2023年航空動力領(lǐng)域數(shù)字化進(jìn)展

■ 付玉 / 中國航空發(fā)動機(jī)研究院

在美國數(shù)字工程戰(zhàn)略的引領(lǐng)下，航空發(fā)動機(jī)制造商紛紛在數(shù)字化領(lǐng)域進(jìn)行積極探索。盡管GE公司的Predix平臺并未達(dá)到預(yù)定目標(biāo)，羅羅公司的R2實(shí)驗(yàn)室也因業(yè)務(wù)重心調(diào)整而關(guān)停，但航空發(fā)動機(jī)制造商的數(shù)字化進(jìn)程并未止步，雖步履蹣跚，但始終前行。

新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)革命的深入推進(jìn)，正不斷重塑全球創(chuàng)新版圖。數(shù)字化是第四次工業(yè)革命的核心技術(shù)之一，對各行各業(yè)都產(chǎn)生了深刻影響。作為尖端裝備制造領(lǐng)域的從業(yè)者，航空發(fā)動機(jī)制造商紛紛在數(shù)字化領(lǐng)域積極布局，持續(xù)推進(jìn)。2023年，航空發(fā)動機(jī)設(shè)計、制造、維修等階段的數(shù)字化轉(zhuǎn)型均取得了一定進(jìn)展。

設(shè)計研發(fā)試驗(yàn)階段：超算與仿真技術(shù)加速產(chǎn)品裝備研發(fā)

傳統(tǒng)的航空發(fā)動機(jī)設(shè)計按照“設(shè)計—驗(yàn)證—修改設(shè)計—試驗(yàn)驗(yàn)證”的模式反復(fù)迭代，具有周期長、耗費(fèi)大、風(fēng)險高的問題。為了滿足對航空發(fā)動機(jī)日益增長的高性能與低成本的迫切需求，減少設(shè)計參數(shù)和工藝成本的不確定性，航空發(fā)動機(jī)的設(shè)計研發(fā)模式正在從傳統(tǒng)的串行設(shè)計向以數(shù)字建模和高精度仿真為核心的預(yù)測設(shè)計轉(zhuǎn)變。

GE公司借助超級計算機(jī)模擬RISE發(fā)動機(jī)架構(gòu)

2023年6月，GE公司開發(fā)了能夠在Frontier超級計算機(jī)上運(yùn)行的計算流體力學(xué)（CFD）軟件，模擬發(fā)動機(jī)性能和噪聲水平，以支持可持續(xù)發(fā)動機(jī)革命性驗(yàn)證（RISE）項(xiàng)目中開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)架構(gòu)的設(shè)計開發(fā)。Frontier是美國能源部橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室的超級計算機(jī)，數(shù)據(jù)處理速度超過每秒百億億次，是目前世界上速度最快的計算機(jī)。GE公司的CFD軟件與Frontier相結(jié)合，可以模擬全尺寸開式轉(zhuǎn)子的空氣流動狀態(tài)，在細(xì)節(jié)呈現(xiàn)方面實(shí)現(xiàn)了跨代提升。此外，超級計算機(jī)可以實(shí)現(xiàn)在設(shè)計階段評估新發(fā)動機(jī)技術(shù)在飛行試驗(yàn)狀態(tài)下的性能，從而進(jìn)一步改進(jìn)試驗(yàn)件的設(shè)計，更好地優(yōu)化發(fā)動機(jī)性能及其與機(jī)體的集成。

航空發(fā)動機(jī)數(shù)字孿生示意圖

羅羅公司大幅縮短航空發(fā)動機(jī)研發(fā)仿真時間

2023年6月，羅羅公司與工程仿真軟件供應(yīng)商Ansys公司、英特爾公司開展合作，將發(fā)動機(jī)熱機(jī)械模型的仿真時間從1000h縮短至10h以內(nèi)，速度提高了100倍，節(jié)省了能源和開發(fā)成本。Ansys公司的仿真軟件LS-DYNA采用了英特爾oneAPI數(shù)學(xué)內(nèi)核庫（MKL），降低了仿真所消耗的內(nèi)存，并將運(yùn)行速度提高了幾個數(shù)量級，從而節(jié)省功耗和能耗。羅羅公司還利用數(shù)字孿生技術(shù)進(jìn)行高保真設(shè)計并創(chuàng)建虛擬原型，通過在整個開發(fā)過程中整合仿真和數(shù)字孿生的成果，進(jìn)而設(shè)計出更高效的推進(jìn)系統(tǒng)。

發(fā)動機(jī)熱機(jī)械模型仿真示意圖

UEC 艦用燃?xì)廨啓C(jī)數(shù)字孿生開發(fā)工作即將完成

2023年10月，俄羅斯聯(lián)合發(fā)動機(jī)制造集團(tuán)（UEC）旗下土星科研生產(chǎn)聯(lián)合體宣布即將完成為期3年的艦用燃?xì)廨啓C(jī)數(shù)字技術(shù)開發(fā)項(xiàng)目。項(xiàng)目共開發(fā)6款軟件產(chǎn)品、380多個燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)和單元的數(shù)學(xué)模型，以及機(jī)械和熱處理工藝流程的設(shè)計模型，進(jìn)行了2000余次虛擬測試。此外，還開展了CML-Bench數(shù)字平臺的開發(fā)工作，創(chuàng)建了推進(jìn)系統(tǒng)的基本元素建模、整機(jī)動態(tài)模型和運(yùn)行狀態(tài)預(yù)測程序，并集成了數(shù)字孿生的數(shù)學(xué)模型。該項(xiàng)目是對俄羅斯國內(nèi)發(fā)動機(jī)研發(fā)技術(shù)與信息技術(shù)的重要集成，可將工程計算時間縮短30%～40%，減少新產(chǎn)品研發(fā)的時間和成本，并在使用階段監(jiān)控和預(yù)測燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)技術(shù)狀態(tài)。目前，取得的軟硬件成果已被用于改進(jìn)艦用燃?xì)廨啓C(jī)初步方案的開發(fā)過程。

生產(chǎn)制造階段：數(shù)字化方法應(yīng)用與智慧工廠建設(shè)成效初顯

生產(chǎn)制造過程中，航空發(fā)動機(jī)制造商從標(biāo)準(zhǔn)制定出發(fā)，積極引入智能化的方法和設(shè)備，以搭建數(shù)字化車間平臺為基礎(chǔ)，以數(shù)據(jù)的全過程采集和集中可視化管理與應(yīng)用為核心，對生產(chǎn)過程進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測與評估，積極推進(jìn)設(shè)計、工藝、制造之間數(shù)據(jù)流貫通與共享，力圖實(shí)現(xiàn)上下游的高效率協(xié)同。

UEC 使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法評估發(fā)動機(jī)零件質(zhì)量

2023年4月，UEC推出新型質(zhì)量控制方法，借助機(jī)器視覺和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，通過先進(jìn)圖像處理算法，實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)葉片質(zhì)量評估過程的自動化。新方法可實(shí)現(xiàn)部件全表面成像、缺陷搜索、幾何特征計算，并根據(jù)監(jiān)管文件判斷產(chǎn)品是否合格。該方法可以檢測所有類型的缺陷，包括裂縫、孔洞等，同時可在生產(chǎn)產(chǎn)品上留下“數(shù)字痕跡”來進(jìn)行生產(chǎn)流程回顧分析，以便進(jìn)行優(yōu)化，在生產(chǎn)過程中提高檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。

賽峰集團(tuán)開發(fā)無損檢測軟件套件進(jìn)行質(zhì)量檢查評估

2023年6月，賽峰集團(tuán)開發(fā)了SMV2軟件套件，用于LEAP發(fā)動機(jī)風(fēng)扇葉片、發(fā)動機(jī)短艙內(nèi)部固定結(jié)構(gòu)面板、可收放起落架等產(chǎn)品的無損檢測（NDT），進(jìn)行金屬和復(fù)合材料零件的質(zhì)量檢查和評估。該軟件采用熱成像、斷層掃描、射線照相等方法進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，能夠有效地識別裂紋、孔隙、夾雜物、尺寸變化和其他潛在缺陷；軟件可集成到自動化設(shè)備執(zhí)行多種功能，與自動化設(shè)備通信，以控制設(shè)備中內(nèi)置的紅外攝像機(jī)以及加熱部件表面的閃光燈，實(shí)現(xiàn)圖像抓??；還可以實(shí)時監(jiān)控整個過程，支持操作員分析圖像以檢測任何缺陷，將信息存儲在數(shù)據(jù)庫中供數(shù)據(jù)專家或生產(chǎn)經(jīng)理使用，并自動生成用于驗(yàn)證零件的檢驗(yàn)報告。

俄羅斯正在編寫燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)數(shù)字孿生國家標(biāo)準(zhǔn)

2023年8月，俄羅斯中央航空發(fā)動機(jī)研究院（CIAM）與俄羅斯聯(lián)邦原子能中心合作開展《燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)和裝置的數(shù)字孿生一般規(guī)定》國家標(biāo)準(zhǔn)的編寫，旨在開發(fā)一個在航空發(fā)動機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)全生命周期各個階段使用數(shù)字孿生技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)要求體系。該項(xiàng)工作在《計算機(jī)模型和建模產(chǎn)品的數(shù)字孿生一般規(guī)定》的基礎(chǔ)上開展，后者是由俄羅斯制定的世界上首個發(fā)動機(jī)制造領(lǐng)域數(shù)字孿生的國家級標(biāo)準(zhǔn)文件。該標(biāo)準(zhǔn)于2022年在俄羅斯聯(lián)邦生效，2023年11月列入中俄飛機(jī)工業(yè)互相認(rèn)可標(biāo)準(zhǔn)。

賽峰集團(tuán)利用SMV2軟件套件進(jìn)行無損檢測

UEC持續(xù)推進(jìn)數(shù)字化生產(chǎn)設(shè)施建設(shè)與應(yīng)用

2023年4月，UEC將超過1000臺機(jī)床的現(xiàn)代化監(jiān)控系統(tǒng)接入“禮炮”莫斯科機(jī)械制造廠的制造中心，集中式的數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng)使設(shè)備的利用率提升40%，停工時間減少12%。預(yù)計未來“地平線”機(jī)械制造設(shè)計局、“禮炮”沃斯克列先斯基機(jī)器制造廠、鄂木斯克發(fā)動機(jī)制造聯(lián)合體等都將引入該系統(tǒng)。

2023年5月，土星科研生產(chǎn)聯(lián)合體完成了“智慧工廠”數(shù)字平臺綜合實(shí)施項(xiàng)目第四階段的工作，實(shí)現(xiàn)了試點(diǎn)運(yùn)行。平臺以大數(shù)據(jù)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)為基礎(chǔ)，可以在生產(chǎn)鏈的各個階段對業(yè)務(wù)流程進(jìn)行端到端控制。目前，包括發(fā)動機(jī)葉片生產(chǎn)等23個車間已連入信息系統(tǒng)，平臺能夠根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)自動生成管理指標(biāo)，并進(jìn)行實(shí)時分析，以做出最有效的管理決策。項(xiàng)目最終將建立一個統(tǒng)一的信息空間，完成設(shè)計制造和管理的數(shù)字化，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品全生命周期跟蹤。

維修保障階段：發(fā)動機(jī)健康管理系統(tǒng)升級加速

以發(fā)動機(jī)健康管理系統(tǒng)為核心的在線狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷與壽命預(yù)測，是先進(jìn)航空發(fā)動機(jī)及燃?xì)廨啓C(jī)安全運(yùn)行和經(jīng)濟(jì)可承受的關(guān)鍵支撐，也是提升智能化水平的關(guān)鍵步驟。隨著智能化方法的應(yīng)用和計算能力的增強(qiáng)，發(fā)動機(jī)健康管理系統(tǒng)的性能正不斷增強(qiáng)，加速發(fā)動機(jī)預(yù)防性維護(hù)進(jìn)程，助力航空發(fā)動機(jī)向自診斷、自預(yù)測、自管理方向發(fā)展。

GE公司通過數(shù)字孿生技術(shù)增強(qiáng)燃?xì)廨啓C(jī)預(yù)警能力

2023年2月，GE公司與Cochin Shipyard公司簽訂合同，為LM2500艦用燃?xì)廨啓C(jī)提供全面的數(shù)字解決方案包以增強(qiáng)其能力，該燃?xì)廨啓C(jī)為印度海軍的維克蘭特（Vikrant）號航空母艦提供動力。數(shù)字解決方案包中包含了GE公司的SmartSignal解決方案，將其置于航空母艦的數(shù)字孿生體中，可以為印度海軍提供可能導(dǎo)致燃?xì)廨啓C(jī)損壞的早期警示，實(shí)現(xiàn)預(yù)測性操控模式，提高效率、降低作戰(zhàn)風(fēng)險。

俄羅斯數(shù)字平臺應(yīng)用示意圖

GE公司推出CT7-8發(fā)動機(jī)健康監(jiān)測工具改進(jìn)計劃

2023年3月，GE公司和PHI航空公司宣布將啟動CT7-8發(fā)動機(jī)健康監(jiān)測工具試點(diǎn)計劃，對該工具進(jìn)行改進(jìn)和擴(kuò)展，使其更好地滿足CT7系列發(fā)動機(jī)的健康管理需求，為主動維護(hù)奠定基礎(chǔ)。GE公司將其專業(yè)知識和經(jīng)驗(yàn)與發(fā)動機(jī)健康監(jiān)測工具相結(jié)合，通過自動化的分析過程以確定主動維護(hù)需求，提供定制化的維護(hù)建議，能夠提高發(fā)動機(jī)的性能和可靠性，進(jìn)一步降低運(yùn)營成本。

普惠公司推出發(fā)動機(jī)智能檢測工具以降低發(fā)動機(jī)租賃成本

2023年6月，普惠公司宣布與印度一家計算機(jī)視覺和人工智能（AI）初創(chuàng)公司Awiros合作推出先進(jìn)的發(fā)動機(jī)智能分析工具。該工具是一款針對齒輪傳動渦扇（GTF）、V2500等商用發(fā)動機(jī)的計算機(jī)視覺產(chǎn)品，可以在不用任何專用硬件的情況下，用手機(jī)對發(fā)動機(jī)進(jìn)行高保真掃描以獲取發(fā)動機(jī)的圖像和視頻，并允許用戶在云交互界面上即時獲得零部件可用性的反饋，實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)檢測自動化，無需檢驗(yàn)員逐個檢查發(fā)動機(jī)零部件，使檢測時間縮短了近90%，有助于更快速、更低成本地租賃發(fā)動機(jī)。

下一代FADEC 系統(tǒng)正在追求更強(qiáng)的數(shù)字化能力

目前，全權(quán)限數(shù)字式電子控制（FADEC）系統(tǒng)供應(yīng)商正在通過提升產(chǎn)品數(shù)字化能力提高發(fā)動機(jī)的運(yùn)營和維護(hù)效率?？铝炙褂詈焦緦ζ銯ADEC系統(tǒng)產(chǎn)品組合進(jìn)行了重大投資和改進(jìn)，采取包括增加微電子技術(shù)、先進(jìn)制造技術(shù)和復(fù)雜封裝解決方案的使用等措施，以適應(yīng)苛刻的溫度和振動環(huán)境；霍尼韋爾公司已經(jīng)在FADEC系統(tǒng)中建立了更高的計算能力，實(shí)現(xiàn)了超快速計算和精確的控制，降低了耗油率，提升了診斷/預(yù)測能力，并增強(qiáng)了發(fā)動機(jī)與其他飛機(jī)系統(tǒng)高速數(shù)據(jù)通信性能；賽峰集團(tuán)正在致力于RISE開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)FADEC系統(tǒng)的研發(fā)。RISE發(fā)動機(jī)所需的計算能力是其目前最新產(chǎn)品FADEC4系統(tǒng)能力的5倍，并需要引進(jìn)多核處理器、分布式架構(gòu)、主動熱控制和高級振動處理等多項(xiàng)新技術(shù)。賽峰集團(tuán)已經(jīng)組建了技術(shù)工程團(tuán)隊(duì)進(jìn)行攻關(guān)，并將在RISE項(xiàng)目驗(yàn)證過程中對新功能進(jìn)行集成。

GE公司燃?xì)廨啓C(jī)數(shù)字解決方案示意圖

結(jié)束語

新一輪工業(yè)革命是歷史給予企業(yè)乃至行業(yè)的一次難得的機(jī)遇與挑戰(zhàn)，高性能、高可靠性、高經(jīng)濟(jì)可承受性等也對航空發(fā)動機(jī)的發(fā)展也提出了越來越高的要求。航空發(fā)動機(jī)巨頭的數(shù)字化轉(zhuǎn)型，承載著強(qiáng)化自身增長動能、引領(lǐng)新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革浪潮的雙重使命，已經(jīng)成為航空發(fā)動機(jī)企業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵戰(zhàn)略和必然舉措。2023年，GE公司、羅羅公司借助合作伙伴的計算與仿真能力，進(jìn)一步縮短了產(chǎn)品裝備的研發(fā)時間；賽峰集團(tuán)專注于自身對軟件的開發(fā)集成，促進(jìn)了生產(chǎn)過程自動化與效率提升；普惠公司持續(xù)深耕產(chǎn)品的維護(hù)保養(yǎng)，推動智能工具的開發(fā)與使用以提升產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)性；UEC則繼續(xù)聚焦數(shù)字孿生技術(shù)和數(shù)字化車間平臺搭建，力圖實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)流的貫通，最大化實(shí)現(xiàn)資源合理調(diào)配。盡管有一些質(zhì)疑的聲音出現(xiàn)，但數(shù)字化技術(shù)仍是在系統(tǒng)工程的基礎(chǔ)上提升航空發(fā)動機(jī)全生命周期效率的最優(yōu)措施，在可預(yù)見的未來仍將持續(xù)推進(jìn)。