Ускорение расчётов при проектировании ЛА: роль цифровых двойников и FlowVision

В настоящее время проектирование летательных аппаратов не обходится без численного моделирования. Это связано с тем, что натурные испытания дороги, проводятся в ограниченном диапазоне условий и требуют тщательного контроля влияния границ экспериментальной установки и измерительной аппаратуры на результат.

Экспериментальные данные сегодня, как правило, используются для верификации программ, предназначенных для численного моделирования физических процессов. Программы, продемонстрировавшие хорошее воспроизведение экспериментальных данных, используются затем для систематических расчетов течений около перспективных летательных аппаратов в широком диапазоне условий.

В это статье рассмотрим процесс зарождение «цифрового двойника»  его развитие в нашей стране при проектировании новых летательных аппаратов и в чём его преимущество над методом «вручную» (то есть аналитически и по упрощённым таблицам, как в советской инженерной практике), то на одну серьёзную задачу по аэродинамике крыла или узла двигателя уходило от недель до месяцев кропотливой работы: подбор формул, интерполяция таблиц, проверка граничных случаев, перечёт при малейшем изменении геометрии.

То ПО FlowVision делает тот же расчёт за часы или даже минуты (на современном ПК или кластере) — и это не одна точка, а целая картина течения по всей поверхности.

  Зарождение цифрового двойник

Ещё в 1960–70‑х годах появились первые прообразы цифровых двойников: для программы «Аполлон» инженеры строили как минимум два идентичных космических корабля(наземные дублёры кораблей). Один уходил в космос, а второй, «двойник» на Земле, использовался для моделирования условий полёта и отрабатывать решения на Земле. Это был «физический двойник» — предшественник современных цифровых моделей.  А в 1991 году учёный Дэвид Гелернтер в книге «Зеркальные миры» тоже описывал похожие идеи.

Авторство концепции «цифровых двойников»  приписывают Майклу Гривзу (Michael Grieves). Он впервые подробно описал её в 2002 году — на курсе по управлению жизненным циклом продукции (PLM) в Мичиганском университете. Гривз предлагал строить виртуальные аналоги физических объектов: такая цифровая копия на протяжении всего жизненного цикла изделия отражала бы информацию о реальном объекте и позволяла тестировать решения до воплощения в металле. Изначально он рассматривал идею в контексте повышения эффективности производств.

• Сам Гривз отмечает: широкое распространение и то самое привычное нам значение термин «цифровой двойник» (digital twin) получил в 2010 году. Тогда NASA выпустила дорожную карту по внедрению технологий, и в этом документе термин активно использовали. Гривз связывает это с коллегой из NASA — Джоном Викерсом. 

После 2010 года концепция начала активно развиваться: появление интернета вещей, облачных технологий и методов работы с большими данными дало необходимый инструментарий, и цифровые двойники стали внедрять в промышленности — сначала в аэрокосмической отрасли (Boeing, Airbus, General Electric), а потом и в других сферах.

Развитие концепции «Цифровой двойник в нашей стране»

Когда речь идёт о создании летательного аппарата — будь то самолёт, вертолёт или новый авиационный двигатель, — на счету буквально каждый день. Требования к характеристикам жёсткие, а цена ошибки — огромна: от перерасхода бюджета до угрозы безопасности полётов. Именно поэтому переход от «ручных» инженерных расчётов к цифровым двойникам и современным CFD‑инструментам (таким как FlowVision) стал не просто технологическим шагом вперёд, а необходимостью.

Ещё несколько десятилетий назад инженерная работа строилась вокруг справочников, таблиц и кропотливых вычислений. Чтобы построить, например, поляру крыла (график зависимости подъёмной силы от сопротивления при разных углах атаки), нужно было вручную подобрать формулы, рассчитать десятки точек, аккуратно нанести их на график и проанализировать поведение кривой. На одну конфигурацию уходило от нескольких недель до месяца. А если заказчик просил изменить геометрию или улучшить характеристики на конкретном режиме — весь цикл приходилось начинать заново. В такой системе количество проверяемых вариантов было ограничено самой физикой рабочего времени: инженер физически не успевал просчитать больше 3–5 решений.

Сегодня эту работу берёт на себя вычислительная гидродинамика (CFD). В программу FlowVision загружают геометрию и условия эксплуатации, а система численно решает уравнения обтекания: она не «рисует картинку по точкам», а моделирует реальную физику воздушного потока. На выходе конструктор получает сразу и наглядную визуализацию (как воздух обтекает крыло, где возникают зоны отрыва или скачки уплотнения), и точные цифры — коэффициенты подъёмной силы, сопротивления, распределения давления. Один такой расчёт занимает часы или даже минуты вместо недель.

Особенно ярко преимущество проявляется при оптимизации, когда нужно перебрать множество вариантов, чтобы попасть в жёсткие требования заказчика. Рассмотрим несколько типичных задач, с которыми сталкиваются проектировщики.

От макета к расчёту

Что такое FlowVision

Это российский программный комплекс для мультидисциплинарного моделирования. С его помощью инженеры имитируют сложные физические процессы: течение жидкостей и газов, теплоперенос (в том числе сопряжённый — когда тепло передаётся и в конструкцию, и в среду), взаимодействие жидкости и твёрдого тела (FSI), горение, химические реакции и даже электромагнитные явления. Ключевая фишка — адаптивная расчётная сетка: алгоритм сам локально измельчает ячейки там, где это критично (например, у кромки крыла или в зоне сильного градиента скорости), что экономит вычислительные ресурсы и повышает точность.

Как это связано с цифровыми двойниками:

«Цифровой двойник» — это не одна модель, а целая связка математических моделей, данных и правил, которая описывает изделие на всех этапах его жизни: от проектирования до эксплуатации. Чтобы такой двойник работал, нужны инструменты, которые могут «нарисовать» точную цифровую копию физических процессов. Вот тут FlowVision и выходит на первый план: он даёт высокоточные расчёты для отдельных физических задач, которые затем становятся кирпичиками для общей модели двойника.

Справочно:  Технология разработки цифровых двойников изделий создана на пересечении материального и цифрового миров. Сегодня она становится драйвером устойчивого экономического развития компаний в ходе четвертой промышленной революции. Приказ Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии (Росстандарт) от 16 сентября 2021 года оставил позади эпоху турбулентности в сфере применения технологии цифровых двойников. Этим приказом утвержден ГОСТ Р 57700.37–2021 "Компьютерные модели и моделирование. Цифровые двойники изделий. Общие положения". Впервые в мире вводится нормативный документ, сфокусированный на разработке изделий с помощью технологии цифровых двойников, а не оцифровке производственной инфраструктуры и логистики. Он устанавливает единое определение цифрового двойника изделия и вводит 11 определений основных понятий, связанных с применением технологии цифровых двойников, раскрывая понятия: "цифровая модель изделия", "цифровые (виртуальные) испытания", "цифровой (виртуальный) испытательный стенд", и "цифровой (виртуальный) испытательный...Источник:[/su_note]

Что значит «контроль жизненного цикла» и где тут FlowVision

Жизненный цикл самолёта или двигателя — это не только «спроектировали и полетело». Это:

• Проектирование — выбрать форму крыла, компоновку, понять, где будут проблемы.
• Доводка и сертификация — доказать регулятору (Росавиация/МАК), что конструкция безопасна в критических режимах.
• Производство — убедиться, что допуски и технологии не ломают аэродинамику и прочность.
• Эксплуатация — прогнозировать износ, режимы работы, условия, где риск растёт.
• Модернизация и вывод из эксплуатации — менять узлы, продлевать ресурс, понимать, что уже «не тянет».

FlowVision здесь — это «цифровой испытательный стенд» для физических процессов, связанных с потоками и теплом. Он не заменяет прочностные расчёты или экономику, но даёт критически важные входные данные для них.

Примеры из практики

Уральский завод гражданской авиации (УЗГА). Завод и «ТЕСИС» объявили о сотрудничестве: FlowVision используют для междисциплинарного моделирования при создании цифровых двойников перспективной авиационной техники. Одна из конкретных задач — детальное исследование процесса обледенения (в том числе по новому приложению к Нормам лётной годности АП25 про переохлаждённое крупнокапельное обледенение, SLD). Во FlowVision для этого есть специальная методика IceVision: она отслеживает нарастание льда с помощью метода VOF (Volume Of Fluid), отдельно моделирует сухой и влажный режимы, учитывает течение водяной плёнки и её замерзание. Это напрямую повышает авиационную безопасность. Также комплекс применяют для расчёта подвижных элементов (винты, управляющие поверхности). 

Нарастание льда (IceVision) — на поверхности крыла цветом показана толщина льда, рядом — исходная чистая геометрия. 

ТАНТК им. Г. М. Бериева. При разработке самолёта-амфибии Бе-200 FlowVision использовали, чтобы смоделировать глиссирование — поведение лодочной части фюзеляжа на воде. Инженеры рассчитывали гидродинамические характеристики (сопротивление, траекторные параметры), картину обтекания и распределение гидродинамических нагрузок. Результаты хорошо сошлись с испытаниями физической модели в гидроканале ЦАГИ.

Другие примеры:

Комплекс применяют и при проектировании других типов летательных аппаратов — например, при анализе обтекания самолётов (в том числе с механизацией крыла в посадочной конфигурации), расчётах для ракет-носителей и спускаемых аппаратов, моделировании работы двигателей (течение в соплах, горение в камере сгорания). 

На прикреплённом изображении — типичная визуализация CFD‑расчёта (Computational Fluid Dynamics): линии тока и распределение какой‑либо скалярной величины (скорее всего, скорости или давления) при обтекании двух тел. Цветовая гамма (от синего к красно‑жёлтому) показывает рост значения параметра: например, зоны повышенного давления или скорости потока. Такая картина — как раз то, что получают в FlowVision после расчёта аэродинамики узла или фрагмента ЛА

Почему это работает

• Междисциплинарность. Цифровой двойник требует учёта множества факторов одновременно (аэродинамика + прочность + тепловые нагрузки + акустика). FlowVision позволяет решать такие связные задачи. 
• Интеграция. FlowVision часто не работает в вакууме. Его интегрируют с другими инструментами — например, с цифровой платформой CML-Bench® для управления жизненным циклом изделия и построения сквозных цифровых процессов. 
• Валидация. Результаты расчётов во FlowVision регулярно сверяют с экспериментальными данными (из аэродинамических труб, натурных испытаний), что повышает доверие к модели двойника. 

В итоге такой подход позволяет инженерам «прогонять» множество вариантов конструкции в цифре ещё до постройки физического прототипа. Это сокращает сроки разработки, снижает затраты и риски, а в перспективе — помогает и в эксплуатации (например, для предиктивного обслуживания на основе данных с датчиков, которые тоже могут быть частью двойника). 

Подбор профиля крыла под заданные режимы — классическая задача, где важен компромисс: на крейсерской скорости нужно минимальное сопротивление, а на малых скоростях — достаточная подъёмная сила. Раньше инженер брал 3–5 базовых профилей, для каждого вручную считал 7–10 точек по углам атаки, строил поляры, сравнивал и выбирал лучший. Это занимало примерно 3–4 недели. Сейчас в FlowVision можно за 1–2 дня просчитать 30–50 профилей, причём для каждого — по 20–30 режимов. Конструктор видит не «какой из пяти лучше», а «какой из пятидесяти оптимален», и сразу понимает, где начинаются срывы потока и рост сопротивления. Это не просто экономия времени, а принципиально другой уровень проработки.

Другой пример — расчёт обтекания мотогондолы и её влияния на крыло. Это сложная сопряжённая задача: поток от гондолы меняет картину обтекания крыла, появляются местные пики давления и зоны отрыва. Раньше такие задачи решали упрощённо: брали коэффициенты из справочников, делали поправочные расчёты и проверяли на продувке в трубе. Цикл «расчёт — корректировка — новая продувка» мог тянуться месяцами. В FlowVision строят единую расчётную область «крыло + мотогондола + пилон», задают реалистичные режимы и получают полную картину течения. На современном вычислительном узле такой расчёт можно сделать за несколько часов, а серию из 10 вариантов компоновки — за 1–2 рабочих дня. Это позволяет быстро отсечь неудачные схемы и сосредоточиться на тех, где нет опасных отрывов и скачков.

От ангара к FlowVision: геометрия, которая считается:

На изображении сгенерированное  ИИ: 

• Слева — реальный масштаб и физика: именно так выглядит объект, который предстоит рассчитать. Справа — его инженерная проекция: CAD‑модель, наложенная на чертёж, с визуализацией полей давления и линий тока.
• Ключевой момент для точности расчёта — корректная геометрия: положение мотогондолы на пилоне, углы установки, технологические зазоры. В FlowVision именно эта сборка становится расчётной областью: на ней строят сетку и ищут зоны отрыва потока.
• Такой переход от «как выглядит» к «как считается» — основа современного проектирования в КБ

Показателен и масштабный пример из реального авиастроения: разработка двигателя ПД‑8. Создание современного авиационного двигателя — это миллионы расчётных точек и тысячи вариантов компоновки узлов. Применение цифровых двойников и CFD‑расчётов позволило существенно сократить количество итераций «на бумаге» и уменьшить зависимость от ранних этапов натурных испытаний. За счёт быстрой проверки гипотез и отсева заведомо нерабочих решений удалось избежать множества возвратов к чертежам и повторных согласований. В результате двигатель ПД‑8 был спроектирован и рассчитан за шесть лет вместо прогнозируемых 9–10 лет. При этом ранние виртуальные проверки снизили риски на этапе стендовых и лётных испытаний: многие проблемные места выявили и устранили ещё до того, как первый физический образец вышел на стенд.

Именно здесь особенно важна связь с сертификационными испытаниями. Сертификация — это подтверждение того, что летательный аппарат или его компонент соответствует нормам лётной годности и безопасен для эксплуатации. Традиционно значительная часть рисков выявляется именно на этапе натурных и лётных тестов, и тогда начинаются доработки, переносы сроков и дополнительные затраты. Цифровые двойники и виртуальные расчёты меняют эту логику: критические проблемы стараются найти на этапе проектирования, когда исправить ошибку дешевле и быстрее.

Виртуальные расчёты помогают:

• Заранее выявить опасные режимы. Моделирование позволяет «прогнать» аппарат по предельным и аварийным сценариям, которые на реальных испытаниях воспроизводить опасно или дорого.
• Точнее планировать натурные испытания. Если расчётная модель показывает, что в определённом диапазоне углов атаки начинается отрыв потока, инженеры заранее знают, на какие режимы и параметры нужно обратить особое внимание при стендовых или лётных тестах.
• Сократить количество доработок. Чем больше проблем решено на этапе виртуального моделирования, тем меньше сюрпризов ждёт на этапе сертификации. Это напрямую влияет на сроки и стоимость программы.

Для органов сертификации (в том числе при взаимодействии с ИКАО через Федеральные авиационные правила) результаты цифровых расчётов становятся частью доказательной базы: они подтверждают, что конструкция была тщательно проанализирована, а риски оценены заранее. При этом натурные испытания остаются обязательными, но их объём и сложность можно оптимизировать.

Заключение

Таким образом, цифровые двойники и инструменты вроде FlowVision не просто ускоряют расчёты — они меняют сам подход к проектированию. Конструктор получает возможность проверять больше идей, быстрее находить оптимальные решения и точнее попадать в заданные параметры. Для авиационной отрасли, где сроки и безопасность стоят на первом месте, это означает сокращение времени разработки, снижение рисков и более надёжные конструкции, которые легче проходят сертификацию.

По теме:

«Цифровой двойник» ускорит сертификацию двигателя ПД-8

Стандарт по разработке цифровых двойников авиадвигателей

Цифровые модели и двойники в авиастроении

Цифровой двойник ТВ7-117СТ-01