К вопросу автоматизированного проектирования облика беспилотного летательного аппарата самолетной схемы

Проектирование беспилотного летательного аппарата (БЛА) является сложной научно-технической задачей, решаемой поэтапным и многоуровневым процессом на основании имеющейся в техническом задании (ТЗ) информации.

Одним из важных этапов проектирования является формирование облика БЛА, так как облик – наиболее важная характеристика летательного аппарата, отражающая его схему, общий вид, структуру, принципы устройства и функционирования.

Традиционный вид проектирование БЛА представляется в виде несколько этапов [1, 2]:

• -    на первом этапе формируется предварительный облик БЛА — задача выбора аэродинамической схемы. Выбор производится на основе анализа уже существующих и перспективных вариантов схем. Помимо этого, выбирается тип двигательной установки, состав целевой нагрузки, системы управления, бортовое оборудование, конструктивно–силовая схема планера, массовые и геометрические параметры БЛА. В конце первого этапа БЛА приобретает некоторые реальные очертания, массово–габаритные, технические и эксплуатационные характеристики, которые уточняются на последующих этапах проектирования;

• -    на втором этапе осуществляется аэродинамическое проектирование ЛА, с помощью которого уточняют уже полученный предварительный облик и различные параметры. Уточнение проводится за счет количественных оценок, в ос-

• Гордиенко Александр Викторович, аспирант Аэрокосмического института ОГУ. E-mail: gordienko.av@yandex.ru Припадчев Алексей Дмитриевич, доктор. технических наук, доцент кафедры летательных аппаратов.

нове которых лежит математическая модель БЛА. Формирование математической модели и ее решение является главным содержанием второго этапа [3]. Физическая модель отражает БЛА, который представляется как средство транспортировки полезной нагрузки при заданных условиях полета. Необходимая для полета энергия, обеспечивается двигателем. Взаимосвязь между характеристиками движения БЛА и расходуемой энергией отражают уравнения движения. Их решение позволяет рассчитать летно–технические характеристики БЛА, уточнить массовые характеристики, проверить достаточность запаса топлива для полета и оптимизировать наиболее важные параметры БЛА;

• -    на третьем этапе проводятся проверочные расчеты функциональных возможностей БЛА. На этом этапе исследуют и уточняют аэродинамические характеристики. В итоге определяют экономическую эффективность БЛА и, если она не является приемлемой, процесс проектирования начинают с самого начала.

При таком походе к проектированию БЛА одновременно можно проработать только один вариант облика, т.к. масштаб задачи слишком велик и отработка сразу нескольких вариантов не представляется возможным.

На сегодняшний день, средства инженерного анализа (Computer Aided Engineering — CAE) — это разнообразные программные продукты, позволяющие при помощи расчётных методов (метод конечных элементов, метод конечных разностей, метод конечных объёмов) оценить, как поведёт себя компьютерная модель изделия в реальных условиях эксплуатации. Помогают убедиться в работоспособности изделия, без привлечения больших затрат времени и средств [4].

Современные CAE–системы применяются либо совместно с CAD–системами, либо интегрируются в них и образуют гибридные CAD/ CAE–системы.

Наиболее известной интегрированной платформой для численного моделирования в мире свободного программного обеспечения является SALOME. В основе данной платформы лежит технология OpenCascade, которая используется во многих коммерческих продуктах, например, таких как Catia. SALOME предназначена для организации связи между различными этапами процес-сса проведения инженерных расчетов: подготовка исходных данных, расчет и анализ результатов. В платформе реализованы драйверы работы с такими инженерными форматами представления данных как I-DEAS IGES, BREP, HDF и MED, которые являются на сегодня стандартами де-факто и это позволяет использовать модели, разработанные с помощью других программных средств. Платформа SALOME является полностью модульной: в основе лежит ядро, написанное на языке C++ и обеспечивающее доступ к основным функция с помощью архитектуры CORBA, что позволяет запускать отдельные компоненты на различных компьютерах и организовать распределенную среду вычислений. Все остальные модули (модуль работы с геометрией, модуль графического интерфейса, модуль построения расчетной, модуль визуализации и прочие) используют ядро для обмена информацией и выполнения своих собственных задач. Важной особенностью является возможность использования макро-языка Python для получения доступа ко всем операциям платформы – таким образом, любой набор инструкция может быть записан в файл выполнен надлежащее число раз с различными исходными параметрами без вмешательства оператора, либо, наоборот, любая последовательность действий пользователя может быть сохранена в файл.

Особую роль в проектировании любого летательного аппарата играют системы, включающие средства вычислительной гидродинамики (Computational fluid dynamics, CFD) — подраздела механики сплошных сред, состоящих из совокупности физических, математических и численных методов, предназначенных для вычисления характеристик потоковых процессов. Данные системы позволяют провести верификацию данных проектирования в области исследования аэродинамики летательного аппарата.

В качестве расчетного модуля платформы SALOME может выступать открытая интегрируемая система для численного моделирования механики сплошных сред OpenFOAM [5]. Код этой системы, разработан в Великобритании в компании OpenCFD, Limited, и используется многими промышленными предприятиями более 12 лет. Свое название и идеологию построения код берет от предшественника FOAM (Field Operation And Manipulation), который является закрытым и продолжает развиваться параллельно с OpenFOAM.

В основе кода лежит набор библиотек, предоставляющих инструменты для решения систем дифференциальных уравнений в частных производных. Рабочим языком кода является C++. В терминах данного языка большинство математических дифференциальных и тензорных операторов уравнений в программном коде (до трансляции в исполняемый файл) может быть представлено в удобочитаемой форме, а метод дискретизации каждого оператора выбирается пользователем в процессе расчета. Таким образом, в коде полностью разделяются понятия расчетной сетки (дискретизации пространства и времени), дискретизации основных уравнений и методов решения алгебраических уравнений.

Данная платформа позволяет решать следующие задачи:

• -    прочностные расчеты;

• -    гидродинамика ньютоновских и неньютоновских вязких жидкостей как в несжимаемом, так и сжимаемом приближении с учётом конвективного теплообмена и действием сил гравитации. Для моделирования турбулентных течений возможно использование RANS-моделей, LES- и DNS-методов. Возможно решение дозвуковых, околозвуковых и сверхзвуковых задач;

• -    задачи теплопроводности в твёрдом теле;

• -    многофазные задачи, в том числе с описанием химических реакций компонент потока;

• -    задачи, связанные с деформацией расчётной сетки;

• -    сопряжённые задачи;

• -    некоторые другие задачи, при математической постановке которых требуется решение дифференциальных уравнений в частных производных в условиях сложной геометрии среды;

• -    распараллеливание расчета как в кластерных, так и многопроцессорных системах.

Помимо этого, в платформе SALOME могут быть встроены модули средств визуализации и анализа данных - мультиплатформенный программный продукт с открытым исходным кодом ParaView, с его помощью можно создавать изображения данных, пригодные для презентации без дополнительной обработки.

Мы предлагаем использовать CAE-систему в качестве инструментов проектирования, а так же для верификации получаемых данных, позволяющую с самого начала в режиме реального времени коррек- тировать процесс проектирования на всех этапах. Кроме того, при таком подходе возможна проработка сразу нескольких вариантов облика БЛА с последующим выбором наиболее приемлемого.

Предлагаемый подход можно представить в виде следующих этапов:

• -    выбор параметров формирования облика БЛА;

• -    проектировочные расчеты основных параметров БЛА;

• -    построение геометрических моделей первого приближения;

• -    продувка вариантов в CFD-системе;

• -    определение основных аэродинамических характеристик;

• -    анализ результатов.

Основные этапы работы по проектированию

БЛА следующие:

• 1.    Выбор несколько вариантов предварительного облика БЛА и расчет их параметров.

• 2.    Создание геометрической модели.

• 3.    Создание в платформе SALOME расчетной сетки продувочной области.

• 4.    Передача полученных данных в расчетный модуль OpenFOAM.

• 5.    Представление результатов продувки в системе ParaView.

• 6.    Анализ результатов, принятие решений.

При выборе вариантов, следует учитывать, что лишь часть характеристик оказывает существенное влияние на формирование облика БЛА. Наиболее значимыми являются:

Конструктивно-геометрические характеристики БЛА, включающие:

• -    конструктивно-геометрические характеристики крыла (удлинение Л, средняя относительная толщина крыла с , форма срединной поверх-

• ности yср, объем крыла W);

• -    конструктивно-геометрические характеристики фюзеляжа (длина l _ф , диаметр d _ф , площадь миделевого сечения S^ , удлинение фюзеляжа Л ф );

• -    конструктивно-геометрические характеристики оперения (статический момент площади горизонтального оперения A _г.о , статический момент площади вертикального оперения A _в.о , относительная площадь горизонтального оперения S ).

ВЫВОДЫ

• 1.    При данном подходе показана возможность проработки нескольких вариантов облика БЛА одновременно.

• 2.    Предложена возможность формирования облика БЛА с использованием численного анализа его аэродинамических характеристик.

• 3.    Предложен обзор свободного программного обеспечения для твердотельного моделирования и решения задач гидро-газодинамики.