Эволюция методов проектирования самолетов
При проектировании можно базироваться на двух принципах: эволюционные изменения и создание нового. В первом случае изделие совершенствуется в течение определенного времени путем внесения незначительных улучшений. При этом риск допустить крупные ошибки невелик. Бурный рост научных и технических открытий, весь ход общественного развития выдвинули на первый план задачу создания изделий, базирующихся на новых технических решениях. Такой путь проектирования сопряжен с большей степенью риска. На практике, в соответствии с диалектикой проектирования, эволюционные изменения и появление нового происходят одновременно, т.е. конструктор одновременно создает новое и осуществляет эволюционные изменения. Для реализации такого подхода к проектированию самолетов потребовался определенный этап развития авиации, этап накопления опыта и фактов, обобщения их в систему знаний – науку о проектировании нового вида техники.
Этот период характеризовался становлением методологии проектирования самолетов. Под методологией проектирования понимается совокупность принципов и методов, а также математический аппарат, с помощью которого решаются проектно-конструкторские задачи. Рассмотрим, как развивались методы проектирования, на примере решения задачи о выборе проектных параметров, определяющих форму и размеры самолета.
В основе проектирования первых самолетов лежал метод копирования (метод подобия), базирующийся в основном на законах подобия. Не имея опыта проектирования, не зная законов аэродинамического полета, конструкторы создавали самолеты, копируя очертания птиц, летучих мышей и других летающих существ. Были разработаны бесчисленные проекты летательных аппаратов тяжелее воздуха.
В 20-х годах нашего века, когда уже был накоплен значительный опыт разработки и постройки первых самолетов и планеров, когда авиационные науки (в основном бурно развивающаяся аэродинамика) позволяли установить основные связи между формой, размерами самолета и его летными характеристиками, метод копирования был вытеснен так называемым статистическим методом. В его основе уже лежит определенный научный подход, основанный на обработке прошлого опыта, установлении эмпирических закономерностей, отражающих объективные законы проектирования. При этом методе параметры нового самолета определяются на основе экстраполяции статистически обработанных данных по ранее созданным самолетам аналогичного назначения (самолетам-прототипам). Этот метод базируется на предположении о непрерывном, плавном изменении во времени параметров и характеристик самолетов определенного типа. Однако экстраполяция параметров и характеристик при длительном сроке создания современного самолета (6 ... 10 лет) в условиях научно-технической революции может привести к существенным, принципиальным ошибкам. Недостаток такого метода проектирования заключается и в том, что он не позволяет учитывать все многообразие связей между параметрами и характеристиками самолета, а следовательно, определять пути изменения данных прототипов. Естественно поэтому, что использование этого метода оправдано лишь при применении эволюционного принципа проектирования. Когда проектируется принципиально новый самолет, возможности этого метода ограничены. Вместе с тем опыт авиастроения свидетельствует, что только очень немногие проекты могут быть признаны совершенно новыми, и даже при их разработке значительное число технических решений принимается на основе прошлого опыта. По этой причине статистический метод в целом либо в отдельных его частях по-прежнему находится на вооружении проектировщиков, трансформировавшись в так называемый метод проектирования от прототипа.
Дальнейшее развитие методов расчета весовых, аэродинамических характеристик, расчетов устойчивости и управляемости, показателей эффективности самолета поставили на реальную основу развитие аналитических методов определения его основных проектных параметров. Эти методы базируются на совместном решении системы уравнений, учитывающих важнейшие связи между параметрами и характеристиками самолета с учетом различного рода ограничений. В результате такого решения ищется допустимый (в смысле удовлетворения уравнениям существования самолета) вариант проекта. Применение аналитических методов открыло широкую возможность для проведения параметрических исследований по определению влияния изменения проектных параметров и ограничений на технико-экономические характеристики самолета. Отсюда оставался один шаг до решения задач по отысканию наивыгоднейших (оптимальных) параметров самолета, удовлетворяющих выбранному критерию оценки совершенства проектных решений. Это дало толчок к развитию так называемых методов оптимального проектирования самолетов. Первой отечественной работой, посвященной оптимизации параметров самолета, является работа советского инженера Η.Η. Фадеева «Изыскание рациональных размеров самолета» (Труды ЦАГИ, вып. 461, 1939). Практическая реализация методов оптимального проектирования длительное время затруднялась чисто вычислительными трудностями, особенно при решении многопараметрических задач. Применение последовательной оптимизации по отдельным параметрам не давало ощутимых результатов.
Примерно к середине 60-х годов сложились объективные предпосылки для дальнейшего развития теории проектирования самолета. Важнейшие из них:
– развитие общей теории сложных технических систем (системотехники);
– развитие прикладных авиационных наук, раскрывающих сущность явлений, определяющих законы формирования самолета и его подсистем;
– успехи в области математики, в первую очередь теории оптимизации и численных методов;
– появление ЭВМ.
По мере накопления опыта решения различных задач оптимизации отдельных элементов самолета, все более широкого использования ЭВМ при решении таких задач постепенно увеличивалось число параметров, вовлекаемых в процесс одновременной оптимизации. Совершенствовались критерии оценки проектно-конструкторских решений в направлении учета многоцелевого характера применения самолета и динамики изменения требований к нему за период эксплуатации.
Наряду с этим развивалась общая теория проектирования больших систем, на базе которой практика и теория проектирования самолетов постепенно обретают логическую завершенность, обеспечивая подлинно научный подход к прогнозированию параметров и характеристик будущего самолета. Идеи системного проектирования интуитивно использовались при проектировании самолетов и ранее. Они нашли отражение в расчленении процесса проектирования на этапы, а самолета – на подсистемы и агрегаты. Системное проектирование базируется на строго упорядоченном комплексном подходе, учитывающем сложные связи и взаимное влияние между элементами системы. Включая в себя как составную часть метод оптимального проектирования, оно отличается от широко распространенных процедур оптимизации отдельных устройств и характеристик систем применением системных, в частности комплексных (обобщенных), критериев оптимальности, использованием математических моделей, описывающих существенные черты системы в целом, математическим аппаратом оптимизации, широким применением ЭВМ.