羅羅的智能發(fā)動機(jī)愿景分析

2020-07-06 12:49邵冬中國航發(fā)研究院

航空動力 2020年3期

■ 邵冬 / 中國航發(fā)研究院

在2018年新加坡航展上，羅羅公司在民用航空發(fā)動機(jī)領(lǐng)域推出了智能發(fā)動機(jī)（IntelligentEngine）愿景。隨后，羅羅公司不斷豐富和完善該愿景，并對大數(shù)據(jù)分析、智能機(jī)器人、物聯(lián)網(wǎng)、虛擬現(xiàn)實(shí)等熱點(diǎn)技術(shù)與航空發(fā)動機(jī)技術(shù)進(jìn)行了成體系的融合。

美國國家航空航天局（NASA）格倫研究中心在21世紀(jì)初提出了智能發(fā)動機(jī)概念，這一概念重點(diǎn)關(guān)注通過主動控制技術(shù)打造航空發(fā)動機(jī)的自適應(yīng)能力，所涵蓋的范圍較為狹隘。十幾年來，智能概念在航空發(fā)動機(jī)領(lǐng)域方興未艾，其內(nèi)涵也隨著技術(shù)日新月異的發(fā)展有了極大的豐富。為在新興的技術(shù)領(lǐng)域的角逐中獲得優(yōu)勢，航空發(fā)動機(jī)制造商紛紛厲兵秣馬，基于自身的技術(shù)特點(diǎn)以及對智能技術(shù)未來發(fā)展趨勢的判斷落子布局。例如，普惠公司宣布推出服務(wù)品牌EngineWise，以升級發(fā)動機(jī)維護(hù)策略；GE公司基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)推出了Predix平臺，并成立子公司負(fù)責(zé)該平臺的開發(fā)運(yùn)行；羅羅公司則提出了智能發(fā)動機(jī)愿景。

圖1 處于互聯(lián)狀態(tài)的智能發(fā)動機(jī)愿景

圖2 智能發(fā)動機(jī)愿景的重要組成元素

羅羅公司這樣概括智能發(fā)動機(jī)愿景（如圖1所示）：將數(shù)字、智能技術(shù)融入航空發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)、測試和維修中，并進(jìn)一步將發(fā)動機(jī)本身和發(fā)動機(jī)服務(wù)融合在一起；通過增強(qiáng)互聯(lián)性、情境感知和理解力，智能發(fā)動機(jī)將逐步提升效率和可靠性，發(fā)動機(jī)將在更廣泛的運(yùn)營環(huán)境中不斷互相學(xué)習(xí)，調(diào)整自身行為，實(shí)現(xiàn)更高性能。另外，發(fā)動機(jī)不僅能夠知道什么時(shí)候需要維修，而且能夠?qū)嵤┳晕揖S修。之后，羅羅公司進(jìn)一步描繪了智能發(fā)動機(jī)愿景中的重要組成元素（如圖2所示），如會思考學(xué)習(xí)的發(fā)動機(jī)“大腦”、游走于葉片表面的檢測機(jī)器人、通過增材制造生產(chǎn)的零部件和電動推進(jìn)等。這種概念想法是羅羅公司結(jié)合了航空發(fā)動機(jī)從產(chǎn)品設(shè)計(jì)到維修保障等不同環(huán)節(jié)的發(fā)展需求，受智能化、數(shù)字化、機(jī)械化等多方面技術(shù)融合帶來的驅(qū)動所提出的。

為促進(jìn)智能發(fā)動機(jī)愿景的實(shí)現(xiàn)，羅羅公司提出在以下多個(gè)相互關(guān)聯(lián)的創(chuàng)新領(lǐng)域進(jìn)行技術(shù)推動：數(shù)字與數(shù)據(jù)技術(shù)、可用性和智能維修技術(shù)、先進(jìn)制造技術(shù)以及電氣化技術(shù)。

圖3 火山灰堵塞渦輪葉片冷卻通道

數(shù)字與數(shù)據(jù)技術(shù)

發(fā)動機(jī)在使用過程中將不可避免地面臨性能下降、壽命消耗、發(fā)生故障等，對于發(fā)動機(jī)狀態(tài)的評估與預(yù)測的傳統(tǒng)解決思路是將物理機(jī)理建模與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)修正相結(jié)合。然而，由于發(fā)動機(jī)運(yùn)行中涉及的影響因素眾多、物理關(guān)聯(lián)復(fù)雜、隨機(jī)性強(qiáng)，基于物理機(jī)理建模通常蘊(yùn)含較多的簡化與假設(shè)，加之試驗(yàn)數(shù)據(jù)一般是在特定情況下得出的，僅能反映發(fā)動機(jī)的通性，在設(shè)計(jì)階段較為有效，而在使用運(yùn)行階段會受限。

同時(shí)，即使是同型號的發(fā)動機(jī)之間也存在生產(chǎn)制造、使用條件差異，因此對于每臺發(fā)動機(jī)而言，它既包含群體的通性，也有個(gè)體的特性。而基于數(shù)據(jù)驅(qū)動，結(jié)合智能算法的解決方法是研究人員目前更為青睞的方向。發(fā)動機(jī)歷史數(shù)據(jù)庫是發(fā)動機(jī)運(yùn)行時(shí)各類影響因素的綜合體現(xiàn)，雖然其背后隱含的在多變使用條件下性能衰減、壽命消耗的規(guī)律復(fù)雜且近似不可知，但智能學(xué)習(xí)算法通過其強(qiáng)大的非線性處理能力在海量數(shù)據(jù)規(guī)模的支持下能逼近這些規(guī)律。

為此，羅羅公司積極與微軟公司開展合作，借助微軟Azure物聯(lián)網(wǎng)云平臺技術(shù)對地理位置分散的不同數(shù)據(jù)源進(jìn)行收集與匯總，形成對發(fā)動機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)的管理與整合。同時(shí)，羅羅公司內(nèi)部設(shè)立了致力于發(fā)動機(jī)全生命周期數(shù)據(jù)分析工作的R2數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)室，借助人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)手段，加速對數(shù)據(jù)的解讀分析，構(gòu)建發(fā)動機(jī)的數(shù)字孿生體。

大數(shù)據(jù)的分析結(jié)果在發(fā)動機(jī)優(yōu)化自身運(yùn)行策略與維修策略方面已取得了不錯(cuò)的成效。例如，在復(fù)雜的氣象條件下，飛機(jī)與發(fā)動機(jī)常規(guī)的運(yùn)行策略難以應(yīng)對，發(fā)動機(jī)安全性與經(jīng)濟(jì)性將受到威脅。在冰島火山爆發(fā)期間，火山灰會升至6000m的高空，形成的火山灰云散布在整個(gè)歐洲西北部地區(qū)。而被吸入至發(fā)動機(jī)內(nèi)的火山灰會附著在風(fēng)扇及壓氣機(jī)葉片，造成渦輪冷卻通道的堵塞以及葉片腐蝕（如圖3所示），多數(shù)航空公司選擇停飛并承受了大量經(jīng)濟(jì)損失。羅羅公司基于發(fā)動機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)與氣象條件的分析，綜合考慮了安全性與經(jīng)濟(jì)性，給出了發(fā)動機(jī)可承受火山灰影響的適宜飛行高度與時(shí)間，為航空公司挽回了停飛的損失。另外，在其他大氣事件，如沙塵、颶風(fēng)等，羅羅公司也將運(yùn)用此類技術(shù)評估發(fā)動機(jī)受到的影響，以改善運(yùn)行策略?？梢韵胂?，即使在突變的環(huán)境條件下，智能航空發(fā)動機(jī)利用其強(qiáng)大的互聯(lián)能力與場景理解能力“見機(jī)行事”，實(shí)時(shí)優(yōu)化當(dāng)前條件下的運(yùn)行策略，安全經(jīng)濟(jì)地完成飛行任務(wù)。而且，基于大數(shù)據(jù)分析的性能衰退與剩余壽命預(yù)測還可以幫助航空公司合理規(guī)劃維修工作，避免計(jì)劃外停運(yùn)，使發(fā)動機(jī)的在翼時(shí)間最大化。羅羅公司稱，其發(fā)動機(jī)健康管理（EHM）系統(tǒng)在1年中幫助航空公司避免了近70%的潛在發(fā)動機(jī)維修工作，這將為航空公司省去可觀的維修費(fèi)用。

羅羅公司總工程師菲爾·科諾克（Phil Curnock）認(rèn)為，智能發(fā)動機(jī)將其擁有的計(jì)算能力與數(shù)據(jù)整合在一起提供給用戶，從而增加產(chǎn)品對用戶的價(jià)值。伴隨物理狀態(tài)信息的普遍數(shù)字化、數(shù)據(jù)存儲成本下降以及通信技術(shù)進(jìn)步，發(fā)動機(jī)系統(tǒng)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量、類型與維度較之以前將極大豐富，形成了具備大數(shù)據(jù)規(guī)模的海量數(shù)據(jù)集，對數(shù)據(jù)分析帶來了巨大困難和嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，羅羅公司在全球范圍內(nèi)通過發(fā)動機(jī)健康管理系統(tǒng)監(jiān)測了13000余臺在翼發(fā)動機(jī)的性能，每臺發(fā)動機(jī)在一次飛行中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)多達(dá)太字節(jié)（TB）量級，而且羅羅公司積累的數(shù)據(jù)量正在以每兩年翻倍的速度增長。目前受限于通信帶寬，各發(fā)動機(jī)運(yùn)行的詳盡數(shù)據(jù)仍難以實(shí)時(shí)傳輸至地面或與其他發(fā)動機(jī)系統(tǒng)共享，羅羅公司展望未來智能發(fā)動機(jī)將擺脫 “信息孤島”的狀態(tài)，具備強(qiáng)大的互聯(lián)互通功能，實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)之間的通信。

圖4 SWARM集群機(jī)器人被送入發(fā)動機(jī)內(nèi)部進(jìn)行檢測

圖5 FLARE蛇形機(jī)器人修復(fù)燃燒室涂層

可用性與智能維護(hù)技術(shù)

羅羅公司可用性服務(wù)高級副總裁李·麥康內(nèi)洛蓋（Lee McConnellogue）表示，智能發(fā)動機(jī)的可用性應(yīng)盡可能接近100%，這意味著智能發(fā)動機(jī)應(yīng)具備及時(shí)快速的維修能力。為達(dá)到這種高可用性，上文提到的大數(shù)據(jù)分析可對發(fā)動機(jī)進(jìn)行精準(zhǔn)的故障壽命預(yù)測。此外，羅羅公司還打算借助先進(jìn)的機(jī)器人技術(shù)對維修方式進(jìn)行革新，以實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)的在翼檢查、維護(hù)和修理。鑒于發(fā)動機(jī)內(nèi)部復(fù)雜與狹小的空間，機(jī)器人應(yīng)滿足尺寸小，動作靈活，在完成檢查、清潔和修復(fù)工作的同時(shí)避免接觸其他部件等要求。目前，羅羅披露較多的機(jī)器人項(xiàng)目為集群機(jī)器人SWARM、蛇形機(jī)器人FLARE和CORBA。

SWARM集群機(jī)器人直徑約為10mm（如圖4所示），該尺寸允許機(jī)器人在不拆解發(fā)動機(jī)的情況下爬行至人工難以直接觀察的區(qū)域進(jìn)行視覺檢查。這些機(jī)器人將攜帶小型攝像機(jī)，將實(shí)時(shí)視頻反饋給操作員，從而使操作員在發(fā)動機(jī)在翼時(shí)能夠完成快速的目視檢查。CORBRA蛇形機(jī)器人針對的是遠(yuǎn)程維修場景中的葉片激光修復(fù)問題，當(dāng)?shù)氐木S修團(tuán)隊(duì)可將機(jī)器人的操控權(quán)交至云端的技術(shù)專家。而FLARE蛇形機(jī)器人則著重于發(fā)動機(jī)在翼狀態(tài)下的燃燒室、渦輪的涂層修復(fù)工作（如圖5所示）。羅羅公司在翼維修技術(shù)專家詹姆斯·凱爾（James Kell）認(rèn)為，這些機(jī)器人技術(shù)為進(jìn)入發(fā)動機(jī)提供了新的方法，從而可以完成目前傳統(tǒng)在翼檢查與修理難以做到的工作。

可以預(yù)見，未來智能發(fā)動機(jī)在進(jìn)行維修時(shí)，將能夠在無人干預(yù)的情況下，由智能機(jī)器人遵循大數(shù)據(jù)分析的故障定位結(jié)論自動開展修理工作，最大程度地保障發(fā)動機(jī)在翼運(yùn)行時(shí)間，并降低發(fā)動機(jī)維修成本。

先進(jìn)制造技術(shù)

羅羅公司的智能發(fā)動機(jī)構(gòu)型未明確指定是基于齒輪傳動的“超扇”（Ultra Fan）發(fā)動機(jī)，亦或是融合電氣化的電動推進(jìn)方案。不論是哪種構(gòu)型，先進(jìn)制造技術(shù)都是智能發(fā)動機(jī)物質(zhì)實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)，因?yàn)楦咝阅軇恿ο到y(tǒng)中的新材料與新結(jié)構(gòu)的高效應(yīng)用需要通過先進(jìn)的制造技術(shù)承載。羅羅公司通過對工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）、增材制造等技術(shù)的引入，在智能生產(chǎn)車間搭建、復(fù)雜組件裝配以及輕量化、整體化零部件加工等方面受益匪淺。

葉片加工精度要求高，時(shí)常存在葉片加工超差需要返回上游工序的情況，這導(dǎo)致了葉片加工工作流程經(jīng)常反復(fù)，容易出現(xiàn)錯(cuò)誤，因此羅羅公司構(gòu)建了基于物聯(lián)網(wǎng)的葉片智能生產(chǎn)車間。在智能生產(chǎn)車間中，每一個(gè)在生產(chǎn)的葉片均有自己的路由器與編號，時(shí)刻與車間保持通信。工程師可以通過網(wǎng)絡(luò)便捷地查詢?nèi)~片的位置、所處工序、加工進(jìn)度以及出現(xiàn)的問題。人工智能（AI）系統(tǒng)將統(tǒng)一調(diào)配車間的加工力量，根據(jù)葉片加工質(zhì)量，動態(tài)更新調(diào)整對每個(gè)葉片的加工計(jì)劃。

羅羅公司表示VR技術(shù)在超扇發(fā)動機(jī)的裝配制造中起到了重要的作用。大涵道比的超扇發(fā)動機(jī)采用了齒輪傳動結(jié)構(gòu)來連接風(fēng)扇轉(zhuǎn)子與渦輪轉(zhuǎn)子，齒輪箱需要傳輸大約52MW的功率，刷新了目前航空發(fā)動機(jī)領(lǐng)域的最高紀(jì)錄。研究團(tuán)隊(duì)借助VR技術(shù)對該齒輪箱進(jìn)行了多次模擬組裝調(diào)試，為最終的實(shí)際裝配提供了有利指導(dǎo)（如圖6所示）。

增材制造技術(shù)可以將原本通過多個(gè)構(gòu)件組合的零件進(jìn)行一體化“打印”，實(shí)現(xiàn)了零件的結(jié)構(gòu)整體化，避免了多個(gè)零件組合時(shí)存在的連接結(jié)構(gòu)（法蘭、焊縫等）。一體化結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)，除了帶來輕量化的優(yōu)勢，減少的組裝成本也為企業(yè)提升了生產(chǎn)效益。而且，增材制造技術(shù)可以使薄壁、尖角等形狀完成傳統(tǒng)制造方式無法達(dá)到的極限尺寸，減少設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)約束。在進(jìn)行發(fā)動機(jī)復(fù)雜零部件設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)師由過去以考慮零部件的可制造性為主，轉(zhuǎn)變?yōu)樵霾脑O(shè)計(jì)思維下的實(shí)現(xiàn)零部件功能性為主，如此將有利于孵化出更具有創(chuàng)新性的構(gòu)型。羅羅公司新研制的“超扇”發(fā)動機(jī)核心機(jī)Advance 3中，部分零部件采用了增材制造技術(shù)，數(shù)百小時(shí)的測試顯示這些零部件的性能良好。

圖7 ACCEL項(xiàng)目原型機(jī)

圖6 利用VR技術(shù)進(jìn)行齒輪箱模擬裝配

推進(jìn)技術(shù)電氣化

羅羅公司一直致力于將當(dāng)前的渦扇發(fā)動機(jī)變得更加高效，同時(shí)積極開拓更為清潔、安靜的電動推進(jìn)之路，羅羅公司認(rèn)為電氣化技術(shù)可以帶來媲美從活塞式發(fā)動機(jī)到噴氣發(fā)動機(jī)的變革。因此，電動推進(jìn)技術(shù)也被羅羅公司視作智能發(fā)動機(jī)愿景的重要組成部分，為智能發(fā)動機(jī)的實(shí)現(xiàn)提供支撐。

羅羅公司還主導(dǎo)了加速飛行電氣化計(jì)劃（ACCEL），計(jì)劃中的單座驗(yàn)證機(jī)將在今年嘗試創(chuàng)造全電動飛機(jī)的飛行速度紀(jì)錄，達(dá)到不低于480km的時(shí)速（如圖7所示）。另外，羅羅公司、西門子公司（參與項(xiàng)目的電動航空部門已被羅羅收購）與空客公司在歐盟逐步削減航空業(yè)碳排放的背景下聯(lián)合啟動了E-FanX項(xiàng)目。該項(xiàng)目的技術(shù)驗(yàn)證機(jī)平臺為BAe146/RJ100支線噴氣機(jī)，其中的一臺發(fā)動機(jī)被替換為電動推進(jìn)系統(tǒng)，它需要為飛機(jī)提供MW級的動力輸出。2020年4月24日，空中客車首席技術(shù)官格蕾絲·維塔迪尼（Grazia Vittadini）對外宣布， E-Fan X混合電推進(jìn)飛機(jī)項(xiàng)目正式結(jié)束，E-Fan X項(xiàng)目在混動架構(gòu)、高壓系統(tǒng)和電池方面取得階段性成果，探索了混合電推進(jìn)系統(tǒng)的可行性和局限性。

結(jié)束語