2023年航空動力領域數字化進展

■ 付玉 / 中國航空發動機研究院

在美國數字工程戰略的引領下，航空發動機制造商紛紛在數字化領域進行積極探索。盡管GE公司的Predix平臺并未達到預定目標，羅羅公司的R2實驗室也因業務重心調整而關停，但航空發動機制造商的數字化進程并未止步，雖步履蹣跚，但始終前行。

新一輪科技革命和產業革命的深入推進，正不斷重塑全球創新版圖。數字化是第四次工業革命的核心技術之一，對各行各業都產生了深刻影響。作為尖端裝備制造領域的從業者，航空發動機制造商紛紛在數字化領域積極布局，持續推進。2023年，航空發動機設計、制造、維修等階段的數字化轉型均取得了一定進展。

設計研發試驗階段：超算與仿真技術加速產品裝備研發

傳統的航空發動機設計按照“設計—驗證—修改設計—試驗驗證”的模式反復迭代，具有周期長、耗費大、風險高的問題。為了滿足對航空發動機日益增長的高性能與低成本的迫切需求，減少設計參數和工藝成本的不確定性，航空發動機的設計研發模式正在從傳統的串行設計向以數字建模和高精度仿真為核心的預測設計轉變。

GE公司借助超級計算機模擬RISE發動機架構

2023年6月，GE公司開發了能夠在Frontier超級計算機上運行的計算流體力學（CFD）軟件，模擬發動機性能和噪聲水平，以支持可持續發動機革命性驗證（RISE）項目中開式轉子發動機架構的設計開發。Frontier是美國能源部橡樹嶺國家實驗室的超級計算機，數據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。GE公司的CFD軟件與Frontier相結合，可以模擬全尺寸開式轉子的空氣流動狀態，在細節呈現方面實現了跨代提升。此外，超級計算機可以實現在設計階段評估新發動機技術在飛行試驗狀態下的性能，從而進一步改進試驗件的設計，更好地優化發動機性能及其與機體的集成。

航空發動機數字孿生示意圖

羅羅公司大幅縮短航空發動機研發仿真時間

2023年6月，羅羅公司與工程仿真軟件供應商Ansys公司、英特爾公司開展合作，將發動機熱機械模型的仿真時間從1000h縮短至10h以內，速度提高了100倍，節省了能源和開發成本。Ansys公司的仿真軟件LS-DYNA采用了英特爾oneAPI數學內核庫（MKL），降低了仿真所消耗的內存，并將運行速度提高了幾個數量級，從而節省功耗和能耗。羅羅公司還利用數字孿生技術進行高保真設計并創建虛擬原型，通過在整個開發過程中整合仿真和數字孿生的成果，進而設計出更高效的推進系統。

發動機熱機械模型仿真示意圖

UEC 艦用燃氣輪機數字孿生開發工作即將完成

2023年10月，俄羅斯聯合發動機制造集團（UEC）旗下土星科研生產聯合體宣布即將完成為期3年的艦用燃氣輪機數字技術開發項目。項目共開發6款軟件產品、380多個燃氣輪機系統和單元的數學模型，以及機械和熱處理工藝流程的設計模型，進行了2000余次虛擬測試。此外，還開展了CML-Bench數字平臺的開發工作，創建了推進系統的基本元素建模、整機動態模型和運行狀態預測程序，并集成了數字孿生的數學模型。該項目是對俄羅斯國內發動機研發技術與信息技術的重要集成，可將工程計算時間縮短30%～40%，減少新產品研發的時間和成本，并在使用階段監控和預測燃氣渦輪發動機技術狀態。目前，取得的軟硬件成果已被用于改進艦用燃氣輪機初步方案的開發過程。

生產制造階段：數字化方法應用與智慧工廠建設成效初顯

生產制造過程中，航空發動機制造商從標準制定出發，積極引入智能化的方法和設備，以搭建數字化車間平臺為基礎，以數據的全過程采集和集中可視化管理與應用為核心，對生產過程進行實時監測與評估，積極推進設計、工藝、制造之間數據流貫通與共享，力圖實現上下游的高效率協同。

UEC 使用神經網絡方法評估發動機零件質量

2023年4月，UEC推出新型質量控制方法，借助機器視覺和神經網絡技術，通過先進圖像處理算法，實現發動機葉片質量評估過程的自動化。新方法可實現部件全表面成像、缺陷搜索、幾何特征計算，并根據監管文件判斷產品是否合格。該方法可以檢測所有類型的缺陷，包括裂縫、孔洞等，同時可在生產產品上留下“數字痕跡”來進行生產流程回顧分析，以便進行優化，在生產過程中提高檢測結果的準確性和可靠性。

賽峰集團開發無損檢測軟件套件進行質量檢查評估

2023年6月，賽峰集團開發了SMV2軟件套件，用于LEAP發動機風扇葉片、發動機短艙內部固定結構面板、可收放起落架等產品的無損檢測（NDT），進行金屬和復合材料零件的質量檢查和評估。該軟件采用熱成像、斷層掃描、射線照相等方法進行數據采集，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備執行多種功能，與自動化設備通信，以控制設備中內置的紅外攝像機以及加熱部件表面的閃光燈，實現圖像抓取；還可以實時監控整個過程，支持操作員分析圖像以檢測任何缺陷，將信息存儲在數據庫中供數據專家或生產經理使用，并自動生成用于驗證零件的檢驗報告。

俄羅斯正在編寫燃氣渦輪發動機數字孿生國家標準

2023年8月，俄羅斯中央航空發動機研究院（CIAM）與俄羅斯聯邦原子能中心合作開展《燃氣渦輪發動機和裝置的數字孿生一般規定》國家標準的編寫，旨在開發一個在航空發動機和燃氣輪機全生命周期各個階段使用數字孿生技術的標準要求體系。該項工作在《計算機模型和建模產品的數字孿生一般規定》的基礎上開展，后者是由俄羅斯制定的世界上首個發動機制造領域數字孿生的國家級標準文件。該標準于2022年在俄羅斯聯邦生效，2023年11月列入中俄飛機工業互相認可標準。

賽峰集團利用SMV2軟件套件進行無損檢測

UEC持續推進數字化生產設施建設與應用

2023年4月，UEC將超過1000臺機床的現代化監控系統接入“禮炮”莫斯科機械制造廠的制造中心，集中式的數字監控系統使設備的利用率提升40%，停工時間減少12%。預計未來“地平線”機械制造設計局、“禮炮”沃斯克列先斯基機器制造廠、鄂木斯克發動機制造聯合體等都將引入該系統。

2023年5月，土星科研生產聯合體完成了“智慧工廠”數字平臺綜合實施項目第四階段的工作，實現了試點運行。平臺以大數據、工業互聯網和工業設備監控系統為基礎，可以在生產鏈的各個階段對業務流程進行端到端控制。目前，包括發動機葉片生產等23個車間已連入信息系統，平臺能夠根據相關數據自動生成管理指標，并進行實時分析，以做出最有效的管理決策。項目最終將建立一個統一的信息空間，完成設計制造和管理的數字化，實現產品全生命周期跟蹤。

維修保障階段：發動機健康管理系統升級加速

以發動機健康管理系統為核心的在線狀態監測、故障診斷與壽命預測，是先進航空發動機及燃氣輪機安全運行和經濟可承受的關鍵支撐，也是提升智能化水平的關鍵步驟。隨著智能化方法的應用和計算能力的增強，發動機健康管理系統的性能正不斷增強，加速發動機預防性維護進程，助力航空發動機向自診斷、自預測、自管理方向發展。

GE公司通過數字孿生技術增強燃氣輪機預警能力

2023年2月，GE公司與Cochin Shipyard公司簽訂合同，為LM2500艦用燃氣輪機提供全面的數字解決方案包以增強其能力，該燃氣輪機為印度海軍的維克蘭特（Vikrant）號航空母艦提供動力。數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字孿生體中，可以為印度海軍提供可能導致燃氣輪機損壞的早期警示，實現預測性操控模式，提高效率、降低作戰風險。

俄羅斯數字平臺應用示意圖

GE公司推出CT7-8發動機健康監測工具改進計劃

2023年3月，GE公司和PHI航空公司宣布將啟動CT7-8發動機健康監測工具試點計劃，對該工具進行改進和擴展，使其更好地滿足CT7系列發動機的健康管理需求，為主動維護奠定基礎。GE公司將其專業知識和經驗與發動機健康監測工具相結合，通過自動化的分析過程以確定主動維護需求，提供定制化的維護建議，能夠提高發動機的性能和可靠性，進一步降低運營成本。

普惠公司推出發動機智能檢測工具以降低發動機租賃成本

2023年6月，普惠公司宣布與印度一家計算機視覺和人工智能（AI）初創公司Awiros合作推出先進的發動機智能分析工具。該工具是一款針對齒輪傳動渦扇（GTF）、V2500等商用發動機的計算機視覺產品，可以在不用任何專用硬件的情況下，用手機對發動機進行高保真掃描以獲取發動機的圖像和視頻，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，實現發動機檢測自動化，無需檢驗員逐個檢查發動機零部件，使檢測時間縮短了近90%，有助于更快速、更低成本地租賃發動機。

下一代FADEC 系統正在追求更強的數字化能力

目前，全權限數字式電子控制（FADEC）系統供應商正在通過提升產品數字化能力提高發動機的運營和維護效率。柯林斯宇航公司對其FADEC系統產品組合進行了重大投資和改進，采取包括增加微電子技術、先進制造技術和復雜封裝解決方案的使用等措施，以適應苛刻的溫度和振動環境；霍尼韋爾公司已經在FADEC系統中建立了更高的計算能力，實現了超快速計算和精確的控制，降低了耗油率，提升了診斷/預測能力，并增強了發動機與其他飛機系統高速數據通信性能；賽峰集團正在致力于RISE開式轉子發動機FADEC系統的研發。RISE發動機所需的計算能力是其目前最新產品FADEC4系統能力的5倍，并需要引進多核處理器、分布式架構、主動熱控制和高級振動處理等多項新技術。賽峰集團已經組建了技術工程團隊進行攻關，并將在RISE項目驗證過程中對新功能進行集成。

GE公司燃氣輪機數字解決方案示意圖

結束語

新一輪工業革命是歷史給予企業乃至行業的一次難得的機遇與挑戰，高性能、高可靠性、高經濟可承受性等也對航空發動機的發展也提出了越來越高的要求。航空發動機巨頭的數字化轉型，承載著強化自身增長動能、引領新一輪科技革命和產業變革浪潮的雙重使命，已經成為航空發動機企業發展的關鍵戰略和必然舉措。2023年，GE公司、羅羅公司借助合作伙伴的計算與仿真能力，進一步縮短了產品裝備的研發時間；賽峰集團專注于自身對軟件的開發集成，促進了生產過程自動化與效率提升；普惠公司持續深耕產品的維護保養，推動智能工具的開發與使用以提升產品的經濟性；UEC則繼續聚焦數字孿生技術和數字化車間平臺搭建，力圖實現數據流的貫通，最大化實現資源合理調配。盡管有一些質疑的聲音出現，但數字化技術仍是在系統工程的基礎上提升航空發動機全生命周期效率的最優措施，在可預見的未來仍將持續推進。