Цифровые испытания: как Китай смог организовать ускоренную сертификацию авиационных беспилотников

Тяжелые беспилотные авиационные системы (БАС) и воздушные суда вертикального взлета и посадки с электрической силовой установкой (electric Vertical Take-Off and Landing, eVTOL) представляют собой новый класс авиационной техники, стремительно развивающийся в последние годы благодаря появлению новых технологий - прежде всего, электрических двигателей и аккумуляторов с высокими удельными характеристиками. Их сертификация по традиционным авиационным нормам сталкивается со значительными вызовами из-за новизны конструкций, автономности полета и, в большинстве случаев, отсутствия пилота на борту. В этих условиях все большее значение приобретают цифровые методы испытаний - компьютерное моделирование и симуляция полетов, систем и конструкций. Использование цифрового моделирования позволяет ускорить испытания в целях сертификации, снизить затраты и повысить безопасность, однако требует разработки надежных механизмов валидации и верификации моделей, чтобы регуляторы могли признать результаты того, что теперь принято называть цифровыми (виртуальными) испытаниями, наравне с натурными. При этом важна уверенность не только регуляторов - авиационных властей - но и самих разработчиков, для которых важно не только сократить временные и финансовые затраты на подтверждение соответствия нормам летной годности, но и самим быть в уверенности в адекватности цифровых моделей и возможности опираться на них при принятии конструкторских решений.
Стремясь стать лидером в этой новой области, Китай в последнее десятилетие демонстрирует самый активный подход к сертификации БАС и eVTOL. Власти этой страны, и в первую очередь Главное управление гражданской авиации КНР (Civil Aviation Administration of China, CAAC), разрабатывают правовые механизмы признания результатов цифрового моделирования при подтверждении летной годности. Уже в 2019 году CAAC выпустило руководящие указания по сертификации беспилотников на основе оценки операционного риска. Это позволило к 2023-2024 годам сертифицировать первые в мире образцы пассажирских и грузовых eVTOL-систем в Китае. Как выясняется, одним из залогов успеха стало внедрение цифровых испытаний в процессе сертификации БАС и eVTOL.

Китайских опыт сертификации тяжелых БАС

КНР стала одной из первых стран, внедривших подход к сертификации БАС, основанный на анализе операционного риска. В январе 2019 года Департамент летной годности CAAC опубликовал "Руководство по сертификации БАС на основе рисков", согласно которому началось формирование системы управления летной годностью беспилотников, основанной на риск-ориентированном подходе. CAAC привлекла пять китайских компаний в качестве пилотных для отработки стандартов и методов сертификации БАС различного назначения, включая пассажирские перевозки и транспортировку грузов. Такой подход вполне находится в духе Международной организации гражданской авиации (International Civil Aviation Organization, ICAO), провозгласившей принцип Performance-Based Regulation для новых типов аппаратов - регулирования, основанного на достижении целевых показателей безопасности полетов. В дальнейшем CAAC официально закрепило этот подход: была выработана новая стратегия сертификации, основанная на операционном риске - для аппаратов новых категорий разрабатываются специальные нормы летной годности и методы оценки соответствия им, учитывающие специфические особенности конструкции и предполагаемые условия эксплуатации. Данный подход был реализован, например, при сертификации двухместного пассажирского eVTOL EHang EH216-S, для которого регулятор сформировал отдельные специальные (особые) условия вместо применения существующих норм для пилотируемых воздушных судов. Это соответствует положениям ст.21.17(II) китайских Правил сертификации авиационной техники АП-21, допускающим установление отдельных норм летной годности для нестандартных категорий воздушных судов.

Несмотря на новизну сферы, к 2020 году в Китае начали оформляться нормативные документы, регламентирующие признание результатов моделирования и вообще сертификацию БАС. В частности, 20 января 2020 года CAAC утвердило "Систематический стандарт летной годности для беспилотных ЛА с высоким риском (самолетного типа)". Этот документ устанавливает требования к безопасному исполнению беспилотников соответствующей категории, что предполагает возможность обоснования соответствия как натурными, так и цифровыми испытаниями. Параллельно к марту 2020 года были разработаны проекты новых сводов правил: "Временные положения по управлению полетами БАС", "Процедуры экспертизы и одобрения летной годности БАС", "Руководство по оценке рисков в рамках экспертизы летной годности БАС". Все они учитывали не только имевшиеся к тому времени рекомендации ICAO, но и регуляторных опыт Европейского агентства авиационной безопасности (European Union Aviation Safety Agency, EASA).

Указанные документы ввели риск-ориентированный механизм регуляторного зачета результатов испытаний. Было определено, что степень и формат необходимых доказательств соответствия нормам летной годности (полеты, имитационное моделирование, анализ и др.) зависят от потенциальной опасности аппарата и сценариев его применения. Таким образом, была заложена правовая основа для признания результатов цифрового моделирования - при условии достаточной достоверности модели регулятор может зачесть результаты численного эксперимента (симуляции) в доказательство соответствия тем или иным требованиям, сокращая объем физических испытаний. Данный подход согласуется с рекомендациями ICAO по применению современных методов в сертификации беспилотников. Китай не просто регулярно информирует ICAO о прогрессе в данной сфере, но и делится наработками для выработки международных стандартов.

В отсутствие готовых международных норм для пассажирских eVTOL китайский регулятор пошел по пути издания Специальных условий - дополнительных норм летной годности для конкретных проектов. Так было, например, после подачи компанией EHang заявки на сертификацию ее аппарата EH216-S - беспилотного пассажирского двухместного коптера - в январе 2021 года. Разработанные Специальные условия в целом были основаны на вертолетных нормах и охватывали требования к летным характеристикам, прочности конструкции, силовой установке, системам управления, каналам связи, наземной станции управления и т.д., при этом были адаптированы под автономный двухместный аппарат. Базируясь на принципах риск-ориентированного подхода и целевых уровней безопасности, специальные условия позволили гибко учитывать доказательства, основанные на цифровом моделировании. Аналогичным образом были сформулированы требования и для других новых аппаратов. Например, грузовой eVTOL V2000CG компании AutoFlight (максимальная масса около 2000 кг) стал первым большим беспилотным аппаратом, получившим сертификат типа в марте 2024 года - для него также были определены специальные нормы, учитывающие особенности беспилотного электрического конвертоплана. Таким образом, правовой механизм специальных условий стал в Китае ключевым инструментом для регуляторного зачета результатов новых методик испытаний.

Признание цифровых испытаний в Китае

CAAC признает результаты цифрового моделирования и симуляций при условии надлежащей валидации моделей. Процесс сертификации включает определение методов оценки соответствия (Means of Compliance) для каждого сертификационного требования. Эти средства могут быть традиционными (испытательные полеты, наземные стенды) или альтернативными (цифровые расчеты и моделирование), либо их комбинацией. Для EH216-S были заранее оговорены методы подтверждения требований, многие из которых основывались на испытательных методиках, применяющих цифровое моделирование и виртуальные среды. Верификация моделей осуществлялась поэтапно: сначала на уровне компонентов и систем в лабораториях, затем на интеграционных стендах (Hardware-in-the-Loop, программные симуляторы и пр.), и, наконец, в ходе контрольных летных испытаний проводилась корреляция результатов моделирования с фактическими полетными данными. Такой многоуровневый процесс валидации и верификации можно отнести к лучшим мировым практикам цифрового моделирования в авиации, и для Китая основополагающим в этом вопросе был опыт корпорации COMAC при реализации программы магистрального самолета C919, где широко применялся подход "виртуальная железная птица" для программно-аппаратного моделирования работы бортовых систем и авионики.

Двухместный автономный eVTOL EH216-S компании EHang стал знаковым примером "цифровой сертификации". Процесс длился около трех лет, в течение которых EHang тесно сотрудничала с CAAC, сочетая традиционные авиационные принципы сертификации с инновационным подходом. Большая часть испытательных пунктов была отработана в цифровой среде или на стендах до выхода на натурные испытания. Согласно отчетам EHang, валидация конструкции и систем EH216-S включала широкомасштабные лабораторные, стендовые и натурные испытания по более чем 500 отдельным пунктам. В их числе были расчеты прочности, огнестойкость, отказобезопасность программного обеспечения, работа наземной станции управления, аэродинамика. Цифровые модели не отменили полномасштабные летные испытания - EHang выполнила свыше 40 тыс. беспилотных полетов в рамках отработки и доводки системы. Накопленные данные послужили для уточнения цифровых моделей, которые затем использовались при финальной сертификации. В результате такой интегрированной стратегии первый в мире сертификат типа для беспилотного eVTOL был выдан именно EH216-S в октябре 2023 года, что подтвердило эффективность китайского подхода. Данный кейс продемонстрировал, что при надлежащей проработке моделей и плотном взаимодействии разработчика с регулятором, цифровые испытания могут частично заменить традиционные натурные тесты без ущерба для полноты доказательной базы.

Еще одним примером служит грузовое воздушное судно V2000CG разработки крупной китайской компании AutoFlight. Этот электрический конвертоплан массой 2 тонны в марте 2024 года получил первый в мире сертификат типа для тяжелой грузовой беспилотной авиационной системы самолетного типа с вертикальным взлетом и посадкой. Сертификационные испытания также проводились с широким применением моделирования. Примечательно, что параллельно с беспилотной сертифицировалась пилотируемая модификация этого воздушного судна, что свидетельствует о гибкости разработанного авиационными властями Китая сертификационного базиса: цифровые модели, валидированные на беспилотной версии, могут послужить основой для сертификации пилотируемого варианта с минимальным дополнительным набором испытаний.

Ключевое значение для регулятора имеет достоверность математических моделей. Залогом успеха китайского подхода является постоянная "перекалибровка" цифровой модели по данным предыдущего шага - то, что можно назвать "цифровым двойником". Китайский авиационный регулятор учредил несколько испытательных лабораторий и сертификационных центров совместно с научными институтами (например, в г. Сиань), где могут проводиться независимые экспертизы моделей, предложенных производителями. Такая институциональная база повышает доверие к цифровым методам и создает единые критерии приемлемости моделей.

Выводы

Опыт Китая демонстрирует, что испытания с применением численного моделирования и цифровой симуляции могут стать полноценным элементом системы подтверждения соответствия требованиям летной годности. В сжатые сроки в стране была сформирована нормативная и организационная основа для регуляторного признания результатов моделирования, применяемого в процессе сертификации беспилотных воздушных судов и воздушных судов вертикального взлета и посадки.

Ключевым элементом китайского подхода стало внедрение риск-ориентированной стратегии: объем и методы испытаний, включая допустимую долю цифровых средств подтверждения, определяются в зависимости от уровня потенциального риска, связанного с конструкцией и предполагаемыми условиями эксплуатации воздушного судна. Получение первых сертификатов типа (EH216-S, V2000CG) стало возможным благодаря активному привлечению научно-исследовательских организаций и институтов в процессы валидации цифровых моделей и методов.

Сертификация БАС в Китае была не только включена в стратегические приоритеты национальной авиационной политики, но и обеспечена прямым участием авиационного регулятора CAAC на всех этапах - от формирования особых условий до выбора средств подтверждения. Такой подход позволил оперативно адаптировать регуляторную базу к новым категориям воздушных судов и обеспечить системное внедрение инновационных технологий в процессы подтверждения соответствия.

С учетом отсутствия единых международных норм по сертификации тяжелых БАС и eVTOL, китайская модель может послужить основой для формирования новых глобальных стандартов. Создание инфраструктуры цифровых испытательных полигонов, интеграция лабораторных, стендовых и численных методов, а также институционализация процессов верификации моделей позволят ускорить допуск перспективных воздушных судов к эксплуатации без ущерба для безопасности полетов.

Для Российской Федерации данный опыт представляет значительный интерес. Правовых запретов на использование цифрового моделирования в доказательной документации при сертификации авиационной техники нет, однако в широкую практику данные методы пока не вошли. Возможно, их более широкое применение не только поможет в более оперативной сертификации и скорейшем начале эксплуатации тяжелых БАС, но и обеспечит технологический суверенитет в области сертификации перспективной авиационной техники, как беспилотной, так и пилотируемой.

 Алексей Дмитриевич Рогозин, председатель Правления АНО "Центр развития транспортных технологий"