Разработчик ракетных двигателей «Роскосмоса» вооружается российским ПО для моделирования, избавляясь от импортного

Ведущее предприятие в области ракетного двигателестроения и космической энергетики ГНЦ «Центр Келдыша» (входит в госкорпорацию «Роскосмос») стало одним из победителей конкурсного отбора РФРИТ на предоставление грантов, проведённого в 2022 году^[1]. Под проект на 2023-2025 гг. по внедрению и доработке средств математического моделирования на предприятиях ракетного двигателестроения «Центр Келдыша» получил господдержку в размере 318,6 млн рублей. Проект имеет статус особо значимого. Его общая стоимость – примерно 400 млн рублей. Помимо гранта, «Центр Келдыша» вложит в него и собственные средства.

Чтобы рассказать о том, какие работы будут проводиться в рамках этого проекта, и какие задачи «Центр Келдыша» решает с помощью математического моделирования, журналистов пригласили на предприятие 5 апреля 2023 года.

«Центр Келдыша» - многопрофильное головное предприятие ракетно-космической отрасли по ракетному двигателестроению, космической энергетике и функциональным наноматериалам и нанотехнологиям для космической техники (фото - РФРИТ)

На что идут сотни миллионов грантовых рублей

Гендиректор «Центра Келдыша» Владимир Кошлаков на встрече с прессой рассказал, что при грантовой поддержке планируется приобретение лицензий и доработка под отраслевые задачи программного продукта «Логос» (ПО класса CAE – Computer-Aided Engineering), который предприятие уже использует в своей работе. «Логос», который разрабатывает базирующийся в Сарове РФЯЦ-ВНИИЭФ (входит в госкорпорацию «Росатом»), может импортозамещать такие зарубежные программы моделирования и инженерного анализа, как Ansys CFX/Fluent, Ansys Mechanical, MSC Nastran, Dassault Systems FlowSimulation, Matlab.

Также в рамках грантового проекта планируется доработка других продуктов – среды динамического моделирования технических систем SimInTech и программы автоматизации и оптимизации вычислительных процессов pSeven.

Что самое важное – мы хотим реализовать совместную интеграцию этих трёх программных продуктов в единой среде для того, чтобы мы могли показать их качественное использование, - говорит Владимир Кошлаков. - Если «Логос» – трёхмерная программа для моделирования, достаточно «тяжёлая», трудоёмкая, требующая больших затрат машинного времени, то SimlnTech позволяет использовать результаты «Логоса», чтобы строить удобные, простые решения для быстрой и качественной оценки конструкций, изменений конструкций.

Проект предполагает кооперацию с корпорацией «Тактическое ракетное вооружение», конструкторскими бюро «НПО Энергомаш», КБХА и рядом других.

Владимир Кошлаков (фото - «Центр Келдыша»)

В дальнейшем в «Центре Келдыша» видят интеграцию результатов, которые будут получены в рамках создания таких комплексных продуктов, с конструкторскими трёхмерными моделями для создания цифровых двойников изделий в целом.

Сейчас параллельно идёт проект, который возглавляет ЦНИИмаш, головной институт «Роскосмоса», по внедрению на предприятиях отрасли PLM-системы на базе отечественного решения T-FLEX. В «Центре Келдыша» рассчитывают в рамках своей работы в дальнейшем интегрироваться с результатами работы ЦНИИмаш. Это, среди прочего, позволило бы развиваться в области создания цифровых двойников и сокращать за счёт этого расходы на дорогостоящие натурные испытания.Игорь Лейпи, ГК Softline: Объем поставок российских операционных систем в ближайшие годы увеличится как минимум вдвое

Ранее «Центр Келдыша» уже получал грант через РФРИТ в размере около 84 млн рублей. Он был предназначен для проекта на 2021-2022 гг. по внедрению системы виртуального моделирования ракетных двигателей на базе пакета программ инженерного анализа «Логос». При этом взаимодействовать с разработчиком «Логоса», РФЯЦ-ВНИИЭФ, «Центр Келдыша» начал ещё раньше.

В рамках этого проекта проводилась адаптация и доработка «Логоса» под потребности «Центра Келдыша». Совместно с РФЯЦ-ВНИИЭФ были проведены 10 доработок продукта, и эта работа дала предприятию основу в продвижении закладываемой концепции по созданию цифровых двойников сложных систем, рассказал Владимир Кошлаков.

Сейчас на предприятии применяются модули «Логоса» по аэродинамике и гидродинамике, теплообмену, прочностному анализу, подготовке расчётных данных.

Гендиректор РФРИТ Александр Павлов отметил, что за счёт этого проекта по «Логосу» «Центр Келдыша» оказался в большей степени готов к ситуации с уходом зарубежных вендоров-разработчиков ПО, которая началась в 2022 году.

По итогам этой работы и накопленного вами опыта важно, чтобы вы, становясь центром компетенций, помогали в тиражировании разработанных, доработанных решений на все предприятия отрасли. Именно так определял председатель правительства, особенно по особо значимым проектам: предприятия-лидеры становятся функциональными заказчиками и формулируют потребности на основе того, что ушло с рынка, что нужно в срочном порядке доработать, в том числе, с использованием средств гранта. Грант выступает в качестве быстрого финансового инструмента, хорошего «плеча». У вас очень хороший задел, поэтому будем вас просить и организационно, и методически сопровождать работу по тиражированию, - сказал Александр Павлов, обращаясь к руководству «Центра Келдыша».

Владимир Кошлаков и Александр Павлов на экскурсии по предприятию

Самописное ПО для уникальных физических процессов

«Центр Келдыша» разрабатывает, производит и испытывает перспективные образцы различных типов ракетных двигателей, космических энергоустановок, генераторов пучков высокой энергии и ускорителей частиц. Среди его разработок – известный ракетный двигатель РД-180, который долгое время продавали американцам^[2]. «Самый надёжный двигатель в мире: сотни успешных полётов, пусков без замечаний», - отмечает гендиректор «Центра Келдыша» Владимир Кошлаков.

А в настоящее время среди работ центра – разработка и проведение испытаний в области ионных двигателей для космического ядерного буксира.

«Центр Келдыша» курирует выполнение НИР в связанных с ним структурах, сам выполняет ОКР и доводит их до конечной реализации в конструкторских бюро – «НПО Энергомаш», «КБХА» и др. Задач, для которых требуется инженерное ПО, на предприятии и в его структурах множество, при этом, учитывая уникальность ведущихся разработок, некоторые из них – какие в мире никто ещё не решал.

В жизненном цикле изделия «Центр Келдыша» на сегодня участвует преимущественно в трёх этапах: исследования, проектирование и эксплуатация. А что касается производства, у себя «Центр Келдыша» может изготавливать двигатели небольшой размерности – до 10 тонн, на базе которых проводит отработку всех ключевых физических процессов.

Собрав базу знаний из экспериментальных данных, эмпирических данных, их потом закладывают в виде исходных данных во все расчётные модели. Фактически на базе этого эмпирического материала «Центр Келдыша» создаёт у себя программные продукты и внедряет их в конструкторские бюро, а те используют их для расчёта особых физических процессов. Софта собственной, авторской разработки в «Центре Келдыша» очень много.

Решая сложные задачи, мы всегда сталкиваемся с тем, что не все физические процессы изучены до конца, соответственно, сложно построить адекватную математическую модель сложного изделия. Наши сотрудники заняты тем, чтобы построить такие модели под конкретные изделия в области ракетной техники. Многолетний багаж знаний в области изучения процессов в ракетных двигателях позволяет нам самим создавать программные продукты, - объясняет Владимир Кошлаков.

Среди малоизученных вопросов в ракетных двигателях: например, когда происходит смешение жидких компонент топлива, и возникает возгорание. Моделирование процессов испарения капель, смешения жидкостей – задача очень сложная. Но в «Центре Келдыша» научились это делать. Ни один коммерческий продукт не сможет смоделировать смешение компонент топлива и последующее горение, говорит Владимир Кошлаков.

Когда мы около пяти лет назад с «Росатомом», с Саровом, взаимодействовали по адаптации их «Логоса» под наши изделия, на этом долго спотыкались, пока не сделали отдельный модуль, и в него это передали, - рассказал гендиректор «Центра Келдыша». - Это уникальная вещь. Никто в нашей стране такое моделировать не может, кроме нас.

Стенд с вакуумной камерой для испытаний, который позволяет в условиях, приближенных к натурным космического пространства, моделировать работу изделий (фото - TAdviser)

Коммерческие программные продукты, в частности, «Логос», наиболее активно используются на этапе проектирования. В случае с «Логосом» берутся отдельные пакеты, к примеру, по гидродинамике или теплообмену, и дополняются авторскими кодами специалистов «Центра Келдыша», которые уточняют модели.

Фактически на текущий момент мы можем смоделировать любой физический процесс, который протекает в ракетных двигателях, - отмечает Владимир Кошлаков.

Причём, используя такие подходы, специалисты «Центра Келдыша» могут выявлять и разбираться в причинах нештатной работы изделий. В пример Владимир Кошлаков привёл случай с форсуночной головкой двигателя первой ступени ракеты-носителя «Союз». Когда было принято решение об увеличении энергетических характеристик двигателя, эти двигатели на испытательных стендах стали гореть, что представляет нештатную аварийную ситуацию.

По результатам проведённых работ выяснилось, что дело в акустических колебаниях, которые возникают при повышении давления: вибрация приводила к разрушению двигателя. Эта проблема была решена, двигатель работает без проблем.

Также на предприятии много моделируют и испытывают элементы турбонасосных агрегатов жидкостных двигателей. Такой агрегат – самый напряжённый элемент двигателя. Если посмотреть статистику по авариям ракетоносителей, то 50% их происходит по вине двигателей, а в этих 50% половина – по вине турбонасосного агрегата, привёл данные гендиректор «Центра Келдыша». И проблемы до сих возникают.

Применение аддитивных технологий, которое также имеет место, требует просчёта теплового состояния, напряжённого состояния, для чего необходимы программные продукты. Требует много расчётов и применение новых материалов в изделиях, например, расчёты прочностных характеристик.

Программные продукты активно используются и для плазмотрона, который позволяет получать потоки высокотемпературных газов – температура до 5-6 тыс. градусов. При таких температурах корректно смоделировать, как газ переходит в плазму, очень сложно. Для моделирования процессов плазмотрона используется в том числе собственное ПО.

Импортный софт: самым интересным никто не поделится

Существующее промышленное импортное ПО может смоделировать работу изделий, но зачастую не с той точностью, с которой необходимо, отмечает Владимир Кошлаков. Процессы, протекающие в ракетных двигателях, очень скоротечны – в случае с развитием аварийных ситуаций, например, речь о миллисекундах, и это смоделировать в коммерческих пакетах в принципе очень сложно.

При этом у зарубежных организаций, например, у NASA, есть ПО для моделирования специфических процессов в ракетно-космической отрасли. Его разрабатывают отдельные коллективы учёных.

Мы и раньше контактировали, да и сейчас контактируем с разработчиками за рубежом. Они создают свои программные продукты, но они нигде их не публикуют, они своё не показывают. То, что показывают на конференциях, – видно, что это специальная разработка, - отметил в разговоре с TAdviser Владимир Кошлаков.

На входе в «Центр Келдыша». Традиционно организация открыта для сотрудничества с другими странами (фото - TAdviser)

На текущий момент некоторая зависимость от импортного промышленного софта в «Центре Келдыша» есть, но она не критичная, заявили TAdviser представители предприятия.

Мы не видим какой-то принципиальной проблемы. Все задачи, которые перед нами ставит и государство, и другие заказчики, мы решаем, - говорит Владимир Кошлаков.

В области CAE-решений, в частности, зависимость от импортного софта минимальная. Долгое время по этому направлению в «Центре Келдыша» опирались на собственные разработки, но затем решили подключить и коммерческое ПО, выбрав «Логос».

Уже несколько лет мы активно переходим на российские коммерческие программные продукты, - говорит гендиректор «Центра Келдыша». - Дальше всего мы продвинулись с «Логосом». Как результат нашей совместной работы с Саровом, мы нацелены на создание цифровых двойников на базе платформы, которую создают разработчики «Логоса», с включением туда отдельных авторских элементов, которые разрабатываем мы и которые необходимы для конкретных потребителей в виде конструкторских бюро либо других предприятий, разрабатывающих какие-то изделия.

В части CAD (Computer-aided design) и сейчас применяется иностранное программное обеспечение, но в рамках проекта по внедрению российского ПО T-FLEX планируется и этом классе систем постепенно заменить импортное, сообщили TAdviser в «Центре Келдыша».

Если говорить о конкретных импортных решениях в «Центре Келдыша», конструкторы, например, применяли продукты Ansys. Но лицензии в последнее время не продлевали, а с 2022 года это уже стало и невозможно сделать. Достаточно много лицензий было и SolidWorks – и расчётчики, и конструкторы применяли это ПО. От него тоже отказываются.

См. также

Разработчикам ракетных двигателей «Роскосмоса» нужны вычислительные ресурсы и российское ПО. Цена проекта - 400 млн рублей

Производитель ракет-носителей «Протон» и «Ангара» затеял переход с Siemens на российское инженерное ПО

Индустриальные центры компетенций (ИЦК)

Гранты на разработку и внедрение ИТ-решений в России

Примечания