数字技术：全链条赋能“飞机心脏”研造

■马树延 宋东彬 解放军报记者 贾启龙

由中国航空发动机集团有限公司研制的AES100发动机。新华社发

　　请想象这样一组画面：

　　试验台上，一台正在研制的新型航空发动机，还没有真正装上飞机，大屏幕上已展示出它在高原起飞、超声速飞行等各种情况下的工作状态；机库里，一台结束飞行任务回来的飞机刚刚停好，不用拆卸任何部件，一份“健康体检报告”已自动生成。

　　研发车间，工程师根据电脑上的仿真结果，设计调整发动机某一级叶片的形状，智能机床很快生产出新的叶片；装配现场，工人借助数字化指引装配发动机，所有数据都被自动记录，成为这台发动机“终身档案”的一部分……

　　这些正在发生的变化，背后都是数字技术在发挥作用。近年来，数字仿真、数字孪生、大数据分析、人工智能等技术，正加快融入航空发动机的论证、研发、制造、使用和修理全过程，悄然改变着“飞机心脏”的发展路径。

　　本期“跟着院士学科技”，我们邀请中国工程院院士、空军研究院研究员甘晓华，为您讲述——

　　先在电脑里“造”一台发动机

　　在许多人印象里，研发一型新发动机，总离不开画图纸、制样机、做试验。而今，要研制新发动机，第一步却是先在电脑里“造”一台。

　　这台“造在电脑里的发动机”，被称为“数字样机”。它不仅具备和真机一样的外形，而且包含材料、气流、受力、温度等大量信息，能将它各种状态下的表现“算”出来。

　　有了“数字样机”，发动机研发的方式发生了明显变化。

　　方案比选更充分：过去要比较多种设计方案，往往需要做多套零件、反复试验；现在可以先在电脑里做几十甚至上百种方案的仿真对比，把最优的一种确定为要发展的型号，再做成实物样机，进行试验验证。

　　性能预测更全面：数字样机可以模拟发动机在高原、高温、高寒等多种环境下的表现，预估推力、油耗、温度等关键指标，为后续设计提供依据，并减少试验量。

　　问题发现更靠前：某个部位温度过高、某一级叶片受力过大，以前可能要到实体试验阶段才能暴露，如今在数字计算的仿真阶段就能发现并修改设计。

　　简单地说，就是“先在电脑里多设计、多试验，先在虚拟世界里多失败”，真实样机出来后，成功的可能性就更大。

　　以英国罗罗公司为例，在遄达1000发动机项目中，他们首次建立了完整的三维数字样机，实现了气动、结构和冷却系统模型的集成；高压压气机设计采用参数化建模后，叶片改型周期从3周缩短至3天。

　　让研发设计和制造车间“说同一种语言”

　　数字技术不仅改变了发动机的研发流程，也改变着其制造流程。

　　过去，从设计到制造，中间往往要经过多次转换：设计图交给工艺人员，工艺人员再写加工流程、编程。每换一次人、换一个环节，都可能带来理解上的偏差。

　　现在，随着“数字化设计—制造一体化”的推进，越来越多企业正在打通这条链路——

　　设计人员在三维软件中完成零件设计后，不仅生成图纸，还生成包含尺寸、材料要求等信息的“数字模型”。制造部门可以直接在数字模型上提出修改意见，两边在电脑上模拟加工过程，一起寻找既满足性能、又便于生产的方案，避免陷入“图纸很好看、零件很难做”的窘境。融合近年来新兴的3D打印技术，制造环节可在此基础上直接生产，尽可能地减少中间环节和由此引起的问题。

　　制造部门和设计人员如今“看的是同一个模型、说的是同一套数据”，沟通效率也比以前快多了。

　　空客A320neo、波音737MAX和中国商飞C919等飞机使用的LEAP系列发动机，应用数字技术后，研发周期缩短了20%，从设计到认证仅用5年就完成，远快于传统7～8年的周期。

　　数字化生产线让“精度”看得见、控得住

　　航空发动机对精度要求极高，很多尺寸允许的误差只有头发丝直径的几分之一。

　　在传统模式下，保证精度很大程度上依靠熟练工人的经验和反复测量记录。如今，随着数字技术在制造环节深入应用，越来越多的生产线开始变得“可视、可控、可追溯”。

　　在某发动机零件加工现场：机床与测量设备相连，加工完成后可以自动进行关键尺寸测量，并把结果写入系统。一旦发现偏差接近允许极限，系统会自动提醒操作人员，以便调整后续加工参数。多台设备的数据汇总到一起，操作人员可以看到整条生产线上不同机床的“稳定性水平”，为设备维护提供依据。

　　过去靠人拿卡尺、拿千分尺一条条测量后记在纸上，现在数据自动采集、自动存档，既准确又便于分析。只要遵守工艺、配合系统提示，稳定性比以前更好。

　　通过这种方式，数字技术正在让发动机制造从过多依靠“经验”变成“经验+数据+系统”共同发力，让高精度、高一致性不再只是少数“老师傅”的看家本领，而是整个生产线的普遍能力。

　　用数据给发动机“看病”

　　同一型号的发动机，维修频率为何差异显著？一个重要原因在于其经历的“战场”不同：有的历经更多高强度严苛飞行，有的则执行了相对温和的任务。

　　过去，很多维护计划有统一的标准，比如飞行多少小时必须大修一次。现在，数字技术让维修计划更加“因机制宜”。业内正在探索为每一台发动机建立“数字档案”和“数字镜像”，这就是所谓“数字装备”的重要特征。

　　也正是这个原因，现代航空发动机上布满了各种传感器，就像一组组“电子听诊器”，时刻在收集转速、温度、压力、振动、燃油流量等数据。

　　从出厂那一刻起，每台发动机的试车数据、装配信息都会被记录下来。执行飞行任务后，每次飞行的关键参数、故障记录、维修情况都会自动累积。系统根据这些真实数据，持续更新对应的“数字发动机”，评估其实际状态。

　　简单说，就是“一台发动机一本账”，而且这本账是自动记的、实时更新的。有了这样的“数字账单”，机务人员就可以更加精细地安排维护。

　　对“飞得多、飞得狠”的发动机，适当提前检查和更换部件；对状态良好、使用负荷不大的发动机，避免过早拆检，节省资源；对发现变化趋势不正常的发动机，适时做专项检查，防止小问题变成大问题。

　　这既提高了机队整体的安全水平，又让有限的维修力量和备件资源用在“最该用的地方”。

　　为战机加装了一套看不见的“数字底座”

　　军事领域，数字技术在发动机全寿命周期中的广泛应用，正在成为航空兵部队战斗力生成的重要支撑。

　　在论证和设计阶段，数字技术可以用更短时间、更少试验次数，形成更成熟的发动机方案，缩短从“概念”到“装备”的距离。在制造阶段，通过数字化生产和质量控制，提高发动机的一致性和可靠性，让每一台“飞机心脏”更加靠谱；在使用和维护阶段，通过状态监测和数字孪生，提高发动机完好率和出动率，让战机在关键时刻“拉得出、用得上、顶得住”。这些技术层面的进步，对战斗力的影响是实实在在的，可以让战机发动机飞得更稳、用得更久更可靠。

　　不过，快步前进，也要守好安全与可靠这两条“红线”。

　　一方面，大量型号参数、试验数据、故障案例集中在数字平台上，必须采取严格的安全防护措施，防止泄露和攻击；另一方面，如果过度依赖系统和算法，而忽视人员能力建设，一旦系统异常，可能会出现“有数据不会看、没系统不会干”的情况。再先进的系统，也只是辅助决策的工具，在关键时刻还是要靠人来综合判断、拍板决策。

　　为此，推进数字化的同时，需要统筹建设数据安全防护体系，确保关键信息“进得来、用得上、守得住”；加强基础技能训练，让一线人员在会用新工具的同时，保留扎实的传统本领；在制度上明确“人始终在回路中”，重要结论必须经过人工复核。

　　数字技术带来的航空发动机变革，是一项体系化工程，不仅在于成本、周期、效率、质量等方面的改进，更影响着供给能力体系、保障方式变革、人员结构转型等多个方面，犹如为战机加装了一套看不见的“数字底座”，托举它们飞向更高远的空天。