'Вопросы к интервью
28 января 2020
Z Интервью Все выпуски

Пифагоровы штаны: Какие задачи помогут решить виртуальные тестовые полигоны в авиастроении?


Время выхода в эфир: 28 января 2020, 12:06

А. Петровская Добрый день. У микрофона Александра Петровская, это программа «Пифагоровы штаны». Напротив меня – Пётр Гаврилов, начальник отдела кросс-отраслевых технологий Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого. Пётр, здравствуйте.

П. Гаврилов Здравствуйте.

А. Петровская Будем с вами говорить о цифровых двойниках и, конкретно, о применении этой технологии для строительства самолётов, обеспечения их безопасности и так далее. О виртуальном полигоне, которым вы занимаетесь, тоже поговорим. Начнём с того, что такое «цифровой двойник»: это некий виртуальный образ любого объекта – стола, стула, самолёта и чего угодно, который создан на экране компьютера, в памяти этой машины. И настолько досконально мы знаем параметры этого стола, стула и так далее, что можем буквально его протестировать на прочность, устойчивость и другие параметры, как если бы это был настоящий стол, стул, на который мы могли бы сесть, встать и так далее. Так это работает?

П. Гаврилов Приблизительно так, да. Кратко пробежимся по терминологии и откуда она пошла. Сейчас термин «цифровой двойник» и технология цифровых двойников – это общемировой тренд. Все этим занимаются, и все хотят, потому что вычислительные мощности стали нам позволять это делать. В принципе, это единственное логически верное продолжение всего научно-технического прогресса, накопленного человечеством. Если у вас есть какой-нибудь объект, вы разрабатываете что бы то ни было – пусть это будет стул, к вам рынок предъявляет требования какие-то по его стоимости, например, и когда он должен появиться на рынке, по его эргономике, которая в конечном счёте тоже может быть описана какими-то количественными характеристиками.

А. Петровская Дизайн.

П. Гаврилов Дизайн – субъективно, но тоже может быть. Это оцифровано, наверное, в урезанном виде всё-таки. К художественным произведениям в меньшей степени относится данный подход. И у вас есть ограничения чисто эксплуатационные: это, например, прочность, устойчивость этого стула. То, что у него 4 ножки – это необязательно, это следствие того, что он должен быть устойчивый, а наиболее устойчива конструкция, когда у неё именно 4 ножки.

Эти требования вы можете низвести до уровня каждой детальки и каждого болтика этого стула. Если на верхнем уровне ваши требования выглядят так, что сидящий не должен падать, то на уровне болтика это выглядит так, что перерезывающая сила в этом болте не должна превосходить, не знаю, 100 кг силы. Тогда логически можно расширить эту матрицу и сказать, что «вот сколько у нас деталей есть – множим на 4-5, и получаем примерную размерность этой матрицы цели и ограничений». Если это стул, в котором 30 деталей, то это немного. В принципе, один человек может держать в голове все эти параметры. Но если это самолёт, то это даже теоретически невозможно.

А. Петровская Ну и плюс я понимаю, что цель всё равно определяется временем. Даже для стула, который реально просчитать команде конструкторов – это займёт больше времени, нежели займёт у машины.

П. Гаврилов Конечно. Но вы должны знать, какими методами вы действуете. То, что ответственная техника, в частности, самолёты, проходит сертификационные испытания – это необходимость, которая, как и все авиационные правила, написана в том числе кровью. От этого никуда не денешься. В каждом виртуальном испытании мы закрываем какую-то часть этой здоровенной огромной… Многие десятки тысяч параметров мы закрываем отдельными виртуальными испытаниями.

Мы можем снизить количество нужных инженерных испытаний, но сертификационные пока что – по крайней мере, на горизонте ближайших 10 лет – останутся. Они необходимы, всегда существует вероятность ошибки по человеческому фактору. Так что об отмене натурных средств пока что речи не идёт, речь идёт о сокращении их количества. А это напрямую влияет на стоимость, потому что они жутко дорогие.

А. Петровская На стоимость конечного продукта – то есть, самолёта?

П. Гаврилов Да.

А. Петровская Что касается того полигона, на котором вы занимаетесь, который был вами разработан: это виртуальный испытательный полигон, у него даже есть название – «Крыло». Это рабочая модель? Поскольку мы говорим о том, что вы – сотрудник университета, то в первую очередь приходит на ум, что это всё – некие теоретические разработки, что вот так бы могло быть. Или это реальная рабочая модель, которая уже может применяться при строительстве самолётов?

П. Гаврилов Мы являемся подразделением университета, которое в том числе выполняет коммерческие договора. Данный виртуальный испытательный полигон – это совокупность тех знаний и навыков, которые мы приобрели в ходе выполнения реальных научно-исследовательских, опытно-конструкторских работ по заказу предприятий, как отечественных, так и зарубежных.

Мы взяли весь наш опыт, все регламенты: как разрабатывать математические модели тех или иных агрегатов самолёта, как ставить задачу. Отвалидировали, проверили точность некоторых моделей. В результате чего мы получили понимание, что весь этот наш опыт должен быть формализован. А формализован он может быть именно в виде виртуального полигона, где теперь мы можем на те виды испытаний, которые мы уже проводили, просто новый объект взять – другой самолёт, грубо говоря – и провести все те же самые виды испытаний, уже зная, что наши методики верны.

А. Петровская То есть, методики, закреплённые универсальной константой. Что касается вводных данных, они изменяются как раз: вы вводите разные данные и получаете правильный ответ, поскольку понимаете, что верна методика.

П. Гаврилов Да.

А. Петровская Хорошо. Давайте ещё вернёмся всё-таки к сравнению различных форм – то есть, виртуальных испытаний и натурных, которые пока всё равно будут присутствовать. Вы сказали о том, что это дешевле, мы с вами проговорили про экономический фактор.

П. Гаврилов Да, конечно.

А. Петровская А что касается — надёжнее, безопаснее и – вот я ещё один фактор упомянула, вы со мной согласились – быстрее?

П. Гаврилов Конечно, гораздо быстрее. Касательно стоимости – само собой. По сути, это только стоимость некоторой энергии и небольшого количества трудочасов инженеров, которые будут адаптировать существующую модель под требования этого виртуального стенда, потому что он, как и настоящий стенд, предъявляет программу и методику испытаний. Вы должны ей соответствовать, значит, у вас математическая модель должна быть разработана строго определённым образом. Только тогда мы верим этой методике.

А. Петровская Что касается точности и безопасности: ещё факторы, которые в сравнительном нашем анализе могут играть роль?

П. Гаврилов Вот точность значительно превосходит натурные тесты, потому что натурные тесты ограничены средствами измерений, и вы можете мерить хоть какие-то параметры только в тех зонах, которые вам, собственно, доступны непосредственно. В виртуальных же испытаниях, так как это – математическая модель, допустим, вы бьёте птицей в кабину самолёта. Вы можете остановить…

А. Петровская Я сейчас пометку, простите, сделаю, потому что мне и, возможно, нашим слушателям первое, что приходит в голову – это попадание птицы в двигатель. Оказалось – меня просветил Пётр, уважаемые слушатели – что попасть птица может куда угодно, и это тоже может быть вполне опасным для воздушного судна.

П. Гаврилов Да. Там требование, в общем-то, одно – что самолёт должен безопасно сесть после попадания птицы. Последствия разные: если птица попала в двигатель, то у двигателя может, например, оборваться лопатка, лопатка может пробить топливный бак, и тогда всё очень плохо. Если птица попадает в хвостовое оперение, например, то самолёт может потерять устойчивость. Поэтому птицами бьют во многие места самолёта.

А. Петровская Это было короткое отступление, я вас отвлекла от размышлений в отношении точности и безопасности. Вы сказали о способах измерения в натурных испытаниях, говоря о точности.

П. Гаврилов Да. Так вот. Если вы проводите виртуальные испытания на птицестойкость, весь процесс занимает 100 миллисекунд, например – до момента, пока птица не превратится в набор капелек.

А. Петровская Виртуальная птица.

П. Гаврилов Да, виртуальная. Кстати, сейчас почти везде уже натурно бьют не птицами, а желатиновыми аналогами, и это более достоверно, потому что желатиновые ударники одинаковые, а птица – какую вы на рынке купили, она будет всякий раз разная. Так вот, в процессе таких виртуальных испытаний вы можете на 10-й миллисекунде остановить время и посмотреть: а какие у вас действующие напряжения в заклёпке №5861, понимаете? Вы можете рассматривать каждый кубический миллиметр конструкции на каждой миллисекунде этого процесса. А когда у вас натурные испытания, вы зависите от скорости вашей высокоскоростной камеры, от частоты считывания показаний датчиков. Во многих местах вы просто физически не можете поставить датчики. В виртуальных испытаниях у вас датчики просто везде.

А. Петровская Что касается ещё аналогии, которую можно провести, как раз тоже связанной с авиацией: есть же тренажёры, на которых учатся пилоты. Тренажёр, казалось бы, должен быть куда более эффективен в подготовке пилота, чем налёт, часы и так далее. Но в реальности-то это работает не так.

П. Гаврилов Немного параллельная тема, но в данном случае я бы сказал, что вы говорите о виртуальном испытательном полигоне для систем управления. Такие симуляторы существуют уже, они не общеприменимы, но основаны они на совершенно другом принципе, нежели существующие. В существующем симуляторе у вас есть заранее заложенная какая-то передаточная функция: что происходит при повороте какого-то рычага. А мы говорим о том, что существуют достаточно лёгкие не ресурсоёмкие методики вычислений, которым предшествуют очень ресурсоёмкие, когда вы не предсказываете, что станет, а в реальном времени смотрите, что происходит при повороте этой ручки. У вас аэродинамические давления меняются на всех поверхностях. И такие real-time симуляторы – это завтрашний день.

А. Петровская Мы с вами говорили о плюсах виртуальных испытаний, виртуальных полигонов для различных объектов. Если попытаться всё-таки в этом сравнительном анализе с естественными условиями найти какие-то минусы?

П. Гаврилов На этапе разработки – как для натурных испытаний есть программа и методика испытаний, так и для виртуальных то же самое. Только там описано другое: там описано, как должна выглядеть математическая модель. Вот это самый ответственный этап и есть. Сейчас мы разработали виртуальные стенды, суть те самые методики, для некоторых типов анализа, не для всех ещё, и нам предстоит продолжение этой работы. Это и есть самая большая опасность: что если мы допустили ошибку, то на виртуальных испытаниях, например, всё хорошо, а на натурных сертификационных уже нет. Так что вот только такой может быть минус. Ещё большая ответственность.

А. Петровская Будущее всё-таки за полной виртуализацией всего, в том числе и испытательных технологий.

П. Гаврилов Да, будущее за этим.

А. Петровская На будущем мы сегодня заканчиваем. Пётр Гаврилов, начальник отдела кросс-отраслевых технологий Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого был у нас в гостях. Спасибо, Пётр.

П. Гаврилов Спасибо. Всего доброго.



Загрузка комментариев...

Самое обсуждаемое

Популярное за неделю

Сегодня в эфире