高静轩

（中国航发贵阳发动机设计研究所，贵阳 550081）

0 引言

数字孪生定义萌芽于2002 年密歇根大学Michael Grieves 在产品全生命周期管理课程上提出的“与物理产品等价的虚拟数字化表达”[1]。随着对数字孪生的研究与认识的不断深化，美国、俄罗斯等国家纷纷提出数字孪生的定义。如2020 年，美国航空航天学会和美国航空航天工业协会[2]发布《数字孪生：定义与价值》报告中提出：数字孪生是1套模拟单个/唯一的实物资产或1组实物资产的结构、环境和行为的虚拟信息架构，利用其全寿命周期内的物理孪生数据来进行动态更新，并给出有助于实现价值的决策；2021 年，俄罗斯联邦国家标准（ГОСТ Р）[3]在产品数字孪生总则中提出：产品数字孪生是由产品数字模型和与产品（有产品时）和（或）其构成部分的双向信息链组成的系统。总体来看，目前数字孪生的定义数量庞大但还未统一；2022 年，孙明霞等[4]采用文献统计研究与内容聚类研究的方法，对64 个典型数字孪生定义进行了归纳研究：采用先进的数据技术、网络技术和综合技术对物理实体进行多学科、多物理场、多尺度、多概率、高保真度的仿真，并建立物理实体与虚拟实体的数据映射与镜像，通过虚拟实体反映物理实体全生命周期过程，以此来支撑决策、提高效能；2023 年，为了在航空发动机研制中准确运用数字孪生技术，刘超等[5]提出面向航空发动机研制的数字孪生定义核心要素是发动机实体、孪生模型、数据和交互，数字孪生以航空发动机实体为实现载体，以孪生模型为实现功能的核心，以数据和交互作为媒介和推动手段，最终达到提高航空发动机质量、保障航空发动机运行的目的。

美国、英国、俄罗斯等国家大力推动数字孪生技术在燃气涡轮发动机领域的研究和应用，实现了对过去知识和经验的传承与重用、对当前状态的评估与诊断、对未来发展的特性预估与趋势预测，有助于达到缩短周期与降低成本的目的，数字孪生将成为越来越重要的发动机辅助研制技术体系和工作模式[6-7]。

根据自身发展特点，俄罗斯政府、联合发动机制造集团、大学及研究机构共同开发燃气涡轮发动机数字孪生技术，从2014 年开始，政府通过组织开发数字平台、发布规划、标准及举办数字孪生论坛等，为燃气涡轮发动机数字孪生技术发展建立了良性的产业生态。联合发动机制造集团主导并统筹大学、研究机构、企业等优势力量，开展数字孪生技术在型号中的应用研究，目前已取得一定进展，但公开文献较少，综述更少。本文基于此，从政府和联合发动机制造集团2 个层面归纳了俄罗斯燃气涡轮发动机数字孪生技术的发展历程，总结了其发展特点，以为燃气涡轮发动机技术研究和产品研制引入数字孪生提供参考和借鉴。

1 政府

为牵引数字孪生技术在包括燃气涡轮发动机在内的工业领域的应用，俄罗斯政府从国家战略层面给予高度重视，通过组织开发数字平台、发布规划、标准及举办数字孪生论坛等，为燃气涡轮发动机数字孪生的成熟和落地提供人力、物力和财力支持。

2014 年，俄罗斯开始打造统一的数字平台CMLBench™[8]，涵盖高科技工业产品/产品及其制造工艺/生产流程的数字孪生和智能数字孪生的开发、应用平台，以及系统数字工程管理系统，如图1 所示。CMLBench™平台自2014 年开发以来，不断进行定期改进和扩展，以满足不同高科技行业的要求。主要开发机构：圣彼得堡彼得大帝理工大学中央计算机工程中心、圣彼得堡彼得大帝理工大学国家工艺创新中心、计算力学实验室等。

图1 CML-Bench™平台

2017年10 月，俄罗斯政府正式批准了《联邦数字经济规划》[9]，并于2018年开始实施，数字化技术随之在各行业掀起发展热潮。2019 年10 月10 日，俄罗斯数字发展、通信与大众传媒部公布了“数字技术”计划7 大领域的技术路线图[10]。“数字化技术”国家计划是《联邦数字经济规划》的进一步落实，在计划框架下共包含了区块链系统、量子技术、新制造技术、神经技术与人工智能、机器人和传感器组件、无线技术、虚拟和增强现实技术、大数据、工业物联网等9 大数字化技术领域，此次公布的是前7大领域的2019～2024年技术路线图。而在众多先进技术中，数字孪生技术几乎是所有“端到端”数字化技术的集成。

2020 年，俄罗斯国防部举办军舰领域数字孪生论坛，讨论海军武器研制的新技术方向，重点讨论数字孪生技术在研制、制造和测试等环节的应用[11]。

经过多年成熟发展，在CML-Bench™顺利通过官方审查后，2021年2月，俄罗斯数字发展、通信与大众传媒部签 署2021 年2 月16 日№84 命令，将CMLBench™引入俄罗斯电子计算机程序和数据库统一登记册。

2021 年9 月16 日，俄罗斯公布了国家标准700-GOST R 57700.37-2021“计算机模型和建模.数字孪生.一般规定”[3]。这是世界上首次出台的数字孪生相关的国家标准，聚焦的是数字孪生创造产品，定义了术语以及产品数字孪生的一般规定。该文件还首次引入了“产品数字模型”的定义，并对“数字（虚拟）测试”、“数字（虚拟）测试台”和“数字（虚拟）测试场”等概念进行了统一，进一步推动数字孪生技术的发展。

2 联合发动机制造集团

俄罗斯将数字孪生技术视为加速燃气涡轮发动机发展的1个重要推动力，计划在2024年完成数字孪生技术的引入工作，作为燃气涡轮发动机行业的领军企业，联合发动机制造集团是整个项目的组织者和协调员，其组织涉及的数十家大学、行业研究机构和企业开展数字孪生研究工作，如其与中央航空发动机研究院联合研究数字孪生技术，已应用于发动机产品的全生命周期研制管理；与圣彼得堡彼得大帝理工大学签署名为“TechnetNTI-ODK”的合作路线图，旨在合作攻关和优化发动机的数字孪生技术，并于2020 年讨论了TV7-117ST-01 发动机数字孪生等项目的中期成果和发展前景；与Zyfra 集团合作开发工业物联网平台ZlloT，将人工智能引入发动机制造，以创建未来产品的数字孪生，将用于AI-222-25涡扇发动机的生产[12]；与萨洛夫工程中心合作将虚拟现实技术集成到发动机数字孪生中，解决了使用数字孪生技术获得的数据可视化问题[13]。

目前，联合发动机制造集团下属土星科研生产联合体（土星公司）、克里莫夫公司和礼炮燃气涡轮科研生产中心（礼炮公司）等已将数字孪生技术应用到了TV7-117 涡桨发动机和AI-222-25、SaM146、PD-14、PD-35 等涡扇发动机，以及苏-57 战斗机发动机的研制中，并将数字孪生技术拓展至舰用燃气轮机。受文献所限，主要对AI-222-25 涡扇发动机、TV7-117 涡桨发动机及M90FR舰用燃气轮机开展分析。

2.1 礼炮公司的AI-222-25涡扇发动机

AI-222-25 发动机主要为雅克-130 飞机提供动力。礼炮公司在完全掌握AI-222-25 发动机批量生产后，于2019 年启动了该发动机组件的数字化工作。2019 年底，礼炮公司开始打造统一的数字孪生平台（如图2 所示），整合所有产品和数学模拟过程中产生的数据、文件和专业化软件程序。该技术将有助于对设计的航空发动机进行型号认证和状态测试，有望将整个产品研制周期缩短15%~20%，同时还能提供数值模拟的准确度，降低产品的设计成本[14]。

图2 礼炮公司开发的数字孪生工作平台

2021 年初，礼炮公司与中央航空发动机研究院、莫斯科航空航天大学、圣彼得堡彼得大帝理工大学和“高级工程”公司合作，启动了AI-222-25发动机数字孪生项目。

2022 年7 月，专家们开发了AI-222-25 发动机的数学模型，并对其进行了验证，并集成到了数字平台中。AI-222-25发动机压气机部件数字模型如图3所示。AI-222-25 发动机数字孪生是集成到单个数字平台中的1 组数学计算模型，允许工程师们在发动机整个生命周期中计算和预测发动机性能。工程师们模拟了批产AI-222-25发动机的整体特征，包括组件和部件细节，并将获得的结果与多级需求矩阵联系起来。在项目框架内，项目组还分析了AI-222-25发动机需要进行的所有认证试验，并将其过程数字化，这些相应的认证试验数学模型可以用来验证发动机的数学模型，从而减少真实发动机所需的试验量，并预测发动机强度、参数、可靠性等关键性能的变化，从而缩短发动机研制和认证时间[15]。

图3 AI-222-25发动机压气机部件数字模型

2.2 克里莫夫公司的TV7-117涡桨发动机

TV7-117 涡桨发动机可为俄罗斯最新的米-38直升机以及伊尔-112V 和伊尔-114-300 飞机提供动力。早在2019 年，圣彼得堡彼得大帝理工大学根据克里莫夫公司要求就完成了基于数字孪生技术的TV7-117ST-01 发动机减重项目研究，目标是减少发动机静子部件的质量，任务是将克里莫夫公司在该级别发动机研制方面的所有经验数字化，分析所有计算依据、设计文件、试验结果等，并在CML-Bench™数字平台的新设计范式中对其进行解释。研发中心的专家还开发了一系列虚拟试验台和虚拟试验站点的结构，以及1 个材料数学模型和一系列发动机虚拟试验方法。结果在保证满足寿命、叶片保持构型等要求的情况下，使单个静子零件质量降低达50%，发动机减速器机匣质量优化过程如图4 所示。根据虚拟试验结果提出的所有设计变更都没有影响发动机运行的安全性，目前正在进行设计工作，并计划在2022 年后进行推广[16]。

图4 发动机减速器机匣质量优化过程

2020 年10 月，克里莫夫公司开发出了TV7-117的第1 级数字孪生模型，即根据图纸的参考参数创建了虚拟发动机模型。并已与圣彼得堡彼得大帝理工大学合作创建TV7-117 的第2 级数字孪生模型，计划于2022 年完成。第2 级数字孪生模型是集成到生产中的虚拟数学模型。存储并显示制造相关的每个发动机的创建、现有参数和操作的详细信息。现已确定了TV7-117 发动机轴流压气机的13 个主要元素，将为其创建虚拟算法，从而完全重复大规模生产的技术过程。第2 级数字孪生模型是“智能工厂”概念的前提，意味着不仅要针对单个产品，而且要作为整个生产系统的一部分来形成和使用数字孪生模型[17]。

开发的TV7-117ST-01 发动机数字孪生体（如图5 所示）将生产和工艺流程集成到产品的数字模型中，实现了零件制造工艺过程的端到端建模，其中包括对每个单独工艺的建模，并确保得到的结果之间的信息转换。在发动机制造中使用数字孪生将有助于确定可能导致事故的随机参数、缺陷和偏差，消除这些缺陷和偏差将使发动机更高效、更安全[18]。TV7-117ST-01发动机数字孪生主要工作内容见表1。

表1 TV7-117ST-01发动机数字孪生主要工作内容

图5 TV7-117ST-01发动机数字孪生体

2.3 土星公司的M90FR舰用燃气轮机

M90FR 燃气轮机是为22350 型最新护卫舰提供动力的M55R 柴油燃气轮机机组，将成为未来海军发动机的基础。土星公司早在2018 年就建立了采用数字孪生的生产车间，来开展燃气涡轮发动机及其组件制造生产链的数字化工作，并应用物联网技术，将数据感应、采集与生产控制系统及车间数字孪生关联在一起，以实现实物和孪生体的互联共生[19]。

2021 年，根据俄罗斯工业和贸易部要求，土星公司联合圣彼得堡彼得大帝理工大学中央计算机工程中心、中央航空发动机研究院等机构，开展了M90FR舰用燃气轮机及其附件减速器数字孪生试验技术的研究工作（如图6 所示）[20]。该项目为期3 年，目标包括开发舰用燃气轮机数字孪生的试验技术和基于模型的系统工程方法以确保舰用燃气轮机及其附件的可持续发展，在CML-Bench™数字平台上创建M90FR发动机的数字孪生体。根据项目规划，将开发6 个软件、380 多个发动机部件和系统的数学模型，进行约2000次虚拟测试，分4个阶段实施。

图6 M90FR舰用燃气轮机及其附件减速器

2023 年10 月，土星公司已完成该项目。该项目在CML-Bench™平台上实施，使用了1 个发动机技术状况预测系统，采用数字孪生技术将工程计算的执行时间缩短30%~40%。为舰用燃气轮机开发了多层次的需求矩阵、目标矩阵和寿命限制矩阵以及1 套计算机模型，可以在运行阶段监测和预测发动机的技术状况。通过研究获得的软、硬件将用于研制先进的舰用燃气轮机[21]。这是俄罗斯首次实施该类项目。该项目将允许对舰用推进系统进行全寿命周期管理，并提高俄罗斯舰用燃气轮机的可靠性和商业吸引力。

3 俄罗斯燃气涡轮发动机数字孪生技术发展历程

综上所述，俄罗斯试图通过大力发展数字孪生技术，达到缩短燃气涡轮发动机产品研制周期、降低研制成本的目的，俄罗斯政府、联合发动机制造集团、大学及研究机构采取多项措施促进数字孪生技术在燃气涡轮发动机领域的应用，其燃气涡轮发动机数字孪生技术发展历程如图7所示。

图7 俄罗斯燃气涡轮发动机数字孪生技术发展历程

4 结论

俄罗斯燃气涡轮发动机数字孪生技术发展具有以下特点：

（1）政府、联合发动机制造集团、大学及研究机构集中力量协同攻关。

政府从国家战略层面科学布局数字孪生技术发展，通过组织开发数字平台，出台多项规划，制定数字孪生标准及举办数字孪生论坛等，为燃气涡轮发动机数字孪生技术发展建立了良性的产业生态。关键核心技术攻关过程中各主体的角色定位清晰，由行业领军企业联合发动机制造集团主导并统筹大学、研究机构、企业等优势力量，开展关键核心技术攻关，以专业化分工、行业大协作加快攻关。

（2）技术基础研究与型号应用结合。

联合发动机制造集团正在通过整合虚拟现实、基于物联网的传感器系统、云计算、人工智能等来改进燃气涡轮发动机数字孪生技术。面向AI-222-25 涡扇发动机、TV7-117ST-01 涡桨发动机和M90FR 舰用燃气轮机等重点型号需求，快速启动试点项目，开展数字孪生技术在型号中的应用研究，目前已取得一定进展。