Как получить точные CAD‑модели частей самолета для обратного проектирования

Автор: Сергей Думилин

Закажите услугу 3D‑сканирования | Задача: создание 3D‑сканов и CAD‑моделей различных частей самолета | Метрологическое оборудование и системы, задействованные в проекте | Заключение и экономические выгоды

Институт высокочастотных технологий и радиолокационных систем Немецкого центра авиации и космонавтики (DLR) исследует радиолокационные системы и их особенности для использования в будущих спутниковых миссиях. Системы предварительно испытываются в атмосфере, на летательных аппаратах с высокими эксплуатационными возможностями.

В этот раз для предварительных испытаний радиолокационные системы будут установлены на два самолета Dornier Do 228 с турбовинтовыми двигателями. Антенны, необходимые для испытания, будут разработаны, протестированы и интегрированы в бортовые системы в Институте. Для монтажа антенн на фюзеляж самолета необходимы специальные опорные конструкции. Их создание предполагает наличие точных данных контуров (CAD-моделей) различных частей самолета.

При подготовке к новому проекту наблюдения Земли с использованием двух радиолокационных спутников L‑диапазона сопоставимая система будет установлена на два самолета. Наблюдение за поверхностью Земли при помощи двух несущих платформ, одновременно принимающих сигнал, может помочь в разработке новых инструментов с расширенным функционалом, предназначенных для анализа и оценки записанных радиолокационных данных по конкретным параметрам, моделям, картам и т.д.

Помимо классической 3D‑модели земной поверхности будут собираться и другие данные, например:

информация о состоянии лесного покрова;
данные о ледниках, такие как скорость течений и временные изменения объема;
сведения об изменении уровня земной поверхности вследствие вулканической активности, землетрясений или добычи ископаемых.

Вам требуются комплектующие, а конструкторская документация отсутствует и поставки прерваны? Необходимо ускорить процесс контроля качества сложных изделий? Эти и многие другие задачи помогут решить 3D‑сканеры и специализированное ПО. Оставьте заявку на услуги сканирования:

Все это – только малая часть возможного.

Дистанционное зондирование радарами основывается на принципе РСА (радиолокационного синтезирования апертуры), который позволяет получать сверхвысокое пространственное разрешение в направлении движения радиолокационной системы. Работа РСА не зависит от расстояния до поверхности, что позволяет получать качественные снимки поверхности Земли из космоса с высочайшей точностью.

В рамках миссии TanDEM‑X центр DLR уже использует два радиолокационных спутника – TerraSAR‑X и TanDEM‑X. Сегодняшние исследования направлены на то, чтобы найти замену существующему созвездию спутников X‑диапазона. Однако частоты в L‑диапазоне значительно ниже, а расстояния между спутниками намного больше. Это создает дополнительные трудности в обработке данных и создании алгоритмов и моделей, используемых для извлечения показателей из необработанных радиолокационных данных.

Новейшие системы, установленные DLR на двух исследовательских самолетах Dornier, применяются для предоставления таких данных задолго до потенциального запуска спутника. Это ключевые направления деятельности Института высокочастотных технологий и радиолокационных систем DLR.

Задача: создание 3D‑сканов и CAD‑моделей различных частей самолета

Для того, чтобы оценить количество свободного места для креплений антенн на поверхности самолета и внутри него, требуются предельно точные геометрические данные. В этом проекте конструкции монтируются на салазках внутри воздушного судна и проходят через шахту в полу наружу к нижней части фюзеляжа, где устанавливается аэродинамический обтекатель с антенной. Антенна закреплена таким образом, чтобы она могла вращаться вокруг вертикальной оси с определенными ограничениями.

Особого внимания здесь заслуживают ось и пространство вокруг нее – пол внутри кабины и зона под фюзеляжем. Для реализации проекта требовались точные CAD‑модели зон двух летательных аппаратов. Они были необходимы для создания опорных конструкций, или креплений. Для создания CAD‑моделей в первую очередь нужны были 3D‑изображения, полученные с помощью сканера.

Изображения послужили основой для проекта креплений антенн для двух самолетов Do 228, принадлежащих DLR, чтобы в процессе группового полета ЛА могли собирать данные РСА в L‑диапазоне. Приемопередающие антенны с угловой траекторией сигнала требовалось установить под фюзеляжем каждого из самолетов.

Метрологическое оборудование и системы 3D-сканирования, задействованные в проекте

Портативный 3D‑сканер MetraSCAN 3D и оптический трекер C‑Track

Представители DLR обратились в отдел метрологии и проектирования компании Creaform для сканирования поверхности самолетов и его кабины.

Мобильные, быстрые и точные системы 3D‑сканирования Creaform идеально соответствовали проектным требованиям по точности, детализации и доступности участков исследования. В работе использовались:

ручной 3D‑сканер MetraSCAN 3D;
ручной 3D‑сканер HandySCAN 3D;
система фотограмметрии MaxSHOT 3D.

Самолеты были отсканированы на базах Отдела авиационных исследований DLR в Оберпфаффенхофене и Брауншвейге.

HandySCAN 3D в работе

Позиционная модель самолета (внутренняя и наружная) была создана с помощью MaxSHOT 3D. Эта система фотограмметрии позволила повысить точность общих измерений и объединить размеры внешней части с размерами внутренней. 3D‑сканер MetraSCAN 3D использовался для сбора данных о внешних поверхностях самолета, таких как фюзеляж, а HandySCAN 3D применяли для сканирования мелких деталей и труднодоступных участков внутри самолета, например, люка в полу.

Постобработка результатов сканирования выполнялась с помощью программного обеспечения VXmodel в три этапа:

очистка;
совмещение;
удаление ненужных поверхностей.

После обработки скан был готов к обратному проектированию в CATIA. На каждый самолет потребовалось 4‑5 часов на измерение на месте (включая монтаж и демонтаж систем), 2‑3 часа на постобработку и почти две недели на реверс-инжиниринг.

Скан (слева) и воссозданная CAD‑модель (справа) люка в полу самолета

Первый эскизный проект крепления для антенны, объединенный с существующим 3D‑сканом кабины самолета, изображен ниже. В данных можно указать положение отдельных заклепок, салазок для сидений и даже швов обшивки фюзеляжа.

Заключение и экономические выгоды

Инженер Маркус Лимбах из Института высокочастотных технологий и радиолокационных систем DLR доволен результатом работы: «Оборудование и опыт Creaform в области обработки данных сыграли ключевую роль в решении этой задачи. Далеко не все компании, с которыми мы работали до этого, поддерживают такие высокие стандарты качества. Благодаря сотрудничеству с метрологической группой Creaform мы рассчитываем сэкономить от 6 до 8 недель рабочего времени! Такие результаты не могут не радовать».

О Немецком центре авиации и космонавтики

Немецкий центр авиации и космонавтики (DLR) – это государственный научно-исследовательский центр ФРГ, который занимается вопросами воздухоплавания, авиации и космонавтики. Центр проводит исследования и разработки в области авиации, космоса, энергетики и транспорта, а также безопасности и цифровизации. Штаб-квартира DLR находится в Кельне; центр имеет более 30 филиалов по всей стране. Его специалисты разрабатывают решения сложнейших технических проблем – как текущих, так и перспективных. Таким образом DLR способствует развитию Германии как центра науки и бизнеса.

На площадке Института высокочастотных технологий и радиолокационных систем в Оберпфаффенхофене разрабатывают инновационные датчики, алгоритмы и приложения для наземного, воздушного и спутникового дистанционного зондирования. Кроме того, Центр проводит летные эксперименты для подготовки немецкой радиолокационной спутниковой миссии TanDEM‑X и других, будущих миссий. Для этого Институт высокочастотных технологий и радиолокационных систем DLR разработал и весьма успешно использует бортовые радиолокационные системы F‑SAR и DBF‑SAR. Институт работает более 30 лет и является одним из ведущих мировых научных центров в области сенсорных технологий. Особое внимание он уделяет обработке данных и алгоритмам для создания новой продукции.

Примечание: устройства Creaform серий HandySCAN 3D и MetraSCAN 3D внесены в Государственный реестр средств измерений РФ и могут проходить ежегодную поверку с выдачей свидетельства государственного образца.

Материал предоставлен компанией Creaform