Инновационные технологии в обеспечение создания авиационных двигателей

Залогом наличия статуса авиационной державы является способность разрабатывать и производить собственные современные авиационные двигатели и летательные аппараты. Из более чем 190 стран мира на это способны только четыре, обладающие наиболее высокоразвитой технологической и конструкторской базой: США, Великобритания, Франция и Россия. За членство в этом узком клубе ожесточенно борются Китай, Индия, Иран и ряд других стран.

Авиационное двигателестроение не просто производит технически сложную продукцию: создание газотурбинного двигателя признано одним из выдающихся научно-технических прорывов ХХ века, наряду с освоением космоса, атомной энергии и изобретением Интернета. Конкуренция в сфере таких высокотехнологичных разработок, как авиадвигатели, является мощным драйвером для поиска и применения инновационных подходов. Их исследование – одна из ключевых задач науки.

В процессе создания двигателя необходимо решить множество сложных задач на стыке самых разных областей знаний: от прогнозирования оптимального облика и формирования набора обязательных к внедрению на двигателе технологий до методик его испытаний и доводки. Технологии, методики, практические и фундаментальные решения, которые появляются и тщательно исследуются во время работы над двигателем будущего, становятся научно-техническим заделом. Этот задел определяет успех перспективного изделия, снимает риски возникновения проблем при его разработке и позволяет избежать срыва сроков выхода в опытное, а затем и серийное производство.

Формирование и постоянное обновление научно-технического задела является основной функцией Центрального института авиационного моторостроения имени П.И. Баранова (ЦИАМ, входит в НИЦ «Институт имени Н.Е. Жуковского»), как головной научной организации авиационного двигателестроения.

Новому поколению - новые решения

За более чем 83-летний период развития реактивной авиации создано пять поколений авиационных газотурбинных двигателей при кардинальном улучшении их показателей. Создание современных двигателей, при постоянном ужесточении требований к их экономичности, массогабаритным характеристикам, надежности, расширению диапазона эксплуатационных режимов и т.д., требует разработки и внедрения новых, прорывных технологий, материалов, конструкторских решений. Во многом именно передовые технологии определяют соответствие двигателя международным требованиям и востребованность рынком.

На протяжении уже свыше 90 лет ЦИАМ аккумулирует и внедряет новые знания, компетенции, испытательные возможности, которые способствуют поэтапному появлению высокотехнологичных изделий с уникальным набором технологий и характеристик, позволяют доводить технологии до высокого уровня совершенства и готовности, способствуя переходу от научно-исследовательской к опытно-конструкторской работе.

Методы автоматизированного проектирования авиационных газотурбинных двигателей ЦИАМ начал развивать в инициативном порядке еще в конце 1970-х годов. Они осуществили прорыв в решении задач проектирования двигателей. Уже позже стало известно, что первые программы аналогичного назначения появились в США примерно в те же годы, и вели их военные. В советское время ЦИАМовская система программ в том или ином объеме была передана в ОКБ и учебные заведения.

Сегодня цифровые технологии — это не только применение математического моделирования. Это принципиально иная философия восприятия изделия, новая парадигма развития двигателестроительной отрасли и авиационной сферы.

В ЦИАМ большое значение уделяется развитию современных суперкомпьютерных технологий и средств математического моделирования процессов, происходящих в авиационных двигателях. Важной задачей является снижение времени доводки и сертификации двигателя, а также повышение вероятности получения требуемых характеристик двигателя в ходе его испытаний и эксплуатации.

Для решения этих и сопутствующих задач, в том числе для смежных предприятий, на базе института создан Суперкомпьютерный центр коллективного пользования общей мощностью свыше 500 Терафлопс.

Развитие математического моделирования и рост вычислительных мощностей приводят к все большему внедрению на всех этапах жизненного цикла авиационных двигателей и силовых установок цифровых технологий и связанных с ними подходов. Цифровые технологии условно можно разделить на две группы: математическое моделирование и автоматизация процессов. На каждом из этапов жизненного цикла ГТД эти группы технологий активно используются и взаимодействуют друг с другом. Наибольший вклад от внедрения технологии цифровых двойников возможен на стадии разработки изделия, где закладываются его ключевые преимущества.

Собственные цифровые продукты ЦИАМ дают возможность проводить вычисления в области газовой динамики, горения, прочности, механики деформированного тела и др., при оптимальном проектировании рабочих процессов и оптимизации компрессоров, турбин, камер сгорания, входных и выходных устройств и др.

В общем случае основной задачей математического моделирования является конкретизация конструкции изделия в процессе проектирования и прогнозирование характеристик двигателя, его систем, узлов, деталей и сборочных единиц в условиях испытаний и эксплуатации. Также в последнее время инструменты математического моделирования активно используются для анализа результатов испытаний опытных двигателей, в том числе на испытательных стендах ЦИАМ, и технологических процессов, применяемых при производстве двигателей (аддитивные технологии, литье, сборка изделия и др.).

Вычислительные программные комплексы института обладают высокой степенью точности и позволяют проводить ряд виртуальных экспериментов. При этом нужно отметить, что все математические модели тщательно валидируются, полученные данные верифицируются и уточняются как на базе натурных испытаний, так и с учетом опыта последующей эксплуатации двигателя, его узлов, систем и деталей. Никакое виртуальное моделирование не заменит реальные испытания, оно лишь поддерживает и дополняет их. Основная задача сертификационных испытаний – подтвердить безопасную работу авиационного двигателя, от которой зависят жизни людей.

Совместно с АО «ОДК» ЦИАМ реализует комплексную научно-исследовательскую работу по внедрению цифровых технологий на всех этапах жизненного цикла авиадвигателя. В рамках заключенного между организациями соглашения о сотрудничестве ведется работа по созданию цифровых двойников газотурбинных двигателей (например, АИ-222-25) и силовых установок на их основе.

Демонстраторы цифровых двойников авиационных двигателей ЦИАМ создает и в рамках других прикладных исследований. В основе работ лежат наработки Института в области турбореактивных и малоразмерных газотурбинных двигателей, а также гибридных силовых установок. Целью проводимых работ являются разработка, апробация и анализ потенциала технологии цифровых двойников авиационных двигателей за короткий срок (2-3 года).

Нормативная база для «цифры»

Реализация проектов в области цифровых технологий ведется параллельно с оперативным формированием нормативной базы. Это достаточно уникальная ситуация не только для нашей страны, но и в мировом масштабе.

С 1 января 2022 года в Российской Федерации вступает в силу ГОСТ Р «Компьютерные модели и моделирование. Цифровые двойники изделий. Общие положения». Специалистами ЦИАМ, которые приняли участие в разработке стандарта, был проработан ряд замечаний и предложений к нему в части авиационного двигателестроения.

Впервые в мировой практике стандарт устанавливает единое определение цифрового двойника изделия, стандартизирует такие определения, как: «адекватность модели», «валидация модели изделия», «цифровая модель изделия», «цифровые (виртуальные) испытания», «цифровой (виртуальный) испытательный стенд», «цифровой (виртуальный) испытательный полигон».

По инициативе ЦИАМ в план национальной стандартизации на 2022 год включена разработка стандарта «Цифровые двойники газотурбинных двигателей и установок. Общие положения». Работа над этим стандартом уже ведется.

Авторы: А.Л. Козлов, генеральный директор ФАУ «ЦИАМ им. П.И. Баранова»
А.В. Сальников, начальник отдела «Цифровое сопровождение жизненного цикла ГТД» ФАУ «ЦИАМ им. П.И. Баранова».

Источник: Международный авиационно-космический журнал "АвиаСоюз" №6 (88) ноябрь - декабрь 2021 г.