Интервью с Паоло Коломбо, директором аэрокосмической и оборонной промышленности в программном комплексе ANSYS.
— Когда вы рассматриваете типы концепций самолетов следующего поколения, которые в настоящее время разрабатываются, начиная от сверхзвуковых транспортных самолетов, истребителей шестого поколения и воздушных такси с электрическим двигателем, какие проблемы сложности эти концепции представляют для типа кодирования, необходимого для обеспечения их функциональности?
Коломбо: Первая сложность-это экспоненциально растущие одиночные строки кода (SLOC), что значительно увеличивает затраты на разработку программного обеспечения. Например, если мы сравним B-757, выпущенный в 1982 году, с B-777, выпущенным 10 лет спустя, B-777 имеет в 21 раз больше бортовых SLOC, что примерно в 29 раз превышает усилия по разработке. Мы видим очень похожие тенденции для военной авиации. Предполагаемые затраты на разработку программного обеспечения выросли в 300 раз за три десятилетия. Обеспечение того, чтобы код работал так, как ожидалось, чтобы он был должным образом отлажен и сертифицирован, становится огромной проблемой.
Второй уровень сложности-частота обновлений. В военном секторе, например, вы не можете позволить себе потерять свое технологическое превосходство по сравнению с другими странами, но вы также не можете позволить себе проектировать новый самолет каждые несколько лет. Вам нужно инвестировать в устойчивое решение, чтобы постоянно обновлять возможности самолетов. Возьмем в качестве примера B52. Он будет летать в течение 100 лет, но за это время пройдет ряд модернизаций. На каждое обновление оборудования у вас будет 10 обновлений электроники и 100 обновлений программного обеспечения. Поэтому нужно работать над существующим кодом, менять его на работу с новым оборудованием и электроникой и иметь уверенность, что все еще работает. Это непростая задача. Вот почему подход автоматического кодирования на основе модели, подобный тому, который мы предлагаем с ANSYS SCADE, способен сэкономить так много времени при одновременном повышении безопасности конечного продукта.
Большинство современных бизнес -, коммерческих и военных производителей планеров исследуют и разрабатывают использование электрических или гибридных электрических двигателей для своих конструкций следующего поколения. Каким образом использование передовых технологий моделирования может помочь ускорить и сократить время, необходимое для разработки и сертификации технологии электрических двигателей?
Коломбо: Моделирование-это единственный способ, с помощью которого аэрокосмические инженеры могут научиться достаточно быстро преодолевать новые проблемы, такие как электрификация самолетов, где никто не имеет опыта полета. И это справедливо для конструкции отдельного компонента (батареи, инвертора или двигателя) или полной двигательной установки. Но вам нужен настоящий мультифизический, многодоменный подход, чтобы исследовать все явления, необходимые для оптимизации вашей системы. Возьмем, к примеру, электрический двигатель. Вы должны учитывать электромагнитные явления, которые зависят от материала, который вы используете. Протекающий электрический ток будет иметь тепловой эффект, который создает деформации, приводящие к вибрациям и шуму.
Поэтому вам нужно как следует охладить мотор. Это сложная задача, включающая в себя целый ряд физических дисциплин — электромагнитную, механическую, тепловую и гидродинамическую. Кроме того, производительность вашего двигателя будет определяться управляющей электроникой и программным обеспечением. А ваш двигатель — это просто часть более крупной системы с батареей, инвертором, кабелями и т. Д.- все это заключено в узком пространстве фюзеляжа или гондолы. Поддержание двигателя в холодном состоянии в этих условиях-очень сложная многофизическая задача. Вам нужно оптимизировать каждый компонент и каждую систему (включая программное обеспечение), а затем проанализировать всю двигательную систему с точки зрения функциональной безопасности. Моделирование ANSYS предоставляет это мультифизическое решение на рынке.
— Существуют некоторые критически важные для безопасности приложения, разрабатываемые специально для электрических воздушных такси, которые аэрокосмическая промышленность фактически никогда не видела раньше. Есть ли у ANSYS технология, способная поддерживать этот тип разработки там, где нет реального предыдущего или существующего типа или модели самолета?
Коломбо: Мы поддерживаем сертификацию во многих отношениях, и наши клиенты используют данные моделирования для интеграции документации и результатов испытаний, которые они предоставляют регулирующим органам. Мы делаем это, в частности, для обледенения, композитов, электромагнитных помех и предсказания электронной жизни. Сегодня, поскольку никто не имеет реального опыта в некоторых областях применения, таких как воздушные такси, регулирующие органы требуют очень глубокого анализа функциональной безопасности. Анализ безопасности аэрокосмических систем проводится параллельно с разработкой системы. Используемые методы анализа включают оценку функциональной опасности (FHA), классификацию условий отказа, анализ режимов отказа и эффектов (FMEA), сводку режимов отказа и эффектов (FMES), анализ дерева неисправностей (FTA) и анализ общих причин (CCA).
Эти методы должны выполняться на различных уровнях, начиная от уровня самолета через системы и заканчивая уровнем детального элемента. Несколько лет назад мы приобрели и интегрировали medini analyze, которая объединяет все эти методологии и выполняет их на каждом уровне. Этот процесс исключает дублирование данных при проведении анализа и обеспечивает согласованность с реальными инженерными моделями и аналитическими методами. Наши клиенты обычно видят до 55% снижения усилий по анализу функциональной безопасности и аналогичное сокращение времени выхода на рынок. Кроме того, автоматическое кодирование с помощью ANSYS SCADE означает, что создаваемое программное обеспечение сертифицировано в соответствии со стандартом DO 178-C, что экономит около 50% времени и затрат на весь цикл разработки и сертификации.
— Готовы ли органы гражданской авиации начать использовать концепцию сертификации путем анализа, чтобы помочь ускорить разработку самолетов следующего поколения, таких как электрические воздушные такси и сверхзвуковые реактивные самолеты?
Коломбо: Они движутся в этом направлении, и ANSYS работает с некоторыми из них, чтобы сделать это. Существует сильный толчок со стороны компаний, чьи затраты на разработку и тестирование стремительно растут. Но так было не всегда. В прошлом компании были как сторонниками, так и противниками сертификации посредством симуляции. Они признавали его очевидные преимущества с точки зрения времени и затрат, но беспокоились, что создание стандартного, общего подхода будет означать разделение их процессов с другими компаниями, чтобы соответствовать им, рискуя потерять конкурентные преимущества, которые они создали за эти годы. Я думаю, что растущая сложность авиационных систем помогает преодолеть это препятствие и облегчает сотрудничество.
— Примерно 73% затрат на разработку продукта тратится производителями аэрокосмической и оборонной промышленности на цикл «испытание-отказ-исправление-повторение». Как можно решить эту проблему?
Коломбо: Консенсус заключается в том, что цифровая трансформация имеет решающее значение для того, чтобы справиться с возросшей скоростью инноваций и необходимостью все большего и большего тестирования в отрасли, которая традиционно очень осторожна из-за высоких стандартов безопасности, которые она должна соблюдать. Девяносто семь процентов руководителей аэрокосмической и оборонной промышленности говорят, что они готовы к цифровому изобретению своего бизнеса и промышленности. И ставки высоки. По словам McKinsey, “цифровые технологии могут увеличить выручку компаний A&D на 5-15% и снизить их расходы на 5-10%”.
В A&D это может сделать разницу между выигрышем и проигрышем. Опыт ANSYS показывает, что моделирование может помочь компаниям в их цифровой революции. Мультифизическая, многодоменная, интегрированная и открытая среда моделирования, подобная той, которую мы предлагаем уже 20 лет, может повысить инженерную эффективность и ускорить ключевые инициативы, такие как топливная экономичность, электрификация, аддитивное производство, прогнозное техническое обслуживание и автономные системы.
Авионика: Кабины следующего поколения потребуют, в некоторых случаях, совершенно нового человеко-машинного пользовательского интерфейса. Используя весь потенциал моделирования, как можно резко сократить время разработки этих новых интерфейсов?
Прежде всего, с помощью программного обеспечения автоматического кодирования на основе моделей вы можете проектировать, прототипировать и создавать код и документацию для его сертификации в среднем за половину времени классических методов кодирования. Но мы можем сделать гораздо больше для повышения удобства использования, читабельности, эргономики и безопасности кабины пилотов будущего. Например, недавнее приобретение компании Optis добавило к нашим возможностям строгое моделирование на основе оптической физики, так что ANSYS теперь может моделировать человеческое зрение в иммерсивной среде виртуальной реальности. Это имеет первостепенное значение, так как наши клиенты теперь могут прототипировать свои дисплеи HMI и иметь летчиков-испытателей, испытывающих их в имитируемом полете в любых возможных световых и погодных условиях. Проверить функциональность, эргономику и читабельность HMI можно даже без создания прототипа. Вы можете испытать его в любых условиях, таких как туман, снег, ночь с полной луной над водой или что угодно — не выходя из офиса. Это огромный скачок вперед. Моделирование позволяет быстро и недорого пройти сотни конфигураций HMI кабины по сравнению с несколькими конфигурациями, которые вы смогли изучить, используя старый метод test-fail-fix-repeat.
— Тепловое управление и перегрев уже являются основными проблемами для современных систем авионики. Можно ли использовать моделирование для обеспечения того, чтобы системы авионики всегда охлаждались и не подвергались риску перегрева в самолетах следующего поколения?
Конечно. Охлаждение все более мелких электронных систем, подверженных более высоким напряжениям, является одной из главных проблем, которые нам предлагается решить. Но настоящий вопрос заключается в том, как создать безопасную и надежную систему авионики. Вам нужно принять целостный взгляд. В дополнение к чистой разработке HMI мультифизические решения ANSYS могут исследовать целостность питания, целостность сигнала, механическую надежность и тепловые проблемы. Используя физический анализ надежности (RPA), можно предсказать полезный срок службы авиационной системы, основанный на температуре, напряжениях и деформациях. ANSYS только что приобрела компанию DfR, чтобы добавить RPA в рабочий процесс, который уже способен поддерживать электронное проектирование, тестирование и валидацию от чипа до печатной платы и корпуса.
— Закон Мура все еще применяется сегодня для аэрокосмических и оборонных встраиваемых вычислений?
Закон Мура со временем изменился. Вначале мы удваивали количество транзисторов на чипе каждый год, затем каждые два года. Сейчас мы ближе к трем годам. Скорость удвоения замедляется, но реальный смысл в том, что мы все еще наблюдаем экспоненциальный темп инноваций. Каждый раз, когда мы думаем, что достигли предела, инженеры и ученые выходят с новыми идеями, чтобы вывести нас на новый уровень. А следующий уровень сегодня означает удвоение и без того огромной вычислительной мощности. Только подумайте об этом: двадцать лет назад правительство США установило суперкомпьютер под названием ASCI RED в Sandia National Labs, первый компьютер, способный обрабатывать данные на уровне teraflop.
Этот компьютер использовался для поддержания ядерного арсенала США. Десять лет спустя вы могли обрабатывать данные в 1,8 терафлопса, не выходя из дома, как это продемонстрировала Sony PlayStation 3. Поскольку компьютеры, электроника и программное обеспечение становятся все более распространенными в наших аэрокосмических приложениях, скорость инноваций резко возрастет, как и потребность в новых способах тестирования, сертификации и использования этих инноваций, как только они станут доступными. Я твердо верю, что симуляция-это способ сделать это, и что мы все еще царапаем поверхность возможностей симуляции.
Источник: https://www.aviationtoday.com/2019/10/14/partner-content-ansys-director-ad-talks-coding-simulating-future-air-taxi-airplane-systems/
