В начале 1990-х гг. у двигателистов появилась мечта создать вычислительную технологию проектирования ГТД с применением современных численных методов (прообраз "виртуального двигателя" или "цифрового двойника"), которая позволила бы исключить длительную и дорогостоящую доводку на стендах и установках, заменить натурный эксперимент численным, первый опытный образец делать в соответствии с ТЗ. В ходе работ по формированию технологии "виртуального двигателя" инженеры пришли к выводу о необходимости создания "цифровых двойников" не только как технологии, но и как продукта, который будет нужен заказчику.

Ключевыми составными частями технологии "цифровых двойников" стали процессы управления требованиями, мультидисциплинарной оптимизации, управления конфигурацией, валидации и верификации математических моделей и процесс управления данными производства. При этом, реализованные на основе конкретных программных комплексов, перечисленные процессы должны иметь возможность эффективно обмениваться данными и обеспечивать сквозное проектирование, производство, испытания и эксплуатацию изделий.

Флагманским проектом по формализации процессов стала разработка перспективных двигателей SaM-146 и ПД-14.

К проектированию ПД-14 подошли с расчетом максимального использования математического моделирования для обоснования принимаемых решений. Первым шагом к пониманию необходимого объема моделей стало формирование технологии управления требованиями. Была составлена система требований, включающая в себя несколько взаимозависимых уровней: от уровня требований технического задания до уровня требований к отдельным деталям. Система содержит несколько десятков тысяч контролируемых параметров. Технические решения в ходе проектирования базировались на результатах расчетов, удовлетворяющих системе контролируемых параметров.

Подобный подход позволил обеспечить прозрачность проектирования и существенно сократить сроки предварительных испытаний первых опытных образцов. Была создана формализованная методика управления требованиями, готовая к автоматизации.

Следующая составная часть технологии "цифровых двойников" была отработана при проектировании двигателя ТВ7-117. В ходе проекта была создана система взаимоувязанных математических моделей отдельных составных частей двигателя с возможностью многопараметрической оптимизации, а также использования единой цифровой платформы. Результатами применения технологии стали конструкторские решения, направленные на снижение массы силовой установки, полученные в автоматическом режиме в короткие сроки. В данном проекте удалось проработать детальные требования к цифровым двойникам как к продуктам.

Программа по созданию двигателя ПД-8 стала развитием технологии управления требованиями и заложила основу для технологии управления конфигурацией.

Каждый двигатель уникален. Для создания "цифрового двойника" необходимо обладать информацией о производственных отклонениях, с которыми изготовлена и собрана конкретная силовая установка. Поэтому только учет данных уникальных особенностей позволит создать адекватную математическую модель. В сочетании с применением технологии управления требованиями, технология управления конфигурацией позволила существенно сократить срок разработки от старта проектирования до постановки на испытания первых опытных образцов.

В развитие работ по программе ПД-8 был инициирован проект цифрового двойника двигателя АИ-222-25. Для сокращения трудозатрат по корректировке математических моделей цифрового двойника потребовалось автоматизировать процесс учета производственных отклонений.

Практическим результатом работы специалистов должен стать цифровой двойник, позволяющий в необходимые сроки дать заключение о реальном ресурсе, экономичности и иных важных параметрах конкретного экземпляра двигателя с фактическими производственными отклонениями. Предполагается заменить часть деталей двигателя модифицированными и произвести доработку модернизированной машины в цифровой среде. Приступить к физическим испытаниям планируется только после получения положительных результатов виртуальных испытаний цифрового двойника.

Важной частью технологии "цифровых двойников" является процесс валидации и верификации, разработанных расчетных математических моделей. На предприятиях ОДК теория и практика валидации и верификации математических моделей сложилась еще на этапе зарождения большинства школ проектирования: ни одна модель не могла применяться для обоснования принимаемых решений, если ранее ее состоятельность не подтверждена экспериментом. Такая технология существует и развивается более 50 лет, но подход на каждом предприятии разный.

Единая цифровая среда формально не относится к технологиям, но является крайне важной частью процессов создания и управления цифровыми двойниками. Во время работы над двигателем ПД-14 и при создании цифрового двойника двигателя ТВ7-117 стало понятно, что создавать структуры, состоящие из системы требований, системы математически моделей, связи с производством, связи с экспериментом и конфигурацией конкретной машины невозможно, не имея под рукой качественного программного комплекса, увязывающего все составные части между собой.

Большей частью проекта создания двигателя морского применения стала доработка именно программной составляющей цифрового двойника. Специалистами ОДК с участием кооперации были разработаны детальные технические требования к единой среде и взаимодействию между составными частями программной реализации технологий. В результате работ система требований для разрабатываемого "морского" двигателя была сформирована в разы быстрее и с гораздо меньшими затратами человеческих ресурсов, чем это было сделано в ходе программ ПД-14 и ПД-8. Оперативное формирование системы требований силовой установки позволило инженерам ОДК раньше приступить к математическому моделированию и созданию комплексной математической модели. В результате увеличилось время на оптимизацию конструкции и получение более экономичного, надежного и дешевого двигателя. Кроме создания единой цифровой среды в рамках проекта разрабатываются и проверяются подходы по созданию программно-аппаратных комплексов предиктивной диагностики и предсказанию индекса технического состояния двигателя на базе физико-математических моделей. Внедрение этих инструментов позволит предсказывать поломки оборудования и производить своевременный ремонт, не дожидаясь аварийного выхода двигателя из строя.

Таким образом, ОДК обладает всеми составными частями технологии для создания цифровых двойников газотурбинных двигателей и совершенствует эту технологию при разработке новых двигателей.

Для объединения накопленных знаний был инициирован интеграционный проект. Менее чем за четыре месяца создана концепция по созданию полноценных цифровых двойников двигателей на всех этапах жизненного цикла и прототип стандарта предприятия, увязанный с нормативно-правовой базой, включающей как вновь разработанные, так и существующие только в виде проектов ГОСТы.

Вторым этапом интеграционного проекта станет проверка консолидированных идей на практике. В качестве объекта апробации будет выбран один из разрабатываемых ОДК двигателей.

После формирования концепции и начала разработки нормативной документации в активную фазу перешли сразу два проекта, включающие разработку цифровых двойников изделий. Оба проекта следуют разработанным подходам, аккумулируют наработки по созданию цифровых двойников и должны завершиться разработкой перспективных двигателей для боевой авиации. Цифровые двойники двигателей планируется использовать как составные части цифровых двойников воздушных судов и средств проведения виртуальной симуляции боевых действий. Проекты включают в себя разработку цифровых двойников полного цикла: инструмента для принятия решений на всех стадиях научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ и объекта для передачи заказчикам на стадии эксплуатации и последующей интеграции в системы предиктивной диагностики, виртуальные полигоны и иные математические и полунатурные комплексы моделирования.

Текущий уровень развития технологии, несмотря на нехватку связей между отдельными ее элементами, уже позволяет получать существенные преимущества в скорости и качестве проектирования силовых установок различного назначения, а создание и практическое применение единой интегрированной технологии по созданию цифровых двойников позволит вывести качество и конкурентоспособность наших двигателей, включая двигатели на отличных от классических принципах функционирования, на принципиально иной уровень.

Для целей и задач двигателестроительной отрасли цифровой двойник определен как построенная на основе многоуровневой системы требований система, состоящая из комплекса взаимоувязанных математических моделей разного уровня детализации, объединенная в информационной среде, и имеющая возможность уточнения по данным экспериментов и эксплуатации....