Компьютерное моделирование в авиакосмической промышленности

Компьютерное  
моделирование  
в авиакосмической  
промышленности
Под редакцией И. Б. Аббасова
Москва, 2020

УДК 658.512.2:004.92
ББК 30.18с515
А13
А13 
Компьютерное моделирование в авиакосмической промышленности / под ред. И. Б. Аббасова. – М.: ДМК Пресс, 
2020. – 300 с.: ил. 
ISBN 978-5-97060-675-9
Эта книга посвящена уникальным разработкам в области компьютерного моделирования авиакосмической техники. В книге описаны 
оригинальные концептуальные модели самолетов-амфибий, экранопланов, судов на подводных крыльях, начиная от идеи до полного 
воплощения. Разработанные модели представлены с дизайном пассажирских салонов и фактически готовы к внедрению в авиастроительной промышленности. Оригинальность концепций основывается 
на биологических прототипах, они эргономичны, многофункциональны и красивы. Представлены аэродинамические компоновки перспективных конвертируемых летательных аппаратов вертикального и укороченного взлета-посадки, сухопутного и корабельного базирования. 
Описана разработка оригинальной модели беспилотного летательного 
аппарата, воплощенного в материале, представлены результаты натурных экспериментов. Рассмотрена технология моделирования авиакосмических тренажеров на базе среды виртуальной реальности с устройствами технического зрения.
Книга предназначена для исследователей и разработчиков в области 
авиакосмической промышленности, для авиаконструкторов и студентов-машиностроителей.
УДК 
658.512.2:004.92
ББК 
30.18с515
Все права защищены. Любая часть этой книги не может быть воспроизведена в какой бы то ни было форме и какими бы то ни было средствами 
без письменного разрешения владельцев авторских прав.
©  
Коллектив авторов, 2020  
ISBN 978-5-97060-675-9
©  
Оформление, издание, 
ДМК Пресс, 2020

Содержание
Предисловие.................................................................................... 8
Глава 1. Компьютерное моделирование  
в авиастроении.............................................................................. 10
Аббасов И. Б.
1.1. Моделирование летательного аппарата.
.................................. 11
1.2. Моделирование ракеты............................................................. 12
1.3. Моделирование обтекаемых поверхностей............................. 13
1.4. Моделирование самолета-амфибии Бе-200.
............................ 16
1.5. Концептуальная модель самолета «Chiroptera».
...................... 20
1.6. Концептуальный дизайн автомобиля «Lotos»......................... 27
Список литературы.
.......................................................................... 32
Глава 2. Концептуальное моделирование  
самолетов-амфибий.
.................................................................... 35
Аббасов И. Б., Орехов В. В.
2.1. История гидроавиации.............................................................. 37
2.1.1. Из истории мировой гражданской авиации .................... 37
2.1.2. Эра гидропланов................................................................. 39
2.1.3. Гидроавиация в России.
...................................................... 43
2.1.4. Летающие лодки Г. М. Бериева .......................................... 43
2.2. Компьютерное моделирование самолета-амфибии Бе-200..... 51
2.2.1. Основные характеристики................................................. 51
2.2.2. Метод моделирования........................................................ 52
2.2.3. Этапы моделирования........................................................ 53
2.2.4. Визуализация трехмерной модели.................................... 58
2.3. Компьютерное моделирование интерьера салона  
самолета-амфибии Бе-200.
.............................................................. 59
2.3.1. Из истории пассажирских самолетов................................ 59
2.3.2. Варианты компоновки салона........................................... 61
2.3.3. Моделирование салона самолета.
...................................... 64

4    Содержание
2.3.4. Визуализация салона самолета.
......................................... 67
2.3.5. Заключение.
......................................................................... 69
2.4. Компьютерное моделирование самолета-амфибии Бе-103..... 70
2.4.1. Основные характеристики................................................. 70
2.4.2. Этапы моделирования........................................................ 71
2.4.3. Визуализация трехмерной модели.................................... 79
2.5. Концептуальная модель самолета-амфибии «Чибис»  
(Lapwing).
........................................................................................... 82
2.5.1. Введение.............................................................................. 82
2.5.2. Разработка концепции....................................................... 83
2.5.3. Трехмерное моделирование самолета-амфибии............. 90
2.5.4. Тонирование и визуализация............................................ 94
2.6. Компьютерное моделирование интерьера салона  
самолета-амфибии «Чибис».
............................................................ 96
2.6.1. Введение.............................................................................. 96
2.6.2. Концепция самолета-амфибии «Чибис»........................... 97
2.6.3. Концепции компоновки..................................................... 99
2.6.4. Разработка пассажирского кресла....................................101
2.6.5. Моделирование интерьера салона.
...................................103
2.6.6. Присвоение материалов и визуализация сцены.............104
2.6.7. Удобство и комфорт салона...............................................107
2.6.8. Заключение.
........................................................................108
2.7. Концептуальная модель и дизайн интерьера  
экраноплана «Водомерка»  (Water Strider).
.....................................108
2.7.1. Введение.............................................................................108
2.7.2. Обзор экранопланов..........................................................110
2.7.3. Обзор публикаций.
.............................................................115
2.7.4. Концепция экраноплана «Water Strider».
..........................117
2.7.5. Компоновка концепции экраноплана..............................120
2.7.6. Этапы моделирования ......................................................122
2.7.7. Тонирование и визуализация модели ..............................126
2.7.8. Разработка интерьера и пассажирского кресла...............127
2.7.9. Создание материалов и визуализация интерьера...........128
2.7.10. Заключение.......................................................................133
2.8. Дизайн многофункционального судна на подводных  
крыльях «Афалина» ........................................................................134
2.8.1. Введение.............................................................................134
2.8.2. Обзор исследований..........................................................135
2.8.3. Разработка концепции......................................................138
2.8.4. Моделирование судна.
.......................................................141
2.8.5. Тонирование и визуализация модели..............................144

Содержание    5
2.8.6. Заключение.
........................................................................147
2.9. Дизайн автономного мобильного робототехнического  
комплекса.
........................................................................................148
2.9.1. Введение.............................................................................148
2.9.2. Обзор публикаций.............................................................148
2.9.3. Обзор аналогов.
..................................................................149
2.9.4. Конструкция робота...........................................................150
2.9.5. Концепция моделирования ..............................................152
2.9.6. Этапы моделирования.......................................................153
2.9.7. Создание и присвоение материалов.
................................155
2.9.8. Установка освещения и визуализация.............................157
2.9.9. Заключение.
........................................................................158
Список литературы.
.........................................................................159
Глава 3. Развитие многовинтовых схем  
конвертопланов с криогенными и гибридными  
силовыми установками..............................................................167
Дуров Д. С.
3.1. Введение....................................................................................168
3.2. Гидроконвертоплан – новые возможности  
современной авиации.....................................................................168
3.3. Особенности управления самолетом вертикального  
взлета и посадки  на переходном режиме и режиме висения......174
3.4. Проблемы устойчивости и управляемости  
гидроконвертоплана  с тандемно расположенными  
винтами в поворотных кольцевых каналах.
..................................179
3.5. Криогенные турбоэлектрические самолеты – хорошее  
решение  для гибридных авиакомплексов короткого взлета  
и посадки.
.........................................................................................182
3.6. Заключение.
...............................................................................189
Список литературы.
.........................................................................190
Глава 4. Концептуальный дизайн  
многофункционального самолета-амфибии........................193
Орехов В. В.
4.1. Введение, исторические этапы................................................193
4.2. Концепция.................................................................................199
4.3. Трехмерное моделирование.
....................................................203
4.4. Применение материалов, визуализация.
................................205

6    Содержание
4.5. Заключение.
...............................................................................210
Список литературы.
.........................................................................210
Глава 5. Математическая модель беспилотного  
летательного аппарата 
 с эллиптическим крылом.
..............212
Синютин С. А., Горбунов А. А., Горбунова Е. Б. 
5.1. Введение....................................................................................213
5.2. Постановка задачи....................................................................214
5.3. Методика...................................................................................214
5.4. Аппаратная реализация...........................................................216
5.5. Программная часть исследований.
..........................................217
5.6. Исследования поведения беспилотного летательного  
аппарата  с эллиптическим крылом...............................................220
5.7. Экспериментальные исследования поведения БПЛА.
............222
5.8. Обработка и анализ данных, полученных в ходе летных  
испытаний.
.......................................................................................224
5.9. Формирование математической модели БПЛА  
с эллиптическим крылом.
...............................................................228
5.10. Математическая модель БПЛА в аналитическом виде........229
5.11. Получение математической модели методом «черного  
ящика»..............................................................................................230
5.12. Математическая модель на основе линейной регрессии.
....233
5.13. Математическая модель на основе многослойного  
персептрона.....................................................................................236
5.14. Настройка ПИД-регулятора.
...................................................237
5.15. Эмулирование полета в целях первичной проверки  
качества регулятора........................................................................239
5.16. Заключение.
.............................................................................244
Список литературы.
.........................................................................245
Глава 6. Технология геометрического моделирования  
динамических объектов 
 и процессов виртуальной  
среды для авиационно-космического  
тренажеростроения.
....................................................................247
Ли В. Г.
6.1. Введение....................................................................................248
6.2. Методы прикладной геометрии в решении задач   
имитационного моделирования в SVR..........................................254

Содержание    7
Оптимальная дискретизация кривых линий............................254
Интегральная модель кривой.....................................................259
Методика оценки информативности дискретных  
каркасов кривых..........................................................................260
Оптимальная дискретизация на основе интегральной  
модели кривой.............................................................................262
6.3. Цели и задачи внекорабельной деятельности  
космонавта 
 – оператора RTS на ISS в открытом космосе,  
технология компьютерного имитационного моделирования 
в среде виртуальной реальности....................................................267
Задачи внекорабельной деятельности  
космонавта-оператора................................................................267
Технологии методической и программно-аппаратной  
реализации тренажа космонавта-оператора............................270
Динамическая виртуальная модель манипулятора..................275
Программные технологии формирования динамических  
моделей средствами редактора-моделера................................279
6.4. Экспериментальные исследования функциональной  
полноты  графического и программного обеспечения TMS.........281
Информационная и функциональная мощность  
визуализатора TMS.
.....................................................................281
Пример тренажа типовой штатной миссии по установке  
солнечной батареи......................................................................286
Технология отработки нештатных ситуаций............................288
Экспериментальный поиск безопасной траектории  
движения ERA..............................................................................293
6.5. Заключение.
...............................................................................296
Список литературы.
.........................................................................297

70-летнему юбилею 
кафедры инженерной графики 
 
и компьютерного дизайна 
посвящается
Предисловие
В современном мире трудно представить жизнь человека без деловых поездок или путешествий. Часто для этих целей используются 
самолеты, что нас уже не удивляет. Красота окружающего темносинего неба и проплывающих внизу облаков вряд ли кого-то может оставить равнодушным на высоте десяти тысяч километров. 
За окном иллюминатора погода не сильно изменчивая, внизу в это 
время может быть гроза, дождь или снег. Авиация привлекает не 
только высокой скоростью и быстротой перелетов, она используется во многих областях повседневной жизни. Благодаря высокой 
маневренности и  многофункциональности она применятся для 
гражданских и военных целей, для спасательных работ, при тушении лесных пожаров. Именно для этих целей наиболее эффективными являются самолеты-амфибии, они незаменимы также для 
поисково-спасательных операций на море. Во многих прибрежных странах береговая гидроавиация очень важна, в островных государствах она просто не заменима. Поэтому вопросы проектирования гидроавиации, самолетов-амфибий остаются актуальными. 
Первая глава данной книги посвящена применению компьютерного моделирования в  самолетостроении. Описан процесс 
проектирования концептуально нового самолета на основе бионических форм.  Также рассмотрен концептуальный дизайн нового автомобиля «Lotos», при создании концепции дизайна кузова 
автомобиля была использована бионическая форма лепестков лотоса. Для наглядности представлены сцены визуализации тонированных трехмерных моделей моделируемых объектов.
Во второй главе представлено трехмерное моделирование как существующих самолетов-амфибий Бе-200, Бе-103, так и концептов 

Предисловие    9
«Чибис», экраноплана «Водомерка», судна на подводных крыльях 
«Афалина». Описан процесс проектирования пассажирских салонов летательных судов. Во второй главе рассмотрено компьютерное моделирование автономной мобильной роботизированной 
системы «Краб». Выбран визуализатор и установлены источники 
света, приведены итоговые сцены реалистичной визуализации.
В третьей главе рассмотрены различные виды аэродинамических компоновок и  возможные области применения современных и  перспективных конвертируемых летательных аппаратов 
вертикального и укороченного взлета-посадки, как сухопутного, 
так и корабельного базирования. Представлены концепции и требования к конвертируемым скоростным летательным аппаратам 
с криогенными, гибридными дизель-электрическими и турбовинтовыми силовыми установками.
В четвертой главе представлена концептуальная модель многофункционального самолета-амфибии. Приведены краткие технические характеристики, визуальный ряд и исторические аспекты 
создания самолета. Прототипом концепции самолета-амфибии 
стал Consolidated PBY-5A Catalina, модификация самолета-амфибии 1950-х гг. Кроме применения для путешествий и  активного 
отдыха, этот самолет может применяться во многих других утилитарных целях.
В пятой главе рассматриваются особенности формирования математической модели беспилотного летательного аппарата с эллиптическим крылом. С целью создания математической модели 
управления объекта был создан ряд натурных моделей беспилотного аппарата. Приведены результаты летных испытаний масштабных моделей аппарата, выделены характерные особенности 
управления. 
В шестой главе рассматривается технология планирования и реализации геометрического обеспечения тренажерно-моделирующих компьютерных комплексов, функционирующих на базе среды 
виртуальной реальности. Приводятся основные элементы рациональной дискретизации сложных технических объектов, описываемых кривыми линиями и поверхностями. Описана программная 
архитектура тренажерно-моделирующего комплекса с  каналами 
визуализации виртуальной среды и технического зрения. 
Редактор
И. Б. Аббасов

Глава 1
Компьютерное 
моделирование 
в авиастроении
Аббасов Ифтихар Балакишиевич
Южный федеральный университет, Инженерно-технологическая 
академия, кафедра инженерной графики и компьютерного дизайна, 
Таганрог, Россия, iftikhar_abbasov@mail.ru 
Аннотация
Первая глава посвящена применению компьютерного моделирования в  самолетостроении. Описан процесс проектирования 
концептуально нового самолета на основе бионических форм. 
 
Представлены поисковые визуально-графические решения разрабатываемой модели. По эскизным проектам проведено трехмерное моделирование конструктивных частей самолета. Для моделирования трехмерных поверхностей используется метод Кунса. 
Рассмотрены также вопросы твердотельного моделирования космической ракеты методом лофтинга и самолета-амфибии Бе-200. 
Также рассмотрен концептуальный дизайн нового автомобиля 
«Lotos». При создании концепции дизайна кузова автомобиля использована бионическая форма лепестков лотоса. Прототипы обводов кузова автомобиля разработаны в виде эскизных проектов. 
Для трехмерного моделирования конструктивных частей автомобиля применен метод полигонального выдавливания. Представлена трехмерная компьютерная модель разработанной концепции