Бионический дизайн ✈️

Генеративный дизайн представляет собой способ проектирования различных объектов, при котором для снижения веса и увеличения прочности применяются отличные от традиционных решения. Внешне объекты, произведенные подобным образом, отличаются от обычных техногенных изделий. Они имеют выраженные черты, присущие, например, растениям, имитируют строение конечностей или костей. Именно поэтому такой способ проектирования часто называют бионическим дизайном. Термин же «генеративный дизайн» используется в связи с тем, что геометрия подобных конструкций автоматически рассчитывается, как бы генерируется в специальном программном обеспечении.

Главная задача бионического дизайна вполне логична – снижение веса объекта при сохранении или даже увеличении его исходной прочности. Именно поэтому такие решения чаще используют в сферах, где важно сэкономить каждый грамм, в том числе и в авиастроении.

Другая смежная задача в генеративном дизайне – экономия дорогих материалов, таких как сложные сплавы или редкие металлы. Бионический подход в проектировании позволяет при некоторых технологических процессах тратить на 30 или даже 50 % меньше материала. Естественно, это положительно влияет на цену таких изделий.

Предприятия ОАК начинают выпускать детали с бионическим дизайном. Чисто внешне напечатанные на 3D-принтере детали выглядят непохожими на большинство элементов конструкций, спроектированных за последние десятилетия. Со временем, благодаря меньшей массе и удобству выпуска, они могут заметно потеснить детали, созданные по традиционным технологиям.

🔸Первую деталь на основе бионического дизайна разработало ОКБ Сухого – алюминиевый силовой кронштейн для истребителя Су-57. Это – полностью отечественная разработка. Конструкторы спроектировали деталь на суперкомпьютере. Специалисты Всероссийского научно-исследовательского института авиационных материалов (ВИАМ) из созданной на его базе отечественной металлопорошковой композиции алюминиевого сплава напечатали деталь на 3D-принтере. Дизайн больше напоминает кость какого-нибудь доисторического животного, чем деталь истребителя пятого поколения. Новый кронштейн на четверть легче своих предшественников, выполненных по традиционным технологиям.

Деталь почти полуметровой длины изготовлена методом лазерного спекания всего за одну ночь. Традиционная механическая обработка алюминиевой заготовки заняла бы не меньше недели. Благодаря применению 3D-печати в детали удалось создать полости, к которым на обычном станке с программным управлением при обработке детали «не прогрызешься».

#ОАК_технологии ©️

#ОАК_технологии ©️

В тесном взаимодействии с бионическим дизайном идут аддитивные технологии. Ведь создание новых сложных конструкций в большинстве случаев сегодня возможно только с помощью 3D принтера (то есть тех самых аддитивных технологий). Они используют метод послойного создания физического объекта по цифровой 3D модели.

Дело в том, что традиционные методы производства не в состоянии реализовать проекты со сложной структурой нестандартных элементов, которая получена с применением математических подходов при проектировании (бионический дизайн), основанных на методах многопараметрической оптимизации, в том числе топологической. С помощью же 3D печати можно изготовить элементы практически с любыми толщинами, искривлениями, полостям, сетчатой и ячеистой структурами.

В ОКБ Сухого существует отдел, где для изготовления различных опытных деталей для самолетов применяются аддитивные технологии. Изготовленные таким образом детали хорошо знакомы летчикам истребителей пятого поколения Су-57 на самых разных этапах создания и ввода в эксплуатацию техники.

Например, в ОКБ Сухого смогли подобрать оптимальную форму ручки управления самолетом Су-57. На джойстике расположено несколько кнопок управления. После замечаний, сделанных пилотами об удобстве расположения кнопок, удалось в сжатые сроки доработать первоначальный проект (там пальцы летчика не всегда дотягивались до кнопок) и предложить более удобный вариант.

Использование методов аддитивных технологий позволяет быстро изготовить доработанную конструкцию детали какого-либо отдельного агрегата, и запустить его в производство.

Послойным синтезом напечатаны модели, а затем по ним отлиты в металле другие детали системы управления самолетом. Множество деталей с использованием аддитивных технологий делается также для продувочных моделей новой авиационной техники.

#ОАК_технологии ©️
Искусственный интеллект 

ОКБ Сухого на самолетах Су-35, Су-57 разработало принципы и успешно внедрило интегрированную архитектуру комплексов бортового оборудования с центральной информационно-управляющей системой. Накопленный опыт позволил перейти к разработке бортовых комплексов на принципах сетевой архитектуры. Это открыло возможность перехода на новый качественный уровень решения функциональных задач и интеллектуализации авиационных комплексов.

Именно при разработке Су-57 впервые были детализированы задачи интеллектуальной поддержки летчика, хотя ее элементы уже присутствовали на самолетах предыдущих поколений. Она включала в себя группы задач, которые необходимо было автоматически решать на всех этапах полета, особенно – на этапах применения на фоне динамически меняющейся обстановки. Интеллектуальная поддержка заключается в выдаче летчику необходимых рекомендаций по применению авиационных средств поражения, при групповых действиях, преодолении системы ПВО и обороне самолета. Она также обеспечивает автоматическое управление режимами бортовых систем с реконфигурацией комплекса при отказах отдельных его элементов.

В области интеллектуализации авиационных комплексов можно выделить три главные составляющие процесса. Прежде всего, это введение новых функций комплекса бортового оборудования. Они позволяют повысить боевые свойства самолета, снизить интеллектуальную и информационную нагрузку на летчика при выполнении операций контроля и управления, предоставить ему дополнительные инструменты информирования, оценки и прогнозирования ситуаций.

Особенность этих задач состоит в том, что они должны решаться при некоторой неопределенности входных данных, которые описывают текущую ситуацию (внешнюю тактическую, навигационную и внутреннюю техническую), при наличии случайных воздействий внешних факторов среды. Один из примеров таких задач – распознавание объектов, которое успешно решается сейчас нейросетевыми технологиями.

Кроме того, стало возможным применение нового, более совершенного математического аппарата. Ранее, имея определенные ограничения по ресурсам бортовых вычислительных средств, могли применяться несколько упрощенные математические модели, накладывались ограничения, вводились допущения. В настоящее время новые бортовые вычислители позволяют снять эти ограничения и внедрить более сложные и ресурсоемкие алгоритмы.

Что касается искусственного интеллекта, это все-таки широкое понятие. Мы аккуратно применяем этот термин. Чаще мы используем понятие «технологии искусственного интеллекта». К подобным технологиям можно отнести нейросетевые технологии, экспертные системы, нечеткую логику.

Есть и еще одна проблема установки ИИ на самолеты. Понятие «искусственный интеллект» подразумевает среди прочего самообучение. На единичном образце это сделать возможно. Но когда речь идет о серийном производстве, встает вопрос о соответствии уровня самообучения каждой системы техническому заданию заказчика. И как осуществлять приемку такой техники. Пока нет никаких нормативных документов, регламентирующих самообучение систем. Поэтому искусственный интеллект в чистом виде на самолете – вопрос не ближайшего будущего.

#ОАК_технологии
Техническое зрение

Наше будущее с точки зрения индикации информации для летчиков – это нашлемная система целеуказания и индикации, система технического зрения и дополненная реальность. Система технического зрения – это система камер, расположенных по самолету, работающих в разных оптических диапазонах. Обычно – в видимом, ближнем инфракрасном и глубоком инфракрасном диапазонах. Они формируют синтезированную телевизионную картинку из разных диапазонов, выводимую на индикатор или на шлем. Это полезно в условиях плохой видимости или в ночных условиях. Например, в условиях дымки в ближнем инфракрасном диапазоне получается гораздо более четкая и качественная картинка, чем обычная телевизионная.

Дополненная реальность – это, например, когда в условиях плохой видимости на тех же индикаторах или на нашлемной системе дорисовывается рельеф местности, полоса, другие наземные объекты. На гражданских самолетах уже есть подобные системы. На современных истребителях тоже можно выводить на авиационные индикаторы телевизионную картинку и дополненную реальность. Это нужно, например, для представления целевой обстановки или в условиях плохой видимости. Требуется совмещение индикации с нашлемной системы, чтобы она выводилась не только на индикаторы. Тогда летчик сможет наблюдать, например, целевую обстановку при любом направлении взгляда – не только впереди, по бокам и сверху, но и снизу, и сзади.
©️

#ОАК_технологии Новые аэродинамические компоновки

✈️ Магистральные самолеты в ближайшее время должны значительно измениться. Компоновка «труба с крыльями» себя, практически, изжила. Больше из нее «выжать» вряд ли что удастся для улучшения летных характеристик самолетов.

Последнее возможное улучшение – снижение коэффициента трения. Существующие сегодня самолеты все турбулентны. А турбулентное трение в пять-шесть раз выше, чем ламинарное трение. Поэтому одно из перспективных направлений улучшения аэродинамических характеристик – ламинаризация. Надо сделать такие формы самолета, чтобы его обтекание было нетурбулентным. Но больше для стандартной компоновки нет никакого резерва улучшения.

Поэтому весь мир ищет новые варианты. Мы гордимся, что в России, в нашем головном авиационном институте ЦАГИ еще 35 лет назад впервые была предложены компоновки, которые позже на Boeing назвали «blended wing body» - размазанный между крылом фюзеляж. У нас его называют просто «летающее крыло». Эти компоновки позволяют примерно на четверть улучшить аэродинамику самолета, повысить аэродинамическое качество.

Это ближайший шаг в области аэродинамической компоновки. К нему есть огромное разнообразие подходов. Рассматривается верхнее расположение стандартных двигателей для экранирования их шума. Возможно использование «гребенки» из электрических двигателей и одного большого двигателя-генератора. Есть и еще целый ряд инноваций, которые позволят значительно улучшить характеристики такой компоновки по сравнению с традиционными сегодня.

Никто не сказал, что фюзеляж должен быть в виде «трубы». В ЦАГИ, например, разработана новая концепция делового реактивного самолета малой размерности (на фото). Главная особенность этой компоновки – фюзеляж каплевидной формы, диаметр которого больше роста человека. Пассажир может встать в полный рост, пройти по салону, размяться. И при этом не надо пригибаться, как в существующих сегодня бизнес-джетах этого класса. Тем самым обеспечивается непревзойденный уровень комфорта среди самолетов данной размерности.

Есть и другие интересные инновации, например – ламинарное крыло малой стреловидности. До сих пор прямое крыло означало низкую скорость. Но деловые люди хотят летать быстро. У новой концепции бизнес-джета за счет грамотного использования правила площадей и тонкой «настройки» профиля крейсерская скорость, подтвержденная в многочисленных испытаниях в аэродинамических трубах, составляет 0,82 Маха. Это быстрее, чем многие современные дальнемагистральные лайнеры. ©️

#ОАК_технологии Водородные двигатели

Переход на новые альтернативные источники энергии уже в ближайшем будущем может стать необходимостью.

Ученые могут ошибаться на 50 и даже на 100 лет, однако запасы нефти в какой-то момент будут исчерпаны. Та страна, ученые и специалисты которой первыми найдут оптимальное решение проблемы перехода на неисчерпаемые источники энергии, получит доминирующее положение в мире. Особенно это важно для России с учетом огромного населения, богатейших природных ресурсов, занимаемого географического положения, климатических зон и огромных расстояний.

Сейчас многие зарубежные компании занялись вопросом создания самолета с двигателями, работающими на криогенных компонентах топлива, в первую очередь – на жидком водороде.

Все претендуют на первенство в этой области, совершенно забывая, что у нас еще в 1988 году совершила первый полет летающая лаборатория Ту-155 с таким двигателем. Еще во второй половине 1970-х годов в связи с дефицитом мировой добычи нефти и углублением энергетического кризиса получили актуальность работы по применению альтернативных видов топлива в промышленности и на транспорте. И именно тогда ОКБ им. А. Н. Туполева начало работы по теме «Холод», предусматривавшей использование жидкого водорода в качестве авиационного топлива. Кроме того, целью этой программы стала экологическая оценка перехода на горючее, продуктом сгорания которого был бы обычный водяной пар.

Для изучения особенностей эксплуатации самолетов на таком горючем было решено изготовить на базе самолета Ту-154Б летающую лабораторию, получившую позднее наименование Ту-155. На нем вместо штатного центрального мотора был установлен экспериментальный двигатель НК-88, работающий на водороде. Впервые Ту-155 поднялся в небо 15 апреля 1988 года. Узнав об этом полете, известный американский авиационный инженер Карл Бревер (Carl Brewer) так охарактеризовал проект Ту-155: «Русские совершили в авиации дело, соразмерное полету первого спутника Земли».

В 1989 году самолет переоборудовали: вместо НК-88 поставили экспериментальный двигатель НК-89, работающий на сжиженном природном газе – метане, который хранился при температуре –162 °C. ©️

#ОАК_технологии Гибридные установки

Поиск новых типов силовых установок в авиации велся всю ее историю. Часто параллельно шли испытания двигателей на разных физических принципах. Это позволяло определить более перспективное направление работ. Сегодня активно идут эксперименты с установкой на самолетах электродвигателей. Этот тренд обусловлен их относительной простотой и экологичностью: у электродвигателей нет вредных выбросов, как у традиционных турбореактивных двигателей. Однако создание самолета, использующего в качестве силовой установки исключительно электрические двигатели, слишком сложная задача, требующая новых технологий в области хранения энергии: необходимы аккумуляторы, которые бы были достаточно легкими, быстро заряжались, обладали необходимой емкостью, не реагировали бы на различные климатические условия.

Если считать только в штуках, то чисто электрические летательные аппараты сейчас, пожалуй, самые массовые в мире. Но это всего лишь небольшие коптеры, служащие в большинстве случаев средством развлечения. Рост размеров таких летательных аппаратов упирается в существующие возможности электрических аккумуляторов. Более логичным пока видится вариант гибридной силовой установки, сочетающий газотурбинные или поршневые авиадвигатели с электрическими.

Сегодня направление малошумных и экологичных гибридных силовых установок стало одной из определяющих технологий для будущего авиации. Их исследованием, прежде всего для перспективных серийных самолетов малой и региональной авиации, занимаются все авиаконцерны мира и профильные научные центры. Такая авиация, по прогнозам, должна появиться в мире где-то в районе 2030 года. Преимущество гибридных силовых установок состоит в возможности, с одной стороны, получить выгоду от энергоэффективных, экологически чистых электрических технологий, с другой – сохранить приемлемую весовую эффективность за счет оптимизации конструкции и режимов работы газотурбинных или поршневых авиационных двигателей.

Лидером в этой области является Россия. В 2021 году в Сибирском научно-исследовательском институте авиации (СибНИА) им. С. А. Чаплыгина совместно с ЦИАМ был создан самолет-лаборатория Як-40ЛЛ. Это первая в мире летающая лаборатория для испытаний гибридной силовой установки, включающей электрический авиационный двигатель мощностью 500 кВт. Вместо центрального двигателя на этом «Яке» стоит газотурбинный двигатель ТВ2-117. На его валу установлен электрогенератор. Генератор является источником питания для уникального, не имеющего аналогов в мире по мощности электрического авиадвигателя. Его особенность заключается в применении в качестве обмоток статора высокотемпературных сверхпроводников второго поколения. КПД электродвигателя составляет 98%.

Высокотемпературные сверхпроводники позволяет в разы снизить массу электрических машин. Есть все основания считать, что только подобная технология позволит в перспективе создавать электрические двигатели и генераторы мощностью 10-20 МВт для гибридных силовых установок ближне- и среднемагистральных самолетов. Применение же электродвижения в авиации позволит существенно снизить шум и потребление топлива. В перспективе 15-20 лет по мере усовершенствования технологий прогнозируется снижение затрат на эксплуатацию самолетов до 75%. ©️

#ОАК_технологии Цифровые сервисы и технические средства обучения

Летчик истребителя, как шутят в авиации, является одной из самых дорогих деталей самолета. Действительно, подготовка пилота современного истребителя обходится примерно в 5 млн $. В последнее время благодаря новым технологиям стало возможным сократить трудозатраты на его обучение в 1,5-2 раза.

Изменился и сам уровень тренажеров. Главное отличие – передача контента теперь идет в более удобном зрительном виде. Семимильными шагами развиваются средства визуализации. Широко используются такие компьютерные технологии, как трехмерная графика, виртуальная реальность, дополненная реальность. Вовсю применяются 3D-очки. Они улучшают наглядность, а, следовательно, ускоряют процесс обучения.

При летной подготовке для большей наглядности летчик, получив задание, может теперь выполнить на тренажере «пред-полёт», то есть заранее посмотреть компьютерную симуляцию: как это будет выглядеть на тренажере или в реальном полете, какая информация будет отражаться на приборах кабины. Инструктор может остановить демонстрацию и объяснить особенности данного задания и то, что отображается на экранах и приборах. Потом летчик идет в тренажерный зал или на аэродром и выполняет задание.

Кроме того, новые технические средства обучения позволяют учить летчиков и техников практически без преподавателя. Преподаватель требуется только для того, чтобы, например, рассказать в целом про самолет. Он также организует контроль и обратную связь с обучаемым, задавая нужное количество повторений, исходя из индивидуальных особенностей обучаемых. Преподаватель также определяет объем обучения в зависимости от того, учится ли обучаемый с нуля, переучивается ли на новую технику, восстанавливает утраченные после болезни или большого перерыва летные навыки. Следующим этапом развития средств обучения мы видим в организации автоматического «входного контроля» обучаемого, тестирования степени его интеллекта и знаний. Тогда станет возможным автоматическая настройка блока обучающих программ для каждого обучаемого, исходя из его способностей.

Благодаря развитию цифровых технологий, технические средства обучения получили сегодня и еще одно новое применение. Теперь 3D-модели, созданные для учебных классов, используются при подготовке рабочих на сборочном производстве. Сотрудник предприятия, где собирают летательные аппараты, может надеть 3D-очки и увидеть самолет во всем его масштабе. Можно ходить вокруг него, удалить внешние панели, посмотреть в «нутро» машины. Когда работник подходит в цехе к реальному самолету, он уже готов воспринимать все его пространственные размеры, знает где находится нужный блок, какие тот имеет реальные габариты, что нужно сделать, чтобы добраться до него.

Технические средства обучения становятся также важным элементом в общей системе интегрированной логистической поддержки эксплуатации самолетов. Ведь при создании тренажеров и обучающих программ учитывается опыт работы с реальным самолетом. А с полунатурных стендов идет информация о том, что и как работает.

Получается как бы повторное моделирование. Поэтому наши подразделения по разработке технических средств обучения совместно с отделами эксплуатации вместе формируют электронную базу по каждому самолету, их электронные формуляры. Такие формуляры ведутся по каждой машине, по каждой системе и каждому изделию на ней: когда оно было изготовлено, когда поставлено на самолет, когда нужно его снять или сделать регламент. На основании этой информации становится возможным делать прогноз работы систем, строить логистическую поддержку. ©️

#ОАК_технологии Цифровые модели и двойники

Создание новых самолетов существенно ускорила разработка их цифровых моделей на базе высокоточных методов математического моделирования. Сначала мы применяли этот подход для того, чтобы сократить количество возможных ошибок при проектировании, а дальше использовали его в процессе испытаний и эксплуатации.

Цифровые модели применяются для решения многих конструкторских задач. Например, в силу требований многофункциональности для истребителя пятого поколения необходимо было создать оригинальную форму планера. Математические модели позволили проверить целую серию различных его вариантов. Причем, если продувки в аэродинамических трубах заняли бы 1-2 года, то на суперкомпьютере мы один вариант планера рассчитывали от недели до месяца, так осуществлялся непрерывный поиск и проверка альтернативных вариантов. Кроме того, математическая модель давала еще одно важное преимущество: демонстрировалась полная картина измеряемых параметров в каждой точке исследуемого пространства или поверхности. Эти данные оказались благодатным материалом для инженеров при принятии рациональных решений.

Благодаря успехам в области математического моделирования стало возможным моделировать все системы летательного аппарата одновременно. Тем самым, появилась возможность применить для новых самолетов концепцию цифровых двойников – создать интегрированную цифровую модель всего самолета. Цифровой двойник – это синхронизированная с физическим объектом совокупность виртуальных моделей того или иного физического процесса. Такие двойники отслеживают состояние самолета в эксплуатации и позволяют предсказывать их поведение в будущем.

Концепция цифровых двойников многогранна и позволяет, например, прогнозировать, как поведет себя самолет в различных ситуациях. Или находить причины отказов, изучать особенности их появления и прогнозировать последствия. Это очень помогает для формирования гармонизированного энергетического баланса и понимания процессов функционирования как в штатных ситуациях, так и в критических.

Конечно, цифровые двойники нужны, в первую очередь, для того, чтобы инженерам было проще разобраться в сложных физических процессах до появления натурного образца. Но есть для них и другие применения, например, – подготовка персонала. Ведь цифровой двойник способен показать обучающемуся какая в различных ситуациях должна быть последовательность допустимых действий в производстве и эксплуатации.

Уже сегодня одна из граней концепции цифровых двойников – среда виртуального инжиниринга позволяет на серийных заводах ОАК совершенствовать сборочно-технологические процессы серийного производства. Конечно, цифровое моделирование не заменяет работу инженеров и производственных специалистов, но помогает найти и убедиться в правильности решений. При этом формируется опыт, который специалисты производства используют при решении новых задач и освоении новых изделий авиационной техники.

Среда виртуального инжиниринга позволяет визуализировать основные этапы производства. Если быть более точными, то процессу изготовления любой детали предшествует этап подготовки производства. Чтобы исключить ошибки и недочеты, выявляемые порой уже по факту, после выпуска детали, производится отработка технологического процесса в виртуальном пространстве. В результате в серийное производство запускается изученный в виртуальном мире объект, и впоследствии в цехе деталь изготавливается без грубых отклонений.

Предприятия ОАК совместно с ведущими научными коллективами страны ведут активную работу по развитию и внедрению концепции цифровых двойников непрерывно разрабатывая новые и усовершенствуя существующие предметно-ориентированные и объектно-ориентированные математические модели самолетов и их инфраструктуры. ©️