CC BY
19Транспорт Шёлкового Пути
№4, 2020
UDC 629.735.33
AUTOMATIC DESIGN OF THE APPEARANCE OF AN UNMANNED AERIAL VEHICLE
N.A. Abdujabarov, PhD., Associate Professor
Tashkent State Transport University
1, Temiryolchilar st., Tashkent, 100167, Uzbekistan
Tel.: 998 (91) 163-95-91
E-mail: abdujabarov.n@gmail.com
R.A. Shakirov, Assistant
Toshkent davlat transport universiteti
1, Temiryulchilar st., Tashkent, 100167, Uzbekistan
Tel.: 998 (99) 642-34-99
E-mail: raximvarresult@gmail.com
Summary. The article discusses some of the problems associated with the formation of the appearance of an unmanned aerial vehicle (UAV) using computer-aided design systems based on existing open source software. In the course of considering the tasks, a strategy was presented for using computer-aided design systems as a method of design and verification of data collected at all stages of the design process, with the possibility of simultaneously developing various alternatives to UAVs. The most important characteristics affecting the appearance of the UAV have been established.
Keywords: computer-aided design, unmanned aerial vehicle, open source software, appearance. УУК 629.735.33
УЧУВЧИСИЗ САМОЛЁТНИНГ ТAШЩ ДИЗАЙНИНИ АВТОМАТЛАШТИРИЛГАН ЛОЙЩАЛАНИШИ
Н.А. Абдужабаров, т.ф.н., доцент
Тошкент давлат транспорт университети
100167, Узбекистан, Тошкент, Темирйулчилар куч., 1
Тел.: 998 (91) 163-95-01
E-mail: abdujabarov.n@gmail.com
Р.А. Шокиров, ассистент
Тошкент давлат транспорт университети
100167, Узбекистан, Тошкент, Темирйулчилар куч., 1
Тел.: 998 (99) 642-34-99
E-mail: raximvarresult@gmail.com
Аннотация. Маколада мавжуд очик манбали дастурий таъминот асосида компютер ёрдамида лойи^алаш тизимларидан фойдаланган ^олда учувчисиз учиш аппарати (ПУА) куринишини шакллантириш билан боглик баъзи муаммолар му^окама килинади. Вазифаларни куриб чикиш пайтида, бир вактнинг узида пХД-ларга турли хил алтернативаларни ишлаб чикиш имконияти билан, лойи^алаштиришнинг барча боскичларида йигилган маълумотларни лойи^алаш ва текшириш усули сифатида компютер ёрдамида лойи^алаш тизимларидан фойдаланиш стратегияси такдим этилди. ПУА куринишига таъсир килувчи энг мухдм хусусиятлар аникланди.
Калит сузлар: компютер ёрдамида лойи^алаш, учувчисиз учиш аппарати, очик кодли дастурий таъминот, ташки куриниш
УДК 629.735.33
АВТОМАТИЗИРОВАННОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ ВНЕШНЕГО ВИДА БЕСПИЛОТНОГО ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА
Н.А. Абдужабаров, к.т.н., доцент
Ташкентский государственный транспортный университет 100167, Узбекистан, Ташкент, ул. Темирйулчилар, 1 Tel. 998 (91) 163-95-91 E-mail: abdujabarov.n@gmail.com Р.А. Шокиров, ассистент
Ташкентский государственный транспортный университет 100167, Узбекистан, Ташкент, ул. Темирйулчилар, 1 Tel. 998 (99) 642-34-99
20_Н. Абдужабаров, Р. Шокиров
E-mail: raximvarresult@gmail.com
Аннотация. В статье рассматриваются некоторые проблемы, связанные с формированием внешнего вида беспилотного летательного аппарата (БЛА) с использованием систем автоматизированного проектирования на базе существующего программного обеспечения с открытым исходным кодом. В ходе рассмотрения задач была представлена стратегия использования систем автоматизированного проектирования как метода проектирования и проверки данных, собранных на всех этапах процесса проектирования, с возможностью одновременной разработки разнообразных альтернатив БЛА. Установлены наиболее важные характеристики, влияющие на внешний вид БЛА.
Ключевые слова: автоматизированное проектирование, беспилотный летательный аппарат, программное обеспечение с открытым исходным кодом, внешний вид.
1. ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время, с появлением технологий автоматизированного моделирования [1-3], полный период разработки новых образцов аэрокосмической техники, от замысла до летных испытаний опытных образцов, не превышает трех-четырех лет. В условиях жестких сроков этапы создания и изготовления находятся практически одновременно. Для такого подхода наиболее важные инженерные решения должны приниматься в самом начале. Первый процесс проектирования, в ходе которого необходимо быстро установить технологический облик устройства, в основном осуществляется на основе численного анализа. На этом этапе проводится лишь небольшое количество натурных экспериментов, необходимых для валидации компьютерных моделей.
Сочетание классических инженерных подходов и современных вычислительных технологий на всех этапах разработки перспективных продуктов для беспилотного самолетостроения позволяет повысить эффективность важных конструкторских решений и снизить возможные риски.
Разработка виртуального прототипа является сложным многоступенчатым процессом. Первыми шагами является разработка компьютеризированных моделей поверхностей, поверхностей и объемных сеток. Заключительным этапом является получение обширной коллекции газодинамических данных для широкого круга вариантов компоновки и дизайна конкретных компонентов изделия в широком диапазоне условий эксплуатации. Особое внимание уделяется измерению внешних аэродинамических и тепловых нагрузок. Прежде чем строить поверхностные и объемные сетчатые модели, необходимо получить математическое представление сложной прототипной поверхности, максимально приближенной к конфигурации реального изделия. На этапе генерации поверхностных сеток геометрическая модель преобразуется в расчетную. Каким бы точным не был численный метод решения кинематических уравнений, надежность полученных результатов моделирования зависит, прежде всего, от точности воспроизведения геометрической формы и качества сложной выборки поверхности.
Конструкция беспилотного летательного аппарата (БЛА) представляет собой сложную научно-техническую задачу, решаемую пошаговым и многоуровневым процессом на основе информации, имеющейся в техническом задании (ТЗ).
2. МЕТОДЫ
Традиционная форма конструкции БПЛА представлена в несколько этапов [4, 5]:
- на первом этапе разрабатывается предварительная картина БЛА - задача определения аэродинамической схемы. Выбор осуществляется на основе анализа существующих и перспективных схем. Кроме того, выбирается тип силовой установки, состав целевой нагрузки, система управления, бортовое оборудование, конструктивная и силовая схемы планера, массовые и геометрические параметры БЛА. По окончании первого этапа проектирования БЛА должны быть получены некоторые реальные очертания, массовые, технологические и эксплуатационные характеристики, которые должны быть объяснены на соответствующих этапах проектирования;
- вторая ступень включает в себя аэродинамическую конструкцию самолета, которая уточняет предварительный внешний вид и уже выполненные различные параметры. Уточнение осуществляется путем проведения объективных испытаний на основе математической модели БПЛА. Формирование и решение математической модели является основным содержанием второго этапа [6]. Физическая модель представляет собой БПЛА, который рассматривается как транспортное средство полезной нагрузки в некоторых условиях полета. Энергия, необходимая для полета, должна обеспечиваться двигателем. Взаимосвязь между характеристиками движения БЛА и затраченной энергией представляет собой уравнения движения. Их подход позволяет измерить эффективность полета БЛА, объяснить весовые характеристики, проверить запасы топлива для полета и оптимизировать наиболее значимые параметры БЛА;
- на третьем уровне выполняются тестовые расчеты функциональных возможностей БПЛА. На этом этапе изучаются и совершенствуются аэродинамические характеристики. В результате рассчитываются экономические характеристики БПЛА и, если это нецелесообразно, с самого начала начинается процесс проектирования.
При таком подходе к проектированию беспилотных летательных аппаратов одновременно можно создать только одну конструкторскую альтернативу, так как масштаб задачи становится слишком большим, а ряд вариантов проектирования не может быть разработан сразу.
В настоящее время Computer Aided Engineering (CAE) - это разнообразные программные продукты, позволяющие использовать методы расчета (метод конечных элементов, метод конечных разностей, метод конечных объемов) для оценки того, как компьютерная модель изделия будет вести себя в реальных условиях эксплуатации. Они помогают убедиться в работоспособности продукта, не требуя больших затрат времени и средств [4].
Новые разработки в приборостроении в области проектирования бортового радиоэлектронного оборудования (БРЭО) неизбежно связаны с внедрением систем автоматизированного проектирования (САПР). Разработчики САПР предлагают ряд универсальных программных методов, предназначенных для упрощения отдельных этапов построения бортовой радиоэлектронной аппаратуры. Например, известны пакеты реализованных программ:
- 3D проектирование OEM оборудования - CATIA, AutoCAD, Solidworks, NX;
- инженерные расчеты и моделирование тепловых полей, создаваемых оборудованием OEM: BETAsoft, Сауна, Асоника-Т;
- моделирование электромагнитных полей, создаваемых OEM оборудованием - OrCAD Family Release, GENESYS;
- спектральный анализ радиочастотных сигналов, генерируемых и принимаемых OEM оборудованием -TESLA;
- моделирование прочностных и резонансных характеристик конструкций изделий авиационной техники - Самсеф, Мекано, босс Кваттро;
- автоматическое отслеживание печатных плат с учетом трехмерной компоновки элементов сборки -
PCAD;
- конструирование и монтаж жгутов в трехмерном пространстве корпусов ОЕМ оборудования -UG/Wiring;
- моделирование гидродинамических процессов в системах охлаждения изделий авиастроения с учетом теплоотдачи электрических и радиоэлементов и процессов физического теплообмена - Fine/Turbo;
- электронное моделирование радиотехнических сигналов и схем - Каданс Дизайн, Менторская графика, XILINX Foundation, ALTERA, MicroCap;
- дизайн программного обеспечения Python, C / C ++ / C #, ADA и др.
Чтобы исключить или минимизировать объем "ручной" работы в процессе проектирования, все САПР, используемые при разработке OEM, должны быть интегрированы в единую промышленную САПР [1], которая имеет совместимые форматы представления, хранения и передачи данных и поддерживает все этапы жизненного цикла OEM - от исследования рынка на предмет целесообразности разработки новых видов продукции до ее последующей утилизации. Соответствующая функциональная схема взаимодействия разнородных средств САПР в рамках единой отраслевой САПР поддержки жизненного цикла БЭР приведена на рис. 1.
_I
Маркетинг |
+ I
Проектирование, снабжение \
+ I
Подготовка производства
» - |
Производство,, кон «роль
+ I
Упаковка, хранение
У :
Реализация, транспорт
t — ; Монтаж, эксплуатация !
* :
Ремонт и обслуживание J
i \
Модернизация ;
I
Утилизация
-+ J;
Жизненным цикл БРЭО
Рис. 1. Функциональная схема взаимодействия гетерогенных инструментов САПР в рамках единой отраслевой
САПР поддержки жизненного цикла ОЕМ
Согласно рис. 1, интеграция разнородных инструментов САПР предполагает объединение технологических операций, выполняемых каждым из них в отдельности, в единую проектную среду "проектирование, производство-эксплуатация" [2]. Единая среда проектирования обеспечит автоматизированное сопровождение этапов жизненного цикла ОЕМ и даст возможность исследовать и разрабатывать "сквозные"
22_Н. Абдужабаров, Р. Шокиров
технологии проектирования для создания изделий, входящих в состав ОЕМ, до их внедрения в виде готовых физических объектов.
Особую роль в проектировании любого самолета играют такие технологии, как вычислительная гидродинамика (CFD), подсекция механики сплошных сред, состоящая из набора физико-математических и численных методов, разработанных для измерения характеристик протекающих процессов. Эти системы позволяют проверять проектные данные для анализа аэродинамики летательных аппаратов.
3. ОБСУЖДЕНИЕ
Вычислительная система платформы SALOME может быть открытой взаимосвязанной системой для численного моделирования механики сплошных сред OpenFOAM [5]. Код для этого метода, разработан в Великобритании компанией OpenCFD, Limited, используется во многих отраслях промышленности уже более 12 лет. Своё название и идеологию код получил от своего предшественника, FOAM (Field Operation and Manipulation), который является закрытым и продолжает развиваться параллельно OpenFOAM.
Предполагается, что использование структуры CAE в качестве инструмента моделирования, а также проверка собранных данных, позволяют с самого начала корректировать процесс моделирования в реальном времени на всех этапах. Кроме того, с помощью этого метода можно осуществить множество вариантов представления БЛА с наиболее подходящей альтернативой. Предлагаемое решение может быть описано в контексте следующих этапов:
- выбор параметров формирования внешнего вида БПЛА;
- расчетные расчеты основных параметров БПЛА;
- построение геометрических моделей первого приближения;
- опции выдува в системе CFD;
- определение основных аэродинамических характеристик;
- анализ результатов.
Основные этапы работ по проектированию беспилотного летательного аппарата представлены ниже:
1. Выбор нескольких вариантов предварительного внешнего вида БПЛА и расчет их параметров.
2. Создание геометрической модели.
3. Создание сетки расчета площади выдува в платформе SALOME.
4. Передача полученных данных в вычислительный модуль OpenFOAM.
5. Представление результатов в системе ParaView.
6. Анализ результатов, принятие решений.
Структурные геометрические характеристики БПЛА включают в себя:
структурные геометрические характеристики крыла (удлинение X, средняя относительная толщина крыла с, форма средней поверхности явра крыла, объем крыла W);
структурные геометрические характеристики фюзеляжа (длина lf, диаметр df, площадь среднего сечения Sm.a• , удлинение фюзеляжа Xf,
структурно-геометрические характеристики стабилизатора (статический момент зоны горизонтального стабилизатора Ас., статический момент зоны вертикального стабилизатора А.с., относительная зона горизонтального стабилизатора S).
4. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Рассмотренный метод свидетельствует о том, что одновременно можно разобраться во многих версиях внешнего вида БПЛА. Предложена идея установления внешнего вида БЛА с помощью численного анализа его аэродинамических характеристик. Предложен обзор свободного программного обеспечения для твердотельного моделирования и гидродинамики.
ЛИТЕРАТУРА
1. Kelly J. Murphy, Robert J. Nowak, Richard A. Thompson, Brian R. Hollis. X-33 Hypersonic Aerodynamic Characteristics // AIAA Atmospheric Flight Mechanics Conference and Exhibit, 9-11 August 1999, Portland, Oregon, AIAA-99-4162.
2. Pulham, Jonathan. (2015). Designing Unmanned Aircraft Systems: A Comprehensive Approach - Second Edition J. Gundlach American Institute of Aeronautics and Astronautics. The Aeronautical Journal. 119. 934. doi: 10.1017/S0001924000011040.
3. Hollis B.R., Thompson R.A., Murphy K.J., Nowak R.J., Riley C.J., Wood W.A., Alter S.J. X-33 Aerodynamic and Aero-heating Computations for Wind Tunnel and Flight Conditions // AIAA Atmospheric Flight Mechanics Conference and Exhibit, 9-1 1 August 1999, Portland, Oregon, AIAA-99-4163.
4. Berry S.A., Horvath T.J., Difulvio M., Glass C., Merski N.R. X-34 Experimental Aeroheating at Mach 6 and 10 // 36th AIAA Aerospace Sciences Meeting & Exhibit, January 12-15, 1998, Reno, NV. AIAA 98-0881.
5. Sverdlin, A., & Abdujabarov, N. (2005). Heat treating aluminum for rivets and bolts. Heat Treating Progress, 5(4), 4850.
6. Abdukarimov, S., & Shokirov, R. (2020). Team competitions on programming format ACM ICPC. International Journal of Scientific and Technology Research, 9(4), 1932-1935.
7. Pamadi B.N., Brauckmann G.J., Ruth M.J., Fuhrmann H.D. Aerodynamic Characteristics, Database Development and Flight Simulation of the X-34 Vehicle // 38th Aerospace Sciences Meeting & Exhibit, 10-13 January 2000, Reno, NV. AIAA 2000-0900. 17 p.
8. Berry S.A., Horvath T.J., Difulvio M., Glass C., Merski N.R. X-34 Experimental Aeroheating at Mach 6 and 10 // 36th AIAA Aerospace Sciences Meeting & Exhibit, January 12-15, 1998, Reno, NV. AIAA 98-0881.
9. Brauckmann J. X-34 Vehicle Aerodynamic Characteristics // 16th AIAA Applied Aerodynamics Meeting, Albuquerque, New Mexico, June 15 - 18, 1998. AIAA 98-2531.
10. Miller J. The X-Planes: X-1 to X-45 / Midland Publishing, 2001.
11. Grantz A.C. X-37B Orbital Test Vehicle and Derivatives // AIAA SPACE 2011 Conference & Exposition 27-29 September 2011, Long Beach, California, AIAA-2011-7315, 2011. 14 p.
12. Paez C. The Development of the X-37 Re-Entry Vehicle // 40th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference and Exhibit, Fort Lauderdale, FL, July 11-14, 2004. AIAA 2004-4186.
13. Liseikin V.D. Grid Generation Methods. - Berlin: Springer, 1999.
14. Thompson J.F., Soni B. K., Weatherill N. P. Handbook of Grid Generation. CRC Press, 1998.
