Сегодняшние самолеты расходуют примерно на 80 процентов меньше топлива на пассажиро-милю, чем первые реактивные самолеты 1950-х годов, что свидетельствует об огромном влиянии аэрокосмической техники на полет. Эта повышенная эффективность расширила глобальную торговлю до такой степени, что теперь экономически выгодно доставлять все, от цветов до ламантинов из Флориды по всему миру.Несмотря на постоянное повышение эффективности сжигания топлива, ожидается, что в ближайшие два десятилетия глобальные выбросы вырастут из-за удвоения объема воздушного движения, поэтому даже небольшие улучшения топливной эффективности самолетов могут иметь большое влияние на экономику и окружающую среду. .Этот потенциал воздействия побуждает Хоакима Мартинса, аэрокосмического инженера из Мичиганского университета (UM), который возглавляет многопрофильную лабораторию оптимизации дизайна, к разработке инструментов, которые позволят инженерам проектировать более эффективные самолеты.
«Транспорт — это основа нашей экономики. Любое изменение расхода топлива, даже доли процента, имеет большое значение в мире», — говорит Мартинс. «Наши цели двоякие: сделать авиаперевозки более экономически выгодными и в то же время уменьшить воздействие на окружающую среду».Используя суперкомпьютер Stampede в Техасском центре передовых вычислений, а также вычислительные системы в NASA и UM, Мартинс разработал улучшенные конструкции крыльев, способные сжигать меньше топлива, а также инструменты, которые помогают аэрокосмической промышленности создавать более эффективные самолеты.«Мы устраняем разрыв между академическим упражнением и практическим методом для промышленности, которая придумывает будущие проекты», — говорит он.
Новые конструкции крыльев для более эффективного полетаУсовершенствования конструкции крыла могут повысить эффективность до 10 процентов, снизив затраты и снизив уровень загрязнения. Более того, в областях, где применяются новые технологии — например, для крыльев из композитных материалов или крыльев, которые изменяются во время полета — улучшенные инструменты проектирования могут дать понимание, когда интуитивное понимание отсутствует.Выступая на научном форуме Американского института аэронавтики и астронавтики (AIAA) в январе 2017 года, Мартинс и его сотрудники Тимоти Брукс (UM) и Грэм Кеннеди (Технологический институт Джорджии) рассказали об усилиях по оптимизации конструкции крыльев, построенных с использованием новых композитных материалов, и новейших методов строительства. .Сегодняшние самолеты на 50 процентов состоят из композитных материалов, но композиты размещаются относительно просто.
Однако новые автоматические машины для укладки волокон могут размещать композиты по сложным изгибам, создавая так называемые композитные крылья с буксирным управлением.«Это открывает пространство для дизайна, но дизайнеры к этому не привыкли», — говорит Мартинс. «Это сложно, потому что нет большого количества интуиции относительно того, как использовать весь потенциал этой технологии. Мы разработали алгоритмы для оптимизации этих углов буксировки».Они обнаружили, что композитные материалы с буксируемым управлением могут снизить вес конструкции самолета на 10 процентов по сравнению с традиционными композитными конструкциями, при этом снижая расход топлива на 0,4 процента.
НАСА находится в процессе создания прототипа кессона с буксируемым крылом для масштабных испытаний в Центре летных исследований Армстронга НАСА.Еще одна область исследований — изменение формы крыльев для поддержания максимальной производительности независимо от скорости полета, высоты и веса самолета.Мартинс, Дэвид Бёрдетт и Гаэтан Кенуэй (все из UM) представили на форуме AIAA SciTech в 2016 году результаты трансформации конструкции, которая может сжигать на 2 процента меньше топлива, чем существующие конструкции.
Мартинс также опубликовал в «Энциклопедии аэрокосмической техники» главу «Снижение сжигания топлива за счет преобразования крыла», в которой описываются потенциальные конструкторские идеи и методы оптимизации в этой области.«Исследования новых материалов и механизмов преобразования сделают системы преобразования легче, энергоэффективнее и экономичнее», — написал он. «Это всего лишь вопрос времени, когда мы увидим крылья самолетов, которые демонстрируют возможности трансформации, которые сегодня кажутся невозможными».Третья область исследования связана с новыми крыльями с большим удлинением, которые имеют гораздо больший размах, чем те, которые используются сегодня.Мартинс представил проекты такого крыла на 15-й конференции AIAA / ISSMO по междисциплинарному анализу и оптимизации в 2014 году.
Компания Boeing адаптировала эту модель и построит прототип для испытаний в туннеле трансзвуковой динамики исследовательского центра NASA Langley в конце этого года.Многопрофильная оптимизация дизайнаСоздание самолетов с использованием компьютерных моделей не ново, но в прошлом исследования либо использовали модели с низкой точностью, либо ограничивались одной областью исследований — аэродинамикой крыла или его структурной целостностью.
Эти исследования были переданы между группами инженеров, что привело к разработке проектов, которые были более эффективными, чем те, которые они вытесняли, но не обязательно оптимальными.Мартинс использует другой подход, называемый мультидисциплинарной оптимизацией проекта, который объединяет множество факторов и высокоточные модели в единую задачу вычислительной оптимизации. По его словам, этот подход может привести к большим улучшениям, чем метод одного исследования, но он требует применения массивных параллельных суперкомпьютеров, способных выполнять сложные вычисления, учитывающие сотни или даже тысячи проектных переменных, рассматриваемых в тандеме.«Для наших задач требуется 100 или 1000 процессоров, и мы стараемся, чтобы каждая симуляция длилась порядка нескольких минут, а оптимизация сходилась в пределах от восьми до 48 часов», — говорит Мартинс.
Он выполняет эти расчеты не один раз, а сотни раз, чтобы прийти к наилучшему возможному решению и проверить целостность новой конструкции в вероятных условиях полета.«Вычислительная гидродинамика и вычислительная механика конструкций требуют больших усилий, — говорит он. «Чтобы решить наши проблемы, нам абсолютно необходим такой суперкомпьютер, как Stampede».
Stampede, поддерживаемый Национальным научным фондом (NSF), в настоящее время является 17-м самым быстрым суперкомпьютером в мире согласно последнему списку Top500, в котором представлены высокопроизводительные вычислительные системы. Позже в 2017 году TACC представит Stampede 2, который будет примерно в два раза мощнее своего предшественника.Boeing и NASA тестируют прототипы, основанные на конструкции крыльев, предложенной при оптимизации Мартинса, но влияние его исследований выходит за рамки какой-либо одной конструкции. Алгоритмы Мартинса позволяют объединить множество сложных факторов, входящих в проект, в единый вычислительный процесс.
В настоящее время он работает с Embraer над оценкой алгоритмов, которые он разработал для использования в производстве. Он также обсудил практичность своих алгоритмов с Bombardier, Airbus и Boeing.«Конструкция крыла имеет решающее значение для авиационной промышленности для достижения оптимальных характеристик и доступной конструкции», — сказал Фроде Энгельсен, технический сотрудник Boeing Research and Technology. «Профессор Хоаким Мартинс продвинулся вперед, создав мультидисциплинарную структуру оптимизации конструкции, используя одновременно аэродинамические и конструктивные модели высокой точности при проектировании крыла».В конечном итоге для применения алгоритмов Мартинса к промышленному процессу потребуются дополнительные элементы — например, использование большего диапазона условий полета для обеспечения безопасности самолета и интеграция с производственными затратами для подтверждения возможности создания более эффективного самолета. экономно.
Однако усилия стоят того, потому что их влияние — на коммерцию и на жизнь людей — является значительным.«Если задуматься, то невероятно, что вы можете перелететь через США за несколько сотен долларов», — говорит Мартинс. «Цены на билеты резко упали за последние несколько десятилетий, и это позволяет людям приезжать к своим семьям на День Благодарения.
И это стало возможным благодаря более эффективным самолетам».Исследование поддержано грантами НАСА.
Stampede был щедро профинансирован NSF через награду ACI-1134872.