Компьютерное моделирование в авиакосмической промышленности

Компьютерное  
моделирование  
в авиакосмической  
промышленности

Москва, 2020

Под редакцией И. Б. Аббасова

УДК658.512.2:004.92
ББК30.18с515
А13

А13Компьютерноемоделированиевавиакосмическойпромышленности/подред.И.Б.Аббасова.–М.:ДМКПресс,2020. –300 с.:ил.

ISBN978-5-97060-675-9

Этакнигапосвященауникальнымразработкамвобластикомпьютерногомоделированияавиакосмическойтехники.Вкнигеописаныоригинальныеконцептуальныемоделисамолетов-амфибий,экранопланов,судовнаподводныхкрыльях,начинаяотидеидополноговоплощения.Разработанныемоделипредставленысдизайномпассажирскихсалоновифактическиготовыквнедрениювавиастроительнойпромышленности.Оригинальностьконцепцийосновываетсянабиологическихпрототипах,ониэргономичны,многофункциональныикрасивы.Представленыаэродинамическиекомпоновкиперспективныхконвертируемыхлетательныхаппаратоввертикальногоиукороченноговзлета-посадки,сухопутногоикорабельногобазирования.Описанаразработкаоригинальноймоделибеспилотноголетательногоаппарата,воплощенногов материале,представленырезультатынатурныхэкспериментов.Рассмотренатехнологиямоделированияавиакосмическихтренажеровнабазесредывиртуальнойреальностисустройствамитехническогозрения.
Книгапредназначенадляисследователейиразработчиковвобластиавиакосмическойпромышленности,дляавиаконструкторовистудентов-
машиностроителей.

УДК658.512.2:004.92
ББК30.18с515

Всеправазащищены.Любаячастьэтойкнигинеможетбытьвоспроизведенав какойбытонибылоформеи какимибытонибылосредствамибезписьменногоразрешениявладельцевавторскихправ.

©Коллективавторов,2020ISBN 978-5-97060-675-9
©Оформление,издание,ДМКПресс,2020

Содержание

Предисловие................................................................................... 8

Глава 1. Компьютерное моделирование  
в авиастроении............................................................................. 10

Аббасов И. Б.

1.1.Моделированиелетательногоаппарата.................................. 11
1.2.Моделированиеракеты............................................................ 12
1.3.Моделированиеобтекаемыхповерхностей............................ 13
1.4.Моделированиесамолета-амфибииБе-200............................ 16
1.5.Концептуальнаямодельсамолета«Chiroptera»...................... 20
1.6.Концептуальныйдизайнавтомобиля«Lotos»........................ 27
Списоклитературы.......................................................................... 32

Глава 2. Концептуальное моделирование  
самолетов-амфибий.................................................................... 35

Аббасов И. Б., Орехов В. В.

2.1.Историягидроавиации............................................................. 37
2.1.1.Изисториимировойгражданскойавиации................... 37
2.1.2.Эрагидропланов................................................................ 39
2.1.3.Гидроавиацияв России...................................................... 43
2.1.4.ЛетающиелодкиГ.М.Бериева......................................... 43
2.2.Компьютерноемоделированиесамолета-амфибииБе-200.... 51
2.2.1.Основныехарактеристики................................................ 51
2.2.2.Методмоделирования....................................................... 52
2.2.3.Этапымоделирования....................................................... 53
2.2.4.Визуализациятрехмерноймодели................................... 58
2.3.Компьютерноемоделированиеинтерьерасалонасамолета-амфибииБе-200.............................................................. 59
2.3.1.Изисториипассажирскихсамолетов............................... 59
2.3.2.Вариантыкомпоновкисалона.......................................... 61
2.3.3.Моделированиесалонасамолета...................................... 64

 Содержание

2.3.4.Визуализациясалонасамолета......................................... 67
2.3.5.Заключение......................................................................... 69
2.4.Компьютерноемоделированиесамолета-амфибииБе-103.... 70
2.4.1.Основныехарактеристики................................................ 70
2.4.2.Этапымоделирования....................................................... 71
2.4.3.Визуализациятрехмерноймодели................................... 79
2.5.Концептуальнаямодельсамолета-амфибии«Чибис»(Lapwing)........................................................................................... 82
2.5.1.Введение............................................................................. 82
2.5.2.Разработкаконцепции...................................................... 83
2.5.3.Трехмерноемоделированиесамолета-амфибии............ 90
2.5.4.Тонированиеи визуализация........................................... 94
2.6.Компьютерноемоделированиеинтерьерасалонасамолета-амфибии«Чибис»............................................................ 96
2.6.1.Введение............................................................................. 96
2.6.2.Концепциясамолета-амфибии«Чибис».......................... 97
2.6.3.Концепциикомпоновки.................................................... 99
2.6.4.Разработкапассажирскогокресла...................................101
2.6.5.Моделированиеинтерьерасалона...................................103
2.6.6.Присвоениематериалови визуализациясцены............104
2.6.7.Удобствои комфортсалона..............................................107
2.6.8.Заключение........................................................................108
2.7.Концептуальнаямодельи дизайнинтерьераэкраноплана«Водомерка»(WaterStrider).....................................108
2.7.1.Введение............................................................................108
2.7.2.Обзорэкранопланов.........................................................110
2.7.3.Обзорпубликаций.............................................................115
2.7.4.Концепцияэкраноплана«WaterStrider»..........................117
2.7.5.Компоновкаконцепцииэкраноплана.............................120
2.7.6.Этапымоделирования.....................................................122
2.7.7.Тонированиеи визуализациямодели.............................126
2.7.8.Разработкаинтерьераи пассажирскогокресла..............127
2.7.9.Созданиематериалови визуализацияинтерьера..........128
2.7.10.Заключение......................................................................133
2.8.Дизайнмногофункциональногосуднана подводныхкрыльях«Афалина».......................................................................134
2.8.1.Введение............................................................................134
2.8.2.Обзорисследований.........................................................135
2.8.3.Разработкаконцепции.....................................................138
2.8.4.Моделированиесудна.......................................................141
2.8.5.Тонированиеи визуализациямодели.............................144

Содержание  5

2.8.6.Заключение........................................................................147
2.9.Дизайнавтономногомобильногоробототехническогокомплекса........................................................................................148
2.9.1.Введение............................................................................148
2.9.2.Обзорпубликаций.............................................................148
2.9.3.Обзораналогов..................................................................149
2.9.4.Конструкцияробота..........................................................150
2.9.5.Концепциямоделирования.............................................152
2.9.6.Этапымоделирования......................................................153
2.9.7.Созданиеи присвоениематериалов................................155
2.9.8.Установкаосвещенияи визуализация............................157
2.9.9.Заключение........................................................................158
Списоклитературы.........................................................................159

Глава 3. Развитие многовинтовых схем  
конвертопланов с криогенными и гибридными  
силовыми установками.............................................................167

Дуров Д. С.
3.1.Введение...................................................................................168
3.2.Гидроконвертоплан –новыевозможностисовременнойавиации....................................................................168
3.3.Особенностиуправлениясамолетомвертикальноговзлетаи посадкинапереходномрежимеи режимевисения.....174
3.4.Проблемыустойчивостии управляемостигидроконвертопланас тандемнорасположеннымивинтамив поворотныхкольцевыхканалах..................................179
3.5.Криогенныетурбоэлектрическиесамолеты –хорошеерешениедлягибридныхавиакомплексовкороткоговзлетаи посадки.........................................................................................182
3.6.Заключение...............................................................................189
Списоклитературы.........................................................................190

Глава 4. Концептуальный дизайн  
многофункционального самолета-амфибии.......................193

Орехов В. В.
4.1.Введение,историческиеэтапы...............................................193
4.2.Концепция................................................................................199
4.3.Трехмерноемоделирование....................................................203
4.4.Применениематериалов,визуализация................................205

 Содержание

4.5.Заключение...............................................................................210
Списоклитературы.........................................................................210

Глава 5. Математическая модель беспилотного  
летательного аппарата  с эллиптическим крылом..............212

Синютин С. А., Горбунов А. А., Горбунова Е. Б. 
5.1.Введение...................................................................................213
5.2.Постановказадачи...................................................................214
5.3.Методика..................................................................................214
5.4.Аппаратнаяреализация..........................................................216
5.5.Программнаячастьисследований..........................................217
5.6.Исследованияповедениябеспилотноголетательногоаппаратас эллиптическимкрылом..............................................220
5.7.ЭкспериментальныеисследованияповеденияБПЛА............222
5.8.Обработкаи анализданных,полученных в ходелетныхиспытаний.......................................................................................224
5.9.ФормированиематематическоймоделиБПЛАс эллиптическимкрылом...............................................................228
5.10.МатематическаямодельБПЛАв аналитическомвиде.......229
5.11.Получениематематическоймоделиметодом«черногоящика».............................................................................................230
5.12.Математическаямодельнаосновелинейнойрегрессии....233
5.13.Математическаямодельна основе многослойногоперсептрона....................................................................................236
5.14.НастройкаПИД-регулятора...................................................237
5.15.Эмулированиеполетав целяхпервичной проверкикачестварегулятора.......................................................................239
5.16.Заключение.............................................................................244
Списоклитературы.........................................................................245

Глава 6. Технология геометрического моделирования  
динамических объектов  и процессов виртуальной  
среды для авиационно-космического  
тренажеростроения....................................................................247

Ли В. Г.
6.1.Введение...................................................................................248
6.2.Методыприкладнойгеометриив решениизадачимитационногомоделированияв SVR.........................................254

Содержание  7

Оптимальнаядискретизациякривыхлиний...........................254
Интегральнаямоделькривой....................................................259
Методикаоценкиинформативностидискретныхкаркасовкривых.........................................................................260
Оптимальнаядискретизациянаосновеинтегральной моделикривой............................................................................262
6.3.Целии задачивнекорабельнойдеятельностикосмонавта–оператораRTSнаISSв открытомкосмосе,технологиякомпьютерногоимитационногомоделированияв средевиртуальнойреальности...................................................267
Задачивнекорабельнойдеятельностикосмонавта-оператора...............................................................267
Технологииметодическойи программно-аппаратнойреализациитренажакосмонавта-оператора...........................270
Динамическаявиртуальнаямодельманипулятора.................275
Программныетехнологииформированиядинамическихмоделейсредствамиредактора-моделера................................279
6.4.Экспериментальныеисследованияфункциональнойполнотыграфическогои программногообеспеченияTMS........281
Информационнаяи функциональнаямощностьвизуализатораTMS.....................................................................281
Примертренажатиповойштатноймиссиипо установкесолнечнойбатареи.....................................................................286
Технологияотработкинештатныхситуаций...........................288
ЭкспериментальныйпоискбезопаснойтраекториидвиженияERA.............................................................................293
6.5.Заключение...............................................................................296
Списоклитературы.........................................................................297

Предисловие

Всовременноммиретруднопредставитьжизньчеловекабезделовыхпоездокилипутешествий.Частодляэтихцелейиспользуютсясамолеты,чтонасуженеудивляет.Красотаокружающеготемно-
синегонебаи проплывающихвнизуоблаковврядликого-томожетоставитьравнодушнымнавысотедесятитысячкилометров.Заокномиллюминаторапогоданесильноизменчивая,внизув этовремяможетбытьгроза,дождьилиснег.Авиацияпривлекаетнетольковысокойскоростьюи быстротойперелетов,онаиспользуетсявомногихобластяхповседневнойжизни.Благодарявысокойманевренностии многофункциональностионаприменятсядлягражданскихи военныхцелей,дляспасательныхработ,притушениилесныхпожаров.Именнодляэтихцелейнаиболееэффективнымиявляютсясамолеты-амфибии,онинезаменимытакжедляпоисково-спасательныхоперацийнаморе.Вомногихприбрежныхстранахбереговаягидроавиацияоченьважна,в островныхгосударствахонапростонезаменима.Поэтомувопросыпроектированиягидроавиации,самолетов-амфибийостаютсяактуальными.Перваяглаваданнойкнигипосвященаприменениюкомпьютерногомоделированияв самолетостроении.Описанпроцесспроектированияконцептуальноновогосамолетанаосновебионическихформ.Такжерассмотренконцептуальныйдизайнновогоавтомобиля«Lotos»,присозданииконцепциидизайнакузоваавтомобилябылаиспользованабионическаяформалепестковлотоса.Длянаглядностипредставленысценывизуализациитонированныхтрехмерныхмоделеймоделируемыхобъектов.
Вовторойглавепредставленотрехмерноемоделированиекаксуществующихсамолетов-амфибийБе-200,Бе-103,таки концептов70-летнему юбилею 
кафедры инженерной графики  
и компьютерного дизайна 
посвящается

Предисловие  9

«Чибис»,экраноплана«Водомерка»,суднанаподводныхкрыльях«Афалина».Описанпроцесспроектированияпассажирскихсалоновлетательныхсудов.Вовторойглаверассмотренокомпьютерноемоделированиеавтономноймобильнойроботизированнойсистемы«Краб».Выбранвизуализатори установленыисточникисвета,приведеныитоговыесценыреалистичнойвизуализации.
Втретьейглаверассмотреныразличныевидыаэродинамическихкомпоновоки возможныеобластиприменениясовременныхи перспективныхконвертируемыхлетательныхаппаратоввертикальногои укороченноговзлета-посадки,каксухопутного,таки корабельногобазирования.Представленыконцепциии требованияк конвертируемымскоростнымлетательнымаппаратамс криогенными,гибриднымидизель-электрическимии турбовинтовымисиловымиустановками.
Вчетвертойглавепредставленаконцептуальнаямодельмногофункциональногосамолета-амфибии.Приведеныкраткиетехническиехарактеристики,визуальныйряди историческиеаспектысозданиясамолета.Прототипомконцепциисамолета-амфибиисталConsolidatedPBY-5ACatalina,модификациясамолета-амфибии1950-хгг.Кромеприменениядляпутешествийи активногоотдыха,этотсамолетможетприменятьсявомногихдругихутилитарныхцелях.
Впятойглаверассматриваютсяособенностиформированияматематическоймоделибеспилотноголетательногоаппаратас эллиптическимкрылом.С цельюсозданияматематическоймоделиуправленияобъектабылсозданряднатурныхмоделейбеспилотногоаппарата.Приведенырезультатылетныхиспытаниймасштабныхмоделейаппарата,выделеныхарактерныеособенностиуправления. 
Вшестойглаверассматриваетсятехнологияпланированияи реа-

лизациигеометрическогообеспечениятренажерно-моделирующихкомпьютерныхкомплексов,функционирующихнабазесредывиртуальнойреальности.Приводятсяосновныеэлементырациональнойдискретизациисложныхтехническихобъектов,описываемыхкривымилиниямии поверхностями.Описанапрограммнаяархитектуратренажерно-моделирующегокомплексас каналамивизуализациивиртуальнойсредыи техническогозрения.Редактор
И.Б.Аббасов

Глава 1

Компьютерное 
моделирование 
в авиастроении

Аббасов Ифтихар Балакишиевич
Южный федеральный университет, Инженерно-технологическая 
академия, кафедра инженерной графики и компьютерного дизайна, 
Таганрог, Россия, iftikhar_abbasov@mail.ru 

Аннотация
Перваяглавапосвященаприменениюкомпьютерногомоделированияв самолетостроении.Описанпроцесспроектированияконцептуальноновогосамолетанаосновебионическихформ.Представленыпоисковыевизуально-графическиерешенияразрабатываемоймодели.Поэскизнымпроектампроведенотрехмер-
ноемоделированиеконструктивныхчастейсамолета.ДлямоделированиятрехмерныхповерхностейиспользуетсяметодКунса.Рассмотренытакжевопросытвердотельногомоделированиякосмическойракетыметодомлофтингаи самолета-амфибииБе-200.Такжерассмотренконцептуальныйдизайнновогоавтомобиля«Lotos».Присозданииконцепциидизайнакузоваавтомобиляиспользованабионическаяформалепестковлотоса.Прототипыобводовкузоваавтомобиляразработаныв видеэскизныхпроектов.Длятрехмерногомоделированияконструктивныхчастейавтомобиляпримененметодполигональноговыдавливания.Представленатрехмернаякомпьютернаямодельразработаннойконцепции

Моделирование летательного аппарата  11

автомобиля.Длянаглядностиданысценывизуализациитонированныхтрехмерныхмоделеймоделируемыхобъектов.
Ключевыеслова:концептуальнаямодель;полетрукокрылых;поверхностьКунса;трехмернаямодельсамолета;автомобиль;бионика;природныеформы;кузовавтомобиля;полигональноевыдавливание;тонирование;визуализация.

1.1. Моделирование летательного аппарата

Длямоделированиялетательногоаппарата[Аббасов,СПб.,2004]используетсяграфическаясистематрехмерногомоделированияMechanicalDesktop.В этойсистемеможноосуществлятьмоделированиекактехническихобъектов,таки элементовинтерьераилиландшафта.Длясозданиятрехмерныхмоделейприменяютсятиповыекоманды_extrude_(выдавливание),_revolve_(вращение),_sweep_(изгиб)и _loft_(лофтинг).Самойпростойи очевиднойиз3D-командявляетсякоманда_extrude_.Длясозданиятрехмерноготелаэскизпрофилявыдавливаетсяпотретьейосинарасстояние,равноезаданнойтолщинетела.Профильможетвыдавливатьсяв любомизнаправленийилив двухнаправленияхсразу(такназываемоевыдавливаниеотсреднейплоскости).Превращениеэскизав трехмернуюмодельосуществляетсяпосленаложениянанегонекоторыхограничений.Процессналоженияограниченийвключаетв себясозданиепрофиляилиналожениеразмерныхограничений.
Созданиемоделисостоитизнесколькихэтапов:напервомэтапеопределяемпоследовательностьсозданияконструктивныхчастейи соответствующиедляэтогометоды;навторомэтапепроводимобщуюсборкуи доработкуаппаратав целом;натретьемэтапедлясозданияреалистичноймоделиосуществляемтонированиеи окончательнуювизуализациюмоделилетательногоаппарата.
Напервомэтапемысоздадимкрылолетательногоаппаратав видеповерхностикосогоклина.Дляэтоговычерчиваемнарабочихплоскостяхпрофиликрыла,а созданиесамогокрылаосуществляемметодомлофтинга(методомопорныхсечений).В графическойсистеметрехмерногомоделированияMechanicalDesktopметодлофтингаосуществляетсяс помощьюкоманды_loft_.Сначаласоздаемдверабочиеплоскостии нанихстроимпрофиликрыла,затемпереводимкаждуюфигурув профиль,т. е.накладываем

 Компьютерное моделирование в авиастроении

ограничения.Послевыборакоманды_loft_назапросуказываемпоследовательнопрофиликрыла.Второекрылосоздаемс помощьюзеркальногоотраженияпостроенногокрылаи располагаемихвдольбудущегофюзеляжа.Навторомэтапедлясозданияфюзеляжавыбираемопятьтотжеметодопорныхсечений.В данномслучаеопорныесечениямогутигратьрольнаправляющихшпангоутов.Результатпостроенияопорныхсеченийфюзеляжа(ихчетыре)с крыльямипредставленв видекаркасноймоделинарис. 1.1.Рис.  1.1  Трехмерная каркасная модель летательного аппарата

Спомощьюкоманды_loft_строимповерхностьфюзеляжа,а длясозданиясоплареактивныхдвигателейиспользуемкоманду_ex-
trude_методомвычитания.ЗатемдлясозданияреалистичныхсценРис.  1.2  Сцена визуализации летательного аппарата 
с орбиты Земли

Моделирование обтекаемых поверхностей  13

трехмерноймоделиприсваиваемтекстуры,источникисвета.Выбираемдалеефондлясценыв видефотографииЗемлис орбиты.Сценавизуализациипредставленанарис. 1.2.Следуетотметить,чтоданнуюсценуможносмоделироватьи в другихтрехмерныхсистемах,однакоэтаграфическаясистемапозволяетизготовитьконструкторскуюдокументациюобъекта.1.2. Моделирование ракеты

Создадимтвердотельнуюмодельракетыметодомлофтинга[Аббасов,ДМК,2007]в графическойсистемеAutoCAD.Дляпримененияметодалофтинганеобходимосоздатьисходныйпутьлофтингаи сеченияв видеплоскихфигур.Навидесверхус помощьюдву-
мерныхпримитивовнеобходимопостроитьфигурысеченияракеты,навидеспередистроитсяосьвысотыракеты.Далеефигурысеченияперемещаютсянанеобходимыевысоты,какнарис. 1.3.
Натрехмерномвидес помощьюкомандыSolid\Loft(Тело\Лофтинг)поочередновыбираютсяфигурысеченияповысоте,издиалоговогоокнаLoftSetting(Режимылофтинга)выбираетсяподходящийрежимсглаживания.

Нарис. 1.4представленавизуализациятонированноймоделиракеты,созданнойметодомлофтинганафонеЗемли.1.3. Моделирование 

обтекаеМых поверхностей

СпомощьюграфическойсистемыMechanicalDesktopможномоделироватьобъектыс поверхностями,имеющимиобтекаемуюформу.В качестветакихобъектовчащевсегоиспользуютсяихприродныеаналоги,и в нашемслучаебудетсмоделиро-

Рис. 1.3  Плоские  
фигуры для лофтинга

 Компьютерное моделирование в авиастроении

ванобтекаемыйподводныйобъектв видеската(такназываемый«черныйдьявол»)[Аббасов,СПб.,2003].Рис. 1.4  Визуализация тонированной твердотельной модели ракеты 

Длямоделированияповерхности«черногодьявола»использовалсяметодсозданияповерхностейс несколькимиобразующими(рис. 1.5).В трехмернойсистемеMechanicalDesktopс помощьюкоманды_edgesurf_можнопостроитьнеобычныеповерхности,задаваемыечетырьмяобразующимиобъектами.В качествеобразующихобъектовмогутвыступатьотрезки,дуги,сплайныи по-
лилинии.Покоманде_edgesurf_создаетсямногоугольнаясеть –поверхностьКунса(Coons),т. е.поверхность,определяемаяпочетыремграням.Изображениескатав видеплоскогосплайнабыловписанов габаритныйпрямоугольник.Потомнаосновепрямоугольникабыласозданагабаритнаяпризма,призма,в своюочередь,быларазделенанаболеемелкиепризмы.В соответствиис изображениемската

Моделирование обтекаемых поверхностей  15

в этипризмыбыливписанытрехмерныесплайны.Телоскатабылоразделенонанесколькоучастков,а крыльяв основномбылипостроеныпоцелымтрехмернымсплайнам.В итогесоединениемразличныхфрагментовбылсозданцелостныйобъект.

Рис. 1.5  Трехмерная каркасная модель «черного дьявола»

Далеедлясозданияреалистичныхсцентрехмерноймоделибылприсвоенматериал,отрегулированыисточникисвета.В качествеосновыдляматериалаповерхностискатабылвыбранголубойхром.Учитываяконкретныеусловияокружающейсреды,былискорректированыосновнойцвет,тени,цветотражения,гладкостьповерхности,прозрачность.Дляотраженногоцветаи длянеровностиповерхностииспользоваласьдополнительнаякартатекстурыс отдельногоизображения.Послеприсвоенияматериалабылвыбранфонв видефотографииподводногопейзажа.Сценавизуализациипредставленанарис. 1.6.