- •Посвящается 75-летию Московского авиационного института системный подход к проектированию ла.
- •1.1. Техническое задание на проектирование
- •1.2. Сложные (большие) системы, их свойства .
- •1.3. Летательный аппарат – главный элемент авиационного и ракетно-космического комплекса
- •1.4. Системы и компоновка летательного аппарата
- •Инженерное обеспечение проектирования летательного аппарата.
- •2.1. Основные этапы проектирования авиационного комплекса
- •2.2. Иерархия систем летательного аппарата. Специализация инженеров, создающих системы.
- •Глава 3 среда в которой существует и функционирует летательный аппарат
- •3.1. Факторы, влияющие на функциональные возможности и облик летательного аппарата
- •3.2. Естественная внешняя среда - атмосфера Земли и околоземное пространство
- •3.2.1. Основные параметры и свойства воздуха в атмосфере
- •3.2.3. Решение проектно-конструкторских задач и неопределенность по параметрам естественной внешней среды
- •3.3. Искусственная внешняя среда
- •3.3.1. Аэропорт. Взлетно-посадочная полоса
- •3.3.2. Наземные системы обслуживания и подготовки самолета к полету
- •3.3.3. Обеспечение регулярности и безопасности полетов пассажирских самолетов
- •3.3.4. Стартовый ракетный комплекс
- •3.3.5. Решение проектно-конструкторских задач и неопределенность по параметрам искусственной внешней среды
- •Часть вторая теоретические основы авиационной техники
- •Глава 4 принципы полета и классификация летательных аппаратов
- •4.1. Классификация принципов полета
- •4.2. Реализация ракетодинамического и баллистического принципов полета
- •4.3. Реализация аэростатического принципа полета
- •4.4. Реализация аэродинамического принципа полета
- •4.5. Летательные аппараты, реализующие несколько принципов полета
- •4.6. Крылатый летательный аппарат в космическом пространстве
- •Глава 5 основы аэродинамики
- •5.1. Взаимодействие среды и движущегося тела. Классификация скоростей полета
- •5.2. Аэродинамический эксперимент
- •5.3. Аэродинамические силы
- •5.4. Основные законы аэродинамики
- •5.5. Элементы аэродинамики больших скоростей
- •5.6. Системы осей координат
- •5.7. Аэродинамические характеристики самолета
- •Глава 6 основы динамики полета самолета 6.1. Траектории движения
- •6.2. Силы, действующие на самолет в полете
- •6.3. Пространственное движение самолета
- •6.4. Понятие об аэродинамическом расчете
- •Глава 7 аэродинамическая компоновка летательных аппаратов
- •7.1. Геометрические параметры обтекаемых тел
- •7.1.1. Геометрические параметры несущей поверхности (крыла)
- •7.1.2 Геометрические параметры несущих частей самолета (фюзеляжа)
- •7.2.1. Аэродинамические схемы. Продольная балансировка, устойчивость и управляемость самолета
- •ΔδΔYг.О.ΔMz ΔωzΔαΔYсам δ¯ny.
- •7.2.2. Боковая балансировка, устойчивость и управляемость самолета
- •7.2.3. Состав системы управления самолетом
- •7.2.4. Показатели управляемости самолета
- •7.3. Влияние на аэродинамическую компоновку условий базирования и эксплуатации
- •7.4. Летательные аппараты короткого и вертикального взлета и посадки
- •7.4.1. Вертолеты
- •7.4.2. Самолеты вертикального (укороченного) взлета и посадки
- •7.5. Гидроавиация
- •7.6. Самолет изменяемой геометрии
- •7.7. Средства обнаружения и аэродинамическая компоновка
- •7.8. Аэродинамическая компоновка и активные системы управления
- •Глава 8 основы прочности и жесткости летательных аппаратов
- •8.1. Нагружение агрегатов самолета и их деформация под нагрузкой
- •8.2. Статическое и динамическое нагружение частей летательных аппаратов
- •8.3. Нормы прочности - закон при создании конструкции самолета
- •8.4. Предварительная динамическая компоновка летательных аппаратов
- •8.5. Прочностной эксперимент
- •8.6. Активные системы управления и нагружение частей самолета
- •8.7. Понятие надежности и живучести летательного аппарата
- •Инженерные основы авиационной техники
- •Глава 9 взлетная масса самолета
- •9.1. Взлетная масса как критерий выбора проектного решения
- •9.2. Уравнение существования самолета
- •Глава 10 основные элементы конструкции летательных аппаратов
- •10.1. Основные конструкционные материалы
- •10.2. Внешние нагрузки и реакции опор
- •10.3. Простейшие виды нагружения и простейшие конструктивные элементы
- •10.3.1. Растяжение
- •10.3.2. Сжатие
- •10.3.3. Сдвиг
- •10.3.4. Кручение
- •10.3.5. Изгиб
- •10.4. Подкрепленные тонкостенные оболочки - основа конструкции планера летательных аппаратов
- •Глава 11 элементы конструкции планера самолета
- •11.1. Примеры конструктивно-технологических решений
- •11.2. Конструктивно-силовые схемы агрегатов планера самолета
- •11.3. Реализация требований тз в процессе разработки конструкции
- •Глава 12 элементы конструкции систем управления
- •12.1. Системы прямого управления самолетом
- •12.2. Усилия на рычагах управления
- •12.3. Система непрямого (бустерного) управления
- •Глава 13 элементы конструкции шасси
- •13.1. Движение самолета по аэродрому
- •13.2. Амортизационная система самолета
- •13.3. Конструктивные схемы амортизационных стоек шасси
- •Глава 14 основы устройства силовых установок летательных аппаратов
- •14.1. Двигатели, применяемые на летательных аппаратах
- •14.2. Воздухозаборники и сопла двигателей самолета
- •14.3. Топливная система самолета
- •Глава 15 бортовые системы и оборудование самолета
- •15.1. Пассажирское бортовое и специальное оборудование
- •15.2. Системы кондиционирования и индивидуального жизнеобеспечения
- •15.2.1. Влияние условий полета на организм человека
- •15.2.2. Системы кондиционирования воздуха в гермокабинах
- •15.2.3. Системы индивидуального жизнеобеспечения
- •5.3. Системы защиты в особых условиях
- •15.3.1. Противообледенительные системы
- •15.3.2. Противопожарные системы
- •15.4. Системы спасения и десантирования
- •15.4.1. Средства спасения на пассажирских самолетах
- •15.4.2. Средства спасения на военных самолетах
- •15.4.3. Системы десантирования
- •15.5. Пилотажно-навигационное и радиотехническое оборудование
- •15.5.1. Пилотажно-навигационное оборудование
- •15.5.2. Радиотехническое оборудование
- •15.5.3. Комплексы бортового радиоэлектронного оборудования
- •15.5.4. Бортовое оборудование и кабина экипажа
- •15.6. Бортовые энергетические системы летательных аппаратов
- •Глава 16 основы производства летательных аппаратов
- •16.1. Основные этапы изготовления летательных аппаратов
- •16.2. Производство авиационного предприятия и субподрядчики
- •16.3. Стандартизация и унификация в авиационном производстве
- •16.4. Некоторые технологические аспекты проектирования летательных аппаратов
- •Глава 17 основы эксплуатации летательных аппаратов
- •17.1. Основные фазы существования летательных аппаратов в эксплуатации
- •17.2. Некоторые аспекты технической эксплуатации агрегатов и систем самолета
- •17.3. Некоторые эксплуатационные аспекты проектирования
- •Глава 18 основы проектирования летательных аппаратов
- •18.1. Содержание процесса и основные этапы проектирования летательных аппаратов
- •18.2. Некоторые экономические аспекты проектирования
- •18.3. Некоторые эргономические и экологические аспекты проектирования
- •18.4. Формальные и неформальные аспекты проектирования
- •18.5. Проектирование самолета и эвм
- •18.6. Сертификация самолетов гражданской авиации
- •Часть четвертая краткий обзор развития отечественной авиационной техники
- •Глава 19 самолетостроение в довоенный период и в годы великой отечественной войны
- •19.1. Начало пути
- •19.2. Самолеты 30-х годов
- •19.3. Самолеты предвоенных лет и в годы Великой Отечественной войны Советского Союза
- •Глава 20 отечественная авиация в послевоенный период
- •20.1. Освоение больших дозвуковых скоростей полета
- •20.2. Сверхзвуковая боевая авиация
- •20.3. Развитие гражданской авиации
- •20.4. Гражданские и боевые вертолеты
- •20.5. Авиация России в 90-е годы
- •Глава 21 возможные пути развития гражданской авиации и задачи, стоящие перед самолетостроением
- •21.1. Общие закономерности развития гражданского самолетостроения
- •21.2. Увеличение коммерческой нагрузки
- •21.3. Увеличение рейсовой скорости
- •21.4. Уменьшение расходов на эксплуатацию
- •21.5. Уменьшение массы самолета
- •21.6. Увеличение аэродинамического качества самолета
- •21.7. Уменьшение расхода топлива
- •Заключение
1.1. Техническое задание на проектирование
Формирование целей, для достижения которых используется ЛА, обоснование необходимости новой разработки требует анализа и предсказания изменений во внешней среде – естественной, т. е. в природе, и искусственной, т. е. созданной руками человека, – и последствий (экологических, политических, технических), к которым приведет разработка проекта, производство ЛА и его функционирование. Эта работа ведется совместно организациями заказчикаиразработчика (например, в гражданской авиации – авиакомпанией, которая намерена эксплуатировать новый самолет, и ГосНИИГА – Государственным научно- исследовательским институтом гражданской авиации (заказчик) совместно с ОКБ (разработчик)). В результате этой работы (иногда ее называют«внешним» проектированием) определяются потребныелетно-технические характеристики(ЛТХ), технологические, эксплуатационные и другие требования к ЛА, выбираются критерии (показатели) эффективности выполнения ЛА поставленной задачи и формируетсятехническое задание(ТЗ) на проект ЛА. Рассматривая в самом общем виде задачу, решаемую с помощью ЛА, как транспортную операцию, ТЗ на проектирование ЛА можно представить следующим образом. Необходимо спроектировать ЛА, который способен заданную полезную нагрузкуПНв определенных условиях комфорта и обслуживанияKпри заданных условиях эксплуатации и примененияУдоставить за определенное времяТна определенное расстояниеLс заданными критериями (показателями) эффективностиКЭвыполняемой транспортной операции.
1.2. Сложные (большие) системы, их свойства .
Очевидно, что такую общую формулировку задания на проектирование можно отнести к различным ЛА, в том числе и к самым современным самолетам, и к самолетам, созданным на заре развития авиации. Очевидно и то, что современные самолеты существенно отличаются не только от самых первых самолетов, но и от самолетов десяти-, двадцатилетней давности. Изменились не только внешний облик и размеры самолетов, что весьма важно. Изменились силовая установка, система управления, электрооборудование и другие системы самолета. На борту появились принципиально новые системы, например бортовая ЭВМ, система автоматического пилотирования и т. д. Изменились и конструкция самолета, и технология его изготовления. Усложнение решаемых задач и, как следствие, увеличение сложности и стоимости проектирования, изготовления и эксплуатации ЛА, насыщенность разнообразными сложными системами и оборудованием, широкое применение новых материалов, конструктивно-технологических решений, высокая трудоемкость изготовления, увеличение времени полного цикла создания – эти тенденции характерны для всех типов ЛА. И хотя цель проектирования – создание проекта ЛА – осталась неизменной, изменился подход к проектированию, его методология. Разработка (синтез) проекта ведется в настоящее время методом моделирования. Разрабатывается ряд частных моделей (логических, физических, математических, графических и др.), которые описывают (отражают) отдельные свойства ЛА (функциональные, аэродинамические, прочностные, весовые и др.). Достаточно большое количество таких взаимосвязанных и взаимозависимых моделей может весьма точно описать ЛА, отразить всю совокупность его свойств. Одним из частных, но прогрессивных подходов к описанию свойств объекта является системный подход, когда объект исследования описывают как систему, описывают его системные свойства. Система (греч. – целое, составленное из частей, соединение) или системный объект – это обладающий определенной завершенностью, целостностью объект (например, самолет), состоящий из взаимосвязанных элементов, отличающийся от окружающей его внешней среды и взаимодействующий с ней (взлетает и садится на взлетно-посадочную полосу аэродрома – взаимодействие с искусственной внешней средой, совершает полет в атмосфере – взаимодействие с естественной внешней средой). Системный объект в наиболее общем виде обладает следующими свойствами. 1. Объект создается ради определенной цели и в процессе достижения этой цели функционирует и развивается (изменяется). Так, для нового пассажирского самолета целью разработки и постройки может являться более комфортабельная, безопасная и экономически выгодная (по сравнению с существующими самолетами) перевозка пассажиров, в процессе функционирования (эксплуатации, например, в течение 60000 летных часов за 20 лет полетов) самолет устаревает, ремонтируется, оснащается новым оборудованием и системами. 2. В составе системного объекта имеется источник энергии и материалов для его функционирования и развития. Двигатели и запас топлива на борту самолета обеспечивают возможность полета, наземные службы, например аэродромные службы, проводят наземное обслуживание и подготавливают самолет к полету, система управления воздушным движением обеспечивает навигацию, ремонтные службы обеспечивают ремонт и оснащение самолета новым оборудованием и системами. 3. Системный объект – управляемая система. Для управления системным объектом используется информация о его собственном состоянии и о состоянии внешней среды и моделируется поведение объекта во внешней среде. В процессе полета летчик (или автоматическая система управления) изменяет траекторию движения самолета на основании информации о положении самолета в пространстве, о работе всех бортовых систем самолета и в соответствии с указаниями службы управления воздушным движением. 4. Объект состоит из взаимосвязанных компонентов, выполняющих определенные функции в его составе. 5. Свойства системного объекта не исчерпываются суммой свойств его компонентов. Все компоненты ЛА при их совместном функционировании обеспечивают новое свойство, которым не обладает в отдельности каждый из компонентов, – возможность управляемого полета. Системный подход предполагает, что компоненты ЛА также могут рассматриваться как системы. С другой стороны, сам ЛА является компонентом системы более высокого уровня. Например, пассажирский самолет является компонентом транспортной системы страны, включающей в себя авиационный, железнодорожный и другие виды транспорта. Так определяется иерархия (от греч. hieros – священный и – власть) систем, т. е. расположение частей или элементов целого в порядке от высшего к низшему («пирамида» систем). Проект ЛА объединяет, таким образом, частные, взаимоувязанные, взаимообусловленные модели. Он отражает большое число параметров и связей между ними, весьма сложных для формализованного описания (т. е. описания с помощью последовательности взаимосвязанных формул). В этом смысле о проекте ЛА можно говорить как о большой, сложной модели, которая отражает все свойства будущего реального ЛА и, как правило, представляет собой ряд зависимостей между целями проектирования, возможными средствами их достижения, окружающей средой и ресурсами. Средства достижения целей проектирования – это возможные варианты проектных решений (альтернативы – от франц. alternative, от лат. alter – один из двух). Для выбора из ряда альтернативных вариантов некоторого проектного решения определяют критерий выбора – некоторый показатель, обобщенно характеризующий степень достижения поставленной цели тем или иным вариантом проекта. В качестве такого обобщенного критерия для выбора рационального варианта и для оптимизации его параметров обычно используют показатель «эффективность-стоимость», отражающий соотношение между эффективностью решения поставленной задачи и суммарными затратами на ее решение (стоимостью данного варианта). При этом задача может быть сформулирована двояко: 1. Обеспечить максимальную эффективность системы при заданных затратах. 2. Обеспечить минимальную стоимость системы при заданном уровне эффективности. Таким образом, на всех стадиях проектирования, изготовления и эксплуатации ЛА можно рассматривать как систему, как совокупность взаимосвязанных управляемых компонентов (подсистем), объединенных общей целью функционирования для решения заданной проблемы в некотором диапазоне условий. Именно с этих позиций мы должны рассматривать летательные аппараты и отдельные их компоненты. Поскольку всякая система взаимодействует с внешней средой, то любые изменения внешней среды влияют на систему и в то же время свойства внешней среды изменяются в результате работы системы. Внешняя среда (естественная и искусственная), в которой существует и функционирует ЛА, является динамической системой (ее параметры изменяются во времени). Следовательно, проектируя ЛА на достаточно длительный период эксплуатации, мы должны не только учитывать сегодняшнее состояние внешней среды, но и уметь прогнозировать ее изменения. Прогноз должен учитывать изменения внешней среды, вызванные функционированием создаваемого ЛА и других систем, не только в техническом, но и в экологическом, социально-политическом и других аспектах. Поскольку всякая система состоит из взаимосвязанных компонентов и представляет собой определенную целостность, то изменение параметров любого из компонентов системы вызывает изменение работы системы и ее выходных параметров. Следовательно, при проектировании ЛА мы должны предусмотреть возможные отказы (нарушения работоспособности) систем и агрегатов ЛА и обеспечить либо возможность передачи функций отказавшей системы или агрегата другой системе или агрегату ЛА, либо резервирование (от лат. reservo – сберегаю, сохраняю) систем и агрегатов. Простейшим видом резервирования является дублирование (от франц. doubler – удваивать), при котором наряду с основной системой имеется еще одна (резервная), которая включается в работу при отказе основной системы. Однако наши прогнозы на будущее не являются абсолютно точными. Поэтому при проектировании необходимо предусмотреть возможность различных модификаций (от позднелат. modifico – видоизменяю, меняю форму), т. е. принципиальных изменений систем и ЛА в целом, если происходят непредусмотренные изменения внешней среды. Поскольку существует иерархия систем, при проектировании мы должны рассматривать ЛА как часть системы высшего уровня (авиационного или ракетно-космического комплекса) и выбирать параметры ЛА так, чтобы они обеспечивали оптимальное функционирование комплекса (системы высшего уровня). Таким образом, критерием оценки системы должен являться ее показатель, обеспечивающий оптимальность вышестоящей системы. Можно считать, таким образом, что проектирование с системных позиций (системное проектирование) – это проектирование части целого как элемента целого.