ПРИМЕНЕНИЕ ТЕХНОЛОГИИ СОЗДАНИЯ «ЦИФРОВОГО ДВОЙНИКА» В ГРАЖДАНСКОМ АВИАСТРОЕНИИ

APPLICATION OF THE TECHNOLOGY OF CREATING A "DIGITAL TWIN" IN THE CIVIL AIRCRAFT INDUSTRY

Vladislav Udovichenko

Master's student Belgorod State Technological University named after V.G. Shukhov, Russia, Belgorod

Аннотация. В этой статье рассмотрен период истории формирования цифровых моделей флагманов мировой гражданской авиации, принципиальные отличия производственных процессов создания воздушных судов классическим методом и с применением «цифрового двойника», а также перспективы развития российской гражданской авиации, с учетом применения систем автоматизированного проектирования к разработке самолетов. Предложена идея новой технологии изготовления механической части крыла для последующих воздушных судов отечественного производства.

Abstract. This article examines the period of the history of the formation of digital models of the flagships of the world civil aviation, the fundamental differences in the production processes of aircraft creation by the classical method and with the use of a "digital twin", as well as the prospects for the development of Russian civil aviation, taking into account the application of computer-aided design systems to the development of aircraft. The idea of a new technology for manufacturing the mechanical part of the wing for subsequent aircraft of domestic production is proposed.

Ключевые слова: цифровой двойник; электронная модель; программный продукт; автоматизированное проектирование; авиалайнер; авиадвигатель; инновация.

Keywords: digital twin; electronic model; software product; computer-aided design; airliner; aircraft engine; innovation.

Применение новых цифровых технологий сейчас являются наиболее востребованным во всех отраслях промышленности. Все более широкий круг предметов и явлений становится объектами компьютерного моделирования. Они практически внедрилась в опорные отрасли промышленности, такие как электроэнергетика, теплоэнергетика, машиностроение и двигателестроение, гражданская и военная авиация, судостроение.

Проектирование технического объекта представляет собой создание, преобразование и представление в понятной форме образа этого еще не существующего объекта. Инженерное проектирование начинается при наличии выраженной потребности общества в некоторых технических объектах, которыми могут быть объекты строительства, промышленные изделия или процессы [1, с. 5]. Система, реализующая автоматизированное проектирование, представляет собой систему автоматизированного проектирования (в англоязычном написании CAD System – Computer Aided Design System).

В промышленности используются высокоуровневые системы автоматизированного проектирования, к ним относятся:

1. CATIA – система автоматизированного проектирования французской фирмы Dassault Systemes. В настоящее время используются версия CATIA V5 [2, с. 92];
2. NX – флагманская CAD/CAM/CAE - система от компании Siemens Digital Industries Software,
3. PTC Creo – это масштабируемый, функционально совместимый пакет программного обеспечения для конструирования изделий от компании РТС [2, с. 95]. В приведенной статье мы рассмотрим принцип работы системы автоматизированного проектирования, но сначала обратимся к истории мировой гражданской авиации.

С появлением технологии создания цифровых моделей в гражданской авиапромышленности рынок пассажирских воздушных судов значительно расширился благодаря появлению новых типов пассажирских авиалайнеров: Boeing-777, Boeing-787, Airbus A-330, Airbus A-350, Airbus A-380. Новые поколения флагманов мировой гражданской авиации Airbus A-320NEO и Boeing-737-MAX и российского среднемагистрального авиалайнера МС-21.

Обратимся к истории мировой гражданской авиации. Цифровая модель объекта впервые использовалась в конце девяностых годов прошлого века при создании самого большого однопалубного авиалайнера Boeing-777. Его концепция была разработана в одной из первых версий системы автоматизированного проектирования CATIA V1 в 1994 году. Эта система позволила создать цифровую модель авиалайнера, что значительно упростило процесс проектирования авиалайнеров, внося оперативные изменения элементов конструкции планера. «Цифровой двойник» позволил создать принципиально новую концепцию крыла с применением горизонтальных законцовок увеличенного угла стреловидности. Новое крыло позволяло воздушному судну развивать крейсерскую скорость до 950 км/ч, и летать на высоте более 13000 метров.

Аналогично с помощью создания электронной модели корпорация General Electric создала самый крупный в истории авиации реактивный авиадвигатель получивший название GE90. Базовой версией для нового двигателя был взят уже существующий General Electric CF6, в цифровой модели можно было оптимизировать уже существующий вариант привода и в завершении реновации получить совершенный авиадвигатель способный поднять в небо огромный пассажирский авиалайнер весом более 300 тонн.

В итоге Boeing-777 стал совершенным авиалайнером XX века, который создавался для совершения длительных авиаперелетов до 20000 км, имел всю необходимую инфраструктуру для удобства пассажиров, усиленное шасси, принципиально новый пассажирский салон с улученной системой кондиционирования, светодиодным освещением и цифровыми информационными дисплеями, зоны отдыха для экипажа.

Впоследствии на базе Boeing-777 было разработано и выпущено шесть моделей самолетов: 777-200, 777-200ER, 777-200LR, 777-300, 777-300ER, 777-200F.

Базовой версией в семействе трансконтинентальных авиалайнеров стала модель Boeing-777-200 совершившая свой первый полет 12 июня 1994 году, и спустя год вышел на авиарейсы. Это воздушное судно обладало всеми усовершенствованиями инфраструктуры пассажирского салона, рассчитанного на вместимость до 440 человек. Этот авиалайнер способен выполнять длительные авиарейсы протяженностью до 10000 км. Силовая установка этого типа самолетов была представлена двумя новейшими авиадвигателями General Electric GE90 максимальной тягой 330 кН. Этот авиалайнер обладал небывалым успехом у ведущих авиакомпаний, как следствие заказы новых самолетов возрастали большими темпами, поэтому спустя два года миру были представлены версии увеличенной дальности полета. Авиалайнеры, получившие названия Boeing-777-200ER и Boeing-777-200LR имели возможность выполнять авиарейсы дистанцией до 20000 км.

После небывалого успеха моделей 777-200 и 777-200ER в 1996 г. концерн Boeing начал разработку усовершенствованной модели Boeing-777-300. В результате авиастроительной корпорации удалось создать самый длинный авиалайнер в классе широкофюзеляжных авиалайнеров, длина которого составила 74 метра, а максимальная вместимость достигла значения в 550 человек. Этот авиалайнер оказался очень большим и тяжелым, поэтому базовые версии двигателя GE90 оказались не эффективными для новой летательной машины.

В 1998 г. перед двигателестроительными корпорациями была достаточно сложная задача - создать авиадвигатель, мощность которого должна быть чрезвычайно большой при минимальной массе контракции. Вскоре двигателестроительный концерн General Electric, доработав уже имеющийся двигатель, создал самый мощный авиадвигатель в истории GE90-115B. Его тяга достигла значения в 525 кН, а диаметр вентилятора составил 3,87 м [4].

Появление нового двигателя стало катализатором производства самых больших версий авиалайнера Boeing-777-300, 777-300ER.

Для создания цифровых моделей авиалайнеров, как и других сложных технических машин, используется множество систем автоматизированного проектирования. Ведущим в мировой инженерно-конструкторской отрасли является программный продукт NX-10 платформы Siemens Digital Industries Software, он позволяет устранить разрыв между конструкторами, расчетчиками, производством и испытателями, организовать эффективный обмен большими объемами данных, так же улучшает взаимодействие между отделами и обеспечивает выполнение проектов точно в срок и в соответствии с предъявленными заказчиком требованиями. Внешний вид панели управления системы автоматизированного проектирования приведен на рисунке 1.

Рисунок 1. Цифровая модель авиалайнера в САПР NX-10 Siemens Digital Industries Software

С применением технологий Siemens были разработаны глобальные авиационные проекты, такие как принципиально новые авиадвигатели с применением системы контроля газовых потоков и пилообразных шевронов Rolls-Royce Trent 1000 и Trent XWB для новейшего авиалайнера Airbus A-350.

В настоящее время определяющим вектором развития мировой гражданской авиации является модернизация парка воздушных судов. Возможность широкого применения композиционных сплавов, применение трехмерных динамических моделей и других инновационных технических решений стало триггером для модернизации целого парка воздушных судов. Американская авиастроительная компания Boeing всерьез занялась вопросам модернизации своего флота, и, в частности, флагмана фирмы - авиалайнера Boeing-777 и в 2013 году запустила программу 777-X. Над разработкой конструкции для будущего флагмана фирмы Boeing трудились инженеры из многих стран мира, в том числе и авиаконструкторы из всемирно известных российских авиаконструкторских бюро.

В рамках реализации проекта 777-X авиакорпорация Boeing представила миру две модификации лайнеров: 777-8X и 777-9X, которые представляли собой глубокую модернизацию моделей Boeing-777-200ER и Boeing-777-300ER. Основное изменение было связано с ремоторизацией самолетов и установкой новых двигателей General Electric GE9X, созданных специально для инновационного авиалайнера Boeing-777-X [5].

Прототипом нового авиадвигателя стал самый мощный двигателей – GE90-115B. В ходы выполнения работ по созданию более совершенной версии широко применяли технологии трехмерного моделирования, которые позволили разработать более мощный и экономичный двигатель, не меняя концепцию существующей модели. Изменения коснулись главного воздухозаборного вентилятора, так же элементы турбины высокого давления были выполнены из керамических матричных композитных материалов, с целью предотвращения её разрушение под действием высоких температур поступающего воздуха. При сборке этого двигателя была применена технология трехмерной печати некоторых деталей для компрессора высокого давления. В результате ведущей двигателестроительной корпорации удалось создать самый большой и в тоже время самый мощный авиадвигатель в истории. На технических испытания опытный образец этого двигателя развил тягу порядка 610 кН.

Совсем недавно авиастроительный концерн Boeing представил миру совершенно новый авиалайнер Boeing-777-9X. Его элементы конструкции и основные электронные авиационные комплексы создавались идентичными модели Boeing-777-300ER. Длину фюзеляжа увеличили до 76,5 м, что позволило повысить пассажировместимость до 426 человек. Основным отличием воздушного судна является принципиально новая конфигурация крыла. С увеличением фюзеляжа возникла необходимость в установке более длинных и широких крыльев, но достичь оптимальной длины крыла было невозможно. Авиастроительная корпорация Boeing представила оригинальное техническое решение – создали полностью композитное крыло большого удлинения и оснастили его динамическими законцовками. Они соединяются с крылом шарнирным укреплением и приводятся в движение с помощью электрических приводов. Помимо этого инженеры-авиаконструкторы существенно доработали пассажирский салон обновленного воздушного судна. Первый полет обновленного авиалайнера Boeing-777-9X состоялся 25 января 2020 г., в настоящее время этот лайнер проходит сертификацию [6].

До недавнего времени отрасль отечественного авиастроения широко использовала технологии западных авиаконструкторских бюро, но в настоящее время ведущие отечественные организации в аэрокосмической отрасли промышленности тратят большое количество времени, денег и усилий на изучение и внедрение в производство решений по управлению жизненным циклом продукта.

Ведущая авиастроительная корпорация в области применения цифровых технологий авиаконструкторская корпорация «Иркут» представила модельно-ориентированный подход к разработке конструкции самолета. Он основан на обмене математическими моделями, отражающими динамику физических процессов моделируемого объекта. Это следующий этап развития математического моделирования, который стал возможным благодаря высокой производительности современной вычислительной техники и развитию инженерного программного обеспечения [8]. Такой подход позволяет на самых первых этапах проектирования проверить реализуемость требований при разработке авиационной техники, увидеть взаимодействие систем и провести анализ совместной работы до реализации, поставленных в системе задач на физическом объекте. Так же в рамках проекта была представлена иерархическая структура комплексной математической модели самолета, в неё входят самолет, система, элементы системы. Структура комплексной математической модели приведена на рисунке 2 [8].

Рисунок 2. Иерархическая структура комплексной математической модели самолета

В российской авиаконструкторской отрасли промышленности широко применяются такие системы автоматизированного проектирования как:

1. ADEM – система предназначена для автоматизации решения проектных, конструкторских и технологических задач в области машиностроения, двигателестроения и авиастроения [9].
2. Компас 3D – российская импортонезависимая система трехмерного проектирования, ставшая стандартом для тысяч предприятий и сотен тысяч профессиональных пользователей.
3. DYNAMICS R4 применяется для решения широкого спектра практических задач многовальной линейной и нелинейной роторной динамики. Используется на различных этапах проектирования, доводки и эксплуатации конструкций.

Совсем недавно российская объединённая авиастроительная корпорация (ОАК) «Яковлев» представила миру новейший среднемагистральный пассажирский самолет МС-21-300, который создавался как отечественный аналог воздушных судов типа Boeing-737 и Airbus-320. За основу для нового авиалайнера была взята конструкция Airbus A-320NEO. Но производство отечественного авиалайнера было более качественным и не дорогим по сравнению с его прямыми конкурентами. Так при создании МС-21-300 был применен модельно-ориентированный подход к разработке конструкции фюзеляжа и элементов планера, что позволило снизить затраты производства.

В линейке самолетов МС-21-300 установлены новейшие авиадвигатели российского производства ПД-14. Разработка концепции этого авиадвигателя производилась в программном комплексе DYNAMICS R4 предназначенном для цифрового проектирования и исследования работы газотурбинных двигателей. Внешний вид панели управления системы автоматизированного проектирования DYNAMICS R4 представлен на рисунке ниже.

Подводя итог, следует сказать, что автоматизированное техническое моделирование в настоящее время является превалирующим во всех отраслях промышленности. Оно позволяет отслеживать внештатные ситуации, возникающие в объекте управления посредствам динамического мониторинга физических процессов протекающих в нем.

Следует отметить что, в настоящее время создание цифровых моделей позволило при проектировании уже на ранних этапах работы, не тратя большие деньги и время, получить достаточно детальное представление о новом самолете. Они способны ускорить стендовую отработку и сертификацию воздушного судна, отработку всевозможных режимов его полета. Так же специалисты могут быстро рассчитать, что произойдет с авиационным двигателем, если поменяются некоторые параметры его работы, или как будет работать силовая установка при изменении внешних параметров или отказе какого-либо агрегата.