Společnost poskytující služby v oblasti leteckého inženýrství využívá řešení Simcenter STAR-CCM+ ke snížení nákladů na certifikaci letadel

Prokazatelně levnější

„Naším cílem bylo mít nejnudnější zkušební letový program, jaký jsme kdy viděli,“ říká Wayne Tygert, hlavní inženýr společnosti Boeing, když popisuje jeden z testovacích letových programů v rámci certifikace letounu 787-10 Dreamliner.

Nuda obvykle není první slovo, které vás napadne, když popisujete něco, co zabralo 900 hodin ve třech testovacích letadlech, tisíce předpisů, více než 4 000 dokumentů a miliony dolarů. A co je to 787-10? Jednoduché prodloužení střední části již certifikovaného letounu 787-9, které pojme o 40 cestujících více. U původního letounu 787 Dreamliner uběhlo od podání žádosti po certifikaci nového návrhu osm let, což si vyžádalo 4 645 letových hodin při letových zkouškách, více než 200 000 hodin práce odborníků Federálního úřadu pro letectví (FAA) a mnohem vyšší náklady na certifikaci.

Získání certifikace letadla (ať už nového, nebo upraveného) je dlouhý, nákladný a byrokratický proces, který však vedl k vytvoření nejbezpečnějšího způsobu dopravy. Každé letadlo, od největších letadel historie až po malé dvoumístné letouny z oceli a látky, musí před zahájením provozu prokázat letovou způsobilost a shodu s předpisy a získat osvědčení od regulačních orgánů.

Obrovské náklady na certifikaci

Náklady na certifikaci se odhadují na 1 milion dolarů pro letadlo primární kategorie (do tří míst), 25 milionů dolarů pro letadlo všeobecného letectví a až 100 milionů dolarů pro komerční letadlo. Náklady na certifikaci a zpoždění se mohou vyšplhat na miliony dolarů a někdy se na ně spotřebuje tolik peněz, kolik by stál vývoj samotného letadla. Tento proces může často rozhodnout o zisku nebo ztrátě.

Často dochází ke zpoždění programu, nedodržení dodacích lhůt, překročení nákladů a bezpečnostním problémům v důsledku návrhů, které nesplňují certifikační požadavky a vyžadují nákladné přepracování a letové zkoušky. Jak mohou společnosti snížit náklady a čas potřebný k certifikaci? Je možné omezit nákladné zkoušky a zároveň prokázat letovou způsobilost?

Robert Lind a Andrew McComas ze společnosti TLG Aerospace mají 45 let zkušeností s návrhem, vývojem a certifikací letadel a tyto výzvy jim nejsou cizí. Jejich skromná kancelář, která zabírá jedno patro nenápadné šestipodlažní budovy u seattleského jezera Union, je plná zkušeností a odborných znalostí a seznam klientů se podobá seznamu osobností moderního letectví. Společnost TLG Aerospace pomohla mnoha zákazníkům v USA získat certifikaci FAA s nízkými náklady a v krátkém čase, čehož dosáhla s překvapivou efektivitou.

Certifikace na základě analýzy

Certifikace letadel FAA zahrnuje tři fáze, kterými jsou certifikace návrhu, certifikace výroby a certifikace letové způsobilosti. Fáze certifikace návrhu zahrnuje schválení bezpečnosti, provozuschopnosti a životnosti návrhu, přičemž pro nové návrhy se vydává typové osvědčení a pro modifikované návrhy doplňkové typové osvědčení. Ve fázi certifikace výroby se vydává povolení k výrobě součástí, komponent a systémů letadla. Ve fázi letové způsobilosti se vydává povolení k provozu letadla.

Podobný proces probíhá i u ostatních světových regulačních agentur. FAA vyžaduje certifikaci na základě testu nebo analýzy ověřené testem. V odvětví se tento proces označuje jako certifikace na základě analýzy. Tyto analýzy se provádějí pomocí úplného modelu letadla, který je ověřený letovou zkouškou v určitém rozsahu letové obálky na základě předchozí dohody s certifikačním orgánem. Kompletní model letadla zahrnuje následující oblasti:

• Aerodynamika: Kombinace výpočetní dynamiky kapalin (CFD), metod nízkého řádu, aerodynamického tunelu a příručkové analýzy ověřené měřením tlaku a deformace při letových zkouškách
• Struktury: Analýza metodou konečných prvků (FEA) a příručkové výpočty ověřené testováním povrchových vibrací a statického zatížení
• Hmotnostní vlastnosti: Počítačem podporované navrhování (CAD) a analýza hmotnosti ověřená vážením
• Ovládání letadla: Nařízení spojené s ovládáním letadla ověřená pomocí integrované simulace a letových zkoušek

Integrovaný model celého letadla se nakonec ověřuje letovou zkouškou a musí se prokázat, že je přesný nebo konzervativní. Certifikační orgány zajišťují, že analýza přinese bezpečný výsledek. Výrobce OEM obvykle dbá na omezení konzervativnosti, aby se vyhnul nadměrné hmotnosti a nedostatečnému výkonu.

Přístup společnosti TLG Aerospace k certifikaci pomocí CFD

„Změnila se rovnováha mezi tím, kolik analýz můžete provést a kolik jich můžete použít v certifikačním procesu,“ říká Lind, ředitel inženýrství, pověřený inženýrský zástupce FAA pro letové analýzy ze společnosti TLG Aerospace. „Za 30 let mého působení v oboru je to opravdu vzrušující událost. Jelikož kódy CFD a počítače jsou stále výkonnější, můžeme certifikovat rychleji a levněji.“

Většina Lindovy práce zahrnuje získávání zákazníků pro typové osvědčení s analýzou. Jako jeden ze čtyř rezidentních pověřených inženýrských zástupců společnosti TLG Aerospace může podepisovat určité certifikační funkce jménem FAA. Společnost TLG Aerospace používá řešení Simcenter STAR-CCM+™ od společnosti Siemens Digital Industries Software pro analýzu CFD a řešení MSC Nastran® pro analýzu konečných prvků s cílem vyvinout certifikační modely celého letadla pro zatížení, třepetání a ovládání, které jsou vhodně modelovány pro celou letovou obálku.

Andrew McComas, vedoucí inženýr a aerodynamik společnosti TLG Aerospace, říká: „Řešení Simcenter STAR-CCM+ používáme v certifikačním prostředí, které se liší od návrhu. V procesu certifikace hraje CFD velkou roli. Nepoužíváme CFD k tomu, abychom získali výsledek, který se bude líbit FAA. Pomocí CFD vytváříme model aerodynamiky, konstrukce a ovládání v plném měřítku, abychom mohli simulovat odezvu letadla a získat informace o zatížení a letových vlastnostech.“

K certifikaci nového letadla je zapotřebí aerodynamická databáze. Vytvoření celé analytické databáze by vyžadovalo, aby byly v krátkém čase k dispozici údaje o stovkách tisíc stavů. Aerodynamické vlastnosti letadla se vypočítávají při návrhu a při extrémních hodnotách letové obálky pomocí CFD. Výsledky CFD jsou v rámci aeroelastického procesu mapovány na aerodynamický model nízkého řádu. Společnost TLG Aerospace kalibruje aeroelastický model a vyvíjí aeroelastická řešení celého letadla, která jsou podložena daty CFD. Konečný aeroelastický model bude reprodukovat integrovanou a distribuovanou aerodynamiku celého letadla v tuhém režimu a poskytne konvergované aeroelastické řešení během několika sekund.

Nyní jsou k dispozici předpovědi, které při naplnění určitých podmínek ukazují splnění konkrétních předpisů. Letové zkoušky pak ověřují platnost analytických modelů. Toto ověření může být omezené na menší než plnou letovou obálku, aby se snížilo riziko testování za letu. Po ověření je možné to vše použít k prokázání shody za jiných letových podmínek. Existence vysoce věrného modelu před letovou zkouškou výrazně snižuje množství nutných úprav a kalibrací modelu po letové zkoušce.

Snížení nákladů na certifikaci pomocí řešení Simcenter STAR-CCM+

Za průlom ve snižování nákladů na certifikaci vděčí McComas řešením Simcenter STAR-CCM+ a Amazon Web Services (AWS).

„Řešení Simcenter STAR-CCM+ pracuje robustně, přesně a opakovaně s jednoduchými procesy a osvědčenými postupy,“ říká McComas. „To dalo společnostem jistotu, že kód se dá použít jako zdroj pro generování leteckých databází. Elastické výpočty v rámci řešení AWS s licencí Power-on-Demand společnosti Siemens pomáhají v cloudu bezpečně spouštět více simulací na více výpočetních clusterech současně. Kdybychom neměli licenční model POD, nemohli bychom plně využívat elastické výpočetní zdroje a museli bychom vynaložit velké náklady na roční licence.“

Stručně řečeno, celou leteckou databázi je možné vytvořit v kratším čase s cenově výhodným licencováním. Další výhoda? Omezení testů v aerodynamickém tunelu.

CFD nebo aerodynamický tunel? Odpověď je obojí. Díky zkušenostem z více než 100 testovacích kampaní v aerodynamickém tunelu při nízkých i vysokých rychlostech má společnost TLG Aerospace významné experimentální zázemí v oblasti testování. Vypadlo tedy testování v aerodynamickém tunelu z obliby? Vůbec ne.

Obecně lze říct, že aerodynamický tunel je stále králem – ale králem, který nyní stále častěji deleguje spravedlivý podíl královských povinností na důvěryhodný poradní sbor CFD. Zkoušky v aerodynamickém tunelu se stále používají pro vývoj leteckých databází pro nové konfigurace letadel. CFD však v některých podmínkách doplňuje testy a v jiných je nahrazuje, což vede k velkým úsporám. Obrázek 4 představuje pomyslné srovnání starších kódů CFD a řešení Simcenter STAR-CCM+ ve srovnání s testováním v aerodynamickém tunelu podle společnosti TLG Aerospace. Řešení Simcenter STAR-CCM+ může s minimální investicí snížit a nahradit některé požadavky na testování. Vzhledem k míře využití a nákladům na model pro zkoušky v aerodynamickém tunelu to může znamenat výraznou úsporu času a nákladů.

Zkoušky v aerodynamickém tunelu jsou stále nejvhodnější pro počáteční režimy separace, jako je analýza vysokého úhlu náběhu a bočního skluzu. CFD se nejlépe osvědčuje při mírných úhlech náběhu a při podrobném zkoumání proudového pole.

„Velké databáze je možné v řešení Simcenter STAR-CCM+ provozovat již dnes, a to za zlomek nákladů a časového plánu starších metod a testování v aerodynamickém tunelu,“ říká McComas. „To ještě před deseti lety nebylo možné.“

Díky elastickým výpočtům a cloudovému licencování neexistují žádná technická omezení pro současný běh velkého počtu případů CFD. Společnost TLG Aerospace je také schopná pravidelně spouštět rozsáhlé plně detailní simulace, přičemž většina modelů se spouští za méně než hodinu bez ohledu na jejich velikost, což dříve nebylo možné.

Společnost TLG Aerospace ušetří díky elastickým výpočtům s řešením AWS 75 procent celkových nákladů na simulaci CFD. Za touto technologií stojí řešení Amazon EC2 Spot Instances, což je nabídka společnosti Amazon pro využití nevyužité výpočetní kapacity v cloudu AWS s výraznými slevami.

CFD není pro certifikaci jen jednoúčelová záležitost

Modifikace a doplňky stávajících letadel s typovým osvědčením budou mít vliv na předpisy. Překonávání hranic letové obálky starších letadel pomocí nových úprav je nebezpečné, nákladné a časově náročné. FAA povoluje CFD jako prostředek k prokázání, že se shoda původního letadla s předpisy v důsledku modifikací nezměnila. Společnosti, jako je TLG Aerospace, to přijaly s plným nasazením a využívají CFD k vytváření podpůrných údajů a argumentů prokazujících shodu.

„V minulosti museli inženýři bez otázek přejít k testování jakýchkoli provedených úprav. Nyní CFD poskytuje data, která umožňují eliminovat některé požadavky na zkoušky,“ říká McComas.

Další aplikace CFD při certifikaci zahrnují tlakové zatížení sekundárních konstrukcí, kapotáží, antén a radomů, akreci ledu, umístění systému pro přenos dat, vnitřní proudění, křídla a nejen to.

Pojďme si projít následující scénář: Představte si, že je na letadlo připevněn nový radom. Aby výrobce vyhověl předpisům, musí nyní prokázat, že pokud se konstrukce oddělí od letadla, bezpečně se oddělí bez nárazu. Oddělit radom od konstrukce letadla při letové zkoušce bude docela oříšek! Podobné problémy existují i při prokazování, že námraza na nové konstrukci nemá vliv na dodržování předpisů a bezpečnost provozu.

„Jedinou schůdnou možností je použít validovanou analýzu, která ukáže, že konstrukce splňuje kritéria bezpečného oddělení,“ říká McComas. „Pro společnost TLG Aerospace má řešení Simcenter STAR-CCM+ integrované všechny nástroje, které umožňují provádět tyto výpočty bez dalšího softwaru třetích stran.“

Kromě toho bude z certifikace na základě analýzy těžit také množství nových inovativních letadel, jako jsou bezpilotní letouny a letecké taxíky, vojenská letadla, znovuzrozené nadzvukové letouny a další.

Písmeno „C“ ve zkratce CFD znamená certifikaci

„Řešení Simcenter STAR-CCM+ přispělo k získání mnoha certifikátů schválených FAA,“ říká McComas. „Ve společnosti TLG Aerospace hraje roli v každém certifikačním programu.“

Je nepravděpodobné, že CFD někdy zcela nahradí testování v aerodynamickém tunelu, protože počítače, kódy a licence se neustále vyvíjejí. Nicméně úloha CFD při certifikaci bude postupem času jen narůstat a doplňovat letové zkoušky.

Společnosti, jako je TLG Aerospace, prozatím našly spolehlivého pomocníka v CFD pro certifikaci, který dokáže zvládnout těžkou práci při prokazování shody v extrémních podmínkách letové obálky, snížit počet podmínek letových zkoušek, umožnit zkoušky při nižších zatíženích a předvídat potenciální nebezpečí při zkouškách. Flexibilní licencování a elastické výpočty dále posilují opodstatněnost certifikace na základě analýzy.

„Nyní se můžeme ucházet o projekty většího rozsahu, být konkurenceschopnější, přenášet úspory na naše zákazníky a udělat za naše peníze mnohem více práce,“ říká McComas.