Что такое авиационная робототехника
Что такое авиационная робототехника
Итак, робот ‑ электромеханическое, пневматическое, гидравлическое устройство или их комбинация, предназначенное для замены человека в промышленности, опасных средах и др. [6]
Цель нашей работы ‑ исследовать, как и где работают роботы в авиации.
Задачи исследования: изучение источников с целью ознакомления с видами роботов в авиации; проанализировать их особенности и сферы применения.
Рассмотрим роботы, задействованные в авиастроении. На современных промышленных предприятиях особенную актуальность приобретает использование автоматизированных решений, бережливое и безлюдное производство, внедрение новых технологий и устранение вредных факторов, влияющих на здоровье человека.
В связи с этим особую популярность завоевывают решения по автоматизации производства на базе промышленных роботов, позволяющих обеспечить полный цикл обработки с высокой производительностью и точностью, избежать перерывов и производственных ошибок, свойственных человеку.
Промышленными роботами заинтересовались авиастроительные компании, которые хотят снизить эргономические риски, связанные с повторяемостью операций сверления и клепки. Это важно, так как, одно изделие, например входной патрубок воздухозаборника реактивного истребителя может требовать сверления тысячи отверстий.
Промышленные роботы начинают применяться в процессах клепки, обшивки фюзеляжа, выкладки композитных материалов, при различных работах в условиях ограниченного пространства. Активно распространяется применение роботов в измерительных системах [6, 7, 8].
Сдирание краски с самолёта огромный труд. Поэтому исследователи из Университета Карнеги-Меллон и компания Concurrent Technologies Corporation (США), поставив перед собой задачу создания роботизированной системы, которая смогла бы помочь техническому персоналу и взять на себя эту работу, разработали команду роботов, способных снимать краску с самолетов, используя для этого лазеры [9].
В России применение роботов пока ограничено. Причинами отставания являются недостаточная информированность российских технических специалистов и менеджмента предприятий, желание избежать больших затрат на их внедрение, низкая стоимость ручного труда.
Рассмотрим роботы, встроенные в авиамашины, управляемые человеком. Авиационные комплексы с дистанционно пилотируемыми летательными аппаратами (ДПЛА) относятся к числу наиболее перспективных средств воздушной разведки. Это связано с тем, что современные технологии позволяют создавать «летающие роботы», способные с высокой достоверностью добывать разведывательную информацию, действуя над территорией противника вблизи объектов разведки. При этом повышенная скрытность действий ДПЛА, способность вести разведку круглосуточно приобретают особое значение в ходе подготовки и проведения не только войсковых, но и контртеррористических, специальных операций, о чем свидетельствует использование подобных средств американцами в Афганистане, Ираке.
Комплекс с ДПЛА «Пчела-1» используется для широкого круга задач в интересах народного хозяйства. В первую очередь к ним относятся контроль: лесных массивов или иных поверхностей с целью обнаружения очагов пожаров; состояния газо- и нефтепроводов с целью обнаружения утечек газа и разливов нефти; и др. В пользу такого использования комплекса с ДПЛА «Пчела-1» говорит то, что ему не требуются аэродромы с дорогостоящей инфраструктурой [4].
Немецкие учёные создали систему управления самолетом при помощи мыслей. В Сети появилось видео с демонстрацией системы управления полетом, где пилот не использует рычаги, кнопки, тумблеры и все прочее. Вместо этого на голову пилота надевают специальную «шапочку», считывающую активность мозга человека. Система адаптирована таким образом, что мысли человека преобразуются в сигналы для системы управления полетом. В итоге самолет летит туда, куда ему мысленно приказывает лететь пилот. Сама разработка создана для последующего создания системы контроля полета с использованием лишь мысленных команд, без необходимости запоминать все эти сотни кнопок, рычагов и тумблеров, которые находятся в кабине самолета.
Полеты беспилотных летательных аппаратов ничем не отличаются от полетов пилотируемой авиации. БЛА оснащены системами наведения, бортовыми радиолокационными комплексами, датчиками и видеокамерами.
Беспилотники как средство ведения современной войны «дебютировали» в 1982 г. над долиной Бека в ходе войны между Сирией и Израилем [3].
С того времени БПЛА значительно усовершенствовались, а их функциональность и роль в боевых действиях постоянно возрастают.
Российские тактические беспилотники для вооружённых сил. Собственно российские беспилотники разрабатывались рядом КБ: ОКБ «Яковлева», ОКБ МиГ и «Климов» (проект «Скат», ныне закрытый), ОКБ «Сухой» (тяжелый ударный БПЛА), ОКБ «Сокол», «Транзас».
На сегодняшний день наиболее «доведенными до ума» военными беспилотниками России являются «Орлан-10» разработки компании «Специальный технологический центр» и «Дозор-600» разработки компании «Транзас».
Использование дронов в общественной жизни. Безусловно, военные плюсы здесь очевидны: при дальности полета в 3600 км, беспилотник практически без риска можно запустить вглубь, скажем, Сомали или другой горячей точки, задав определенную миссию. И, если дрон не будет сбит в пути, база получит достаточно информации для дальнейшей работы.
Однако изобретатели достаточно быстро просекли особенности беспилотного маленького робота и, недолго думая, перенесли дронов «на гражданку», впустив их в повседневный обиход многих сфер деятельности человека. Свой образ таинственных и бездушных ассасинов из будущего дроны постепенно растворяют в повседневной реальности. Рассмотрим примеры «гражданских» дронов:
Дрон-полицейский. Такого дрона нередко используют в качестве патрульных, что в целом несколько облегчает работу людей.
Дрон-спасатель. Эти дроны полезны в тех случаях, когда пробраться надо в опасное или труднодоступное для людей место
Дрон-фермер. Самые простые аппараты летают над полями, отпугивая насекомых и следя за скотом.
Таким образом, роботы начали рассматриваться производителями авиации по нескольким причинам. Первой причиной была необходимость снижения ручного труда, повышения пропускной способности и улучшения качества, так же внедрение роботов снижает количество и стоимость сложного инструмента. Робот с системой автоматизированной коррекции, может корректировать некоторые отклонения. Робот не может делать плохие детали хорошими, но может сделать коррекцию заложенных заранее допусков, что невозможно сделать сложным инструментом.
Применение беспилотных роботов значительно упростило работу военных служб в разведки и уничтожении противника. Однако в их применении есть и минусы, у них нет чувств, человеческой гуманности и опознавании мирных граждан. К сожалению, бывали случаи, когда от деятельности БПЛА страдали мирные люди.
Беспилотники не только применяются в военных целях, но и в общественной деятельности человека. Они стали достойными помощниками людей, которые в будущем значительно повысят свою популяцию и станут самым популярным видом отправления посылки или иного другого действия.
Таким образом, роботы привнесли большой вклад в авиастроение и все разработки, рассмотренные выше, что вселяет надежду на облегчение человеческого труда в сферах авиапромышленности и общественной жизни.
Самолеты станут надежнее? Авиастроители внедряют роботов на предприятия
Робот Luise на заводе Airbus
«Мы никогда не будем автоматизировать авиастроение по той же схеме, что и автомобилестроение, из-за стоимости продукции, — сказал однажды Джефф Кэмпхаус, представитель KUKA Systems Aerospace Group. — Отдельные процессы, такие как сверление и крепление деталей, которые в авиастроении очень дороги, могут быть автоматизированы для снижения цены и повышения качества».
Но даже роботизация отдельных процессов приносит авиапредприятиям выгоду, делая при этом самолеты надежнее и долговечнее. Чтобы убедиться в этом, перенесемся на заводы Airbus и Boeing.
О рентабельности: авиастроение и автопром
Говоря о роботизации, невозможно игнорировать автомобилестроение. Ведь первый промышленный робот появился на заводе General Motors, и сегодня автомобильные компании лидируют по темпам автоматизации. По исследованиям IFR (International Federation of Robotics), в Республике Корея, Канаде, США и ряде крупных стран Европы большинство роботов занято именно в автопроме. Поставки механических работников постоянно растут, и по итогам 2015 года приблизились к 100 тысяч штук в год.
Есть несколько причин, почему так много роботов трудится именно на сборке автомобилей.
Во-первых, стандарты производства машин всех классов постоянно растут. На это влияют и запросы покупателей, и требования безопасности. Поэтому производители вводят все более строгие допуски для деталей и все более жесткие стандарты для швов и отверстий.
Во-вторых, конкуренция в автопроме суровая, поэтому для предприятий важно снижение брака: это уменьшает себестоимость продукции.
В-третьих, автозаводы выпускают машины крупными партиями. Например, «Тесла» в 2017 году продала 29 870 автомобилей. Мировой рекорд поставила Volkswagen: 10,74 млн автомобилей. Поэтому автоматизация на автопредприятиях быстро окупается. В автомобилестроении роботы используются там, где важна высокая точность (при сборке двигателей и кузовов) или на опасных участках производства: у литьевой машины, на сварочных линиях.
В авиастроении объемы производства существенно ниже. Например, Airbus в 2017 году поставил 718 самолетов. И срок окупаемости инноваций, соответственно, больше. Но у роботизации и здесь есть потенциал, ведь она помогает сделать самолеты надежнее.
Airbus
Робот Luise на фабрике Airbus
Автоматизация — часть долгосрочной программы Airbus, первые заявления о которой были сделаны в 2015 году. Как сообщается на официальном сайте компании, основные усилия сегодня направлены на внедрение коллаборативных роботов, которые смогут трудиться бок о бок с людьми: в Airbus амбициозно заявляют, что это произведет «революцию в самолетостроении».
Новые решения планируется внедрять ежегодно. Так, в 2015-м на производстве появились маленькие роботы на колесах, которые могут передвигаться внутри корпуса строящегося самолета безопасно для работающих там людей. А в мае 2016 года Airbus в сотрудничестве с токийской компанией Joint Robotics Laboratory начали новый проект: разработку коллаборативного робота-гуманоида. Предполагается, что он сможет выполнять разные технические задачи и работать вместе с людьми в ограниченных пространствах, например, внутри фюзеляжа.
Проект разработки и внедрения андроидов рассчитан на 10-15 лет. Небольшие коллаборативные роботы действительно могут оказаться для авиастроения выгоднее, чем промышленные манипуляторы, ведь они более универсальны.
Один из роботов Joint Robotics Laboratory
В июне 2018 на предприятии Airbus в Гамбурге появились два промышленных робота — Luise и Renate. Это манипуляторы на подвижном шасси. Они работают на линии сборки самолета-бестселлера A320; их функция — сверление отверстий в частях фюзеляжа для его дальнейшей сборки. Не опережая людей в скорости, роботы отличаются большей точностью и эргономичностью.
Luise и Renate входят в новую сборочную линию: на ней части фюзеляжа транспортируются не кранами, а специальными платформами. Затем они совмещаются и идеально выравниваются с помощью лазера, после чего роботы приступают к сверлению. Компания не исключает, что такие же линии сборки могут появиться на заводах Airbus в других городах.
Airbus также сотрудничает с KUKA: в 2016 году компания, выпускающая промышленных роботов, поставила авиаконцерну транспорт для перемещения частей самолета. Автоматизированные платформы Kuka omniMove перевозят части фюзеляжа, которые из-за из веса и габаритов сложно перемещать кранами. Платформы могут собираться в «составы», поэтому их легко адаптировать под детали разной длины.
Предупреждая недовольство рабочих, в Airbus подчеркивают, что механические работники не заменят людей и не лишат их рабочих мест, а лишь возьмут на себя рутинные и физически сложные задачи: сверление, крепеж, герметизацию, работы с перемещением тяжелых предметов.
Boeing
Boeing, главный конкурент Airbus на мировой арене, также внедрил на своих заводах несколько роботов и объявил о том, что впереди новые проекты. Но американская авиакомпания идет своим путем и не вкладывается в разработку новых роботов, а использует опыт уже известных роботехнических компаний.
Ключевой партнер Boeing — KUKA Systems North America LLC; также авиакомпания сотрудничает с Fanuc и Electroimpact Inc.
На фабрике Boeing в Эверетте (штат Вашингтон) с 2015 года работает уникальная линия сборки самолетных корпусов, где трудятся роботы KUKA: они собирают секции фюзеляжа с помощью заклепок. Традиционно эту работу выполняли люди, но для человека установка заклепок связана с большими ударными нагрузками на руки, ведь на каждый фюзеляж требуется до 50 000 единиц крепежа. А еще нужно поворачивать детали корпуса самолета так, чтобы с ним было удобно работать. Манипуляторы KUKA способны выполнить ту же работу со статичным фюзеляжем, поскольку трудятся в тандеме: один устанавливает и расклепывает крепеж, а другой, внутри корпуса, выполняет роль наковальни. На этом предприятии также работают автоматические тележки Kuka omniMove.
Electroimpact Inc — еще один важный партнер Boeing. Компания выпускает роботов, которые могут сверлить отверстия и устанавливать крепеж; их особенность — в исключительной точности: отклонение не более 0,25 мм. Клиентами Electroimpact Inc, помимо Boeing, являются Northrop Grumman, Bombardier, Embraer и Xi’an Aircraft Company Limited (все четыре также делают самолеты). А еще Electroimpact Inc использует роботов в производстве композитных материалов для аэрокосмической промышленности: автоматические системы Robotic Automated Fiber Placement Cell занимаются укладкой волокон в нужном направлении, чтобы придать материалу прочность.
Роботы Fanuc на предприятиях Boeing используются для сверления, клепки, нанесения покрытий и красок, сварки алюминиевых конструкций и полировки. Но одна из самых ответственных областей их применения — герметизация. Устройства средних габаритов, такие как Fanuc M-710iC, используют машинное зрение, чтобы находить изъяны в сварных швах и наносить герметик.
Робот FANUC P-350iA/45 красит фюзеляж
Механические руки использует и компания Spirit AeroSystems — поставщик компонентов для Boeing. На предприятиях компании роботы занимаются окраской, нанесением покрытия, сверлением отверстий, погрузочными работами. «Всего пять-десять лет назад в аэрокосмической отрасли была только одна автоматизация — пользовательская, — говорит Кертис Ричардсон, помощник технического специалиста Spirit AeroSystems. — Но сегодня тренд в индустрии — промышленная роботехника». Ярким примером служит перфорация кабины самолета, которую раньше приходилось производить вручную: во внутренней обшивке высверливают отверстия, чтобы подавить шум двигателя. Но теперь Spirit AeroSystems использует для этой цели робот-манипулятор, который отлично справляется со сложной формой изделия.
Boeing решил шагнуть в роботизации дальше своих конкурентов. Недавно научно-исследовательское подразделение американского аэрогиганта, Boeing Research & Technology (BR & T), запатентовало полностью автоматизированный завод по производству фюзеляжа. При этом и роботы, и детали корпуса самолета в процессе производства будут двигаться. Пока работы по сооружению этого завода не начаты, но патент говорит о том, что компания во всеоружии.
Удивительные роботы для обслуживания самолётов. Россия рискует отстать ещё больше
В заключение мною было сформулировано следующее:
Однако в комментариях к статьям ряд читателей ВО сочли подобные идеи слишком фантастическими. Поэтому сегодня я предлагаю взглянуть, какие наработки в данном направлении есть уже сейчас, и существуют ли реальные перспективы тотальной роботизации всей сферы обслуживания авиации – как гражданской, так и военной.
1. Роботы MRO
В 2015 году компания Blue Bear Systems Research представила общественности одного из первых дронов, призванных помочь наземному персоналу и повысить безопасность авиаперевозок.
В дальнейшем класс подобных дронов получил обозначение Maintenance, repair, and overhaul (MRO).
По задумке, данный дрон должен был выполнять облёт авиалайнера по заданной траектории и предоставлять операторам и авиационным инспекторам высококачественные фотографии планера.
В качестве следующего этапа предполагалось написание специального алгоритма, способного самостоятельно анализировать полученные изображения и сигнализировать о присутствии на элементах конструкции механических повреждений.
По некоторым оценкам, применение данных дронов снижало время осмотра самолётов в 3 раза.
Наиболее интересные кадры продемонстрированы в данном фрагменте:
То есть инженеры, ведущие осмотр, могут работать не на улице, а в комфортных оборудованных помещениях, получая на свои мониторы всю необходимую информацию.
Диаграмма ниже демонстрирует предварительные расчёты снижения стоимости обслуживания самолёта и уменьшения времени простоя.
2. Робот-заправщик
Самое первое, что было упомянуто мною в предыдущих статьях – робот-заправщик.
Существующие экспериментальные образцы выглядят примерно так:
Перед проектом ставилось несколько задач, в числе которых:
— снижение интервала между вылетами;
— снижение рисков для людей, связанных с нахождением персонала в зоне заправки;
— снижение количества необходимого обслуживающего персонала.
Стоит отметить, что инженеры столкнулись с рядом проблем, в частности, были сложности с заземлением, но все эти проблемы прорабатывают, и медленно, но верно проект развивается.
Спрос на подобную технику будет и в гражданском сегменте (особенно в нём), ведь крупные аэропорты мира постоянно работают в плотном графике.
3. Роботы от Rolls-Royce
Весьма интересную концепцию разрабатывает производитель двигателей Rolls-Royce.
Суть заключается в следующем: внутрь самого двигателя встраивается специальный модуль, имеющий в своём составе несколько подвижных зондов, которые уже расположены внутри труднодоступных мест (то есть не нужно тратить время для получения доступа в эту часть двигателя).
И в режиме реального времени эти модули могут автономно осматривать и контролировать критически важные элементы. Такая система может автономно выявлять неисправность максимально быстро и уведомлять об этом инженерные службы, сразу отправляя им всю необходимую информацию.
Может работать и в режиме ручного управления, когда саму проверку инициирует инженер.
Ниже приведён кадр из демонстрационного ролика, на котором изображено, как специальный датчик сканирует поверхности лопаток двигателя.
Параллельно разрабатываются и отдельные решения аэродромного базирования для двигателей, не оснащённых такой системой.
Очевидно, что в будущем подобные системы могут быть разработаны не только для двигателей, но и для других наиболее важных узлов и механизмов.
Примечательно, что подобные решения не отдельные проекты, а являются частью концепции IntelligentEngine, которая охватывает все жизненные циклы двигателя – разработка, производство, эксплуатация, ремонт.
По своей сути данная концепция является логичным развитием идей самодиагностики.
Роботы для снятия краски и нанесения покрытий
Данные решения на основе лазера позволяют снимать покрытие тончайшим слоем – в процессе работы практически не образуется отходов, а сама процедура становится намного быстрее и дешевле.
Поменяв насадку, наоборот, можно наносить различные покрытия, в том числе и радиопоглощающие.
Робот намного лучше контролирует толщину наносимого слоя, и результат получается стабильней при минимально возможном расходе материала.
4. Холодное распыление (Cold Spray)
Ещё одна очень перспективная технология.
Суть данной технологии заключается в нанесении тонкого «ремонтного» слоя на изношенную деталь.
Безусловно, есть детали, срок использования которых ограничивается усталостью материала, однако достаточно и таких, износ которых происходит главным образом в локальных зонах трения. Применяя данную технологию для таких деталей, пропадает необходимость перерабатывать старую и заново изготавливать новую – достаточно просто восстановить изношенный слой.
По расчётам, при применении этой технологии стоимость ремонта некоторых узлов может снизиться в несколько раз.
5. Детали, напечатанные на 3D-принтере
Ещё одним направлением, активно развивающимся во всём мире, является изготовление деталей на 3Д-принтерах.
Сначала это воспринималось как детская забава, однако технологии не стоят на месте, и современные решения добрались и до авиакосмической отрасли.
Так, для F-22 уже изготовлены первые детали по этой технологии.
Такая технология позволяет резко снизить нагрузку на военную логистику и нивелировать простои техники из-за отсутствия нужных запчастей.
В дальнейшем США планируют постоянно расширять список напечатанных деталей, допущенных к эксплуатации на самолётах.
Программа получила государственную поддержку, и в 2018 году в штате Иллинойс были начаты работы по созданию центра аддитивного производства для нужд армии (не только авиации) США.
Планируется, что центр начнёт полноценную работу в середине 2021 года, пока же персонал осваивает новое оборудование и проводит необходимые тесты, параллельно составляя списки того, что в первую очередь подходит для подобного производства.
6. Робот-буксировщик Mototok
Строго говоря, работы над превращением этого малыша в полноценного робота только ведутся, а пока же он существует в управляемом через пульт варианте.
А вот как обычно происходит буксировка у нас:
Mototok также имеет непревзойдённые показатели маневренности, так как расположен на оси вращения передней стойки шасси и может повернуть её буквально на месте, в то время как буксировщику с классическим «водилом» для изменения угла поворота стойки требуется движение вперёд, что значительно увеличивает радиус поворота.
Данные свойства будут особенно востребованы на авианосцах и вертолётоносцах с учётом плотной компоновки техники в их ангарах.
7. Роботы XYREC
Изначально роботы задумывались как платформа для покрасочных работ, однако на неё можно навешивать абсолютно любое оборудование, благодаря чему платформа может стать универсальной.
Выводы
Авиация занимает всё большую роль в современных конфликтах, при этом отставание в технологиях обслуживания увеличивает общие издержки на содержание парка самолётов, снижает безопасность полётов, увеличивает небоевые потери, увеличивает время между боевыми вылетами, а также скорость ремонта. Если самолёты больше стоят в ремонтном ангаре – значит, их меньше на боевом дежурстве.
В совокупности все эти факторы взаимно усиливают эффект друг друга.
В связи с этим России крайне важно не упустить современные тенденции, тем более что внедрение некоторых из них не связано с выделением на эти цели больших денег или с привлечением огромного количества научных работников, но в то же время позволяет существенно поднять обороноспособность страны. Главное, чтобы это осознали нужные люди и как можно быстрее приняли решение.
Некоторый оптимизм внушает и тот факт, что российские компании уже начали осваивать новые технологии.
Так, к примеру, Газпромнефть ещё в 2018 году запустила роботизированную систему заправки:
И в завершение ещё одно небольшое видео о том, как «работает кто-то другой», в данном случае робот: