O desenvolvimento de aeronaves está cada vez mais complexo, pois as empresas buscam desenvolver produtos mais sustentáveis de desempenho superior, mesmo com maior necessidade de integrar os sistemas mecânicos a mais sistemas elétricos, eletrônicos e software. Isso aumenta significativamente os fios que precisam ser instalados nas estruturas da aeronave, tornando a redução do peso ainda mais desafiadora, apesar da adoção de materiais novos e mais leves. A escala e a complexidade do atual desenvolvimento de aeronaves aumentaram a dependência de parceiros e fornecedores em todo o mundo, envolvendo mais estresse e risco na integração e certificação do sistema e exigindo comunicação constante entre todos que trabalham no processo.
O desenvolvimento de aeronaves está cada vez mais complexo, pois as empresas buscam desenvolver produtos mais sustentáveis de desempenho superior, mesmo com maior necessidade de integrar os sistemas mecânicos a mais sistemas elétricos, eletrônicos e software. Isso aumenta significativamente os fios que precisam ser instalados nas estruturas da aeronave, tornando a redução do peso ainda mais desafiadora, apesar da adoção de materiais novos e mais leves. A escala e a complexidade do atual desenvolvimento de aeronaves aumentaram a dependência de parceiros e fornecedores em todo o mundo, envolvendo mais estresse e risco na integração e certificação do sistema e exigindo comunicação constante entre todos que trabalham no processo.
Essa comunicação geralmente se baseia em documentos digitais e e-mails inativos (ou estáticos) – uma abordagem isolada que pode impactar seriamente ou até colocar em risco o sucesso de programas inteiros. Problemas de integração e montagem do veículo são identificados tardiamente, muitas vezes durante as fases de fabricação e teste de voo. O controle dos custos de desenvolvimento exige uma visão integrada da aeronave desde a fase de conceito. Quanto antes esse comportamento integrado, dinâmico e baseado em modelo puder ser compreendido e tratado com a transformação digital, melhor para os profissionais envolvidos.
Abordagem baseada em modelo que utiliza digitalização
Uma abordagem moderna de engenharia de sistemas baseada em modelo (MBSE, na sigla em inglês), que utiliza gêmeo digital e thread digital, pode melhorar significativamente a execução do programa. Nessa abordagem, os silos são desmembrados para ajudar nos modelos comportamentais e colaborar para alinhar a forma de definir os modelos, o que eles representam e como eles interagem com disciplinas ou sistemas vizinhos usando interfaces bem definidas.
Os engenheiros aeroespaciais podem realizar estudos trade-off mais cedo para obter uma visão melhor das arquiteturas ideais de estruturas e sistemas, com base em informações da aeronave integradas, ajudando no processo de tomada de decisão e resultando em melhores escolhas que podem reduzir consideravelmente os riscos do programa.
A simulação multifísica é necessária para modelar os subsistemas da aeronave e seus componentes sozinhos e como parte da aeronave integrada. Isso exige componentes e parâmetros em várias formas ou níveis de abstração.
Figura 1 – Simulação de MBSE e multifísica abrange todo o processo de desenvolvimento.
As estruturas continuam uma parte importante do sistema
A aeronavegabilidade ainda é o foco do desenvolvimento de aeronaves, mas o uso crescente de sistemas integrados, eletrônicos e software está mudando a dinâmica e aumentando os riscos da conclusão da certificação dentro do prazo e orçamento. Como as aeronaves dependem muito de sistemas eletrônicos para controle, os fios que transmitem os dados precisam ser levados em conta no sistema geral, pois eles pesam, ocupam espaço e muitas vezes se dividem em duas estruturas mecânicas. Em termos estruturais, isso significa entender por onde os fios precisam passar – será necessário passar por armações, colunas e outras estruturas para chegar às luzes, superfícies de controle ou fornecer energia para novos sistemas de propulsão elétrica? Como esse emparelhamento de sistemas e estruturas afeta a dinâmica de voo?
Essas questões devem ser respondidas muito antes da produção. Os modelos de todos os aspectos do projeto – estruturas, sistemas mecânicos e elétricos – precisam amadurecer em paralelo para garantir a otimização multidisciplinar, o que explica a importância crescente da simulação no desenvolvimento dos sistemas interconectados de uma aeronave. Os recursos robustos de simulação multifísica e teste permitem aos engenheiros modelar, obter informações, compreender e otimizar o comportamento físico de todos os elementos da futura aeronave, incluindo desenvolvimento estrutural, transferência de fluido e calor, desenvolvimento de sistemas, gerenciamento térmico, conforto da cabine, sistemas eletromagnéticos, verificação, teste de certificação e muito mais.
As abordagens tradicionais também limitam a possibilidade de considerar múltiplas condições operacionais. Uma abordagem MBSE digital permite que o OEM considere uma variedade muito maior de condições operacionais do que os testes físicos e permite uma estratégia de aeronave integrada virtual (VIA, na sigla em inglês). Uma VIA é um conjunto de modelos de componentes, dados e parâmetros em diferentes representações que evoluem ao longo do ciclo de desenvolvimento. Uma boa plataforma para a VIA permite que os engenheiros selecionem e combinem subsistemas em uma forma ou escala que melhor se adapte à aplicação.
Figura 2 – Configuração de um teste de aeronave integrada virtual (VIA – virtual integrated aircraft).
Com relação à MBSE, isso significa especificar as definições do produto de forma que os requisitos de voo sejam otimizados durante o desenvolvimento, em vez de ajustar variáveis limitadas no fim da produção. Essas características de voo são executadas com uma simulação de VIA, eliminando o risco de descobrir alterações no projeto durante o teste de voo, exigindo milhares de horas adicionais de teste de voo. Com as empresas aeroespaciais adotando modelos de transporte mais novos com veículos aéreos urbanos e aeronaves elétricas, a necessidade de testes virtuais continuará aumentando.
A verificação deve ser contínua
Com o nível maior de complexidade do processo de desenvolvimento, exigindo mais equipes trabalhando juntas, também aumenta a importância das implicações de qualquer alteração no projeto. Por exemplo, os processos leves exigem a compreensão de quantas camadas compostas são necessárias no subconjunto da asa com base nas cargas previstas, enquanto equilibra a margem de cálculo de segurança para garantir a integridade estrutural em relação ao peso total da aeronave. Este processo de verificação contínua pode descobrir que um chicote de fios precisa dividir uma estrutura de suporte – não apenas o chicote precisa se encaixar no membro estrutural, mas também o conector do chicote, para apoiar toda a extensão do trecho.
A implementação de uma abordagem MBSE permite que os desenvolvedores explorem e simulem projetos alternativos com segurança e eficiência. A verificação contínua é da natureza digital da solução, isto é, rastreabilidade do projeto. Como todo o processo do projeto é definido com um gêmeo digital abrangente, cada mudança e atualização do projeto são rastreadas em relação às definições do produto para o projeto.
A simulação também ajuda a reduzir o custo da certificação tanto estrutural quanto de sistemas e da estratégia de controle e cenários de verificação de software, como os testes model-in-the-loop, software-in-the-loop, hardware-in-the-loop e pilot-in-the-loop. É muito importante ter esses modelos na mesma configuração no projeto a ser certificado. Por isso, o processo de verificação deve aceitar métodos que aceleram a comparação de conjuntos de dados em um ambiente gerenciado, onde a rastreabilidade é garantida mantendo um thread digital de gerenciamento de verificação.
Abordagem baseada em modelos para projetos de aeronaves modernas
Com a inovação acelerada nos projetos das novas aeronaves, os desafios da certificação continuam aumentando. Os projetistas devem continuar equilibrando a complexidade dos sistemas da aeronave, levando ao uso maior da eletrônica e fiação com os requisitos de projeto estrutural. Uma abordagem baseada em modelo abrange os elementos elétricos e mecânicos para criar um gêmeo digital abrangente de toda a aeronave. Com a evolução dos requisitos de voo, a simulação multifísica fornecerá informações relevantes para otimizar o projeto antes que essas aeronaves ganhem os céus.
Por Dale Tutt, vice-presidente de soluções para os setores aeroespacial e defesa da Siemens Digital Industries Software
Dale Tutt é o vice-presidente de soluções para os setores aeroespacial e defesa da Siemens Digital Industries Software. Ele é responsável por definir a estratégia e as soluções da Siemens para os setores aeroespacial e defesa. Antes de ingressar na Siemens, Dale trabalhou na The Spaceship Company, empresa afiliada à Virgin Galactic, como vice-presidente de engenharia e vice-presidente de gerenciamento de programas, liderando o desenvolvimento de naves espaciais para turismo espacial. Ele liderou a equipe em um voo bem-sucedido para o espaço em dezembro de 2018. Antes, Dale trabalhou na Textron Aviation/Cessna Aircraft em funções de liderança em programas e engenharia. Como engenheiro-chefe e diretor do programa Scorpion Jet, ele liderou uma equipe multifuncional dinâmica encarregada de projetar, construir e voar o protótipo Scorpion Jet desde o conceito até o primeiro voo em 23 meses. Dale também trabalhou como engenheiro na Bombardier Learjet e na General Dynamics Space System Division.
