Кругосветный полет без единой капли топлива

Проект Solar Impulse

Полет вокруг света на энергии Солнца

Solar Impulse — проект самолета на солнечных батареях, возглавляемый швейцарским психиатром и аэронавтом Бертраном Пиккаром, который был вторым пилотом на борту первого в мире воздушного шара, совершившего беспосадочный кругосветный перелет, а также швейцарским инженером и предпринимателем Андре Боршбергом. Цель проекта состоит в кругосветном путешествии на самолете, приводимом в движение только солнечной энергией. Полет на расстояние 35 тыс. км и продолжительностью в 500 часов запланирован на март 2015 г.

Построенный для кругосветного путешествия самолет — уже второй, созданный в рамках проекта. Его швейцарский регистрационный номер — HB-SIB, а название — Solar Impulse 2. Предшественник с бортовым номером HB-SIA, впервые поднявшийся в небо в 2009 г., смог продержаться в воздухе целые сутки, включая 9 часов в темноте. Общая продолжительность состоявшегося в июле 2010 г. полета достигла 26 часов.

На основе опыта, полученного при ис-пытаниях самолета HB-SIA, у модели Solar Impulse 2 размах крыльев увеличили до 71,9 м. Это лишь чуть меньше, чем у самого большого в мире пассажирского самолета Airbus A380. Кроме того, полезный объем кабины вырос в три раза, что обеспечивает выполнение многодневных трансконти-нентальных полетов и пересечение океанов.

Один из наиболее интересных аспектов конструкции Solar Impulse 2 состоит в том, что при столь огромном размахе крыльев и тяжелых аккумуляторах (633 кг) масса самолета (2300 кг) лишь немного превышает массу среднего легкового автомобиля. Разумеется, снижение массы стало одной из главных задач при разработке проекта. «На самолете необходимо установить много аккумуляторов, а они очень тяжелые», — поясняет Гери Пиллер, главный специалист по прочностным расчетам проекта Solar Impulse. «При этом КПД солнечных батарей очень невелик, поэтому весь самолет должен быть предельно легким».

Все виды конечноэлементных расчетов — в одной системе

Возглавляемая Пиллером группа инженеров-прочнистов, в которую входят еще четыре человека, выполняла конечноэлементные расчеты самолетов HB-SIA и HB-SIB в системе Femap™ с NX™ Nastran®, разработанной компанией Siemens PLM Software, специализирующейся на решениях по управлению жизненным циклом изделия. Компания внедрила Femap с NX Nastran в 2007 г. Эти системы продолжают активно применяться и сегодня для совершенствования конструкции самолета Solar Impulse 2 в ходе его подготовки к кругосветному полету.

Пиллер выбрал решение Femap с NX Nastran для работ по проекту Solar Impulse, потому что именно эту систему используют в швейцарской компании AeroFEM, являющейся партнером Siemens PLM Software. Компания AeroFEM был привлечена к проекту Solar Impulse для выполнения особых видов расчетов, в частности — аэроупругости и динамики вращающихся тел. Femap с NX Nastran выполняет самые разные виды расчетов (прочностные, расчеты деформированного состояния, больших деформаций и пр.), необходимые для проекта Solar Impulse. Выбор данного решения обеспечил надежную совместную работу двух групп специалистов. «Инженеры компании AeroFEM фактически стали частью моей команды», — отмечает Пиллер. «Наша совместная работа идет просто отлично».

Широкие функциональные возможности подготовки данных для расчетов и анализа получаемых результатов

Созданная конструкторами самолета Solar Impulse геометрия загружается в Femap в исходном формате файлов CAD-системы, либо в форматах STEP или IGES. На основе этой геометрии строятся конечноэлементные модели. При этом в системе Femap имеется и собственный редактор моделей. По мнению Пиллера, с ним очень удобно работать, особенно при расчетах композитных материалов, из которых выполнена большая часть деталей самолета. «Описание слоев выполняется очень просто», — отмечает он. «Работая в Femap, мы быстро освоили эту процедуру».

В качестве примера задачи, для решения которой применяется и импортированная, и созданная в Femap геометрия, Пиллер упоминает прочностной расчет крыльев. Сначала для расчета применялась созданная в CAD-системе геометрия внешних обводов крыла. При этом была создана простая расчетная модель, позволившая выявить пути нагружения. Затем при помощи Femap к модели были добавлены трехмерные твердотельные элементы, представляющие ячеистую внутреннюю структуру из материала Kevlar®. Это позволило выполнить более точные расчеты, в частности — оценить локальные и глобальные деформации конструкции.

Конечноэлементные модели металлических деталей самолета содержат от 50 до 500 тыс. элементов. Модель крыла состоит из двух миллионов элементов. Как правило, в прочностном расчете рассматривается 10…20 вариантов нагружения, а в расчете долговечности — до 160.

Группа Пиллера воспользовалась наличием в системе Femap интерфейса для подключения внешних приложений (API) и разработала программы автоматизации ряда видов расчетов. Одна такая очень полезная программа применяет принятые в проекте нормы прочности при расчетах композитов, что автоматизирует процесс контроля деталей из таких материалов. Другая программа запускается по окончании расчета композитных деталей и автоматически оценивает полученные результаты, выявляя наиболее нагруженные слои. При этом сразу же видны места возможных разрушений в композите или многослойной структуре. «Подобные программы экономят время и, что не менее важно, помогают достичь высокой точности расчетов», — отмечает Пиллер.

Расчетчики часто применяют выдаваемую системой Femap таблицу данных для быстрой оценки результатов проведенного анализа. Например, функция ранжирования сразу же показывает минимальное и максимальное значения механических напряжений в конструкции. «Мы широко применяем данную возможность. Она особенно полезна тем, что можно объединять результаты разных расчетов», — рассказывает Пиллер.

Объем кабины вырос в три раза, а масса — менее чем в два

Конкретный пример пользы, приносимой Femap с NX Nastran в рамках данного проекта — разработка кабины, в ходе которой конечноэлементные расчеты сыграли важнейшую роль. Одноместная кабина самолета для кругосветного путешествия очень мала (3,8 м3), но это в три раза больше, чем было на первом самолете Solar Impulse (на самом деле новая кабина стала настолько просторнее, что на сайте проекта Solar Impulse появилась шутка: «мы пересадили пилота в бизнес-класс »).

Хотя новая кабина выросла в три раза, ее масса увеличилась менее чем вдвое (60 кг по сравнению с 42 кг на первом самолете).

Конструкция крыла — еще один пример того, как применение Femap помогло заметно снизить массу. Крыло состоит из ячеистого кевларового заполнителя, покрытого современным углепластиком. Поскольку скорость нового самолета будет выше, крыло должно выдерживать более высокие нагрузки. Специалисты применили систему Femap для оптимизации расположения слоев углеволокна, чтобы достичь нужной прочности при минимальном приросте массы. Материал с массой 100 г/м2 был заменен материалом, квадратный метр которого весит всего лишь 25 грамм, что дало существенное снижение массы. Кроме того, мотогондола нового самолета также должна выдерживать более высокие нагрузки при минимальном приросте массы. Этого удалось достичь, в частности, переходом от каркасной конструкции к многослойной несущей обшивке, а также применением конечноэлементных расчетов для оптимизации таких элементов, как обтекатели и полки лонжеронов.

Благодаря применению системы Femap Пиллер с коллегами смогли быстро выявить наилучшие способы снижения массы самолета при сохранении прочности, достаточной для трудного кругосветного полета. «Работая в Femap, очень легко выявлять места, требующие доработки и оптимизации», — отмечает Пиллер.

One FEA solution for many types of analysis

Piller’s structural analysis team, which consists of Piller and four other engineers, used Simcenter Femap™ with Nastran® software, from product lifecycle management (PLM) specialist Siemens Digital Industries Software, as the finite element analysis (FEA) solution for the design of both the HB-SIA and the HB-SIB. The company started using Simcenter Femap with Nastran in 2007, and it is still using the software today as it fine-tunes the Solar Impulse 2 for its around-theworld journey.

Piller chose Simcenter Femap with Nastran for the Solar Impulse project because it is the solution used by the Swiss engineering company and Siemens Digital Industries Software partner AeroFEM, which was contracted by Solar Impulse to perform special analyses like aeroelasticity and rotor dynamics. Simcenter Femap with Nastran supports all the different types of analysis (strength, buckling, large deformation, etc.) required for the Solar Impulse project, and choosing this solution would allow the two groups to collaborate seamlessly. “The engineers at AeroFEM are like part of my team,” Piller says. “Our collaboration is really great.”

Strong functionality for setting up analyses and for interpreting results

Simcenter Femap accepts the Solar Impulse design team’s geometry, created with CATIA® software, in STEP or IGES format. The geometry becomes the basis for finite element (FE) models. Simcenter Femap also has its own modeling functionality, which Piller finds easy to use, especially for the composite materials that make up a large portion of the plane. “Ply definition is really easy,” he says. “We were able to jump into that topic very quickly using Simcenter Femap.”

As an example of how the analysts use both imported geometry and the modeling tools within Simcenter Femap, Piller describes some work done on the plane’s wing structure. The analysts initially used the geometry of the wing’s outer surfaces (generated with CATIA) to create a simple analysis model in order to look at load paths. Later, using Simcenter Femap, they added 3D solid elements representing the Kevlar® aramid paper honeycomb core for more detailed analyses such as local and global buckling.

FE models for the plane’s metal components range in size from 50,000 to 500,000 elements. The model of the main wing structure contains two million elements. Normally the analysts evaluate 10 to 20 load cases, but endurance analyses look at as many as 160.

Piller’s team takes advantage of the Simcenter Femap API (application programming interface) to write scripts that automate some of the analysis work. One very useful script applies the company’s own programmed strength criteria for the composites, helping to automate laminate verification. Another runs after the analyses of composite parts, and automatically evaluates the results according to the ply with the highest stresses, quickly showing where the failures are in the laminate or sandwich structure. “Scripts such as these save time and, equally importantly, help ensure the accuracy of the analyses,” says Piller.

The analysts use the Simcenter Femap data table frequently as a way of quickly summarizing and interpreting analysis results. The data ranking function, for example, quickly shows minimum and maximum stress values. “We use this capability a lot; what makes it really useful is that it’s possible to combine output sets,” Piller says.

3X bigger cockpit without less than 2X increase in weight

A concrete example of the value of using Simcenter Femap with Nastran on this project is the plane’s cockpit, where the FEA solution played a role in minimizing weight. The single-seat cockpit of the plane that will fly around the world is tiny (3.8 cubic meters/134 cubic feet), but it’s actually three times larger than the cockpit of the first Solar Impulse plane. (In fact, the new cockpit is so much roomier that the Solar Impulse web site jokingly claims that the company has “upgraded the pilot to business class.”)

Although the new cockpit is three times larger, it weighs less than twice as much as the original (60 kg/132 pounds for the new cockpit versus 42 kg/93 pounds for the original).

The new plane’s wing structure is another place where Simcenter Femap contributed to a significant weight reduction. The wing consists of a Kevlar honeycomb core covered with an advanced carbon fiber material. Because the new plane flies faster than the first one, its wings had to withstand greater loads. Analysts used Simcenter Femap to optimize the amount of the carbon fiber plies so that they could meet the needed loading conditions with the least amount of added weight. They were able to go from using a material weighing 100 grams per square meter to one weighing 25 grams per square meter, a significant weight reduction. Similarly, the motor gondola of the second plane has to carry a heavier load, but the weight increase was kept to a minimum, in part by changing from a framework structure with fairing to a sandwich structure and, in part, by using FEA to optimize components such as facings and spar caps.

By using Simcenter Femap on this project, Piller and his colleagues were able to quickly determine how best to minimize the plane’s weight while still meeting the rigors of an around-the-world adventure. “Using Simcenter Femap, it was really fast to see what we had to work on and where we could optimize,” Piller says.