Особенности формализованной технологии концептуального проектирования в авиастроении

Полный текст

Введение

В работе [1] представлены теоретические основы управления разработкой технических концепций в области авиастроения. На основе теории множеств, векторного анализа и теории систем разработаны формально-логические модели последовательных этапов, составляющих процесс концептуального проектирования согласно техническому заданию (ТЗ) с повышением уровня готовности технологий (УГТ, см. рисунок 1). Показано, что управление проектом неотделимо от управления техническими рисками.

 

Рисунок 1 – Этапы разработки концептуального проекта [1]

 

Настоящая работа посвящена практическим приёмам технологии проектирования с их научным обоснованием. Представлено описание основных задач этого технологического процесса, принятых методов работы и применяемых средств. Изложение связано с названными этапами выполнения концептуального проекта и может рассматриваться как дополнение к их теоретическим основам.

1. Замысел проекта

Цель этапа – оценить потребность в новом проекте и обосновать ТЗ на его осуществление. Источником знаний на этапе являются результаты различных исследований, которые выполняются специальными методами, объединёнными в согласованную систему или единый план получения знаний, необходимых для обоснования и инициации проекта самолёта (см. рисунок 2). При создании нового летательного аппарата (ЛА) требуется кооперация множества предприятий и продолжительное время разработки до момента освоения его в эксплуатации (см. рисунок 3).

 

Рисунок 2 – Этапы и методы формирования замысла проекта

 

Рисунок 3 – Полномасштабный проект создания нового самолёта

 

Прогнозируя отдалённое будущее, сложно оценить конкретные условия применения нового самолёта, поэтому проект должен опираться на достоверные сведения, полученные с учётом неопределённостей и рисков его жизненного цикла (ЖЦ).

Объективный маркетинг. В гражданской авиации первоочередным является исследование будущего рынка воздушных перевозок и возможного состояния парка воздушных судов (ВС). Интересы данной работы сосредоточены на исполнении задачи, смысл которой заключён в одном из лозунгов Ф. Котлера: «Производите то, что можете продать, вместо того, чтобы пытаться продать то, что можете произвести» [2].

Как правило, авиационная техника (АТ) создаётся за счёт или с участием бюджетных средств. Стремясь получить внешнее финансирование, предприятия-разработчики предлагают проекты создания новых изделий, а в обоснование их целесообразности приводят данные консалтинговых фирм и иных организаций, специализирующихся на прогнозных исследованиях. Такой подход не гарантирует достоверной оценки. Объективный прогноз возможен только на основе достоверных статистических данных и знания законов развития рынка [3].

Стратегия успеха. Показанные на рисунке 2 методы формирования возможной стратегии проекта в литературе имеют различные описания. Так, в теории игр [4] стратегией называют правило поведения стороны, участвующей в игровой ситуации. Известна типовая процедура долговременного стратегического планирования [5], когда определена отдалённая цель, достижение которой соответствует интересам лица или группы лиц, принимающих решения (ЛПР), и возникает необходимость в продолжительном плане её осуществления. Аналогичный смысл заключён и в стратегии маркетинга [2]. Понятие стратегии в военном деле означает принятие особых мер, уменьшающих риски поражения и увеличивающих шансы победы над противником. Такой подход наиболее близок к задачам проектирования изделий. Это позволяет предложить следующее определение.

Стратегия – это условие успеха проекта, предусмотренное концепцией создания нового продукта и принятое в качестве идейной основы его будущих преимуществ, включая готовность к противодействию антагонистическим проектам. Выбор стратегии – важная задача в технологии концептуального проектирования, где технология – это система знаний о способе создания нужного продукта.

Способ – это сочетание преобразовательных действий (приёмов, операций), режимов их осуществления и необходимых для этого средств, обеспечивающих полезный эффект. В концептуальном проектировании преобразовательными действиями являются этапы анализа, синтеза и аналогии (рисунок 1). По своему значению в проектной деятельности стратегия сопоставима с выбором благоприятного режима – нужной температуры обжига, скорости резания, катализатора реакции или давления инструмента в производственных технологиях для улучшения производительности труда и качества продукта.

Главными в стратегии являются решения, направленные на обретение преимуществ нового проекта на этапах ЖЦ, следующих за разработкой. При этом задача обоснования стратегии не может быть формализована. Изобретательность и кругозор авторов стратегии, способность предвидеть условия применения разрабатываемого продукта определяют привлекательность проекта.

При управлении проектом принимаются стратегические решения с целью сделать «как лучше». Так, известен ряд стратегий, основанных на прошлых проектах. Например, важным условием расширения производства и уменьшения цены на продукцию является унификация агрегатов транспортных и пассажирских самолётов. Примером эффективной стратегии являются самолёты Ан-24/Ан-26. Унификация пассажирского и грузового самолётов в условиях совместного производства позволяет по расчётам вдвое увеличить серийность производства и снизить стоимость изделия на 25%, что существенно улучшает его продажи. Другим примером может служить унификация узлов и агрегатов самолётов Ту-204/Ту-334, Ил‑18/Ил-38 и др. Стратегия унификации в задачах проектирования модификаций самолёта проявляется в наложенных на конструкцию требованиях к агрегатам и узлам для вариантов их применения, а также к соблюдению нормативных актов различного назначения. Действие стратегии не заканчивается эксплуатационными испытаниями изделия, а продолжается в серийном производстве и длительной эксплуатации самолёта.

Таким образом, стратегия – это забота о будущей пользе разрабатываемого изделия, расширяющей области его применения, продлевающей его ЖЦ и уменьшающей стоимость ЖЦ. Хотя сегодня эта деятельность не нормируется никакими требованиями или регламентами, управление проектом должно уделять ей первостепенное внимание, а принятые решения фиксировать наравне с ТЗ при разработке Замысла проекта.

2. Теоретические основы концептуального проектирования

Концептуальное проектирование - это начальная фаза проекта, итогом которой является определение полезных для объекта идей и соответствующих технологий, подлежащих дальнейшей разработке на конструкторской и производственной стадиях (таблица 1).

 

Таблица 1 – Технологический цикл проекта – от идеи до внедрения в эксплуатацию

Программа создания продукта	Шкала УГТ	Контрольные события
А. Стадия разработки концепции и технологий продукта	1 2 3	Выбор фундаментальных принципов, составляющих концепцию продукта Определение технологий, ключевых в концепции продукта Аналитическое и экспериментальное подтверждение характеристик, критических для концепции продукта
В. Стадия конструкторской разработки и демонстрации продукта	4	Проверка элементов системы в лабораторных условиях
	5	Проверка элементов системы в натурных условиях
	6	Демонстрация модели системы/подсистемы в натурных условиях
С. Стадия производства и ввода продукта в эксплуатацию	7 8 9	Демонстрация прототипа системы в натурных условиях Проверка реальной системы в условиях испытаний и демонстрации Проверка реальной системы в условиях эксплуатации

 

В работе [1] формализованы понятия концепции, принципа, идеи и системы, которые позволяют построить логико-математическую модель проектирования на языке теории множеств и векторного анализа. Деятельность проектанта отвечает ТЗ, которое включает множество требований к объекту в виде связей и ограничений, где определённые значения, составляющие цель Z, включают:

$Z\subset N_p\times N_r\times N_e$, (1)

$N_p$ – множество ожидаемых воздействий от среды обитания;

$N_r$ – допустимое множество используемых ресурсов;

$N_e$ – множество потребных полезных эффектов объекта.

Под концепцией $\overrightarrow{K}$ понимается сочетание актуальных для цели проекта принципов действия ($\overrightarrow{Q}=\overrightarrow{{\lambda }_u}\cdot Q$), устройства ($\overrightarrow{V}=\overrightarrow{{\lambda }_x}\cdot V$) и формы ($\overrightarrow{F}=\overrightarrow{{\lambda }_g}\cdot F$)

$\overrightarrow{K}\subset \overrightarrow{V}\times \overrightarrow{F}\times \overrightarrow{Q}$, (2)

Принципы – это свёртки логически связанной информации, направленной на достижение цели. Направления векторных принципов определяются идеями ($\overrightarrow{{\lambda }_x},\overrightarrow{{\lambda }_g},\overrightarrow{{\lambda }_u}$), а их скалярное содержание ($V, F, Q$) описывают системы, моделирующие объект.

Идея – это мыслеобраз, логическую суть которого субъект осознаёт и представляет как перспективу для изучения и применения. Идеи образуют сумму единичных векторов и формируют векторное имя концепции (здесь «имя» - сочетание идей)

$\overrightarrow{\sigma }=\left\{\left(\overrightarrow{{\lambda }_x}, \overrightarrow{{\lambda }_g}, \overrightarrow{{\lambda }_u}\right)\right|\overrightarrow{{\lambda }_x}\in \overrightarrow{V}\wedge \overrightarrow{{\lambda }_g}\in \overrightarrow{F}\wedge \overrightarrow{{\lambda }_u}\in \overrightarrow{Q}\}$, (3)

Здесь принцип действия $\overrightarrow{Q}$ содержит информацию об организации объекта: множестве динамических элементов $u\in Q$, которыми являются взаимодействующие в общем технологическом процессе способы функционирования $Q\subset M_u$, отличающиеся такими признаками, как приёмы, режимы, последовательность и условия выполнения операций, реализующих отдельные программы управления.

Принцип устройства $\overrightarrow{V}$ содержит информацию о внутренней структуре объекта: множестве статических элементов систем $x\in V$, которые представляют собой детали, узлы, агрегаты, изделия и др. $V\subset M_x$, предназначенные для выполнения технологических процессов. Устройства как структурные единицы могут отличаться материалом, размерами, архитектурой и другими параметрами состояния.

Принцип формы $\overrightarrow{F}$ содержит информацию о границах объекта и его элементов. Универсальной информацией (геометрической) обладают схемы и чертежи, которые характеризуют плотность распределения материала в пространстве и пограничную область взаимодействия с внешней средой $g\in V\subset M_g$.

Эндосистема, или объектовая модель $S_0$, представляет объект обособленно от среды обитания и описывает его внутреннее содержание:

$S_0\subset V\times F\times Q$. (4)

При этом скалярные компоненты эндосистемы входят в состав концепции независимо друг от друга как факторы решения частных задач достижения цели. Их роль состоит в представлении идей на скалярном поле фазовых параметров. Декартово произведение скалярных компонентов эндосистемы образует упорядоченные тройки фазовых параметров ($x,g,u$), связанные векторным именем концепции:

$S_0=\left\{\left(x,g,u\right)\right|x\in V\wedge g\in F\wedge u\in Q\}$. (5)

Связи объекта со средой обитания характеризуются экзосистемой:

$S_z\subset R\times P\times E$, (6)

где R, P, E – соответственно множества, составляющие модели ресурсов, внешних нагрузок и полезных эффектов.

Связь субъекта проектирования $D$ с информацией об объекте $S_0$ и экзосистемой $S_z$ определяется функциональной системой, моделирующей управление творческим процессом со стороны ЛПР (рисунок 4):

$D:S_0\to S_z$. (7)

 

Рисунок 4 – Модели управления концептуальным проектом

 

Здесь экзосистема $S_z$ служит для измерения целевых показателей (6) и получения информации для принятия решений. Объектовая эндосистема $S_0$ содержит результаты целенаправленных усилий ЛПР при том, что конечная цель процесса проектирования заключена в более содержательной векторной модели концепции с направляющими идеями. Поэтому выражение (7) предполагает $D=D\left(\overrightarrow{\sigma }\right)$. Таким образом, в соответствии с интересами (1) и полезными идеями (3) ЛПР решает задачу разработки технической концепции.

3. Анализ идей

Начало концептуального проектирования (рисунок 1) следует за подготовкой ТЗ, в котором сформулированы цель и задачи проекта, и разработкой стратегических идей, включённых в замысел проекта.

Первый этап проекта с достижением УГТ1 [6] посвящён выбору векторного имени концепции (3) - рационального сочетания идей технической концепции из числа возможных для достижения поставленной цели (см. рисунок 5). Анализ идей невозможен без их образного представления. В проектной деятельности необходимо иметь наглядные представления о предмете, которым интересуется ЛПР [7]. Известны два способа творческого мышления:

 

Рисунок 5 – Этапы и методы анализа идей

 

Интуитивный, как способность к озарению, т.е. к одномоментному осознанию сути искомого решения. Интуиция проявляется в образном мышлении на основе воображения, эмпатии и опыта. Возникшие мыслеобразы представляются без деталей, как одно целое, как ожидаемое знание из неопределённого источника, полученное в результате интеллектуального напряжения.

Логический, как способность создавать понятия, суждения и умозаключения, оперировать методами анализа, синтеза, аналогии, индукции и т.д.

Решение творческой задачи приводит сначала к появлению мыслеобраза (из памяти или благодаря воображению), а затем к его интерпретации и логической трансформации. Для решения проектных задач ЛПР должно обладать хорошей интуицией и развитым образным мышлением. Для управления проектом ценным качеством является способность ЛПР организовать коллективное мышление. Ожидаемым результатом общения сотрудников могут стать полезные идеи для решения поставленной задачи и коллективный выбор лучшей из них, что снижает риск субъективной ошибки.

Технический облик (ТО). От мыслеобраза к ТО самолёта необходим логический переход, использующий опыт ЛПР и других специалистов. Выражением полезных идей ЛПР являются проектные признаки, которые должны быть выбраны при формировании ТО. При этом проектанту необходимо составить непротиворечивое объединение проектных признаков, отражающих нужное сочетание идей и образующих первичную объектовую систему с учётом известных правил проектирования самолётов [8, 9] и типовых проектных решений.

Слово «облик» в НИИ и ОКБ отрасли означает нечто большее, чем просто внешний вид. В данной статье облик – это простая модель технической системы, содержащая внешне отличимые проектные признаки объекта, дающие представление о его конфигурации и особенностях основных элементов. По смыслу ТО совпадает с понятием схема – это упрощённое изображение, строение чего-либо в общем виде, знаковое описание логической модели и иные формы лаконичного представления сути дела. Это позволяет определять информационное содержание ТО как протосистему в качестве первичной системы S₀ (1).

Протосистема S₀ и последующие, более содержательные в своём развитии эндосистемы объекта, образуют скалярную величину векторной концепции объекта. Направление её определяется векторным именем концепции $\overrightarrow{\sigma }$, рациональный состав которого заранее неизвестен и подлежит разработке. Для решения этой задачи ЛПР привлекает новые идеи, предположительно более эффективные, чем известные. Рассматриваются различные комбинации тех и других идей, каждая из которых находит своё выражение в соответствующем ТО объекта.

Разработка множества альтернативных вариантов возможного облика самолёта, отвечающих одному ТЗ, служит решению задачи прямого поиска идей рациональной концепции. Возможные варианты подвергаются многодисциплинарным исследованиям с целью их сравнения и выбора лучшего. Для этого анализа служат полуэмпирические инженерные методики, руководства для конструкторов и САПР с программами многодисциплинарного расчёта характеристик, адаптированными для ЛА определённого назначения, например [10].

Для наглядного представления результатов многодисциплинарных расчётов определяются потребные размеры самолёта и формируется его ТО (рисунок 6). Содержание такой протосистемы достаточно, чтобы определить основные свойства объекта исследования, образующие его экзосистему S_z.

 

Рисунок 6 – Технический облик самолёта (пример)

 

Сравнение вариантов. Этап «Анализ идей» не предполагает непосредственного сравнения единичных векторов ${\overrightarrow{\lambda }}_i$, т.к. они безразмерны. Сравнение происходит опосредованно – на основе мыслеобразов с логическим построением ТО, каждый из которых отражает несколько идей, составляющих имя концепции. На рисунке 4 такое сравнение показано в векторной форме, а на рисунке 7 - в предметной. Например, варианты самолёта могут быть построены на идеях применения силовых установок различного типа и компоновки. В представленных вариантах чередуются две пары принципов, предусматривающих двигатели ТВВД или ТРДД (варианты 1 и 2), планер интегрального или федеративного типа (3 и 4).

 

Рисунок 7 – Возможные варианты транспортного самолёта [11]

 

При использовании n идей количество вариантов в сравнении должно составлять не менее числа 2ⁿ [12]. Тогда построенная с участием новых n идей из 2ⁿ ТО траектория поиска гарантированно содержит рациональную концепцию с наилучшими характеристиками.

Трудоёмкий процесс разработки и изучения множества технических обликов создаёт «сопротивление» случайному, необоснованному выбору. Проведение полнофакторного эксперимента с полезными идеями и всеми возможными техническими обликами исключает неполноту рассмотрения и риск ошибки, гарантирует 100%-ый успех поиска рационального решения проектной задачи с апробацией n – конкретных новых принципов в концепции самолёта (на рисунке 8 пример для n=3). Рассмотрение 1-2 вариантов из числа возможных может удовлетворить их автора, но делает успех проекта маловероятным. Отметим, что большая трудоёмкость «Анализа идей» ограничивает практическую сложность этой задачи.

 

Рисунок 8 – Планирование проектного эксперимента [12]

 

Принятое на Этапе 1 решение по выбору объекта с наилучшим сочетанием идей сохранится неизменным до Этапа 3 концептуального проекта:

$\overrightarrow{\sigma }\left(1\right)=\overrightarrow{\sigma }\left(2\right)=\overrightarrow{\sigma }\left(3\right) =const$. (8)

При этом концепция объекта на Этапе 1 не является ни полноценной, ни завершённой. Причина в том, что модель объектовой протосистемы $S_0$, представленная в ТО самолёта, далека по своему содержанию от многоуровневого и многодисциплинарного описания объекта , которое позволит довести концепцию до уровня технического предложения: $S_0\left(1\right)<S_0\left(2\right)<S_0\left(3\right).$ По окончании Этапа 1 устраняется риск применения ошибочных идей, хотя и сохраняется неопределённость состава и свойств элементов системы в выбранной концепции самолёта (рисунок 9).

 

Рисунок 9 – Управление рисками на этапах концептуального проектирования

 

4. Синтез системы

Цель Этапа 2 состоит в построении внутренне упорядоченной объектовой системы и оценке её осуществимости. Исходными данными для проектирования объекта с достижением УГТ2 являются требования к самолёту, его ТО и др. данные, полученные ранее. Ввиду сложности объектовой системы требуется её углублённое изучение с учётом влияния, которое оказывают свойства элементов на выполнение ТЗ. В этой деятельности компоновочные исследования играют центральную роль для разработки общей геометрической модели. Чтобы сформировать математическую модель (ММ) самолёта, необходимо получить рекомендации профильных специалистов. Объединяя предложения экспертов, участвующих в проекте, создаётся интегрированная база данных. Проектант даёт геометрическую интерпретацию поступивших предложений, формируя трёхмерную ММ поверхности объекта вместе с внутренней компоновкой (пример см. рисунок 10). Составленная трёхмерная геометрическая модель самолёта используется в различных исследованиях, на её основе генерируются сетки для аэродинамических и прочностных расчётов.

 

Рисунок 10 – 3D модель регионального самолёта [13]

 

Для синтеза технической системы в соответствии с выбранным сочетанием идей применяются метод согласования проектных параметров эндосистемы $S_0$ и метод риск-анализа характеристик экзосистемы $S_z$.

Метод согласования. На Этапе 2 предусмотрена детализация объектовой системы, выбор условий согласования локальных систем, их оптимизация по выбранным критериям эффективности, а также формирование компоновки агрегатов объекта и выбор их рациональных параметров (см. рисунок 11).

 

Рисунок 11 – Методы согласования элементов объектовой системы

 

В примере на рисунке 12 рассматривается взаимодействие двух основных агрегатов в системе самолёта – планера и двигателей. Их технические модели параметрируются в диапазоне, который может содержать глобально оптимальные значения важнейших параметров. В данном случае это степень двухконтурности (m) ТРДД и особенности аэродинамической компоновки крыла. Составляется план согласования разнородных параметров по условиям крейсерского полёта, когда тяга двигателей ($C_p$) должна уравновешивать силу аэродинамического сопротивления ($C_x=C_p$). Это условие и есть согласующий фактор, выбор которого должен обеспечить максимальную дальность ${\overline{L}}_{кр}$. В результате решения задачи определяется оптимальная степень двухконтурности ($m_0=4.5$) и вариант профилировки крыла с аэродинамической круткой (рисунок 13). Согласование подсистем объекта выполняет объединяющую функцию при формировании его геометрической модели и упорядочении объектовой системы данных.

 

Рисунок 12 – План согласования аэродинамики планера с параметрами двигателя

 

Рисунок 13 – Результат согласования степени двухконтурности двигателя и профиля крыла

 

Метод риск-анализа на Этапе 2 позволяет измерить степень неопределённости расчётных характеристик системы и оценить риски применения отдельных технических решений. Путём верификации при сравнении с ТЗ выделяются критические характеристики, требующие уточнения технологий создания новой АТ, чтобы гарантировать выполнение ТЗ.

Согласно методологии (рисунок 14) в первую очередь формируются модели неопределённости основных характеристик объекта, от которых непосредственно зависит его целевая функция. Например, расход топлива, аэродинамические и массовые характеристики самолёта в связи с дальностью его полёта. Их значения на начальных этапах проекта не могут быть определены точно. Поэтому по статистике или экспертно необходимо оценить распределение их вероятных величин в возможном диапазоне значений. На этой основе выполняется имитационное моделирование с объединением случайных величин в составе интегрального показателя, например, методом Монте-Карло. Полученную гистограмму распределения вероятных значений интегрального показателя сравнивают с требованиями к самолёту (рисунок 15). Результатом верификации проектных данных становится вероятность выполнения требуемых значений, (например, интеграл от плотности вероятности дальности полёта, превышающей ТЗ), которую необходимо исследовать на чувствительность к локальным неопределённостям, определив критические характеристики, вносящие наибольший вклад в риски невыполнения требований.

 

Рисунок 14 – Методология оценки технических рисков

 

Рисунок 15 – Распределение плотности вероятности расчётной дальности полёта

 

Например, анализируется вероятность выполнения требований в зависимости от трёх характеристик, определяющих дальность полёта, включая: аэродинамическое качество, удельный расход топлива и массу пустого самолёта. Выполняется поочерёдное фиксирование этих характеристик в пределах диапазонов их неопределённости, в т.ч. на уровне благоприятных, средних и неблагоприятных значений. Это необходимо, чтобы сделать частные прогнозы для принятых технологий. Если одно из фиксированных значений окажется неизбежным, необходимо знать, как изменится вероятность выполнения ТЗ самолёта.

Итак, на Этапе 2 путём согласования основных элементов производится синтез функциональных агрегатов системы (рисунок 4) с рациональными параметрами, которые обеспечивают объектовой системе наилучшие эксплуатационные характеристики. Так устраняются неопределённости состава системы и происходит упорядочение её элементов (рисунок 9).

5. Аналогии концепции

Сам факт проведения риск-анализа на Этапе 2 говорит о мнимом характере расчётных данных в составленном описании объектовой системы:

$S_0\left(2\right)=Re S_0\left(2\right) + \sqrt{-1}\cdot Im S_{0 }\left(2\right)$, (9)

где $Re S_0\left(2\right)<<Im S_{0 }\left(2\right)$.

Независимо от методологии исследования к реалистической информации, описывающей объектовую систему, можно отнести статистические данные и опыт специалистов. Для доказательства осуществимости новых результатов разработки необходима их экспериментальная проверка на следующем Этапе 3. Содержание этапа показано на рисунке 16.

 

Рисунок 16 – Валидация критических характеристик объекта

 

Информационное обеспечение. Основу технологии проектирования комплекса экспериментальных моделей самолёта на этом этапе составляют средства информационной поддержки процесса проектирования - CAD/CAM/CAE-системы [14, 15]. Создаётся универсальное геометрическое объёмно-цифровое изображение самолёта в CAD-системах и многодисциплинарное электронное описание этой модели с помощью САЕ-программ. Формируется база расчётных и экспериментальных данных с возможностью управления ими. Такая база данных позволяет осуществлять создание, доступ, распределение и контроль за обновляемыми хранилищами информации в рамках PDM-технологий (см. рисунок 17).

 

Рисунок 17 – Информационное обеспечение проекта

 

Созданные на Этапе 3 электронные чертежи и твёрдотельные модели сборки используются в конструировании и производстве моделей [15, 16]. Комплекс моделей, созданный на основе принципов подобия [17], служит для проведения экспериментов в соответствии с методиками и программами испытаний. Результаты экспериментальных и расчётных исследований используются для подтверждения проектных данных.

На Этапе 3 происходит трансформация части мнимых в реалистические характеристики разработанной технической концепции. При этом множество действительных данных (9) объектовой системы определённо увеличивается так, что:

$S_0\left(3\right)=Re S_0\left(3\right) + \sqrt{-1} \cdot Im S_{0 }\left(3\right)$,

где $Re{S}_0\left(3\right)>>Re{S}_0\left(2\right)$

Трансфер технологий. Подобие моделей есть простейшее преобразование во взаимно однозначных (конформных) отображениях трёхмерного оригинала и его образа. На концептуальной стадии проекта оригиналом является сочетание идей – векторное имя концепции $\overrightarrow{\sigma }$ как прообраз её скалярного содержания, заключённого в объектовой системе S₀. При этом суммарный вектор идей направлен в сторону их источника, неизменного на всех этапах развития концепции (рисунок 4). Являясь информационным проводником оригинала, концепция объекта ($\overrightarrow{K}=\overrightarrow{\sigma }\cdot S_0$) отображается в своих образах-аналогиях - в физических и иных моделях, проявленных на Этапе 3 в квазиреальных условиях применения будущего объекта. Вслед за этим управление проектом и направление вектора $\overrightarrow{\sigma }$ изменяются. Экспериментальные модели останутся образами, но оригинал в новом отображении будет другим. Им станет будущий натурный объект. Дальнейшие разработки проводятся на материальной основе и в реальных условиях.

Начиная с Этапа 4, предстоит выполнить стадию «В» проекта (таблица 1). Её управление решит задачи конструирования и испытания опытных образцов будущего изделия. Однако эта деятельность не может быть инициирована раньше, чем у её руководителей возникнет интерес к работе над предложенным проектом.

Следовательно, для рассматриваемого Этапа 3 характерно двойное назначение – он служит не только для производства доказательных фактов в пользу разработанной концепции, но и для активной пропаганды полученных знаний среди ЛПР, квалифицированных в материализации идей. Иначе говоря, научная организация Этапа 3 должна играть роль «индуктора», возбуждающего внешний интерес к потребительскому потенциалу и технической эффективности новой концепции изделия.

6. Особенности концептуального проекта

Многодисциплинарная организация. На стадии «А» активными участниками проекта являются эксперты в областях аэродинамики и силовой установки, конструкции и системы управления, испытаний и эксплуатации АТ. В многодисциплинарном коллективе с объединяющим участием специалистов по проектному управлению и проектно-компоновочным разработкам профильные специалисты выполняют все этапы работы. Деятельность профильных специалистов обеспечивает квалифицированное решение основных задач концептуального проектирования – от выбора альтернативных идей и создания единой ММ объекта до получения достоверных данных о прогнозируемых характеристиках объекта.

Новая технология в сравнении. Особенности технологии проектирования, представленной в статье, начинаются с непосредственного обращения к теории познания с фундаментальными законами творческой деятельности. При этом для методов анализа, синтеза и аналогии разработаны логико-математические модели исследования, которые оперируют строгими понятиями концепции, принципа, идеи, системы на языке теории множеств и векторного анализа [1]. Именно они определены в качестве предметов проектного управления при разработке технической концепции будущего изделия.

На этапах «Анализа идей» и «Синтеза системы» научные методы позволяют численно определить вероятность успеха и риски в решении соответствующих задач. На этапе «Аналогии концепции» устраняются неопределённости критических характеристик для ключевых проектных решений.

Концептуальный проект рассматривается как часть многоэтапного процесса разработки нового изделия. Аналогичным образом эта деятельность представлена и в «Системной инженерии» [18], которая является сводом знаний для выполнения полномасштабных проектов. Это собрание рекомендаций основано на опыте проектных разработок полного цикла и составлено в интересах широкого круга специалистов – инженеров, конструкторов, технологов и в т.ч. менеджеров проекта.

Проведено сравнение разработанной технологии с известными регламентами. Содержание расчётных и экспериментальных исследований, выполненных, например, на Этапе 3 проекта, вполне соответствует требованиям УГТ3 (таблица 1). Требования к завершению концептуальной стадии проекта идентичны основному содержанию эскизного проекта, которое представлено в действующем ГОСТ РВ 15.203-2001.

Действующий на современных авиастроительных предприятиях ОАК «Порядок управления авиационными программами» включает этапы 0, 1, 2, 3 (рисунок 18), по своим задачам аналогичным порядку концептуального проектирования на рисунке 1.

 

Рисунок 18 – Управление программой

 

Их описание отличается терминологией, удобной для менеджеров проекта (рисунок 3), и составляет Стадию А «Разработки концепции и технологий продукта» (см. таблицу 1). Её значение для полномасштабного проекта описано стандартом ОАК, который представляет аналогичный Этап 3, как «Определение изделия». Этап предназначен для оценки конкурентоспособности и определения конфигурации ВС. В ходе этого этапа уточняется облик ВС и разрабатывается основная часть эскизного проекта. По его результатам выявляются основные риски программы и планируются меры по их снижению. Существенным результатом является «Готовность предложить», которая предполагает заключить «мягкий» контракт с будущим заказчиком.

Для того, чтобы исполнить Стадию А в полномасштабном проекте, представленная технология концептуального проектирования предусматривает трансфер полученных результатов на этапы 4, 5, 6 конструкторской разработки.

Заключение

Статья развивает системный подход в проектировании самолёта [1, 19, 20] и знакомит с методами формализации разработки концепции будущего изделия. Сравнение со стандартными регламентами создания АТ показывает, что предложенная технология разработки концепции нового изделия по задачам аналогична Этапам 0, 1, 2, 3 стандарта ОАК. Особенности предложенной технологии состоят в систематическом применении логико-математических моделей и численного определения рисков для принятия обоснованных проектных решений. Результаты концептуальных проектов, разработанных согласно предложенной технологии, могут быть использованы на следующей стадии «Конструкторская разработка и демонстрация продукта».

Об авторах

Евгений Борисович Скворцов

Центральный аэрогидродинамический институт им. проф. Н.Е. Жуковского («ЦАГИ»)

Email: skvortsov-tsagi@yandex.ru

1947 г. рождения. Окончил Московский авиационный институт им. С. Орджоникидзе (МАИ) в 1971 г., к.т.н. (1993). Начальник научно-исследовательского отдела ФАУ «ЦАГИ». В списке научных трудов около 80 работ, включая 8 патентов на изобретения. Область научных интересов – исследование перспектив развития авиационной техники, разработка технических концепций и новых технологий создания ЛА.

Россия, Жуковский

Антон Владимирович Бондарев

Центральный аэрогидродинамический институт им. проф. Н.Е. Жуковского («ЦАГИ»)

Email: bondarevram@mail.ru

1988 г. рождения. Окончил Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (МГТУ) в 2011 г., аспирантуру ЦАГИ в 2019 г. Ведущий инженер Научно-исследовательского управления реализацией проектов ФАУ «ЦАГИ». В списке научных трудов более 30 работ, включая 5 патентов. Область научных интересов – исследование перспективных концепций и технические решения для новых технологий ЛА.

Россия, Жуковский

Виктория Марковна Коноплева

Центральный аэрогидродинамический институт им. проф. Н.Е. Жуковского («ЦАГИ»)

Email: viktoriya.konopleva@tsagi.ru

1994 г. рождения. Окончила Национальный исследовательский университет «Московский энергетический институт» (НИУ «МЭИ») в 2018 г. Аспирант ЦАГИ. Специалист Центра комплексной интеграции технологий ФАУ «ЦАГИ». В списке научных трудов 14 работ. Область научных интересов – методы принятия проектных решений с учётом рисков и ограничений.

Россия, Жуковский

Олег Владимирович Сонин

Центральный аэрогидродинамический институт им. проф. Н.Е. Жуковского («ЦАГИ»)

Email: velomobil@yandex.ru
Scopus Author ID: 15737603500

1971 г. рождения. Окончил Московский авиационный институт им. С. Орджоникидзе (МАИ) в 1995г., аспирантуру ЦАГИ в 2002 г. Ведущий инженер НИО-10 ФАУ «ЦАГИ». В списке научных трудов более 30 работ в области концептуального проектирования и создания автоматизированных систем компоновки транспортных самолётов.

Россия, Жуковский

Максим Николаевич Чанов

Центральный аэрогидродинамический институт им. проф. Н.Е. Жуковского («ЦАГИ»)

Email: arzmax@bk.ru

1983 г. рождения. Окончил Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева (НГТУ) в 2006 г., аспирантуру ЦАГИ в 2021 г. Ведущий инженер Научно-исследовательского управления реализацией проектов ФАУ «ЦАГИ». В списке научных трудов 26 работ, включая 3 патента на изобретения. Область научных интересов – проектные исследования и разработка новых концепций и технологий ЛА.

Россия, Жуковский

Анна Сергеевна Шелехова

Центральный аэрогидродинамический институт им. проф. Н.Е. Жуковского («ЦАГИ»)

Автор, ответственный за переписку.
Email: anna.shelekhova@tsagi.ru

1985 г. рождения. Окончила Российскую экономическую академию им. Г.В. Плеханова в 2006 г., к.т.н. (2021 г.). Главный специалист Отдела управления проектами ФАУ «ЦАГИ». В списке научных трудов 15 работ в области риск-анализа и управления качеством научно-исследовательских проектов.

Россия, Жуковский

Список литературы

Дополнительные файлы