Firma świadcząca usługi inżynieryjne w branży lotniczej stosuje oprogramowanie Simcenter STAR-CCM+, aby obniżyć koszty certyfikacji statków powietrznych

Certyfikowane oszczędności

„Naszym celem było stworzenie jak najnudniejszego programu testów przeprowadzanych podczas lotu” – tak Wayne Tygert, główny inżynier firmy Boeing, mówi o jednym z programów testów samolotu 787-10 Dreamliner wykonywanych na potrzeby certyfikacji.

Nuda zazwyczaj nie jest pierwszym słowem, które przychodzi na myśl w odniesieniu do zadania, które wymaga 900 godzin testów, trzech samolotów, analizy tysięcy przepisów, utworzenia ponad 4000 dokumentów i wydania milionów dolarów. Co kryje się za oznaczeniem 787-10? Zwykła rozbudowa środkowej części certyfikowanego modelu 787-9, umożliwiająca pomieszczenie 40 dodatkowych pasażerów. Uzyskanie certyfikacji oryginalnego projektu Boeinga 787 zajęło osiem lat i wymagało 4645 godzin testów podczas lotu, ponad 200 000 godzin pracy ekspertów z Federalnej Administracji Lotnictwa (FAA, ang. Federal Aviation Administration) i znacznie wyższe koszty.

Uzyskanie certyfikatu statku powietrznego, niezależnie od tego, czy chodzi o nowy projekt, czy jego modyfikację, jest długim, kosztownym i biurokratycznym procesem, skutkującym jednak najbezpieczniejszym możliwym środkiem transportu. Od największych statków powietrznych w historii po małe dwumiejscowe awionetki wykonane ze stali i tkaniny, każdy z nich musi zostać sprawdzony pod kątem zdatności do lotu i zgodności z przepisami oraz certyfikowany przez organy regulacyjne przed wprowadzeniem do eksploatacji.

Ogromne koszty certyfikacji

Szacuje się, że koszt certyfikacji wynosi milion dolarów w przypadku statku powietrznego podstawowej kategorii (maksymalnie 3-miejscowego), 25 milionów dolarów w przypadku statku powietrznego lotnictwa cywilnego nierozkładowego oraz ponad 100 milionów dolarów w przypadku komercyjnych statków powietrznych. Koszty certyfikacji i ewentualnych opóźnień mogą sięgać milionów dolarów, czasami dorównując kosztom rozwoju nowego statku powietrznego. Ten proces często może decydować o zysku lub stratach.

Często dochodzi do opóźnień w realizacji programu, niedotrzymanych terminów dostaw, przekroczenia budżetu i problemów z bezpieczeństwem spowodowanych niespełnianiem wymagań certyfikacyjnych, co skutkuje kosztownym przeprojektowaniem i koniecznością przeprowadzenia testów podczas lotu. W jaki sposób można zmniejszyć koszty i skrócić czas procesu certyfikacji? Czy można ograniczyć konieczność wykonywania kosztownych testów, a jednocześnie skutecznie zweryfikować zdatność do lotu statku powietrznego?

Robert Lind i Andrew McComas z firmy TLG Aerospace mają łącznie 45-letnie doświadczenie w projektowaniu, rozwoju i certyfikacji samolotów oraz rozwiązywaniu takich problemów. Ich skromne biuro, zajmujące jedno piętro niepozornego 6-kondygnacyjnego budynku nad jeziorem Union w Seattle, jest siedzibą doświadczenia i wiedzy, które sprawiają, że lista klientów jest jak „kto jest kim” w branży lotniczej. Firma TLG Aerospace pomogła wielu swoim klientom uzyskać certyfikat FAA w USA niskim kosztem, w krótkim czasie oraz z zaskakującą wydajnością.

Certyfikacja na podstawie analiz

Proces certyfikacji statków powietrznych przez FAA obejmuje trzy etapy: certyfikację projektu, certyfikację produkcji i certyfikację zdatności do lotu. Etap certyfikacji projektu składa się z zatwierdzenia bezpieczeństwa, jego funkcjonalności i wytrzymałości konstrukcji, z certyfikatem typu (TC, ang type certificate) dotyczących nowych projektów i uzupełniającym certyfikatem typu (STC, ang. supplemental type certificate) w przypadku projektów zmodyfikowanych. Etap certyfikacji produkcji obejmuje zatwierdzenie wytwarzania części, komponentów i układów, a certyfikacja zdatności do lotu jest niezbędna do wprowadzenia statku powietrznego do eksploatacji.

Ten proces wygląda podobnie również w przypadku innych globalnych agencji regulacyjnych. Federacja Administracji Lotnictwa stosuje certyfikację na podstawie testów lub analiz zweryfikowanych przez testy. W branży jest to określane mianem certyfikacji na podstawie analiz (CBA, ang. certification by analysis). Analizy przeprowadza się przy użyciu pełnego modelu statku powietrznego, który jest zatwierdzany drogą testów przeprowadzanych podczas lotu w zakresie obwiedni obciążeń określonym przez organ certyfikacyjny. Pełny model statku powietrznego obejmuje następujące obszary:

• Aerodynamika: połączenie analizy mechaniki płynów (CFD), metod niskiego rzędu, tunelu aerodynamicznego i klasycznych analiz potwierdzonych pomiarami ciśnienia i odkształceń w locie.

• Konstrukcja: analiza metodą elementów skończonych (MES) i klasyczne obliczenia potwierdzone przez naziemne testy drgań (GVT, ang. ground virabtion testing) i naziemne testy z obciążeniami statycznymi.

• Właściwości masy: projektowanie wspomagane komputerowo (CAD) i rejestrowanie mas zweryfikowane przez ważenie.

• Sterowanie lotem: zasady sterowania lotem zatwierdzone drogą zintegrowanych testów symulacji oraz przeprowadzanych podczas lotu.

Ostateczne zatwierdzenie modelu pełnego statku powietrznego jest przeprowadzane podczas testów w locie; model musi zostać uznany za dokładny lub zachowawczy. Organy certyfikacyjne upewniają się, że analizy pozwalają uzyskać bezpieczne wyniki. Producenci oryginalnego sprzętu (OEM) zazwyczaj dążą do ograniczenia zachowawczych rozwiązań, aby ograniczyć masę i utratę efektywności.

Podejście firmy TLG Aerospace do certyfikacji na podstawie analiz CFD

„Jesteśmy świadkami zmiany równowagi między liczbą analiz, które można wykonać, i analiz, które można wykorzystać w procesie certyfikacji” – mówi Lind, dyrektor ds. inżynierii, będący wyznaczonym przedstawicielem inżynieryjnym FAA ds. analiz flatteru w firmie TLG Aerospace. „To naprawdę interesująca zmiana z perspektywy mojego 30-letniego doświadczenia w branży. Wzrost efektywności kodów CFD i komputerów oznacza możliwość przeprowadzania certyfikacji szybciej i taniej”.

Praca Linda polega głównie na przekonywaniu klientów do wykonywania certyfikacji typu na podstawie analiz. Jako jeden z czterech wyznaczonych przedstawicieli inżynieryjnych w firmie TLG Aerospace może zatwierdzać pewne aspekty certyfikacji w imieniu FAA. TLG Aerospace stosuje oprogramowanie Simcenter STAR-CCM+ ™ firmy Siemens Digital Industries Software do wykonywania analiz CFD oraz oprogramowanie MSC Nastran® do analiz MES w celu opracowywania pełnych modeli certyfikacyjnych statków powietrznych z uwzględnieniem obciążeń, flatteru i charakterystyki obsługi, modelowanych dla całej obwiedni obciążeń.

Andrew McComas, kierownik ds. inżynierii i aerodynamiki w firmie TLG Aerospace, mówi: „Używamy oprogramowania Simcenter STAR-CCM+ w środowisku certyfikacji, które różni się od środowiska projektowania. Analizy CFD odgrywają bardzo istotną rolę w procesie certyfikacji. Nie używamy ich po to, aby uzyskać odpowiedź, którą następnie podsuwamy FAA do zatwierdzenia, lecz do zbudowania pełnowymiarowego modelu danych aerodynamicznych / konstrukcji / sterowania, aby symulować reakcje statku powietrznego oraz generować informacje o obciążeniach i obsłudze”.

Certyfikacja nowego statku powietrznego wymaga bazy danych aerodynamicznych. Zbudowanie całej bazy danych na potrzeby analiz wymagałoby uzyskania w krótkim czasie danych opisujących setki tysięcy różnych warunków. Właściwości aerodynamiczne statku powietrznego oblicza się przy użyciu analiz CFD podczas projektowania i dla skrajnych obwiedni obciążeń. Wyniki tych analiz są następnie odwzorowywane w modelu aerodynamicznym zredukowanego rzędu w procesie analizy aeroelastycznej. Firma TLG Aerospace kalibruje model aeroelastyczny w celu opracowania rozwiązań dla całego statku powietrznego z wykorzystaniem analiz CFD sztywnego modelu. Ostateczny model aeroelastyczny pozwala odtworzyć zintegrowaną i rozproszoną aerodynamikę całego statku powietrznego w trybie sztywnym i uzyskać konwergentne rozwiązanie aeroelastyczne w ciągu kilku sekund.

Na tej podstawie można prognozować, czy wymagania wynikające z przepisów zostaną spełnione w określonych warunkach. Testy przeprowadzane podczas lotu umożliwiają zweryfikowanie modeli analitycznych. Tę weryfikację można ograniczyć do zakresu nieobejmującego pełnej obwiedni obciążeń, aby zmniejszyć ryzyko związane z testami podczas lotu. Po pozytywnym wyniku weryfikacji modelu można użyć do wykazania zgodności w innych warunkach lotu. Uzyskanie modelu testowego wysokiej jakości przed przeprowadzeniem testów podczas lotu znacznie zmniejsza ilość wymaganych korekt i kalibracji modelu testowego po testach podczas lotu.

Obniżenie kosztów certyfikacji dzięki oprogramowaniu Simcenter STAR-CCM+

McComas uważa, że oprogramowanie Simcenter STAR-CCM+ w połączeniu z platformą Amazon Web Services (AWS) przyniosło przełom w redukcji kosztów certyfikacji.

„Oprogramowanie Simcenter STAR-CCM+ działa solidnie, dokładnie i powtarzalnie dzięki prostym procesom i zintegrowanym najlepszym praktykom” – mówi McComas. „Daje to pewność, że kodu można używać jako źródła do generowania baz danych aerodynamicznych. Elastyczne przetwarzanie danych z platformy AWS w połączeniu z licencjonowaniem na żądanie firmy Siemens pomaga w bezpieczny sposób przeprowadzać jednocześnie wiele symulacji na licznych klastrach obliczeniowych w chmurze. Bez modelu licencjonowania na żądanie nie bylibyśmy w stanie w pełni wykorzystać elastycznych zasobów obliczeniowych i ponosilibyśmy wysokie koszty licencji rocznych”.

Krótko mówiąc, dzięki elastycznemu licencjonowaniu całą bazę danych aerodynamicznych można zbudować w krótszym czasie. Dodatkowa korzyść? Ograniczenie testów przeprowadzanych w tunelu aerodynamicznym.

Analizy CFD czy testy w tunelu aerodynamicznym? I jedno, i drugie. Dzięki doświadczeniu zdobytemu w ponad 100 kampaniach testowych w tunelu aerodynamicznym przy niskich i wysokich prędkościach firma TLG Aerospace dysponuje rozległym doświadczeniem empirycznym w zakresie testów. Czy oznacza to w takim razie, że testy w tunelu aerodynamicznym wypadły z łask? Zdecydowanie nie.

Tunel aerodynamiczny wciąż rządzi – żeby posłużyć się potocznym określeniem – jednak coraz częściej dzieli się tą władzą z radą zaufanych doradców spod znaku analiz CFD. Testy w tunelu aerodynamicznym są w dalszym ciągu używane do opracowywania baz danych aerodynamicznych nowych konfiguracji statków powietrznych. Analizy CFD stanowią uzupełnienie testów bądź zastępują je w niektórych warunkach, pozwalając uzyskać ogromne oszczędności. Ilustracja 4 przedstawia zestawienie starszych kodów CFD i oprogramowania Simcenter STAR-CCM+ w porównaniu z testami w tunelu aerodynamicznym oczami ekspertów z firmy TLG Aerospace. Przy minimalnych nakładach finansowych oprogramowanie Simcenter STAR-CCM+ może ograniczyć konieczność przeprowadzania testów fizycznych lub wręcz wyeliminować je w niektórych sytuacjach. Biorąc pod uwagę poziom wykorzystania i koszt modelu w porównaniu z testami w tunelu aerodynamicznym, może to przełożyć się na znaczne oszczędności czasu i kosztów.

Testy w tunelu aerodynamicznym nadal są niezastąpione, jeśli chodzi o badania schematów początkowej separacji, takich jak analiza wysokiego kąta natarcia i ześlizgu. Analiza CFD sprawdza się najlepiej w przypadku umiarkowanych kątów natarcia i szczegółowych badań pola przepływu.

„Oprogramowanie Simcenter STAR-CCM+ umożliwia korzystanie z dużych baz danych znacznie taniej i szybciej w porównaniu ze starszymi metodami i testami przeprowadzanymi w tunelu aerodynamicznym” – mówi McComas. „Jeszcze dziesięć lat temu nie było to możliwe”.

Dzięki elastycznemu przetwarzaniu i licencjonowaniu w chmurze wyeliminowano ograniczenia techniczne jednoczesnego uruchamiania dużej liczby instancji analiz CFD. Firma TLG Aerospace jest również w stanie regularnie przeprowadzać rozległe i szczegółowe symulacje, przy czym analiza większości z nich zajmuje niecałą godzinę, niezależnie od ich wielkości, co wcześniej nie było możliwe.

Korzystając z elastycznego przetwarzania na platformie AWS, TLG Aerospace obniżyła całkowite koszty symulacji CFD o 75%. Jest to możliwe dzięki technologii Amazon EC2 Spot Instances, która pozwala wykorzystać wolne moce obliczeniowe w chmurze AWS z dużymi rabatami.

Analizy CFD nie są uniwersalnym rozwiązaniem do uzyskania certyfikacji

Modyfikacje i rozbudowa istniejących modeli ze świadectwem homologacji typu będą mieć wpływ na przepisy. Testowanie granic obwiedni obciążeń zmodyfikowanych starszych konstrukcji jest niebezpieczne, kosztowne i czasochłonne. Federacja Administracji Lotnictwa dopuszcza stosowanie analiz CFD w celu wykazania, że wprowadzanie modyfikacji nie wpływa na zgodność oryginalnej konstrukcji z wymogami. Firmy takie jak TLG Aerospace przyjęły to z entuzjazmem, wykorzystując analizy CFD do generowania danych pomocniczych i argumentów potwierdzających zgodność z wymogami.

„W przeszłości inżynierowie musieli bezwzględnie wykonywać testy w celu wprowadzenia jakichkolwiek modyfikacji. Teraz można sięgać po analizy CFD, aby uzyskać dane pozwalające wyeliminować konieczność wykonywania niektórych testów” – mówi McComas.

Inne zastosowania analiz CFD w procesie certyfikacji obejmują obciążenie ciśnieniowe konstrukcji drugorzędnych, owiewek, anten i osłon, obrastanie lodem, lokalizację systemu kontroli lotu, przepływy wewnętrzne, skrzydełka aerodynamiczne itp.

Wyobraźmy sobie taki scenariusz: Samolot wyposażono w nową osłonę. Aby zachować zgodność z przepisami, producent musi teraz udowodnić, że jw razie oddzielenia się konstrukcji od samolotu przebiegnie to bezpiecznie, bez uderzenia. Powodzenia w odłamywaniu tej osłony w testach podczas lotu! Podobne wyzwania wiążą się z udowodnieniem, że oblodzenie nowej konstrukcji nie wpływa na jej zgodność z przepisami i bezpieczeństwo eksploatacyjne.

„Jedyną możliwą opcją jest zastosowanie zweryfikowanej analizy w celu wykazania, że konstrukcja spełnia kryteria bezpiecznej separacji” – mówi McComas. „Zdaniem firmy TLG Aerospace oprogramowanie Simcenter STAR-CCM+ jest wyposażone we wszystkie niezbędne narzędzia do wykonywania tych obliczeń bez konieczności korzystania z oprogramowania innych firm”.

Wobec zalewu nowych, innowacyjnych statków powietrznych, takich jak drony i taksówki powietrzne, samoloty wojskowe, wskrzeszone samoloty ponaddźwiękowe itp., rośnie znaczenie certyfikacji na podstawie analizy.

CFD: C jak certyfikacja

„Oprogramowanie Simcenter STAR-CCM+ w wielu przypadkach ułatwiło uzyskanie certyfikatów FAA” – mówi McComas. „W firmie TLG Aerospace używamy go za każdym razem w programie certyfikacji”.

Wydaje się mało prawdopodobne, aby analiza CFD kiedykolwiek całkowicie zastąpiła testy w tunelu aerodynamicznym, mimo ciągłego rozwoju komputerów, kodu i licencji. Jej znaczenie w procesie certyfikacji będzie jednak rosło z czasem, jako metody stanowiącej dopełnienie testów przeprowadzanych podczas lotu.

Na razie firmy takie jak TLG Aerospace używają analiz CFD jako niezawodnego narzędzia w procesie certyfikacji, umożliwiającego wykonanie trudnych i żmudnych zadań, takich tak wykazanie zgodności z wymogami w obwiedni ekstremalnych obciążeń, zmniejszenie liczby warunków testów podczas lotu, umożliwienie stosowania mniejszych obciążeń podczas testów oraz prognozowanie potencjalnych zagrożeń w trakcie testów. Elastyczne licencjonowanie i przetwarzanie danych jeszcze bardziej wzmacniają argumenty przemawiające za certyfikacją na podstawie analiz.

„Możemy teraz ubiegać się o zlecenia na większą skalę, zyskać przewagę konkurencyjną, realizować oszczędności dla naszych klientów i bardziej efektywnie wykorzystywać dostępny budżet” – mówi McComas.