3125 прочтений

Виртуальный аэродинамический полигон для тестирования беспилотных летательных аппаратов

Комплекс НИОКР «Виртуальный аэродинамический полигон для тестирования беспилотных летательных аппаратов» – совместный проект Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого» (СПбПУ), Инжинирингового центра «Центр компьютерного инжиниринга» / Института передовых производственных технологий (ИППТ) СПбПУ и ООО «ЛВМ-Инжиниринг».

Основная цель проекта – создание виртуального испытательного полигона (ВИП) для аэродинамического тестирования цифровых прототипов беспилотных летательных аппаратов в широких диапазонах реалистичных условий окружающей среды и сценариев полета. ВИП предназначен для моделирования аэродинамических воздействий на проектируемые летательные аппараты и позволяет сокращать на 90% количество натурных испытаний за счет использования валидированных расчетных случаев.

Результаты проекта призваны обеспечить сокращение временного разрыва между разработкой и постановкой на производство беспилотных воздушных судов (БВС), что вносит вклад в реализацию дорожной карты «Аэронет» НТИ. Также проект соответствует целевым показателям ДК «Технет» (передовые производственные технологии) НТИ:

  • доля России на мировых рынках «Фабрик Будущего» в сегменте инжиниринга и конструирования;
  • объем экспорта продукции, полученной с использованием передовых производственных технологий;
  • число Фабрик Будущего, созданных по направлению «Технет» НТИ.

Проект поддержан Фондом содействия инновациям с объемом финансирования 20 млн рублей (конкурс «Развитие НТИ», заявка НТИ-33517), при этом размер собственного финансирования ООО «ЛВМ-Инжиниринг» составил 6 млн рублей.

Содержание проекта

Виртуальный аэродинамический испытательный полигон предназначен для детального моделирования аэродинамики беспилотных воздушных судов (БВС) с целью их совершенствования. Под виртуальным испытательным полигоном понимается автоматизированная система компьютерного моделирования, включающая в себя наборы валидированных расчетных случаев, соответствующих типовым испытаниям или условиям эксплуатации соответствующей продукции. ВИП предоставляет малым и средним инновационным компаниям оптимальные решения для конструкции и систем управления БВС с учетом максимального числа параметров без необходимости непосредственного привлечения дорогостоящих специалистов и материальных ресурсов (испытания в аэродинамических трубах, изготовление прототипов изделий).

 

БВС применяются сегодня во все большем количестве для нужд сельского хозяйства, перевозок, мониторинга, обеспечения безопасности. Причем в зависимости от задач и особенностей эксплуатации разработчикам необходимо совершенствовать существующие или создавать новые БВС и их системы управления под многообразные требования, что при традиционном подходе предполагает создание дорогостоящих прототипов, проведение многочисленных стендовых испытаний, привлечение больших вычислительных мощностей.

Услуги с использованием ВИП в отличие от традиционных подходов позволяют:

  • Значительно сократить количество натурных испытаний при сохранении высокой точности моделирования. Эффект достигается за счет использования методологии виртуальных испытательных полигонов и набора валидированных расчетных случаев, выбранных специально для задач проектирования БВС.
  • Сократить количество прототипов и доработок при создании новых продуктов за счет возможности точной оценки отклонений эксплуатационных характеристик изделий при кастомизации конструкции и системы управления БВС.
  • Снизить стоимость разработки новых продуктов. Выполнение расчетов в парадигме виртуальных испытательных полигонов позволяет эффективно прогнозировать ресурсоемкость моделирования и, таким образом, снижать стоимость разработки не только за счет сокращения цикла проектирования, но и за счет рационального использования вычислительных ресурсов.
  • Использовать возможности по моделированию типовых условий эксплуатации БВС (посадка на раскачивающуюся поверхность, ветер, осадки и пр.). Типовые расчетные случаи входят в состав ВАИП, перечень может расширяться по запросам заказчиков.посадочных площадок (в том числе внеаэродромного базирования) учитывающих рельеф, угол наклона усредненной поверхности, качание и пр.;модели навесного оборудования (видеокамеры, микрофоны, приборы ночного видения, различные датчики и пр.);модели перевозимых грузов;модели пассажиров.

ВИП, таким образом, является не только полноценным цифровым двойником (Digital Twin) традиционных аэродинамических испытательных лабораторий, но и средством моделирования типовых ситуаций непосредственно применения разрабатываемой техники. Использование аналогичных виртуальных полигонов должно в перспективе стать неотъемлемой частью цифрового жизненного цикла изделия.

Предлагаемый полигон моделирует аэродинамические процессы прямым решением уравнений аэродинамики с учетом всех особенностей протекающих процессов. В сочетании с использованием высокопроизводительных вычислительных кластеров такой подход позволяет получить необходимые данные существенно быстрее, а также он более гибок к спектру решаемых задач, нежели проведение дорогостоящих стендовых испытаний прототипов БВС. В результате использования ВИП заказчик получает облако откликов конструкции БВС на изменения параметров, что соответствует большому числу циклов «изменение – прототип – тестирование».

ВИП включает цифровые модели:

  • посадочных площадок (в том числе внеаэродромного базирования) учитывающих рельеф, угол наклона усредненной поверхности, качание и пр.;
  • модели навесного оборудования (видеокамеры, микрофоны, приборы ночного видения, различные датчики и пр.);
  • модели перевозимых грузов;
  • модели пассажиров.

ВИП дает возможность моделирования различных климатических условий (например, порывы ветра), максимально приближенных к реальным. В составе ВИП – комплекс программного обеспечения для предсказательного моделирования аварийных ситуаций и модернизации конструкций с целью обеспечения безопасности, маневренности и устойчивости к внешним воздействиям.

Средства разрабатываемого виртуального полигона позволяют автоматизировать не только постановку задачи на расчет, но и полный цикл от загрузки геометрии БВС до получения результатов численных расчетов. Реализуется возможность автоматизированной генерации расчетной области на базе вычисленных размеров испытываемой модели БВС и начальных и граничных условий.

Круговая продувка БВС выполняется полностью автоматически, без участия инженера, также в автоматическом режиме возможна обработка результатов расчетов на основании выбранных пользователем целей численного моделирования.

Для численного моделирования используются современные вычислительные пакеты мирового уровня для решения задач аэродинамики. Модели ВИП валидируются с помощью проведения стендовых испытаний на аэродинамической трубе АТ-11.

Основным преимуществом разрабатываемого продукта является его способность с высокой точностью решать практические задачи аэродинамики и управления специально для разработки БЛА без необходимости привлечения высокоспециализированных и дорогостоящих материальных ресурсов (аэродинамические трубы, прототипы изделий, суперкомпьютеры и специализированное ПО) и специалистов.

 

ВИП

Упрощенные физ. модели из комп. игр (PhysX SDK, RealFlight Simulaor и др.)

Программные комплексы для симулирования работы виртуальных роботов (Gazebo, Robot Operating system и др.)

Программные комплексы для расчетов аэродинамики (HyperWorks Virtual Wind Tunnel и др.)

Стендовые испытания

Точное решение задач аэродинамики

+

+/-

-

+

+

Вариативность и сложность моделируемой ситуации

+

+/-

+

+

+

Гибкость параметров (учет специфики конкретного БЛА)

+

+/-

-

+/-

+

Соответствие требованиям сертификации

+

-

-

+

+

Возможность вычисления «облака решений»

(вычислительные мощности)

+

+

-

+

-

Валидация по данным реального тестирования на аэродинамической трубе

+

-

-

+

+

Сопровождение инженерным специалистом

+

-

-

-

+

Доступность для малых компаний

+

+

+

-

-

 

Проект реализуется в 4 последовательных этапа. Срок окончания проекта – конец 2019 года.

1 этап

  • Разработка архитектуры виртуального испытательного полигона (ВИП).
  • Сканирование беспилотного воздушного судна (БВС) и построение 3D-CAD-моделей, считывание данных системы управления.
  • Проведение стендовых испытаний БВС в аэродинамической трубе. Обработка экспериментальных данных.
  • Разработка и настройка цифровых расчетных моделей БВС на основе данных стендовых испытаний.
  • Исследование аэродинамических характеристик БВС при помощи численного моделирования стендовых испытаний в аэродинамической трубе. Обработка данных виртуальных испытаний.

2 этап (к 09.2018)

  • Разработка прототипа ВИП, включающего цифровые расчетные модели БВС, цифровые расчетные модели взлетно-посадочных площадок, модели транспортируемых грузов.
  • Проведение валидации с целью дальнейшей настройки моделей на основе данных, полученных с помощью стендовых испытаний.
  • Исследование аэродинамических характеристик валидированных моделей БВС при помощи виртуальных испытаний, имитирующих маневры БВС, на базе настроенных моделей в стационарной постановке.

3 этап (к 02.2019)

  • Разработка и настройка моделей для проведения виртуальных испытаний в нестационарной постановке для режимов полета.
  • Разработка альбома виртуальных испытаний в среде ВИП.
  • Внесение изменений и создание рабочей версии ВИП на основании результатов моделирования и валидации.

4 этап (к 09.2019)

  • Демонстрация результатов тестирования в виртуальном испытательном полигоне. Доработка ВИП. Разработка методик создания расчетных моделей в среде ВИП, зависящих от типа БВС и режима работы.
  • Разработка необходимых требований и регламентов для ВИП.
  • Разработка инструкции пользователя и обучающих материалов.

Ход выполнения первого этапа работ

Для исполнения НИОКР были заключены договоры на поставку ряда товаров и услуг: закуплены два типа БВС – самолет VolJet x5 и коптер DJI Mavic Pro, дополнительное измерительное оборудование; определены подрядчики на исследование аэродинамических характеристик БВС при помощи численного моделирования стендовых испытаний в аэродинамической трубе, проведение стендовых испытаний БВС в аэродинамической трубе, изготовление и поставка оснастки и спецоборудования, разработку программного модуля и пользовательского интерфейса ВИП.

Коптер DJI Mavic Pro

Самолет VolJet X5

Выполнено проектирование и производство специального оборудования для аэродинамических испытаний: державка и втулка для установки БВС на тензовесах, опоры для фиксации БВС и установки углов атаки, 3D-печать модели крыла БВС самолетного типа.

Следующим шагом стало сканирование БВС, построение и настройка математических моделей и проведение виртуальных испытания БВС.

Для оценки аэродинамических характеристик БПЛА при различных углах полета необходимо задать требуемые углы атаки, крена и скольжение, далее ВИП в автономном режиме производит генерацию расчетной сетки высокого качества и запуск задачи на расчет для каждого заданного случая в программном пакете OpenFoam.

Характерные углы атаки БВС

ВИП позволяет производить автоматизированную обработку результатов данных. По требованию пользователя могут быть выведены только аэродинамические коэффициенты или в графическом виде представлены распределения давлений по поверхности БВС, поле скоростей вблизи исследуемого объекта, линии тока и т.д.

Результаты виртуальных испытаний; распределение давления по поверхности БВС и линии тока

Следующей задачей стало проведение натурных испытаний обоих БВС в аэродинамической трубе, сбор и анализ результатов: коэффициентов аэродинамических сил и моментов, влияния на них близости земли при различных углах атаки и других.

Полученные по результатам испытаний коэффициенты аэродинамических сил и моментов

Результаты исследования влияний близости земли на значения коэффициентов аэродинамического качества при различных углах атаки БВС

Полученные по результатам испытаний коэффициенты аэродинамических сил и моментов

Зависимость частоты вращения пропеллеров БВС при полете на различных высотах вблизи земли при различных углах скольжения

Далее был разработан прототип пользовательского интерфейса виртуального полигона, позволяющий осуществлять настройку запуска задачи на расчет.

Завершающим шагом первого этапа НИОКР после проведения натурных и виртуальных испытаний стал анализ результатов обоих типов испытаний по каждому БВС и валидация расчетных моделей.

Результаты натурных испытаний (дымовая визуализация поверхности крыла самолета при U=1м/с)
12° 16° 20°
Результаты виртуальных испытаний
12° 16° 20°

Результаты натурных испытаний

Результаты расчетов в среде ВИП

 

Ход выполнения второго этапа работ

В рамках второго этапа реализации проекта была проведена работа по исследованию маневров БВС, разработан и внедрен в прототип ВИП каталог моделей грузов и моделей БПЛА, исследованы принципиальные типы посадки БПЛА, разработаны программа и методика нестационарных испытаний, требования к нестационарным испытаниям и инструкции пользователю. Начаты виртуальные испытания в ВИП в нестационарной постановке.

Маневры

Ниже приведено поле давления для БПЛА самолетного типа при выполнении маневра «поворот». БЛА направлен боком к потоку, под углом 90 градусов, угол атаки в таком положении составляет 45 градусов (положение БПЛА в момент времени, соответствующий середине маневра). Показаны поля скорости для сечений вдоль поверхности БПЛА в описанный момент времени.

Для маневра «пикирование» была рассчитана максимальная скорость свободного падения БПЛА самолетного типа. Максимальная скорость достигается при равновесии сил тяжести и сил аэродинамического сопротивления, действующих на падающее тело. Для исследуемого БПЛА самолетного типа значение максимальной скорости падения получилось равным 28 м/с.

Исследованы типы посадки, определены их достоинства и недостатки, сводная таблица приведена ниже.

Вид посадки

Преимущества

Недостатки

Последствия

Контролируемое падение

Отсутствие необходимости установки специального оборудования

Высокая вероятность повреждения БПЛА

Необходимость предусмотреть возможное разрушение БПЛА

Самолетная посадка

Большая вероятность сохранения аппарата

Низкая автономность осуществления посадки

Необходимость наличия наземной инфраструктуры

Вертолетная посадка

– Отсутствие специальной наземной инфраструктуры

– Возможность зависания над объектом

Более сложная аэродинамическая компоновка аппарата

 

Использование парашюта

 

– Низкая точность приземления

– Вероятность повреждения

– Увеличение массы

– Необходимость обширной площадки

– Низкая оперативность повторного использования БПЛА

Улавливающее устройство

Компактность посадочного места

– Ограничение по массе БПЛА

– Необходимость высокой точности определения координат БПЛА

Необходимость разработки и установки улавливающего оборудования

Каталог грузов (база данных моделей)

Создан и добавлен в ВИП каталог грузов. Каталог включает в себя различные грузы и подвесы, используемые на БПЛА, в количестве 49 моделей, а также 10 типичных моделей БПЛА для тестирования. В интерфейсе ВИП можно выбрать модель БПЛА для расчетов и модель груза, объединение моделей автоматизировано. Все дальнейшие действия, такие как поворот модели, построение сетки и расчеты, производятся с объединенной моделью БПЛА и груза. На рисунке показан пример представления грузов в каталоге. На примере изображен крюк для улавливания БПЛА при посадке.

В процессе работы над ВИП была разработана программа и методика виртуальных испытаний, в которой описаны особенности их проведения, принципы работы ВИП, необходимые начальные данные и получаемые результаты.

Ход выполнения третьего этапа работ

В рамках третьего этапа были проведены виртуальные испытания БПЛА с действующими несущими винтами, получены картины линий тока и величины тяги винтов.

Модель самолета с винтом

Модель самолета с винтом

Винт при вращении формирует струю, направленную по оси винта. Если рассмотреть картину линий тока жидкости за винтом, можно видеть, что струя отклоняется от направления его оси в сторону действия центробежной силы. Вокруг винта образуется рециркуляционное течение в виде тора, его хорошо видно на виде сбоку и сзади. Происходит перетекание жидкости из зоны повышенного давления за винтом, в зону пониженного давления перед винтом.

Линии тока у концов лопастей винта

Линии тока у концов лопастей винта

Линии тока у концов лопастей винта

Линии тока за винтом

Линии тока за винтом

Поле давления вокруг самолета с винтом

Поле давления вокруг самолета с винтом

Поле скорости вокруг самолета с винтом

Поле скорости вокруг самолета с винтом

Тяга винта самолета

Тяга винта самолета

Отличие тяги не более 10%, падение тяги в эксперименте обусловлено снижением заряда батарей и уменьшением оборотов двигателя.

Исследовалось также приближение, при котором винт самолета представляется в виде диска с граничными условиями открытой границы или стенки с заданной скоростью. Изображение самолета с диском, заменяющим винт показано ниже.

Коэффициент лобового сопротивления

Коэффициент подъемной силы

Коэффициент лобового сопротивления

Коэффициент подъемной силы

Отличия в результатах показали, что такой способ не подходит для корректного представления винта.

Рыночные перспективы результатов проекта

Основным рынком для создаваемого виртуального полигона является рынок проектирования беспилотных летательных аппаратов. По ориентировочным данным, объем рынка исследований для разработки беспилотных воздушных судов достигает в среднем 28% объема рынка БЛА и будет составлять в России в среднесрочной перспективе 14 млрд рублей.

Лидирующее положение на рынках БЛА занимают США, страны Европейского союза и Израиль, охватывая 65%, 6% и 3% рынка соответственно. США являются крупнейшим участником рынка, при этом военный сегмент является доминирующим и составляет до 70% рынка. Для наращивания объема рынка США активно осуществляют инвестиции в исследования, разработки и перспективные проекты. Несмотря на текущую малую долю рынка, Евросоюз также проводит активные мероприятия для обеспечения его дальнейшего развития.

Среди драйверов роста на рынке БВС можно назвать следующие:

  1. Преодоление текущих барьеров, связанных с правовым обеспечением и культурой применения. Эксперты предполагают постепенный рост глобального рынка БАС вплоть до 2020 года. Ожидается, что к этому времени ключевые игроки снимут основные регуляторные и технологические ограничения, вследствие чего произойдет взрывной рост рынка, сопровождающийся массовым применением разработок в условиях созданной технологической инфраструктуры, ускоренный вывод на рынок новых продуктов и услуг, удовлетворяющих возникающие запросы потребителей. Этот период может стать определяющим для развития рынков услуг и технологий в отрасли, и те страны, которые будут достаточно конкурентоспособны, чтобы в период этого бурного роста потребления продуктов и услуг БВС захватить существенную долю международного рынка, станут мировыми лидерами и будут сохранять стабильные позиции еще долгое время.
  2. Государственная поддержка и роль ВПК. Значительная часть денежных вливаний в отрасль идет по направлению военно-промышленного комплекса. Следствием принятия такого вектора развития является в том числе последовательное целеполагание со стороны государства и возможность быстрого доступа к соответствующим передовым разработкам со всего мира.
  3. Снижение стоимости единицы продукции. По оценке BI Intelligence, при активном росте объема, выраженного через количество единиц продукции, наблюдается замедление роста объема рынка БВС в денежном выражении за счет уменьшения цены продукции.
  4. Коммерческое применение: сельское хозяйство, перевозки, мониторинг, расширение онлайн-торговли. Ожидается среднегодовой рост коммерческого сегмента в 17% в течение пяти лет. В то же время, следует отметить низкий уровень развития коммерческого применения БВС по сравнению с военным и потребительским секторами.

Даже в коммерческом сегменте (14% от всего рынка) рынок показывает значительный потенциал для роста за счет развития соответствующих рынков. В связи с этим можно ожидать дальнейшего появления большого числа компаний, заинтересованных в разработке БВС под специфические запросы, но не обладающих соответствующими компетенциями и техническими ресурсами.

Уже сейчас заинтересованность в ВИП выразили ряд российских компаний, среди потенциальных потребителей можно назвать следующие: АФМ-Серверс, НППП Автономные аэрокосмические системы – Геосервис, Аэроб, Аэрокон, РТИ Аэрокосмические системы, Беспилотные системы, КБ Взлет, ООО Научно-промышленные системы, Геоскан, Ижмаш, Иркут, Истра, Камов, КБ Луч, ОСКБЭС МАИ, НПЦ Нелк, НПКЦ Новик, Плаз, НПП Радар ММС, РусАэроЛаб, СТЦ, Авиационный холдинг Сухой, Транзас, АНТК им. А.Н.Туполева, ЭНИКС, ZALA Aero Group. Уже получены письма поддержки от ведущих российских производителей БВС – Geoscan, ОКБ Симонова.

По предварительным прогнозам, к 2025 году над территорией России будет постоянно находиться в воздухе не менее 100 тысяч беспилотных воздушных судов. Глобальный рынок беспилотников, по оценкам авторов ДК «Аэронет» НТИ, к этому времени может составить более $200 млрд, из них на долю России может прийтись порядка $50 млрд рублей.

Разработка полномасштабных расчетных моделей существенно сокращает финансовые затраты отечественного производителя на всех этапах проектирования и разработки новых высокотехнологичных продуктов и позволяет выпустить на рынок новые конкурентоспособные решения с повышенными эксплуатационными характеристиками, отвечающие всем современным экологическим нормам и требованиям безопасности.

Создание наукоемких расчетных моделей конструкций, аппаратов и устройств для производства продукции нового поколения в различных высокотехнологичных отраслях отечественной промышленности позволяет обеспечить решение важнейших задач Энергетической стратегии Российской Федерации на период до 2020 года, в частности, задач по минимизации техногенного воздействия промышленности и энергетики на окружающую среду, совершенствования структуры производства, внедрения новых технологий; использования высокоэкологичных производств, экологически чистых малоотходных и безотходных технологий производства и потребления; создания экологически чистых энерго- и ресурсосберегающих малоотходных и безотходных технологий, снижение выбросов (сбросов) загрязняющих веществ в окружающую среду и др.

Возможные варианты коммерциализации результатов проекта:

  • продажа лицензий ВИП;
  • продажа лицензий на отдельные компоненты ВИП;
  • проведение виртуальных испытаний;
  • обработка экспериментальных данных;
  • предоставление услуг по комплексной оптимизации конструкции и системы управления.

По предварительным прогнозам, основным способом реализации продукта станет комплексная услуга по оптимизации конструкции и систем управления БВС, т.к. потенциальные заказчики часто не обладают достаточными компетенциями для самостоятельной разработки. При этом ВИП станет использоваться самим исполнителем для выполнения работ по проектам.

Отдельным направлением продвижения продукта на рынок будет развитие продукта для интеллектуальных систем управления других типов ТС, в частности, в тесном сотрудничестве с рабочими группами НТИ «Технет» и «Аэронет».

Источники:

1http://www.realflight.com/products/rfdrone/index.php

2http://www.dronethusiast.com/drone-flight-simulator