Как рассчитывали новый космический корабль «Федерация/Орел». Интервью с компанией ТЕСИС09.04.2020 11:49

Сегодня в гостях у нашего блога технический директор компании ТЕСИС Андрей Аксенов, эксперт в области аэро- и гидродинамических расчетов, руководитель команды, которая разрабатывает пакет FlowVision.
Накануне Дня космонавтики мы воспользовались знакомством и расспросили о том, как ТЕСИС участвует в проекте создания нового пилотируемого космического корабля «Федерация» (новое название летного образца «Орел»).

С чего началось ваше сотрудничество с РКК «Энергия», как ТЕСИС стал участником проекта «Федерация»?

НПО «Энергия» Минобщемаша, а потом РКК «Энергия» Роскосмоса — это наша родная организация, в которой отцы-основатели FlowVision были студентами и аспирантами, с которой работали, когда были сотрудниками МФТИ, потом Института автоматизации проектирования РАН, а потом уже сотрудниками ТЕСИС.

Отцы-основатели FlowVision

В конце 80-х годов мы работали над моделированием разделения биопрепаратов (лекарственных веществ) в условиях микрогравитации на станциях «Салют-7» и «Мир». Космонавт и ученый, физтех, А.А. Серебров, который руководил этой работой в нашей группе, со своими личными вещами привез на «Салют-7» биопрепараты для наших экспериментов на установке «Ручей». Биопрепараты были подготовлены в Институте медицинской биотехнологии, которым руководил другой выдающийся космонавт и ученый Б.Б. Егоров.
Далее НПО «Энергия» привлекало нас к расчетам старта ракеты «Зенит» со стартового стола «Морской старт». Тогда мы сделали первое поколение FlowVision — он был написан на Фортране, был параллельным и работал на транспьютерах. НПО «Энергия» стала первым пользователем FlowVision. Были и другие проекты с НПО, а потом и с РКК «Энергия».

Одна из первых версий FlowVision

В процессе создания FlowVision второго и третьего поколения мы добавляли новую физику и новые методы расчета. В конце концов мы научились решать задачи с телами, которые движутся в области расчета и в присутствии воды и воздуха, а также рассчитывать течения газа, когда одновременно в расчетной области имеется несжимаемое и сверхзвуковое (или гиперзвуковое) течение почти при любых шагах по времени. Такой функционал очень сильно пригодился отделу аэродинамики РКК «Энергия» при проектировании нового космического корабля «Федерация» (сейчас его переименовали в «Орел»). Энтузиастами использования отечественных систем инженерных расчетов в РКК «Энергия» были известные аэродинамики, уже вышедшие на пенсию — к.т.н Анатолий Александрович Дядькин и д.т.н. Андрей Георгиевич Решетин, один из моих учителей.

Какие задачи вам были поручены, зона ответственности ТЕСИС?

При проектировании «Федерации» задач было несколько — они соответствуют различным этапам старта ракеты с кораблем, прохождения атмосферы, далее спуск с орбиты на землю и собственно приземление и приводнение.
При старте мы смотрели, как запуск двигателей системы аварийного спасения (это почти взрыв!) влияет на корпус (ударное воздействие), смотрели сброс обтекателей на гиперзвуковых режимах полета ракеты (Мах=6).
Самое страшное — это возвращение на землю. Работали над спуском и торможением аппарата на гиперзвуковых скоростях, когда возникает абляция теплозащиты (унос массы теплозащиты при высоком нагреве при входе в атмосферу с большой скоростью), рассчитывали отстрел крышки люка парашютного контейнера (КЛПК), далее включение тормозного двигателя (опять же — небольшой взрыв, смотрели как ударная волна влияет на корпус корабля), рассчитывали торможение двигателем и собственно приземление.
Поскольку корабль приземляется в поле, а не на космодром, то разработчиков корабля интересовало воздействие газовых струй от двигателя на почву — не выроет ли возвращаемый аппарат (ВА) яму под собой и не упадет ли туда? Но где он точно рыл яму — так это на воде. На воду «Федерация» может сесть, однако это внештатная ситуация.

Самая тяжелая задача, которую мы решали и решаем в этом проекте, — это приводнение с включенными двигателями. Точно могу сказать, что никто в мире ее смоделировать не сможет. Здесь сверхзвуковые струи, подвижное тело в расчетной области (сам возвращаемый аппарат), которое движется под действием аэродинамических сил и сил тяги двигателей, и вода, которая движется относительно медленно и можно это движение считать несжимаемым.

Моделирование взаимодействия поверхности воды с реактивными струями посадочных двигателей возвращаемого аппарата

ТЕСИС единственный отвечал за расчеты или несколько команд параллельно выполняли сходные задачи?

Космонавтика требует надежности, что достигается не только дублированием систем на космических аппаратах, но и дублированием источников получения данных для проектирования. Часть задач делалась экспериментально, часть решались самими инженерами РКК «Энергия» на FlowVision и программах других компаний.
Количество соисполнителей данного проекта велико, я не всех знаю, либо не о всех могу говорить. Однако знаю, что по аэродинамике РКК «Энергия» сотрудничает с сильнейшими научными коллективами, включая команду из питерского Политеха, которой руководит живой классик моделирования турбулентных течений Михаил Хаимович Стрелец, судя по открытым публикациям.

Какие алгоритмы вы использовали в расчетах и как определяли адекватность расчетов реальности?

Мы, конечно, в наших расчетах использовали наш CFD код FlowVision (CFD — computational fluid dynamics, вычислительная гидродинамика). Код имеет возможности для решения уникальных задач — это приводнение аппарата, расчет отделения от ракеты створок обтекателя, причем наш метод расчета уравнений движения жидкости «всепогодный». Мы так называем метод, который позволяет рассчитывать одним алгоритмом как несжимаемое течение, так и гиперзвуковое. Наша команда вышла из школы академика О.М. Белоцерковского, который положил начало конечно-объемным алгоритмам решения уравнений Навье-Стокса. Эти алгоритмы носят название «методы расщепления по физическим переменным». Мы существенно развили эти методы, усовершенствовали их и теперь они «всепогодные». Эти методы мы заложили в программный комплекс FlowVision.
Адекватность получаемых результатов — сложный вопрос. Во-первых, чтобы правильно решить задачу численно, надо знать ответ минимум на 50%. Оценка, эмпирическое знание — это отличный инструмент, который мы используем, прежде чем начинать расчет.
Во-вторых, в вычислительной гидродинамике есть внутренние процедуры, показывающие корректность расчета — это сходимость решения по сетке, например. Это значит, что, если измельчение расчетной сетки не приводит к изменению результата, значит инженер на правильном пути — скорее всего он получает правильный ответ. И в-третьих, еще одна процедура — валидация. При этом решается похожая задача, но в которой результат известен.

Если результаты расчетов и «ответа» совпали, значит и программа, и методика расчета правильные. Таким образом, скрупулезно и нудно проходя через эти процедуры мы доказываем себе и заказчику, что получаем правильные результаты. Между прочим, сходимость по сетке и валидация — это «гостированные» процедуры. Команда FlowVision принимала участие в разработке этих ГОСТов.

Внешние обводы космической головной части с пилотируемым транспортным кораблем и ракетным блоком аварийного спасения.

Поле плотности после срабатывания системы аварийного спасения (САС). Необходимо оценить ударные нагрузки от струй двигателей САС на пилотируемый аппарат.

FlowVision был основным вашим CAE-инструментом для численного моделирования в этих работах?

Да, FlowVision был основным. Хотя есть задачи, где мы будем использовать связку с программами расчета напряженно-деформированного состояния конструкций. Например, при ударе корабля о воду днище корабля слегка деформируется, и сила удара меняется. Какой будет использован код для этого — пока не решили, но выбор есть — от западных Abaqus или Nastran до отечественных — АPM или Фидесис.

Как заказчик в лице РКК «Энергия» отнесся к тому, что расчеты ведутся в российском ПО?

По-моему, заказчику все равно какой продукт использовать — западный или отечественный. Выбор здесь стоит в плоскости решим задачу или не решим, сколько будет стоить и как долго будем решать. Я уже говорил, что некоторые задачи только мы можем решить, выбора нет.

Сколько существует всего расчетных случаев посадки на воду?

Количество сразу не скажу — надо смотреть в ТЗ, но их десятки. Это посадка на тихую воду, на волну, под углом, с двигателями и без. Более того, облик и начинка корабля меняется в процессе разработки, что добавляет расчетных случаев, и мы должны успевать за полетом конструкторской мысли.

Моделирование приводнения возвращаемого аппарата

Как рассчитывается посадка на волны? Вы берете какое-то конкретное значение для характеристики волны (высота, скорость)?

Скорость волны определяется длиной волны, есть еще глубина, но мы считаем, что глубина бесконечна. Так что параметры — это высота волны и длина волны. Ну и как обычно, скорости приводнения аппарата и куда он садится — на левый склон волны или на правый, т.е. по сути угол входа аппарата в воду. Плюс, как я говорил — параметр работы двигателей.

Сколько занимает каждый расчетный случай при использовании кластерных вычислений? Насколько это быстрее, чем использование персонального компьютера?

Считаем мы задачи на четырех суперкомпьютерах — Торнадо (Южно-Уральский государственный университет), Ломоносов и Ломоносов-2 (МГУ), кластер Курчатовского института. Некоторые небольшие задачи вполне могут быть выполнены на персоналке. Но таких нам почти не дают. РКК «Энергия» вполне может сделать их сама на своей лицензии FlowVision. А вот «тяжелые» задачи попадают к нам. Поскольку большинство задач нестационарные, расчет может занимать от несколько дней до пары месяцев. Заказчика интересует не один расчет, а десятки различных случаев, поэтому задачи считаются одновременно. Сделать такие расчеты на персональном компьютере нереально — они будут длиться год или годы и результат через такое время никому не интересен.

Модели возвращаемого аппарата и крышки люка парашютного контейнера для расчетов аэродинамики упрощались. Как это влияет на погрешность вычислений?

Модели упрощаются именно так, чтобы погрешности вычислений не было. Хотя был забавный случай. РКК «Энергия», если помните, делала крутой космический самолет «Клипер». И название хорошее (море, странствия, чайный клипер Катти Сарк…), и сама идея была прекрасна. Но… не будем про это.
Была «продувка» модели «Клипера» в аэродинамической трубе. И на некоторых углах атаки на кривой Cy (Cу — коэффициент подъемной силы) от угла был некий «горб», чего в теории не должно было быть. Стали считать эту задачу во FlowVision — получили как в теории — нет «горба». Стали думать. Решили посмотреть, а как державка, с помощью которой модель «Клипера» держится в трубе, влияет на аэродинамические характеристики, получаемые в трубе — то есть решили промоделировать модельный эксперимент… Оказалось — есть горб! Мораль сей истории проста: численное моделирование нужно не только, чтобы заменить эксперимент, а, зачастую, чтобы объяснить его! Эту ценную мысль я услышал в ЦАГИ от коллег, которые продували все наши боевые самолеты и создали их почти совершенную аэродинамику. Теперь и они считают новые самолеты во FlowVision.

Моделирование отстрела с помощью пиропатронов крышки люка парашютного отсека. Необходимо обеспечить быстрое удаление крышки от возвращаемого аппарата при разных углах входа в атмосферу.

Упрощенные модели вы делали во FlowVision или в сторонней системе? Вообще, позволяет ли FlowVision создавать модели: твердотельные, поверхности и т.п.?

Когда мы начали создавать FlowVision, то сразу отказались от своего генератора геометрической модели. Раньше для нас основным поставщиком модели был SolidWorks — просто потому, что он был доступен и работал на Windows. А прекрасная система КОМПАС в то время была двумерной.
Кстати, известная компания EagleDynamics, руководимая моим другом Игорем Тишиным, к сожалению, недавно покинувшим нас, кроме игрушки Flanker создавала CAD-систему Z-Сad. Она была трехмерная и оперировала поверхностями любой сложности. По тем временам это была классная система. Мы имели виды на то, чтобы ее использовать во FlowVision, но Z-Сad не смог пережить 90-е.

Теперь мы подключили FlowVision к КОМПАС-3D, который стал трехмерной системой мирового класса. Гибрид КОМПАСа и FlowVision назвали KompasFlow. Поэтому можно сказать, что генератор геометрии во FlowVision все-таки появился.

KompasFlow, внешняя аэродинамика

В системе FlowVision вы можете получить анимацию движения возвращаемого аппарата. Помогает ли анимация в решении каких-либо вопросов или гораздо важнее получить численные значения (скорости, коэффициентов)?

Мы дали такое название нашей программе, потому что идея заключается в том, что если инженер видит течение, значит он понимает его. Flow — течение, Vision — зрение. FlowVision — вижу течение, мои студенты Физтеха придумали смешной перевод «СтруеГляд».
Если течение нестационарное, как, например, посадка на воду, либо запуск системы аварийного спасения или двигателей посадки, то анимация — это понимание именно нестационарного характера течения. Все-таки человек не произошел от обезьяны, он и есть обезьяна, и лучше всего мы реагируем именно на движение, а не на цифру. Если инженер поймет течение, для него станут понятными и цифры. Говорят, что картинка заменяет 1000 слов, я бы добавил, что анимация заменяет 1000 картинок.
Но есть еще один немаловажный момент. FlowVision имеет некие способы визуализации течений, которые инженеры обычно не используют для анализа, потому что из них трудно получить количественные данные. Однако эти способы визуализации (например, объемная визуализация) вместе с анимацией очень важны, чтобы показывать результаты расчета «генералам», т.е. людям, от которых зависит финансирование проекта, но которые мало разбираются в технических нюансах проекта. В современном мире выжить без пиара невозможно…

Какова погрешность вычислений в системе FlowVision по сравнению с реальными испытаниями?

Вопрос чрезвычайно сложен, так как он зависит от задачи. Есть задачи, где точность 3–5 процентов — это предел. Например, задачи судостроения. Науке судостроения более 300 лет, и там научились получить точные результаты. Но обычная для техники норма — 10–15 процентов. А зачастую важно просто качественное совпадение. Оптимизацию конструкции можно делать именно таким образом, просто улучшая какие-то характеристики, не зная их точное значение. Худеть можно и на неправильных весах.

Планируются ли дальнейшие работы с вашим участием по разработке возвращаемого аппарата?

Мы очень надеемся, что наше сотрудничество продлится многие годы. РКК «Энергия» — одна из ключевых мировых фирм, которая создает средства полета человека в космос. Кстати, наверное, некоторые прочитают наш материал здесь и спросят: «А зачем нужно летать в космос? Не проще ли эти огромные средства использовать для улучшения жизни на Земле? Скажем, у нас в России дороги отремонтировать, дураков заменить».
Этот вопрос раньше ставил меня в тупик. Можно рассуждать как К.Э. Циолковский: «Человечество не останется вечно на земле, но в погоне за светом и пространством… завоюет себе все околосолнечное пространство». Либо как Стивен Хокинг, считавший, что человечество в конце концов исчерпает ресурсы Земли и полеты в космос — это залог его выживания.
Однако с моей точки зрения, это не совсем убедительные ответы — оппонент полетов в космос легко оспорит эти доводы. Более убедителен известный опыт с мышами, которым создали идеальные условия жизни, и они через 50 поколений перестали размножаться и вымерли. Если перед человечеством не ставить глобальные задачи, если не заставлять его преодолевать трудности, мы просто вымрем, как те мыши. Космос «рожает» именно тех пассионариев Льва Гумилева, которые будут двигать человечество вперед и не давать ему вымереть.

Поэтому я надеюсь, что фирма великого конструктора С.П. Королева будет всегда на плаву. Ну, а мы с ней…

© Habrahabr.ru