Современные технологии и новые тенденции в наземных испытаниях авиационной техники
Испытания – неотъемлемая часть создания любой техники. Испытания изделий авиационной техники и их составных частей – одни из самых сложных задач в машиностроении. Ведь разработка нового самолета требует инженеров высшей квалификации, занимает много времени, значительных финансовых затрат. Способность реализовать испытания изделий авиационной техники – важный параметр самостоятельности авиастроительной компании и государства в целом.
В настоящее время в ОКБ Сухого проводятся и так называемые классические наземные испытания, и перспективные виртуальные. Их комбинация позволяет подтвердить соответствие реальных свойств самолета, его систем и агрегатов заложенным при проектировании расчетным характеристикам.
Испытательная «классика»
«К своему 85-летию ОКБ Сухого подходит с необходимыми и достаточными компетенциями в части проведения классических наземных испытаний изделий авиационной техники, – говорит начальник комплекса наземных исследований и полигонных испытаний Максим Шпаков. – Они проводятся для оценки характеристик самолета и его составных частей с применением испытательных стендов и полунатурного моделирования».
ОКБ Сухого с требуемым качеством обеспечивает полный цикл работ по параметрическим и ресурсным испытаниям множества систем. Это и комплексные системы управления, и системы электроснабжения, топливные системы и пневмо-гидросистемы. Безусловно выполняются испытания на статическую и динамическую прочность, испытания по определению характеристик антенно-фидерных устройств и радиопрозрачных обтекателей, а также полунатурная отработка функциональных характеристик комплекса бортового оборудования. Естественным представляется провести в «классике» отработку эргономики кабины пилота. Особенных стендов также требуют испытания средств боевой живучести и безопасности отделения авиационных средств поражения, сдаточные испытания по оценке безопасности опасных цепей авиационных средств поражения и установок вооружения при воздействии внешних электромагнитных полей высокой интенсивности, а также испытания по оценке радиолокационной заметности.
Программа создания истребителя пятого поколения Су-57 потребовала от ОКБ Сухого разработки и запуска в эксплуатацию более 40 новых испытательных стендов, а также освоения новых видов испытаний. Например, был создан комплексный ресурсный стенд гидро-пневмосистем и взлетно-посадочных устройств, стенд отработки пушечной установки. Также был создан уникальный комплексный наземный стенд: это нелетное исполнение самолета Су-57 для отработки всех систем и агрегатов. В 2011-16 годах на нем был выполнен огромный объем испытаний, включая оценку радиолокационной заметности на радиополигоне «Военно-воздушной академии» в Воронеже.
Некоторые стенды и испытания вообще появились в авиационной отрасли России впервые, например, стенд комплексирования и отработки информационно-управляющей системы, стенд отработки радиолокационной заметности и радиотехнических характеристик антенн и обтекателей, позволяющий в условиях безэховой камеры работать с натурными объектами испытаний. Для проведения испытаний по радиолокационной заметности в ОКБ Сухого, впервые, была разработана специальная «сквозная» методика. Она включала математическое моделирование, оценку на стенде натурных объектов испытаний и проведение летных экспериментов.
Развитая стендовая база ОКБ Сухого позволяет значительно сократить объем натурных испытательных работ и повысить готовность опытных образцов самолетов к летным испытаниям.
Проблемы и трансформация
«Наряду с достижениями, ОКБ Сухого, как и другие КБ в отрасли, переживает определенный кризис развития классических наземных испытаний, – отмечает заместитель начальника КБ по организации НИОКР Александр Матвеев. – В современных условиях количество НИОКР незначительно, а сроки их выполнения предельно сокращены. Поэтому постройка новых сложных стендов из-за длительных сроков их создания не успевает за сроками готовности опытных образцов самолетов. Еще одна проблема – нет постоянной загрузки для развернутой стендовой базы. Кроме того, на ранней стадии проектирования поисковые испытания на стендах все больше заменяются математическим моделированием».
В такой ситуации логичной выглядит трансформация испытательных подразделений ОКБ Сухого для сохранения своих возможностей, а также изменение технологии проведения наземных испытаний. Целесообразно свести отдельные испытательные бригады и научно-исследовательские секторы в комплекс наземных испытаний общесамолетных систем. Возможно сокращение штата рабочих и увеличение инженеров-испытателей – комплексных специалистов. Необходимо разработать испытательный комплекс с размещением стендов под перспективные виды испытаний на одной площадке с единым энергообеспечением. Кроме того, должны стать едиными техническая и документальная политики в области наземных испытаний.
На сегодня в ОКБ Сухого есть точное понимание: без наличия собственной базы с необходимой номенклатурой испытательных стендов, прежде всего – общесамолетных систем, невозможно обеспечить безопасность эксплуатации разрабатываемых самолетов. Передача испытаний в организации-соисполнители проблемы не решит.
В рамках осуществляемой в настоящее время интеграции ОКБ Сухого и ОКБ им. А.И. Микояна актуальной является задача формирования единого инженерного центра испытаний. Он взял бы на себя координацию наземных, летных и виртуальных испытаний между различными программами, унификацию форматов результатов измерений, формирование единой базы результатов измерений.
Испытательный «виртуал»
Одним из современных трендов стали виртуальные испытания. Они качественно дополняют испытания классические. На сегодня главная их цель – получить на стадии проектирования изделие максимальной степени готовности к натурным работам. Попутно «виртуал» способен минимизировать количество обязательных натурных работ. Требования точности расчета функциональных характеристик самолета и безопасности его эксплуатации при этом никто не отменяет.
ОКБ Сухого с середины 1990-х годов начало внедрять систему автоматизированного проектирования, а затем создавать базу для цифрового моделирования и виртуальных испытаний. В 2019 году в структуре ОКБ сформирован Научно-исследовательский центр суперкомпьютерных технологий. В центре совместно с Всероссийским научно-исследовательским институтом экспериментальной физики (ВНИИЭФ) внедрили и продолжают активно развивать отечественный пакет программ инженерного анализа «Логос» для решения связанных мультидисциплинарных трехмерных задач на супер-ЭВМ с тысячами и более процессоров. Центр начинал с выполнения прочностных и аэродинамических расчетов, сегодня решает существенно более сложные задачи. Например – моделирование разномасштабных нестационарных вихревых структур, включая отрывные и присоединенные течения для всего летального аппарата. Проводится определение нагрузок на самолет и его агрегаты с учетом эффектов статической и динамической аэроупругости полета. Возможно найти безопасные варианты отделения авиационных средств поражения от самолета. При этом учитывается динамики пусковых и катапультных устройств, интерференция, аэроакустика, эрозия конструкции самолета при воздействии струи разгонных двигателей ракет. Кроме того, центр проводит анализ ресурса конструкции, в том числе выполненной из полимерных композиционных материалов. Здесь рассчитывают сопряженный теплообмен с учетом влажности, ледяных наростов и пленок, нагрева, теплопроводности в многослойных конструкциях, конвекции в кабине или отсеке. Занялся центр и электродинамическим моделированием рассеяния на объекте.
«Сегодня ОКБ Сухого активно переходит к применению полномасштабных математических моделей динамики движения летательного аппарата и функционирования совокупности самолетных систем для описания поведения всех агрегатов и элементов самолетных систем при выполнении полного профиля полетного задания, – рассказывает главный конструктор суперкомпьютерных технологий Александр Корнев. – По сути, это – прототипы “цифровых двойников”». Такие функциональные модели позволят увязать все самолетные системы и их компоненты, обеспечив тепловой и энергетический баланс на борту. С их помощью можно провести анализ требований к составным частям, определить допустимый и достигаемый уровень характеристик элементов и систем, определить показатели надежности, а также оценить причины и последствия единичных и групповых отказов элементов.
«Следующий шаг в развитии виртуальных испытаний представляется в виде формирования комплекса математических моделей, или виртуальной модели функционирования, как прототипа функционального цифрового двойника, – уверен Александр Корнев. – Такая модель еще до появления первых опытных образцов даст первичное представление о поведении проектируемого самолета, которое потом будет уточняться, начиная со стендовых наземных и летных испытаний».
Суперкомпьютерные проблемы
Применение виртуальной модели функционирования и функциональных цифровых двойников способно сократить весь цикл опытно-конструкторских работ по срокам на 10-20 %. Но для всестороннего применения виртуальных испытаний предстоит решить ряд задач. Очевидная – оснащение вычислительными ресурсами. Необходимо также разработать и начать применять интегральную среду виртуальной модели. Кроме того, есть и проблема создания нормативной документации в части применения математического моделирования: чтобы их засчитывали, их нужно узаконить.
Если решение проблемы вычислительных ресурсов понятно и лежит в организационно-финансовой плоскости, то создание интегральной среды требует синтеза знаний и результатов проектирования изделий авиационной техники, классических и виртуальных испытаний. В 2020 году в ОКБ Сухого силами специалистов ВНИИЭФ введен в промышленную эксплуатацию прототип единой базы данных, обеспечивающей структурированное хранение и повторное использование больших расчетных данных в совокупности с экспериментальными. Развитие единой базы данных позволит объективно доказать применимость цифровых двойников для сокращения и замены отдельных видов испытаний. Нужно продемонстрировать уровень достоверности математического моделирования в сравнении с ранее проведенными стендовыми и летными испытаниями, включая анализ критических и аварийных ситуаций.
А вот создание нормативной базы является наиболее критичной проблемой: до сих пор в России нет согласованного регламента проведения виртуальных испытаний. Однако благодаря активной позиции ОКБ Сухого, основанной на опыте создания самолетов Су-35С и Су-57, в настоящее время уже внесены изменения в «Положение о порядке организации работ по созданию, изготовлению и эксплуатации образцов авиационной техники государственной авиации» в части подтверждения отдельных параметров изделий авиационной техники математическим моделированием. Кроме того, ОКБ Сухого ведет разработку своих внутренних стандартов, регламентирующих создание и применение математических моделей в практической деятельности.
Текст: Александр Матвеев, Максим Шпаков, Александр Корнев (ОКБ Сухого)
