隨著大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、智能發(fā)動機等概念的提出和興起，一種能夠實現(xiàn)物理世界與虛擬信息世界交互與融合的技術手段——數(shù)字孿生（Digital Twin）應運而生，為解決航空發(fā)動機研制中日益突出的多系統(tǒng)、多維度協(xié)調任務與不斷提高的設計效率、驗證準確性、輔助決策的高效性之間的矛盾提供了新的思路。
數(shù)字孿生技術是充分利用物理模型、傳感器更新、運行歷史等數(shù)據(jù)，集成多學科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程，在虛擬空間中完成映射，從而反映相對應的實體裝備的全生命周期過程。數(shù)字孿生不是簡單的仿真模擬、不是單純的數(shù)據(jù)存儲平臺、不是一成不變的系統(tǒng)，而是面向包括產(chǎn)品設計、試驗、加工制造、運行維護的全生命周期，可以根據(jù)產(chǎn)品的行為和變化而不斷演化的數(shù)字映射系統(tǒng)（如圖1所示）。
2013年，美國空軍發(fā)布《全球地平線》頂層科技規(guī)劃，將數(shù)字孿生稱為“改變游戲規(guī)則”的顛覆性機遇；2016年和2017年，信息技術研究與顧問咨詢公司高德納（Gartner）將數(shù)字孿生列為當年十大戰(zhàn)略科技發(fā)展趨勢之一；2017年11月，美國武器生產(chǎn)商洛克希德-馬丁公司將數(shù)字孿生列為未來航空航天與國防的6大頂尖技術之首。近年來，基于數(shù)字孿生技術的創(chuàng)造性和顛覆性，數(shù)字孿生技術已經(jīng)逐漸從理論研究快速向工程應用轉變，該項技術在航空發(fā)動機全生命周期的各個階段也有所應用。
圖1數(shù)字孿生在產(chǎn)品全生命周期內的應用示意
01、數(shù)字孿生技術用于設計基于數(shù)字孿生的航空發(fā)動機設計的意義
基于數(shù)字孿生的產(chǎn)品設計是指在產(chǎn)品數(shù)字孿生數(shù)據(jù)的驅動下，利用已有物理產(chǎn)品與虛擬產(chǎn)品在設計中的協(xié)同作用，不斷挖掘產(chǎn)生新穎、獨特、具有價值的產(chǎn)品概念，將其轉化為詳細的產(chǎn)品設計方案，以降低產(chǎn)品實際行為與設計期望行為間的不一致性。在航空發(fā)動機設計階段，數(shù)字孿生的主要作用在于：根據(jù)用戶要求，構建發(fā)動機仿真模型，形成發(fā)動機數(shù)字孿生體，并對其性能和功能進行多系統(tǒng)聯(lián)合仿真，快速驗證產(chǎn)品的設計功能。
數(shù)字孿生技術在航空發(fā)動機設計領域的典型應用案例
2018年2月，羅羅公司提出了“智能發(fā)動機”（Intelligence Engine）愿景，希望借助數(shù)字孿生等數(shù)字化技術，建立航空動力的互聯(lián)性，使發(fā)動機具有情境感知和理解能力。此后，在“智能發(fā)動機”愿景的推動下，羅羅公司為發(fā)動機的每個葉片都創(chuàng)建了數(shù)字孿生體，并于2019年成功測試了“超扇”（UltraFan）發(fā)動機設計方案。
GE航空集團將數(shù)字孿生技術視為加速未來先進技術發(fā)展的一個重要推動力，并專門開發(fā)了數(shù)字孿生工業(yè)云平臺Predix，目前正在該平臺上開展先進渦槳發(fā)動機（Advanced Turboprop，ATP）的研制工作，用作公務機和通用飛機的動力。
俄羅斯聯(lián)合航空制造集團公司（UEC）下屬的禮炮制造中心從2019年年底開始將數(shù)字孿生技術應用于產(chǎn)品設計，其目的在于打造統(tǒng)一的數(shù)字平臺（如圖2所示），整合所有產(chǎn)品和數(shù)學模擬過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)、文件和專業(yè)化軟件程序，該中心使用了多種數(shù)值模擬方法，每種方法都對應特定的發(fā)動機設計階段，目前技術人員正準備將該數(shù)字平臺集成至數(shù)值模擬方法中，后續(xù)該技術將運用到雅克-130飛機改進設計以及發(fā)動機的部件調試和驗證試驗中。
圖2禮炮制造中心開發(fā)的數(shù)字孿生工作平臺
02、數(shù)字孿生用于實驗基于數(shù)字孿生的航空發(fā)動機試驗的意義
數(shù)字孿生驅動的測試／檢測模式是指在虛擬空間中構建高保真的測試系統(tǒng)及被測對象虛擬模型，借助測試數(shù)據(jù)實時傳輸、測試指令傳輸執(zhí)行技術，在歷史數(shù)據(jù)和實時數(shù)據(jù)的驅動下，實現(xiàn)物理被測對象和虛擬被測對象的多學科、多尺度、多物理屬性的高逼真度仿真與交互，從而直觀、全面地反映出產(chǎn)品全生命周期的狀態(tài)，有效支撐基于數(shù)據(jù)和知識的科學決策。
數(shù)字孿生技術不僅可以用于建立精確的航空發(fā)動機數(shù)學模型，還可以用于開展大量的虛擬試驗和適航性驗證試驗，包括開展加溫、冷卻及氣動載荷作用下的模擬試驗、模擬葉片斷裂的特種試驗、吞鳥試驗、結構可靠性和耐久性試驗等。在航空發(fā)動機試驗中，數(shù)字孿生的主要作用在于：設計階段通過一系列可重復、可變參數(shù)、可加速的虛擬試驗，提前驗證航空發(fā)動機不同工況和外部條件下的性能情況。在發(fā)動機試驗過程中，通過從傳感器上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)實時反映發(fā)動機實體的整個行為過程，通過試驗過程中獲取的數(shù)據(jù)查找故障原因，預測可能發(fā)生的故障及模型優(yōu)化和修正。
數(shù)字孿生技術在發(fā)動機試驗領域的典型應用案例
俄羅斯航空發(fā)動機行業(yè)計劃在2024年完成數(shù)字孿生技術引入工作，計劃通過開展模擬真實條件下虛擬試驗、開發(fā)高保真驗證模型、采用專門的計算結果分析方法來提高測試質量，減少試驗項目。預計該項技術將用于TV7-117ST、AI-222-25渦扇發(fā)動機和其他民用航空發(fā)動機中。目前，數(shù)字孿生技術在俄羅斯航空發(fā)動機領域已得到了實際應用。聯(lián)合發(fā)動機公司（UEC）下屬土星科研生產(chǎn)聯(lián)合體在進行發(fā)動機臺架試驗時，會同時建立其數(shù)字孿生體。通過該數(shù)字孿生體，工程人員可以實時了解到發(fā)動機的整個工作過程，有效查找和排除臺架試驗階段發(fā)現(xiàn)的問題，建立起實物與數(shù)字孿生體的互聯(lián)互通。
03、數(shù)字孿生技術用于制造加工基于數(shù)字孿生的航空發(fā)動機制造加工的意義
數(shù)字孿生起源于工業(yè)制造，主要的應用對象也是工業(yè)制造。在航空發(fā)動機制造加工中，數(shù)字孿生的主要作用體現(xiàn)在設備層、產(chǎn)線層和工廠層的數(shù)字虛擬化。在設備層，通過在研制初期建立的數(shù)字孿生體，進行航空發(fā)動機制造設備、制造流程、電氣設備、軟件同步設計，通過數(shù)字孿生體驗證制造過程，在驗證過程中出現(xiàn)問題時，只需修正模型，修正完成后再次執(zhí)行仿真，直至正確完成整個加工過程。在產(chǎn)線層，通過建立物理生產(chǎn)線的數(shù)字孿生體，提前進行安裝、測試工藝仿真，模擬航空發(fā)動機制造的整個工藝流程。在工廠層，借助數(shù)字孿生體，建立數(shù)字化生產(chǎn)鏈和生產(chǎn)車間，實現(xiàn)計劃、質量、物料、人員和設備的數(shù)字化管理。
數(shù)字孿生技術在航空發(fā)動機加工制造領域的典型應用案例
洛克希德-馬丁公司利用數(shù)字孿生技術創(chuàng)建“數(shù)字主線”（Digital Thread）的工作模式，改進了多個工作流程。通過流程改進，公司處理F-35進氣道加工缺陷的決策時間縮短了33%，此項創(chuàng)舉獲得了2016年美國國防技術制造金獎。
2018年7月，土星科研生產(chǎn)聯(lián)合體建立了采用數(shù)字孿生技術的生產(chǎn)車間，來開展燃氣渦輪發(fā)動機及其組件制造生產(chǎn)鏈的數(shù)字化工作，并應用物聯(lián)網(wǎng)技術，將數(shù)據(jù)感應、采集與生產(chǎn)控制系統(tǒng)及車間數(shù)字孿生關聯(lián)在一起，以實現(xiàn)實物和孿生體的互聯(lián)共生。
2019年年底，俄羅斯圣彼得堡理工大學完成了TV7-117ST-01渦槳發(fā)動機數(shù)字孿生技術開發(fā)項目第一階段工作。該項目的目的是減輕航空發(fā)動機的質量，根據(jù)數(shù)字和智慧工廠的運營原則開發(fā)新的生產(chǎn)流程。使用數(shù)字孿生技術后，未來預計可使該型發(fā)動機質量減輕50%。
2019年德國弗勞恩霍夫研究所與愛立信公司合作開展了數(shù)字孿生在整體葉盤制造過程中的應用探索，應用數(shù)字孿生結合5G、人工智能等新技術，提出了整體葉盤高性能加工的技術解決方案，實現(xiàn)了整體葉盤生產(chǎn)過程的自動監(jiān)測和實時控制。
04、數(shù)字孿生技術用于運營維護基于數(shù)字孿生的航空發(fā)動機運營維護的意義
在航空發(fā)動機運營維護階段，數(shù)字孿生的主要作用在于：實時監(jiān)測航空發(fā)動機的運行狀態(tài)，根據(jù)發(fā)動機的使用情況、運行維護記錄，進行健康診斷和分析，提前發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品潛在質量問題，進行預警，自動觸發(fā)自愈機制或提出解決方案來降低損害，同時將運行信息反饋給設計部門，以優(yōu)化設計、改善產(chǎn)品性能。
數(shù)字孿生技術在航空發(fā)動機
運營維護領域的典型應用案例
GE航空集團已經(jīng)將數(shù)字孿生技術成功應用到了航空發(fā)動機的運營維護領域。GE航空集團認為，從概念設計階段就建立數(shù)字孿生體，這樣更有利于建立發(fā)動機設計、結構模型與運行數(shù)據(jù)的關聯(lián)。GE航空集團通過匯總設計、制造、運行各階段積累的數(shù)據(jù)及發(fā)動機實體在各階段的情況，實現(xiàn)對發(fā)動機運行過程進行精準監(jiān)測、故障診斷、性能預測和控制優(yōu)化，其中就包括建立了波音777飛機的GE90發(fā)動機葉片數(shù)字孿生體，實時監(jiān)測葉片的工作狀態(tài)，特別是在中東等容易造成零件材料腐蝕剝落的沙漠地區(qū)。
基于數(shù)字孿生技術在航空發(fā)動機的實際應用，GE航空集團還開發(fā)了預測性維修和維護產(chǎn)品——TrueChoice，幫助客戶優(yōu)化全生命周期內的成本。羅羅公司則在智能發(fā)動機愿景的框架下建立了全套數(shù)學模型，并將發(fā)動機實體工作時的場景映射到數(shù)字孿生體來改進和調整發(fā)動機的運行狀態(tài)和發(fā)動機高效維護。
05、數(shù)字孿生技術對于我國航空發(fā)動機研制的作用
目前，我國航空發(fā)動機的數(shù)字化應用水平還比較低，體系化程度不足。在組織模式方面，我國采取廠所分離的形式，串行研制模式還未得以改善；在全生命周期管理方面，協(xié)作和管理平臺的應用才剛起步；在研制方法方面，仍廣泛采用傳統(tǒng)的設計、試驗、加工和維護方法，數(shù)字化程度較低。面對新一代航空發(fā)動機的研制需求，我們迫切需要采用先進的數(shù)字化技術來提高研制能力，縮短與國際先進水平的差距。
統(tǒng)一數(shù)據(jù)存儲和管理平臺，解決數(shù)據(jù)孤島和數(shù)據(jù)利用問題
目前，國內航空發(fā)動機的設計、試驗、加工制造和健康管理還未建成統(tǒng)一的管理平臺，各自為營，不成體系。試驗數(shù)據(jù)由試驗人員統(tǒng)一管理和處理，設計人員無法直接訪問或獲取原始試驗數(shù)據(jù)，不利于從原始數(shù)據(jù)方面入手排故。試驗數(shù)據(jù)在處理或傳遞過程可能會因存儲不當或人為因素造成篡改或缺失，不利于保證設計分析的正確性。試驗人員在進行試驗準備時，也無法查看設計文件，無法詳細了解設計方案和目的，不利于試驗人員設計和優(yōu)化試驗方案，從而有針對性地進行數(shù)據(jù)處理。此外，工藝和維修人員無法訪問設計和試驗平臺存儲的數(shù)據(jù)，無法更全面地了解航空發(fā)動機的整體情況，只能基于傳統(tǒng)的工藝流程和經(jīng)驗開展相關工作。
數(shù)字孿生是以數(shù)字主線為基礎，貫穿于產(chǎn)品設計、試驗、生產(chǎn)制造和健康管理的全生命周期流程。產(chǎn)品研發(fā)的各階段均在統(tǒng)一的工作平臺內完成，生成的所有孿生數(shù)據(jù)、孿生模型和孿生過程均存儲在同一平臺內。在整個平臺內，參與航空發(fā)動機研制的所有人員都可以在系統(tǒng)內訪問所有歷史數(shù)據(jù)，包括最近更新的數(shù)據(jù)。訪問權限取決于設定的用戶角色，以保證工作的透明性、加強管控、保證后續(xù)使用數(shù)據(jù)完好無損。并且，整個發(fā)動機全生命周期過程均以數(shù)據(jù)模型的形式存儲在網(wǎng)絡空間中，可以有效實現(xiàn)數(shù)據(jù)的可溯源、可復現(xiàn)。系統(tǒng)還可以自動生成發(fā)動機當前計算結果與設定要求匹配度報告，加快產(chǎn)品研制過程和內部數(shù)據(jù)交互速度。
加快設計-驗證迭代，解決試驗耗時長和試驗條件限制問題
對于傳統(tǒng)的航空發(fā)動機研發(fā)，需要開展大量的試驗進行可靠性、安全性和特性驗證，耗時較長。完成驗證后，還需要根據(jù)試驗結果反復迭代、多次修正，產(chǎn)品調試時間長，花費成本高。對試驗設備的要求也很高，需要建立專門的地面臺、高空臺、飛行臺。而且，試驗具有局限性，無法模擬一些極端工況。
采用數(shù)字孿生技術可以實現(xiàn)航空發(fā)動機虛擬試驗模擬。開展虛擬試驗不需要建立任何的實體試驗設備，還可以縮減大量地面和飛行試驗數(shù)量。只需將設計階段建立的數(shù)字孿生體放置在虛擬試驗場，設置真實的試驗環(huán)境開展試驗，就可以驗證發(fā)動機的各項性能，指導發(fā)動機實體的試驗與測試安排。此外，進行虛擬試驗時，試驗發(fā)動機上的傳感器安裝位置已經(jīng)精確設定，所需開展的試驗工況也已確定。在開展樣機試驗時，技術人員無須再花費大量的時間來確定傳感器的分布位置，考慮最佳試驗循環(huán)數(shù)。
試驗完成后，采用數(shù)字孿生技術可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)自動計算和分析，降低了人為因素引起數(shù)據(jù)缺失或篡改的可能性，縮短了人工手動處理數(shù)據(jù)的時間。數(shù)字孿生技術還可以用于模擬非機載狀態(tài)，幫助技術人員快速了解發(fā)動機一些參數(shù)、外部條件、附件故障時發(fā)動機的工作情況。根據(jù)俄羅斯禮炮制造中心和英國安本（Aberdeen）集團預測，采用數(shù)字孿生技術后，可以縮短15%~20%的研制周期，節(jié)約27%的研發(fā)成本。
多學科設計，解決傳統(tǒng)模擬仿真方法
精度不高和仿真限制問題
我國各科研院所和企業(yè)在進行航空發(fā)動機研制的過程中廣泛采用CAD、CAE、UG等模擬仿真軟件，盡管這些軟件的功能已經(jīng)非常強大，但具有不確定性和非線性等問題，產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)需要耗費大量的人力、物力成本進行處理，還需要根據(jù)獲取的數(shù)據(jù)不斷地手動迭代來修正模型。此外，傳統(tǒng)的航空發(fā)動機仿真建模是以獨立的單元體為基礎，各單元體之間沒有關聯(lián)和交叉，耦合性不強。
數(shù)字孿生系統(tǒng)是一個帶自學功能的高精度系統(tǒng)。它不僅可以通過模型驅動和數(shù)據(jù)驅動不斷優(yōu)化用于解決傳統(tǒng)機理模型無法解決的一些問題，還能從靜態(tài)結構組成和動態(tài)過程兩方面確保研制精度。
靜態(tài)方面來講，數(shù)字孿生技術是集成多學科、多物理量、多尺度、多概率的仿真系統(tǒng)，由許多相互關聯(lián)的物理和數(shù)學模型組成，每個模型均可以描述發(fā)動機的熱力學、強度、聲學、氣動性能。模擬的過程中考慮了材料、幾何形狀、電子線路、控制系統(tǒng)等因素的影響，可以在考慮控制系統(tǒng)智能算法工作，有效結合虛擬試驗、全機樣機試驗、子系統(tǒng)樣機試驗與設計要求的匹配情況下開展復雜過程深度分析。
動態(tài)方面來講，數(shù)字孿生體是對航空發(fā)動機實體整個動態(tài)過程的真實反應，雙方互聯(lián)互通。航空發(fā)動機實體通過傳感器將數(shù)據(jù)映射至數(shù)字孿生體。數(shù)字孿生體在不斷接收實體數(shù)據(jù)的過程中演化。接收到的數(shù)據(jù)不僅可以用于反映實體的使用行為，驗證計算模型，如零部件內部載荷、幅頻特性、總振動量、噪聲、壓力脈動、溫度和疲勞損傷等，還可以用于不斷修正和優(yōu)化模型、改進設計和加工，避免開展大量的樣機試驗。實體發(fā)動機與數(shù)字孿生體間的誤差不超過5%。根據(jù)數(shù)字孿生技術研制航空發(fā)動機有可能一次就通過驗證試驗和國家試驗。
06、結束語
數(shù)字孿生技術作為各先進航空發(fā)動機企業(yè)大力發(fā)展的一種技術，可以提高整個研制過程的有效性、經(jīng)濟性和安全性，從而達到縮短產(chǎn)品的研制周期、降低研制成本的目的。針對我國當前廣泛采用的傳統(tǒng)模擬仿真技術的缺點和研制、生產(chǎn)、維護多方斷口式工作模式造成發(fā)動機研制周期長、費用高的特點，數(shù)字孿生技術以其在數(shù)據(jù)使用和管理、模擬仿真的高精度、解決問題能力強等方面的優(yōu)勢，將成為我國航空發(fā)動機產(chǎn)業(yè)趕超國際先進發(fā)展水平的重要手段和強有力的助推劑。
