跟踪 | 俄罗斯航空工业持续数字化转型
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俄罗斯政府早在2017年就正式批准了数字经济发展规划。俄罗斯大型航空相关企业都开始研究并引入各类数字化技术，积极促进研制生产和服务系统向智能数字化模式转变。通过数字技术使企业具有更加准确和有效的设计能力，制造和运营成本降低，为研制有竞争力的航空产品奠定了基础。本文来自：空天防务观察，经授权由《走向智能论坛》微信公号推荐阅读。
跟踪 | 俄罗斯航空工业持续数字化转型
苏-57战斗机 图片来自俄罗斯卫星通信社
俄罗斯政府早在2017年就正式批准了数字经济发展规划，总统普京在国情咨文中也提到为利用技术革新的重大能力，在短期内建立立法基础消除数字化技术应用障碍的必要性。在工业领域广泛的应用数字化技术有助于工业4.0推进、多样化经济变革和出口能力发展。在航空制造领域，数字化技术可以用于新产品快速设计、制造、市场投放，以及全寿命跟踪。当前，俄罗斯联合飞机制造集团、联合发动机制造集团、“俄罗斯电子”集团等大型航空相关企业都开始研究并引入各类数字化技术，积极促进研制生产和服务系统向智能数字化模式转变。
一、数字化发展需求
由于引入新的数字化生产技术、标准和方法，世界飞机制造业正发生根本性变化。俄罗斯认为，国外领先的飞机制造商已开始全面掌握航空产品研发、测试、生产供应、销售和运营的全程数字化能力。目前，俄罗斯航空工业企业在使用先进数字技术方面起步较晚，仅在SSJ-100等新机型的开发过程中引入了虚拟设计工具，建立了数字格式的技术文档。
SSJ-100支线客机的三维数字样机
俄罗斯航空产品的研制问题，首先是阶段耗时较长，在现有体系内，航空产品各个元件、组件和部件的设计、建模与试验不能并行进行，而返回之前任一阶段又需要额外的资金；其次，大量的资金都花费在多次的实体测试上；第三，由于必须对纸质文件进行管理和保存，增加了核对和修正的复杂性，以及人为因素造成负面影响的风险；同时，俄罗斯目前还没有能够保障所有航空工业组织间顺畅通信的信息基础设施，且缺少协调一致的解决方案。
为此，俄罗斯当前致力于形成统一数字环境，将设计文件和其他文件向数字格式转化，发展数字孪生技术，保障所有实物资产完全数字化，以便在根据设计、试验生产需求和资源有效利用等方面进行优化；努力建立一个综合的软硬件平台，将生产准备系统、管理系统和资金管理系统的功能都集中，同时确保较高的技术信息安全标准，在初始阶段将通过数据自动收集系统进行填充，集成相关用户的工作数据，包括航空装备研究机构、认证中心、生产企业、租赁和服务公司、运营商等；加强发展信息基础设施，包括兼顾数字技术要求的保障用户对数据收集和传输需求的通信网络，数据存储和处理中心系统（包括高效计算系统、云计算方案等），保障提供可负担的、安全稳定的且经济有效的航空工业数据存储和处理服务，开发并推广使用统一的国家数字平台，将已有的和正在开发的不同系统组合起来，形成多个行业数字技术能力中心等。
二、数字化技术应用
对航空工业来说，数字化技术已经渗透确定发展方向、产品研发、批生产、使用维护等全寿命阶段。根据霍尼韦尔公司的报告，全球47％的受访运营商计划在近一段时间内为每架飞机投入约50万美元用于引入数字技术。目前俄罗斯数字化技术的应用范围包括：
——主动控制系统，通过载荷控制影响飞行中的飞机载荷和气动弹性特性。在机身设计时布置可提供特殊操纵面倾斜的信号的传感器，降低局部载荷，减少机身疲劳和机翼重量，提高寿命。
——大数据技术，俄罗斯国际航空公司2016年开始利用大数据技术，跟踪飞机飞行期间单元和部件的技术状态。这些巨大的信息流被传输到地面技术维护和维修服务部门，经过系统处理后形成了及时更换磨损部件的计划，无需停工维修。
——瞬时计算能力，俄罗斯S7航空公司测试了通过连接到银行系统的区块链销售机票的情况。从订购机票到借记资金和更新状态的所有操作都自动执行，可以在23秒内完成任何付款，包括之前需要14天才能完成的库存用品。
——保障空中安全，飞行期间飞机位置和航线的实时图像在现代化系统“佩刀飞行探索器”（Sabre Flight Explorer）中显示，将系统数据与来自机载计算机的信息同步并进行分析，以保障飞行安全。
——方便飞行员工作，飞行员使用电子飞行包（Electronic Flight Bag）产品，借助独立的笔记本电脑和带有专用软件的便携式平板电脑，使飞行员可以通过互联网和内部网络进行工作。
作为一种军用飞机，苏-57战斗机在研发、生产和使用维护等方面也都全面采用了数字化技术
三、数字化技术进展
为落实国家数字经济规划，提升航空工业产品研制效率，俄罗斯各大航空集团在企业内部积极推广数字化技术。
1．统一信息环境
当前，俄罗斯联合飞机制造集团下属的图波列夫公司已经初步具备飞机设计、生产和售后服务的统一信息环境。这是俄罗斯航空制造业首次建立全寿命周期的统一信息环境，图波列夫公司下属的设计局引进了大量新型计算装备，包括超级计算工具，实现了无纸化设计，通过虚拟现实、3D技术等应用大大提高了复杂零部件的设计效率。该系统在2015年开始研制，2017年在虚拟环境完成数字化机身建设，利用样机的数字孪生、大量计算软件和虚拟模型能够加速飞机设计试验过程。例如，在虚拟环境下进行部件试验不需要实体台架，可集中不同地点的设计数据，在24/7小时制度下工作。
在统一信息环境下可以对所有产品研制阶段——从3D模型设计到数控机床控制程序的准备、到几何参数测量，都可以在统一的信息平台上实时跟踪，实现设计、工程计算、生产技术筹备、设计执行和工艺文件产生的多维知识管理，纳入内部研制、试验和生产数据。建设统一信息环境，还为外部设计能力引入提供了平台，具有全行业设计人员共同开展型号设计的能力，极大的提升了并行设计工作效率，能够有效的完成研制周期紧张的项目。
俄罗斯航空产品研制统一信息系统的硬件及软件工作界面
2．数字孪生
俄罗斯联合发动机制造集团自2017年开始，陆续与圣彼得堡理工大学、萨拉夫工程中心等机构在发动机制造业数字化领域展开合作，合作的主要方向是研究和优化发动机及其零部件的“数字孪生”。数字孪生技术是建立高度符合实际材料、结构和物理过程的数字化数学模型，数字孪生制造车间的建立应当考虑使用设备、车间布置、自动化和手动操作特点，保证实际情况下的通过能力、生产周期，能够模拟变化并使计算接近真实的效果。该技术的应用不仅可以极大的缩短研制周期，而且能够降低全寿命周期成本，拓宽和提高研制产品的技术和使用性能。联合发动机制造集团和萨拉夫工程中心的合作包括建立数学模型，开展计算工作，完成虚拟试验，初始和计算数据信息交换，合作分析校对结果等。
在联合发动机制造集团下属企业之间建立以试验和计算数据为基础的共用信息系统具有特殊意义，联合工作成果将用于航空发动机制造领域关键项目的研制工作，包括PD-14、PD-35、PS-90A、TV7-117系列等。联合发动机制造集团在研制PD-14和SaM146等新型发动机时，通过使用数字化技术仅经过3.5年时间即获得满足技术规范要求的第一台样品，验证了数字孪生技术的有效性，同时降低了全寿命周期成本，并积累了大量数据。
此外，俄罗斯通过数字孪生完成了包括苏-35S和第五代战斗机苏-57、雅克-130军用教练机、中短程干线飞机MS-21在内的新型飞机及其部件的虚拟测试，并将所得结果反馈在飞机设计当中。
3．超级计算能力
俄罗斯在联合发动机制造集团下属“土星”公司建立了超级计算中心，集成了高效计算资源AL-100系统和新的专用软硬件系统（SPAK），称为“土星-100”。在引进和应用工业超级计算的创新发展计划中，土星公司采用了的SPAK系统，运算速度达到了每秒114万亿浮点预算。AL-100系统也曾用于解决最重要的预算问题：燃烧室燃烧、涡轮叶片热交换、声学计算、单个结构件优化计算等。此外，2019年3月，“俄罗斯电子”集团和“俄罗斯原子能”国家公司完成了阿纳帕“时代”军事创新科技城信息通信中心计算系统的建设。新数据中心的主要任务是为了解决科技城试验室数学过程建模的问题。为“时代”军事创新科技城创建的大数据处理解决方案是实施“数字经济”国家计划的又一步。新的计算能力能够通过系统的数学建模加速航空产品和技术开发和测试的过程。
4．增材制造技术
增材制造技术是“数字化”生产中发展最块的领域之一，通过该方法来能够减少结构的部件数量和成本。由于航空发动机具有技术水平高、制造工艺复杂等特点，航空发动机制造业成为增材制造技术研究及应用的重要领域。联合发动机制造集团在其《增材制造技术发展草案》中提出，在其下属的乌法发动机生产企业成立大尺寸钛合金毛坯件制造专业中心，采用选区激光熔融和直接激光沉积（包括利用多相粉末激光冶金）工艺，服务于未来产品研制。2019年4月，联合发动机制造集团在萨马拉库兹涅佐夫公司开设增材技术实验室，以便掌握工业燃气涡轮发动机大型零件的生产工艺，实验室具有俄罗斯最大的金属粉末材料直接激光沉积设备，可以生产直径达2.5米的零件，增材制造技术实验室的投产是公司工艺设备改造的重要一步，到2021年，增材制造技术实验室制造的零件范围预计增加到53项。
俄罗斯库兹涅佐夫公司的增材制造（3D打印）设备
此外，“俄罗斯电子”集团下属的“钍”科研生产企业已经研制了第一台电子束3D打印机，用于粉末金属的增材制造，该设备的主要优势是通过减少电子束移动系统中的机械零件实现较高的工作速度和精度，以及对粉末质量的低敏感度，不必在外部高温系统中预热和在工作舱中建立防护环境。在粉末完成选区熔化过程之后，这些部件将具有非常高的密度，与铸造工艺相当，并且具有良好的表面质量，无需额外的烧结和后处理。采用电子束方法融化粉末金属的打印技术能够制备实际中任何复杂的零件，包括导弹冲压发动机和飞机涡轮发动机叶片，以及大小在0.2-0.4MM的微小尺寸产品等。
5．数字空间“4.0 RU”
俄罗斯工业与贸易部于2017年7月提出的统一数字空间“4.0 RU”系统，在工业生产的所有阶段和级别全面引入数字技术。“4.0 RU”的宗旨是将利用统一的数字空间将数字设计、技术和制造相结合。目前，俄罗斯国内机床行业最大的制造商“STAN”、卡巴斯基实验室、物流公司“ITELMA”，以及西门子公司都已经参与项目合作。以MS-21的金属加工产品的生产过程为例，飞机的基本紧固件由“STAN”集团生产的车床制造，使用西门子软件实现了该产品生产的设计和技术准备，以及运营管理和生产分析，由“ITELMA”提出支持数字物流流程的解决方案，整个系统的网络安全由卡巴斯基实验室提供。“4.0 RU”系统可以在设计阶段确定所开发产品的最终成本，同时借助网络物理环境缩短新产品推向市场的时间，提高生产灵活性、产品质量、生产过程效率，最终为企业在国内和国际市场提供竞争优势。
6．机器人技术
俄罗斯航空制造企业在过去三年中机器人数量增加了一倍。例如，在乌里扬诺夫斯克组装MS-21客机机翼的航空复合材料公司，借助机器人提高装配精度，控制成品的质量，工人人数大幅减少。2019年3月，俄罗斯联合发动机制造集团下属企业“土星”公司设计了借助机器人系统、使用滚动方式处理部件曲线表面的方法，可用于处理涡轮机和压缩机的叶片边缘。该方法考虑了伴随加工的物理过程，零件机械性能的变化，允许将手动加工转移为数控设备或机器人技术系统。通过机器人技术和智能生产系统的引入，俄罗斯飞机制造能力获得快速提升。
对俄罗斯航空工业来说，数字化转型发展趋势显而易见，通过数字技术使企业具有更加准确和有效的设计能力，制造和运营成本降低，为研制有竞争力的航空产品奠定了基础。
作者单位：
张慧——中国航空工业发展研究中心
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