В России в ближайшие годы планируется провести научно-исследовательские работы (НИР) по внедрению технологии цифровых двойников (ЦД) авиационных двигателей. Об этом RT сообщил ведущий специалист отдела инновационного развития Объединённой двигателестроительной корпорации (ОДК) Иван Тимофеев.
«Перед нами стоит задача завершить НИР в 2024 году. Впереди масштабная и сложная работа, в которую будут вовлечены десятки отечественных предприятий, отраслевых научно-исследовательских институтов и вузов», — сказал Тимофеев.
ОДК выступает координатором проекта. В кооперации по созданию цифровых двойников участвуют Центральный институт авиационного моторостроения им. П.И. Баранова (ЦИАМ), Саровский инженерный центр, Санкт-Петербургский политехнический университет, Центр компьютерного моделирования Московского авиационного института (МАИ), Институт прикладной математики им М.В. Келдыша РАН, Российский федеральный ядерный центр — Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики (РФЯЦ-ВНИИЭФ) и другие российские предприятия и вузы.
Как пояснили в ОДК, цифровой двойник — единая обучаемая цифровая система, которая включает в себя комплекс методик и математических моделей, описывающих работу изделия (в данном случае — авиадвигателя) на протяжении всего его жизненного цикла: проектирование, испытания, производство и эксплуатация.
Другая важная составляющая цифрового двойника — структурированная матрица всех требований к характеристикам, экономическим и экологическим показателям, технической документации, стандартам, предъявляемым к изделию и его составным частям.
Иван Тимофеев называет ЦД «интегратором практически всех «сквозных» цифровых технологий». По его мнению, цифровой двойник — это драйвер, который позволит обеспечить «технологические прорывы и устойчивое развитие компаний на пути к промышленному лидерству на глобальных рынках».
Быстрее, дешевле, эффективнее
На практике ЦД представляет собой структурированную под матрицу требований совокупность математических моделей, банков данных об изделии, объединённых в рамках единой цифровой платформы.
Математические модели, используемые в ЦД двигателя, разработчики разделяют по основным этапам жизненного цикла на две группы. В первую входят модели в 1D- и 3D-форматах, которые появляются на этапе проектирования двигателя. Вторая группа представлена сложными 3D-моделями, которые позволяют проводить испытания, фактически соответствующие натурным экспериментам.
Для эксплуатации цифровых двойников разрабатываются упрощённые модели с применением машинного обучения и технологии обработки больших объёмов данных, получаемых онлайн с датчиков, расположенных на работающих двигателях. Использование таких моделей позволяет выявлять неисправности силовых агрегатов в режиме реального времени и прогнозировать с помощью искусственного интеллекта возможные неполадки.
Как сообщил RT начальник отдела цифрового сопровождения жизненного цикла газотурбинных двигателей ЦИАМ Антон Сальников, сложность создания цифрового двойника заключается в том, что для него необходимо разработать множество специализированных математических моделей и методик их использования для каждой детали, которых в авиадвигателе тысячи. Эту задачу и предстоит решить в рамках анонсированных ОДК научно-исследовательских работ.
«Цифровой двойник — это не только применение математического моделирования, которое сейчас повсеместно используется в отрасли. Это другая философия восприятия изделия, новая парадигма развития двигателестроительной индустрии и авиационной сферы», — пояснил Сальников.
По его словам, цифровые двойники непременно получат все российские авиадвигатели, находящиеся на этапе разработки, производства и эксплуатации. В частности, виртуальные близнецы появятся у турбовинтового двигателя ТВ7-117СТ (для самолёта Ил-112В), двухконтурного турбореактивного АИ-222-25 (Як-130) и семейства гражданских двигателей разработки ОДК.
Как отметил в интервью RT начальник отдела систем инженерного анализа ОДК Кирилл Пятунин, использование технологии цифрового двойника сократит и удешевит процесс разработки новых двигателей. В частности, ЦД позволит уменьшить цикл создания силовых агрегатов до 5—6 лет и почти на треть снизит стоимость их проектирования.
«Требования к качеству двигателя постоянно растут, и его разработка естественным образом усложняется. При этом современные тенденции диктуют необходимость сократить период создания двигателя, в первую очередь — за счёт временных затрат на доводку и сертификацию. В идеале проектирование, доводка и сертификация должны занимать 5—6 лет», — подчеркнул Пятунин.
Как рассказал Антон Сальников, на сегодняшний день сертификация (комплекс испытаний на надёжность, безопасность, подтверждение характеристик) занимает достаточно много времени. И это порой приводит к тому, что необходимые изменения вносятся в конструкцию двигателя уже на поздних этапах его разработки, что значительно повышает стоимость и удлиняет сроки доводки изделия. В перспективе применение ЦД позволит сократить сроки сертификационных испытаний.
«Использование численного моделирования, которое обеспечивало бы высокий уровень соответствия реальным испытаниям в рамках технологии цифровых двойников, а также разработка специализированных методик верификации матмоделей и анализа результатов вычислений позволят нам значительно повысить качество испытаний в металле и сократить их объём», — говорит Сальников.
Он подчеркнул при этом, что численное моделирование не заменит реальные испытания, а лишь дополнит их. По его словам, смысл сертификационных испытаний состоит в том, чтобы «подтвердить безопасную работу авиационного двигателя, от которой зависят жизни людей».
Ускорение процесса сертификации позволит разработчикам авиационных двигателей снизить риски и финансовые потери, связанные с простоем производственных мощностей и поздним выходом изделия на рынок.
Кроме того, в рамках цифровых двойников организуется и обратная связь между расчётами и испытаниями. Все математические модели проверяются и уточняются как на базе натурных испытаний, так и с учётом опыта последующей эксплуатации двигателя, его узлов, систем и деталей.
Ещё одно преимущество ЦД — это единое информационное поле, которое свяжет предприятия, участвующие в разработке того или иного агрегата, отметил Пятунин.
«Цифровой двойник оптимизирует и автоматизирует документооборот. Отпадёт необходимость «ручного» обмена и управления информацией между множеством сотрудников и согласования бумажек в кабинетах. В рамках ЦД данные оцифровываются, что делает их легкодоступными для всех сторон, которые задействованы в проекте», — пояснил Пятунин.
Ориентация на рынок
В целом, как отметили в ОДК, появление цифровых двойников не только позволит российской двигателестроительной индустрии эффективнее отвечать на потребности рынка, но и в будущем, возможно, перейти на новую бизнес-модель: от заработка на поставках самих двигателей к продаже лётных часов.
«При таком подходе расчёт на рынке будет идти за один лётный час. Тогда, естественно, производитель будет заинтересован в том, чтобы максимально увеличить эксплуатационный ресурс двигателя. Использование технологий цифровых двойников позволит не только минимизировать затраты на разработку и проектирование нового двигателя, но и увеличить жизненный цикл готового изделия, повысив уровень обслуживания и экономической эффективности эксплуатации двигателей», — пояснил Пятунин.
В беседе с RT исполнительный директор агентства «Авиапорт» Олег Пантелеев отметил, что ЦД позволит радикально сократить издержки предприятий на этапе создания новых образцов двигателей. Кроме того, в России упростятся процессы сертификационных испытаний и запуска серийного производства силовых агрегатов.
«В перспективе конкурентоспособность авиадвигателей на рынке будет определяться наличием цифровых двойников. С высокой степенью вероятности можно говорить, что если у двигателя на начальном этапе разработки появляются несколько математических моделей, то впоследствии сокращаются издержки и сроки выхода продукта на рынок», — сказал Пантелеев.
В комментарии RT заместитель главного редактора журнала «Авиапанорама», заслуженный лётчик РФ Владимир Попов заявил, что отечественная наука и промышленность обладают достаточными ресурсами для разработки технологии цифровых двойников.
«В принципе, мы готовы создать такую технологию, это перспективный проект, но в то же время трудный для исполнения. Ведь работоспособность двигателя зависит от многих факторов, и все они должны быть учтены в цифровых двойниках. Однако эффект от их появления будет исключительно положительным. Это прежде всего усиление контроля технического состояния агрегатов и безопасность», — сказал Попов.