CC BY
23
ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ ОРГАНИЗАЦИИ ПРОИЗВОДСТВА
ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ПРОЦЕССОВ ПРИ РАЗРАБОТКЕ АВИАЦИОННОЙ ТЕХНИКИ (НА ПРИМЕРЕ ПРОВЕДЕНИЯ АЭРОДИНАМИЧЕСКОГО ЭКСПЕРИМЕНТА)
И.В. Клеев, ассистент Московский авиационный институт, г. Москва
Отечественная аэрокосмическая сфера сегодня переживает довольно сложные времена. Во многом это связано с тем, что с середины 80-х годов прошлого века экономическое функционирование отечественных авиационной и аэрокосмической отраслей принципиально изменилось, что выразилось, в первую очередь, в смене приоритетов их развития. Наша авиационная и аэрокосмическая промышленность была переведена в условия реальной конкуренции с зарубежными компаниями. Причем в отличие от советского времени эта конкуренция переместилась из преимущественно научно-технической в экономическую сферу. Такое положение непривычно для отечественной авиационной и аэрокосмической сферы, ориентированной преимущественно на качественные, в первую очередь, аэродинамические и прочностные характеристики создаваемой техники. Более того, это в корне противоречит практике ее развития в советское время.
До 90-х годов прошлого столетия исследований по повышению экономической эффективности аэро-физического (и, в частности, аэродинамического) эксперимента проводилось крайне мало, а их востребованность была низкой. Тем не менее возможности повышения экономической эффективности изучались и тогда, а их значимость непреходяща (см.[1]), несмотря на то, что наиболее значимые результаты не были опубликованы и содержатся в научнотехнических отчетах.
В новых условиях конкурентоспособность отечественной научно-технической продукции стала в значительной степени определяться величиной затрат на ее создание. А поскольку экспериментальная составляющая разработки новых образцов авиационной и аэрокосмической техники является одной из определяющих компонент для затрат на их создание, то задачи снижения стоимости проведения аэрофизиче-ского эксперимента в аэродинамических трубах стали наиболее актуальными с точки зрения достижения конкурентоспособности отечественной научно-
технической продукции.
Это принципиально изменило принятые подходы к проведению аэрофизических экспериментальных исследований, повышение эффективности которых сегодня должно основываться на совершенствовании организационно-экономического механизма их про-
ведения. Ключевым фактором здесь должно стать соответствие применяемой техники и технологии проведения эксперимента стоящим перед ним задачам при минимально возможных затратах.
Современный аэрофизический эксперимент представляет собой очень дорогостоящее производство, требующее больших затрат человеческих, материальных и, в первую очередь, энергетических ресурсов. Поэтому сегодня при определении путей уменьшения затрат на проведение экспериментальных исследований на первый план выходит снижение их энергоемкости, как наиболее значимого фактора, определяющего фактические затраты на аэрофизический эксперимент. Проведение любого аэрофизического эксперимента требует значимых объемов использования сжатого газа и, следовательно, значительных энергетических затрат на обеспечение им (работы крупных энергетических и силовых установок), затрат других необходимых ресурсов. При этом последние два десятилетия стоимость электроэнергии растет высокими темпами, поэтому в ближайшие годы снижение энергоемкости эксперимента становится наиболее важным фактором удешевления экспериментальных исследований.
С экономической точки зрения это может достигаться двумя способами. Во-первых, за счет сокращения количества и объемов экспериментальных исследований, необходимых для их результативного завершения. Во-вторых, благодаря повышению уровня получаемых результатов, что включает в себя улучшение качества и технологий использования оборудования, в первую очередь, тензометрических весов, обеспечивающих точность получаемых результатов.
Значимость точности получаемых результатов определяется не только ее ролью в достижении качества экспериментальных данных, то есть адекватности задачам проведения эксперимента, но, фактически, и в определении количества и объема проведения необходимых экспериментальных исследований. Это вызвано тем, что уровень погрешности техники и, соответственно, получаемых при проведении эксперимента результатов, определяет количество экспериментальных точек, необходимых для получения данных, соответствующих выбранным и статистически обоснованным доверительным интервалам, кото-
рые могут определяться разными методами проверки статистических гипотез.
Иными словами, в условиях высокой энергоемкости и фактической стоимости проведения аэрофи-зического эксперимента погрешность используемой техники становится фактором, определяющим эффективность его проведения и, соответственно, обеспечивающим повышение экономической конкурентоспособности новых образцов авиационной и аэрокосмической техники.
Также стоит отметить, что аэродинамическая форма создаваемых в последние годы летательных аппаратов не претерпевает таких больших изменений, как это было в середине прошлого века. Аэродинамическое совершенствование авиационной техники в настоящее время происходит за счет изменения их основных характеристик на проценты, а не на десятки процентов, как ранее. Вкупе с постоянно растущей ценой электроэнергии это еще более актуализирует задачу обеспечения более точных изменений.
В связи со всем вышесказанным можно утверждать, что в современных условиях конкурентоспособность создаваемой авиационной и аэрокосмической техники и отечественного аэрофизического эксперимента, а также их эффективность определяется не столько их техническими и технологическими характеристиками, сколько уровнем их организационноэкономического обеспечения. Последний включает в себя уровень используемых техники и технологий, в первую очередь, точность используемого измерительного оборудования.
Таким образом, основной задачей современной экспериментальной аэродинамики является повышение экономической эффективности эксперимента. Можно выделить несколько факторов достижения этого, но в условиях постоянного роста цен на электроэнергию, как наиболее используемого ресурса, на первый план выходит повышение качества аэрофизи-ческого эксперимента за счет снижения его продолжительности.
Во время проведения трубного аэродинамического эксперимента исследуемая модель летательного аппарата помещается в аэродинамическую трубу, в которой создается газодинамический поток. Создание газодинамического потока очень энергозатратно, поэтому требует большой доли совокупных расходов на эксперимент. Путем измерения силового воздействия газового потока на модель исследователи определяют основные аэродинамические характеристики создаваемой авиационной техники, что и является целью проведения аэродинамического эксперимента.
Для измерения суммарных нагрузок в настоящее время, как правило, используются многокомпонентные тензометрические весы. Количество компонент тензометрических весов определяется задачами, поставленными перед исследованием, в первую очередь, числом составляющих векторов аэродинамической силы и моментов, подлежащих измерению. Тензомет-
рические весы для трубного аэродинамического эксперимента - это высокотехнологичный прибор, производство которого довольно сложно, и изготовить который способны лишь несколько предприятий на территории Российской Федерации. Стоимость настоящего прибора зависит от режима испытаний, для которого они изготовлены, и составляет сотни тысяч долларов США. Поэтому эффективное использование дорогостоящих тензометрических весов также является важным фактором снижения затрат на эксперимент и, соответственно, на создание новых образцов авиационной техники.
Современные тензометрические весы могут обеспечивать довольно высокую точность измерений, их погрешность составляет десятые доли процента измеряемой величины. В процессе эволюции тензо-метрических весов их разработчикам удалось добиться решения существенного числа технических и технологических проблем и поднять точность измерений тензометрических весов до указанной величины. Это стало важнейшим фактором наметившегося в последние годы повышения эффективности, качества и экономической конкурентоспособности отечественного аэродинамического эксперимента. Однако на сегодня традиционные факторы повышения эффективности измерительного оборудования во многом исчерпали свои возможности. В настоящий момент дальнейшему увеличению точности измерений аэродинамических характеристик создаваемой авиационной техники мешает температурная погрешность, возникающая в тензовесах при изменении их температуры.
Все это позволяет утверждать, что улучшение использования тензометрических весов приведет к уменьшению объема экспериментальных исследований, необходимых для достижения целей эксперимента и за счет этого снизить затраты на его проведение и, соответственно, на создание новой авиационной техники. Это будет достигаться за счет, во-первых, экономии электроэнергии, и, во-вторых, благодаря повышению эффективности использования дорогостоящих тензометрических весов.
Температурная погрешность тензометрических весов состоит из двух составляющих - статической и динамической. Статическая составляющая температурной погрешности появляется при стационарном режиме работы тензовесов, когда температура всех их элементов изменяется одновременно без градиентов. С помощью схемной компенсации, т.е. за счёт включения в плечи тензомостов термокомпенсаторов последовательно с тензорезисторами, обеспечивается удовлетворительная величина статической температурной погрешности на уровне, не превышающем две тысячные процента на один градус по Цельсию. Иными словами, современный организационноэкономический механизм проведения аэродинамического эксперимента позволяет обеспечить достаточно низкую статическую температурную погрешность. Поэтому возможности уменьшения затрат на прове-
дение аэродинамического эксперимента в направлении снижения статической составляющей температурной погрешности на сегодня практически исчерпаны.
Возможности снижения затрат на эксперимент за счет снижения динамической погрешности тензомет-рических весов, напротив, остаются весьма существенными. И важнейшую роль в их достижении призвано сыграть изменение организационноэкономического механизма проведения эксперимента, что связано со спецификой возникновения динамической погрешности тензовесов. Причиной возникновения динамических температурных погрешностей являются температурные градиенты в конструкции весов, обусловленные тем, что они практически никогда не прогреваются равномерно. В качестве причин этого можно выделить большую тепловую инерцию весов, наличие в их конструкции клиновидных элементов, потоки тепла, идущие от модели и державки, тепло, выделяемое тензорезисторами, а также изменение режимов испытаний и характеристик набегающего на модель и тензовесы потока по времени (см. [2],
[3]).
Во время проведения аэродинамического эксперимента большая часть измерений проводится через несколько минут после их начала. Однако результаты экспериментальных исследований показывают, что именно в это время температурная динамическая погрешность тензовесов максимальна. И именно это в наибольшей степени снижает качество проведенных исследований. Поэтому изменение механизма проведения аэродинамического эксперимента открывает новые возможности повышения его результативности и на этой основе эффективности как проведения эксперимента, так и всего процесса создания новой авиационной техники.
Сегодня, несмотря на остроту данной проблемы и большое внимание, уделяемое ей со стороны исследователей, отсутствуют теоретическое описание процесса возникновения температурных динамических погрешностей и, соответственно, выявленные способы нейтрализации возникающих негативных эффектов. При этом специфика настоящего этапа развития аэродинамического эксперимента определяет ведущую роль организационно-экономических изменений в достижении требующегося снижения динамической погрешности тензовесов. Цель этих изменений -предложить такой режим и механизм проведения эксперимента, который позволит снимать показания приборов в тот момент, когда эта погрешность минимальна.
Основной проблемой при изучении температурной динамической погрешности тензовесов остаётся их малопонятная тепловая динамика, непонятный механизм возникновения температурной погрешности, а также то, что способы оценки величины температурной динамической погрешности недостаточно теоретически обоснованы. Кроме этого, сегодня фак-
тически отсутствует теория для расчета основных характеристик температурных динамических погрешностей в тензовесах. Также проблемой является отсутствие теоретически обоснованной защиты тензове-сов от возникновения в их конструкции температурных градиентов и соответствующих подходов к обеспечению такой защиты.
Данные проблемы предлагается решить при помощи внедрения системы уменьшения температурной динамической погрешности тензометрических весов, основанной на создании их тепловой модели. Технические возможности реализации данных предложений рассматривались ранее (см. [4], [5]). Они основаны на создании к каждым тензометрическим весам адекватной математической модели в виде программного пакета обработки геометрических данных весов. Использование такой модели позволяет заранее рассчитать тепловую динамику весов и, соответственно, спрогнозировать температурную погрешность, используя данные относительно планируемого режима испытаний модели создаваемого летательного аппарата.
Информация о параметрах возникающей динамической температурной погрешности позволит скорректировать организационный механизм проведения эксперимента с целью создания соответствующего временного режима испытаний в соответствии с целью максимизировать экономическую эффективность проведения эксперимента и, соответственно, всего процесса создания новых образцов летательной техники.
Использование данного подхода и его организационно-экономическое обеспечение позволит в случае, если прогнозируемая величина температурной погрешности выйдет за допустимые пределы, рассчитать на основе используемой математической модели параметры необходимых теплозащитных элементов. Их необходимо установить на тензометрические весы для получения экспериментальных данных с приемлемым уровнем точности при наиболее экономически эффективном режиме испытаний.
Предлагаемая система проведения аэродинамического эксперимента также предполагает установку на конструкцию весов во время проведения экспериментальных исследований нескольких датчиков, измеряющих температуру. Количество таких датчиков зависит от типа возникающей температурной динамической погрешности. С помощью коэффициентов, которые рассчитываются на упомянутой выше математической модели, показания датчиков можно будет в режиме реального времени пересчитывать в величину температурной динамической погрешности тен-зовесов для оперативного контроля получаемых экспериментальных данных с целью повышения их качества.
Разумеется, внедрение предлагаемого подхода потребует перестройки организационного механизма проведения аэродинамического эксперимента и соот-
ветствующего изменения системы стимулирования коллективов экспериментальных подразделений. Однако затраты на обеспечение необходимых изменений составляют проценты от общей стоимости тензомет-рических весов и ничтожно малы по сравнению с полной стоимостью проведения эксперимента в аэродинамической трубе.
При относительно небольших затратах на внедрение предложенных изменений решение указанной задачи позволит уменьшить время проведения экспериментальных исследований в аэродинамических трубах. Это приведет к снижению затрат и росту эффективности аэрофизического эксперимента и даст возможность увеличить точность проведенных измерений, что обеспечит рост результативности и конкурентоспособности создаваемой научно-технической продукции.
Внедрение предложенного подхода к проведению аэрофизического эксперимента позволит обеспечить создание его соответствующего организационноэкономического механизма, способного обеспечить повышение точности используемого измерительного оборудования, снижение на этой основе удельных затрат на проведение экспериментальных исследований и, соответственно, рост их эффективности, как одного из наиболее значимых факторов повышения конкурентоспособности отечественной авиационной и аэрокосмической техники.
Литература
1. Бешелев С. Д. Нововведения и мы / С. Д. Беше-лев, Ф.Г. Гурвич. - М.: Наука, 1990. (Серия «Наука и научно-технический прогресс»).
2. Богданов В. В. Многокомпонентные тензомет-рические весы / В.В. Богданов, В.С. Волобуев // Датчики и системы. 2004. № 3 (58).
3. Богданов В. В. Исследование тепловой динамики тензометрических весов и разработка методов снижения их температурных погрешностей / В. В. Богданов, В.С. Волобуев, А.Р. Горбушин // Материалы IV Междунар. симпозиума по тензометрическим весам. Сан-Диего, Калифорния, США. 2004.
4. Клеев И. В. Моделирование распространения тепла по тензометрическим весам / И. В. Клеев. ХЬШП науч. конф. МФТИ. - Москва - Долгопрудный - Жуковский, 2005.
5. Клеев И.В. Температурные динамические погрешности в тензометрических аэродинамических шестикомпонентных весах / И. В. Клеев // Датчики и системы. 2007. № 2.
® 8(495)211-10-50
[1] Аэродинамический эксперимент — комплекс процедур в аэродинамической трубе с целью определения аэродинамических характеристик летательного аппарата, которые трудно или невозможно оценить
расчетами, а также экспериментальное подтверждение тех характеристик, которые были получены в результате проектных расчетов.
[2] Производственные процессы — совокупность всех действий людей и средств производства, направленных на изготовление продукции. Производственный процесс состоит из основных (технологические процессы, в ходе которых происходят изменения форм, размеров и физико-химических свойств продукции), вспомогательных (обеспечивающих бесперебойное протекание основных процессов) и обслуживающих (связанных с обслуживанием как основных, так и вспомогательных процессов, в результате которых продукция не создается) процессов.
[3] Эффективность аэрофизического эксперимента — результаты проведения эксперимента (выраженные в натуральных или денежных единицах ), отнесенные на единицу произведенных в ходе его подготовки и проведения затрат.
