установить, что до высот порядка 80 км с достаточной для практических расчетов степенью точности можно принять следующий объемный состав сухого воздуха: азот – 78%, кислород – 21%, углекислый газ и прочие газы – 1%.
Здесь любопытно отметить, что первая «аэродромическая машина» – прообраз современного вертолета, построенная в 1774 году М. В. Ломоносовым, предназначалась именно для подъема на высоту приборов, регистрирующих параметры воздуха.
Слой атмосферы до высот 80–100 км, в котором химический состав воздуха не изменяется с высотой, называется гомосферой (от греч. homos – равный, одинаковый). Выше, в гетеросфере (от греч. heteros – другой), с ростом высоты химический состав атмосферы изменяется. До высоты 400–600 км сохраняется азотно-кислородный состав атмосферы, однако начиная с высот 110–120 км практически весь кислород находится в атомарном состоянии, появляется также атомарный азот. Далее, до высоты порядка 1600 км, в атмосфере преобладает гелий, а с высот порядка 3000 км и выше – водород. Так постепенно атмосфера Земли переходит в межзвездный газ, состоящий по массе из примерно 76% водорода и 23% гелия. Изменения в химическом составе атмосферы вызваны процессами диссоциации и ионизации, обусловленными действием космической радиации и солнечного излучения.
По электрическим характеристикам в атмосфере выделяют нейтросферу, простирающуюся до высоты порядка 60 км, в которой частицы воздуха практически не имеют электрического заряда (нейтральны), и ионосферу, в которой газы находятся в ионизированном состоянии (содержат свободные электроны и положительно заряженные ионы) и которая простирается до границы магнитосферы 2 Земли (рис. 3.3), определяемой равенством давления магнитного поля Земли (геомагнитного поля) и динамического давления солнечного ветра 1 (ионизированного газа, вытекающего из Солнца).

Рис. 3.3. Магнитосфера и радиационные пояса Земли. В плоскости рисунка Солнце и полюса Земли N и S

Магнитосфера включает внутреннюю замкнутую дипольную область геомагнитного поля 8, действующую как ловушка заряженных космических частиц, и внешнюю область 7, состоящую из магнитных силовых линий, «заметаемых» солнечным ветром с дневной стороны Земли на ночную и образующих на ночной стороне магнитный шлейф Земли 6. Захваченные геомагнитным полем заряженные частицы (протоны, электроны,a -частицы) образуют радиационный пояс Земли. Условно, в зависимости от распределения захваченных частиц по энергиям, радиационный пояс –зону квазизахвата 3 (от лат. quasi – как бы, наподобие) частиц солнечного ветра) – разделяют на внутренний пояс и внешний пояс. Внутренний пояс 5, начинающийся на высотах 300–1500 км и простирающийся до высоты около 10000 км, в котором преобладают протоны высоких энергий, представляет опасность для экипажей ЛА.
Во внешнем поясе 4, простирающемся до высоты около 50000 км, преобладают электроны и протоны малых энергий.
Естественно, что границы, по которым разделяют атмосферу в зависимости от ее химических, электрических, радиационных параметров, являются размытыми; эти параметры так же существенно зависят от времени года, уровня солнечной активности и других факторов, как и основные параметры воздуха в атмосфере.