Мировые тенденции развития технологий производства ракетно-космической техники. Перспективные решения ФГУП «НПО «Техномаш»

УДК 629.78

Мировые тенденции развития технологий производства ракетно-космической техники. Перспективные решения ФГУП «НПО «Техномаш»

Global trends in the technology development of aerospace equipment manufacturing. FSUE «NPO «Technomac» advanced solutions

Развитие мировой конкуренции в области космической деятельности в сферах расширения человеческого присутствия в космосе, эффективной навигации, зондирования Земли, связи и управления воздушным движением на беспрецедентных расстояниях, в высокоточных, интегрированных, распределенных системах моделирования изделий ракетно-космической техники (РКТ) следующих поколений формируется под воздействием современных тенденций развития новых инновационных решений:

• цифровизации промышленности;
• создании новых материалов;
• технологии искусственного интеллекта;
• роботизации производства.

Для достижения преимущества ведущие страны-конкуренты в своих документах стратегического планирования в области технологий (Дорожная карта ЕКА, Таксономия технологий NASA) установили основополагающие направления развития технологий производства РКТ:

• аддитивное производство (аддитивные технологии – АТ);
• применение новых материалов, включая неметаллы;
• виртуальная и дополненная реальность (VR/AR);
• прогрессивное обслуживание промышленного оборудования;
• искусственный интеллект;
• робототехника и сенсорика;
• разработка цифровых двойников изделий и производственных систем;
• виртуальные испытания;
• развитие и совершенствование традиционных машиностроительных технологий.

Развитие указанных направлений требует достижения эффективного сочетания разработок инновационных технологий на основе существующего научно-технического задела (НТЗ) с разработками новых, в том числе прорывных технологий, в частности широкого внедрения аддитивного производства. Так, к примеру, опыт применения аддитивных технологий компаниями Launcher – по жидкостному ракетному двигателю Е2 (ЖРД) (полностью изготовлен методом АТ и уже прошел огневые испытания) и SpaceX – по двигателю SuperDraco корабля CrewDragon показывает эффективность такого подхода (рис. 1).

Необходимо отметить, что предприятия ракетно-космической промышленности (РКП) активно развивают аддитивные технологии для достижения показателей технического уровня (ТУ) не ниже мирового в определяющих конструкторско-технологических решениях (КТР) перспективных изделий. Применение аддитивных технологий для изготовления перспективных несущих оболочковых конструкций баков ступеней ракеты-носителя «СТК» из полимерных конструкционных материалов (ПКМ) позволит снизить массу конструкции на 20–35%; трудоемкость изготовления – в 1,5–3 раза; энергоемкость производства – до 8 раз; сроки создания конструкции в 4–5 раз.

Важно подчеркнуть, что эффективность применения аддитивных технологий объективно взаимосвязана с уровнем развития цифровых производств. Цифровизация производства на основе аддитивных технологий дает соответствующие преимущества по времени, затратам и показателям конструкторской технологичности изделий РКТ (рис. 2).

Рис. 2. Перспективы применения цифровых производств на основе АТ

При этом современные тенденции развития цифрового производства обуславливают возможность, а стратегические цели развития направления по освоению космического пространства – необходимость применения аддитивного производства в космическом пространстве.

Необходимо отметить наличие у западных конкурентов широкого спектра направлений отработки технологий изготовления РКТ из неметаллов для определяющих КТР производства перспективного композитного ракетного блока:

• изготовление корпусов баков средств выведения;
• изготовление трубопроводов;
• изготовление силовых элементов конструкции методом плетения;
• получение (совершенствование) новых композиционных материалов и связующих;
• сопутствующие технологии – обеспечение герметизации и защиты от влияния компонентов топлива корпусов на материал конструкции, неразрушающий контроль элементов и композиционных материалов (КМ), получение неразъемных герметичных соединений разнородных материалов (металл + КМ), обеспечение чистоты внутренних полостей корпусов топливных баков, нанесение многофункциональных покрытий.

Эффективность технологий изготовления крупногабаритных оболочковых конструкций РКТ из неметаллов подтверждена NASA (рис. 3). Бак для жидкого водорода из углепластика диаметром 2,4 м выдержал 20 циклов испытаний при температуре 20 К и давлении 135 атм. Испытывается криогенный топливный бак для жидкого кислорода из углепластика диаметром 12 м.

В АО «Композит» также проводится отработка опережающей технологии изготовления оболочковых конструкций (топливных баков) из углепластика на основе полиэфирэфиркетона (ПЭЭК, рис. 4). Применение технологии по сравнению с вариантом из алюминиевого слава AMг6 позволяет достичь следующих преимуществ: многоразовая разборная оснастка; отсутствие необходимости изготовления тонкостенных металлических лейнеров; возможность изготовления внутренней компоновки; возможность термосваривания, трещиностойкость материала; стойкость к криогенным температурам и компонентам топлива.

Рис. 4. Технологии изготовления топливных баков из углепластика

Также на предприятиях, изготавливающих космические аппараты (КА), таких как АО «ИСС», АО «РКЦ «Прогресс», ПАО РКК «Энергия», АО «Корпорация «ВНИИЭМ» и др., проводится отработка опережающих технологий изготовления ферменных конструкций АФУ КА из ПКМ с пластичным наполнителем; технологии нанесения покрытий для составных частей солнечных батарей; устройств исполнительной автоматики с прогнозными показателями ТУ, сопоставимыми или превышающими мировой уровень.

В условиях цифровой трансформации и перехода на прогрессивные виды технологий наблюдается нехватка квалифицированных кадров, в особенности по основным производственным специальностям. Данный факт напрямую влияет на обеспечение технологической устойчивости производства, когда выполнение технологических операций значительно зависит от квалификации исполнителей (носителей «уникальных» компетенций). Промышленные компании по всему миру видят решение данной проблемы в применении AR/VR-технологий.

На сегодняшний день существуют примеры успешного внедрения программных решений с элементами AR на ведущих мировых аэрокосмических компаниях (Boeing и Lockheed Martin). Согласно отчету Boeing использование AR-технологии при укладке и соединении кабелей в бортовых системах летательных аппаратов позволило сократить время выполнения операции на 20% и снизить количество ошибок примерно в два раза (рис. 5).

Рис. 5. AR-технологии при укладке и соединении кабелей

Инженеры аэрокосмической компании Lockheed Martin (главный подрядчик NASA, который занимается строительством космического корабля Orion) используют во вспомогательных целях AR-очки при сборке элементов капсулы кабины экипажа. При использовании AR-технологии специалистам требуется гораздо меньше времени для ознакомления и подготовки к выполнению новых задач, также уменьшилось время выполнения самих действий как простых, так и сложных (рис. 6).

Рис. 6. Монтаж систем космического корабля

Следует отметить широкое и интенсивное развитие методов прогрессивного обслуживания промышленного оборудования по фактическому состоянию, определяемому результатами вибродиагностики, а также с использованием ИЭТР (интегрированное электронное техническое руководство) и удаленных AR-помощников (рис. 7).

Рис. 7. Прогрессивное обслуживание промышленного оборудования

Одним из способов повышения эффективности работы ремонтных служб является внедрение современных технических средств, позволяющих перейти к обслуживанию оборудования по фактическому состоянию и нашедших применение на большинстве передовых зарубежных предприятий. Методы и средства для обслуживания станков по фактическому состоянию вполне применимы как для крупных, так средних и мелких предприятий. Авиационные, ракетно-космические и машиностроительные заводы США, Японии, Англии и Франции проводят обслуживание станков только по их фактическому состоянию. Метод основан на том, что, оценивая техническое состояние станков, определяются отдельные узлы и детали, которые имеют дефекты, и поэтому ремонт производится целенаправленно, устраняя конкретные дефекты. Такой метод обеспечивает стабильность работы производства, позволяет снизить затраты на 40–50% от общей стоимости планируемого ремонта и технического обслуживания (согласно графику планово-предупредительного ремонта), позволяет прогнозировать время безаварийной работы оборудования и заранее заказать необходимые комплектующие для проведения ремонта.

Стоит отметить, что стандарт, регламентирующий обслуживание оборудования по фактическому состоянию, введен NASA в действие на аэрокосмических предприятиях с 2000 года.

В 2021 году введен в действие Межгосударственный стандарт ГОСТ 34479-2018 [1]. Следует отметить, что в данном стандарте отмечен большой вклад ФГУП «НПО «Техномаш» в развитие этого направления.

Развитие промышленных технологий приводит к существенному росту объемов и сложности информации по разрабатываемым конструкторско-технологическим решениям (КТР), поэтому их эффективное применение невозможно без параллельного развития интеллектуальных технологий.

Основными направлениями развития интеллектуальных технологий (в соответствии с Таксономией технологий NASA) являются:

• цифровые технологии и прогрессивные вычислительные системы;
• технологии имитационного моделирования распределенных, неоднородных производственных систем на протяжении всего жизненного цикла изделия;
• технологии анализа больших данных;
• технологии проектирования, разработки, сопровождения изготовления, испытания;
• прогрессивные системы инженерных расчётов и математического моделирования сложных динамических процессов.

Объективное усложнение КТР в совокупности с ужесточением требований по срокам изготовления изделий РКТ требует широкого внедрения робототехники и сенсорики для повышения эффективности изготовления особо сложных изделий (рис. 8).

Основными направлениями развития робототехники и сенсорики (в соответствии с Таксономией технологий NASA) являются:

• технологии роботизированного обнаружения, ситуационного распознавания и оценки состояния;
• технологии движения, манипулирования, сцепления;
• технологии интеграции робототехнических комплексов;
• технологии обеспечения автономности робототехнических комплексов.

Необходимо особо подчеркнуть, что вышеуказанные направления развития технологий реализуются на базе концепции полной цифровизации процессов (жизненного цикла изделий (ЖЦИ) РКТ. Цифровое проектирование и моделирование, управление изделием на всех этапах жизненного цикла, так называемый Smart Design, опирается на «умное производство» – Smart Manufacturing. Данная концепция реализуется управлением перспективных исследовательских проектов Министерства обороны США DARPA.

Цифровой двойник (digital twin) – программный аналог физического устройства, моделирующий внутренние процессы, технические характеристики и поведение реального объекта в условиях внешних воздействий и позволяющий оптимизировать процессы разработки и производства. Важной особенностью цифрового двойника является то, что для задания на него входных воздействий используется информация с датчиков реального устройства, работающего параллельно.

Применение цифровых двойников в промышленности позволяет:

• реализовать дистанционный мониторинг и управление физическим объектом в реальном времени;
• анализировать различные производственные сценарии и производить оценку риска путем проигрывания нештатных ситуаций;
• создать условия для предиктивного обслуживания и планирования ремонтов оборудования за счет обработки и интеллектуального анализа в реальном времени больших объемов данных о работе промышленных активов;
• ускорять принятие управленческих решений за счет расширенной аналитики.

Boeing и Lockheed Martin требуют от компаний-поставщиков присылать свои виртуальные модели изделий (рис. 9). Компания PTC (США), занимающаяся разработкой промышленного программного обеспечения, ведет работы по созданию цифрового двойника физического продукта как для организации, так и для обслуживания и поддержки продукта.

Также наблюдается тенденция к переходу западных конкурентов на технологии виртуальных испытаний, которые существенно сокращают сроки и затраты на подтверждение характеристик изделий.

При разработке программ виртуальных испытаний рассматривается полный комплекс систем, входящих в состав изделий РКТ и их взаимовлияние, учитываются и анализируются сложные физические процессы в полной динамической постановке.

Так, например, информация о наиболее критичных зонах в конструкции, полученная в процессе моделирования, может быть использована для определения мест установки первичных преобразователей при проведении натурных испытаний и оптимизации их количества.

Использование методов математического моделирования применяется при анализе кинематики и динамики движения сложных механических систем (например, исследование и оптимизация параметров механизма раскрытия солнечных батарей), что позволяет существенно снизить объем и повысить эффективность зачетных натурных испытаний.

Методы математического моделирования могут применяться и при разработке стендового оборудования в обеспечение проведения испытаний изделий РКТ.

В отечественной РКП также требуют развития прогрессивные машиностроительные технологии и методы «обработки» по всем указанным направлениям (рис. 10), которые необходимо внедрять для производства средств выведения (СВ) и КА (как серийных, так и разрабатываемых, перспективных).

Рис. 10. Прогрессивные машиностроительные технологии

Вместе с тем в отечественной РКП имеют место системные проблемы, связанные с отсутствием единой политики в области управления развитием конкурентоспособности производственной системы (ПС), в частности и технологическим развитием отрасли (рис. 11). Они порождают соответствующие тенденции снижения уровня управления ПС по конструкции, технологиям, производству, что в итоге приводит к снижению уровня качества, надежности и конкурентоспособности изделий РКТ и, как следствие, доли рынка.

Во ФГУП «НПО «Техномаш» по поручению Госкорпорации «Роскосмос» разработано ТЗ на системный проект создания новой производственной системы Госкорпорации «Роскосмос» (НПС), представленной на рис. 12.

Рис. 11. Системные проблемы отечественной РКП

Рис. 12. Целевая структура НПС

Системный проект предусматривает создание иерархической системы НПС, состоящей из следующих уровней: НПЦ (научно-производственный центр) по конструкторско-технологическим заделам, испытаниям, нормированию, стандартизации и аудиту, сборочные предприятия по линейке РН, пилотируемых комплексов, КА и систем управления, изготавливающие предприятия трех уровней кооперации от составных частей, узлов и агрегатов до деталей изделий РКТ в целом.

На рис. 13 представлена этапность создания новой производственной системы. Разработка и апробация системного проекта создания НПС Госкорпорации «Роскосмос» планируется с 2022 до 2026 гг. Полный переход к НПС запланирован до 2030 года.

Рис. 13. Этапность создания НПС

В целях обеспечения создания научно-производственного задела для достижения интегральных показателей ТУ технологий отрасли не ниже мировых ФГУП «НПО «Техномаш» реализует перспективные проекты, среди которых следует выделить:

• АТ для изготовления металлических и композиционных изделий в условиях космического пространства;
• внедрение аннотационных инструкций с использованием AR;
• цифровая платформа ТОиР;
• создание информационно-аналитической системы (ИАС) и мониторинг научно-технических прорывов;
• автоматизация (роботизация) технологических процессов;
• разработка программно-аппаратного комплекса для создания ЦД ПС;
• прогрессивные методы «обработки» (ротационная вытяжка, фрикционная сварка, гибка панелей, фрезерование вафельного фона, очистка баков);
• экспериментально-испытательная база (виртуальное моделирование).

На рис. 14 показаны работы ФГУП «НПО «Техномаш», предметно ориентированные на создание цифровых производств на основе аддитивных технологий в условиях космического пространства для генерации орбитальной инфраструктуры нового поколения за пределами Земли.

Рис. 14. АТ в условиях космического пространства

Данные программы развития орбитального производства позволят активизировать развитие космической техники и обеспечить лидирующее положение России в области РКТ за счет максимально эффективного освоения ресурсов космического пространства.

В рамках указанных программ разработан проект Концепции развития цифровых производств на основе аддитивных технологий в условиях космического пространства и определены этапы её реализации. Создан необходимый научно-технический задел для разработки технологии и изготовления макета пилотного участка цифрового производства на основе аддитивных технологий для изготовления металлических и композиционных изделий в условиях космического пространства.

В части AR-технологий ФГУП «НПО «Техномаш» следит за мировыми трендами. В настоящее время специалистами предприятия прорабатывается вопрос внедрения технологий дополненной реальности на предприятиях РКП и активно ведется разработка методических рекомендаций для формирования электронных аннотационных инструкций с использованием AR в целях сокращения трудоемкости выполнения технологических операций, проведения дистанционного обучения и обслуживания технологического оборудования. К сожалению, следует отметить отсутствие конкурентного отечественного аппаратного решения (инструмента визуализации инструкций) в области AR. Необходимо вести работы в данном направлении для обеспечения импортонезависимости предприятий РКП, планирующих внедрение технологий дополненной реальности.

ФГУП «НПО «Техномаш» реализует совместный с ПАО «МТС» проект по созданию и внедрению цифровой платформы ТОиР оборудования, которая предназначена:

• для быстрого внедрения систем диагностики и мониторинга состояния производственного оборудования (станков универсальных и с ЧПУ);
• для оценки технического состояния станочного парка и выдачи рекомендации по дальнейшему использованию каждой единицы оборудования в зависимости от значения коэффициента технического состояния;
• для глубокой безразборной диагностики промышленного оборудования (по итогам оценки технического состояния).

Пилотный проект по внедрению данной платформы планируется в ближайшее время на производственной площадке АО «НПО Лавочкина».

Создание ИАС технологий РКП проводится в целях повышения эффективности производства перспективных изделий (рис. 15). Задача решается за счет систематизации и управления на корпоративном уровне всеми работами, которые проводятся сейчас в области промышленных технологий, и их внедрением в производство. На рис. 15 представлена общая концептуальная схема информационно-аналитической системы, из которой видны:

• методология и требования к формированию и обобщению информации;
• структура данных, на основе которой строится аналитика;
• программно-математические модели для обработки информации.

Разобщенность проводимых работ не позволяет в полной мере использовать накапливаемые в отрасли знания. Для обобщения и систематизации проводимых работ, а также создания единой системы мониторинга проводимых исследований и их внедрения планируется создание ИАС, которая будет включать в себя сбор, накопление, систематизацию и обобщение информации о промышленных технологиях.

Рис. 15. Создание ИАС технологий РКП

На основе этой информации ИАС должна обеспечить формирование сводных, структурных и динамических показателей для анализа конфигурации перечня промышленных технологий, выявления производственно-технологических проблем на ранних стадиях жизненного цикла изделий КА и СВ, изменений состояния НТЗ промышленных технологий.

Сформированная информация позволит сделать оценку и прогнозирование требований к показателям НТЗ технологического направления по созданию КА и СВ, уровней технологической и производственной готовности промышленных технологий к обеспечению параметров качества и надежности перспективных изделий РКТ.

По направлению автоматизации (роботизации) технологических процессов ФГУП «НПО «Техномаш» предложена технология финишной очистки криогенного бака РН (рис. 16). Основным рабочим инструментом является промышленный робот с «удлинённой рукой». Такой инструмент выбран из-за специфики предполагаемого объекта очистки.

Рис. 16. Финишная очистка криогенного бака РН

В рамках направления по созданию цифровых двойников производственных систем у ФГУП «НПО «Техномаш» существует научный задел. В 2020 году по заказу ООО «Итеранет» проведены исследования, и сформированы рекомендации по практической разработке информационно-аналитической платформы поддержки принятия управленческих решений машиностроительного предприятия с требованиями по устойчивой интеграции со смежными информационно-технологическими системами, интеграция со смежными системами. ФГУП «НПО «Техномаш» разработана «Платформа поддержки принятия управленческих решений» (рис. 17).

Рис. 17. Платформа поддержки принятия управленческих решений

В настоящее время ФГУП «НПО «Техномаш» планируется привлечь (в рамках 5 направления ОКР «Прогресс-2025» (как соисполнитель ОКБ «Спектр») к созданию программно-методического комплекса для построения цифровых двойников производственных систем машиностроительных предприятий для решения задач системного анализа.

Ведутся работы по организации Цифрового производственного участка (цифровая лаборатория) на территории предприятия для отработки моделей цифровых двойников. Структура и решаемые задачи данного участка представлены на рис. 18.

Рис. 18. Схема цифровой лаборатории

Совместно с АО «ГКНПЦ им. М.В. Хруничева» и ПО «Полет» ведутся работы по отработке и внедрению перспективных промышленных технологий (рис. 19). Внедрение вышеуказанных перспективных технологий будет осуществляться в первую очередь в рамках модернизации РН «Ангара-5М» для достижения требуемых тактико-технических характеристик (ТТХ). При этом полученные практические результаты (как полноценный научно-технологический задел) будут тиражированы на перспективные разработки.

Рис. 19. План отработки и внедрения перспективных промышленных технологий

В части работ по применению математического моделирования по испытаниям можно отметить опыт ФКП «НИЦ РКП» (рис. 20). Для выбора оптимальной конструкции и настройки режимов работы создаваемого стенда В2В выполнено математическое моделирование процессов в газоотводном тракте, и проведены огневые испытания объекта для экспериментальной проверки предлагаемых решений, подтвердившие адекватность разработанной математической модели.

Обобщая вышеизложенное, необходимо отметить, что технологии производства РКТ на предприятиях РКП в целом не отстают от мировых тенденций развития, а по ряду организационно-технологических решений существенно их превосходят (аддитивные технологии изготовления оболочковых конструкций СВ и КА – топливные баки, трубопроводы, агрегаты пневмогидросистем; ферменные конструкции АФУ КА из ПКМ с пластичным наполнителем; технологии нанесения покрытий для составных частей солнечных батарей; устройства исполнительной автоматики и т.д.). При этом перспективные решения ФГУП «НПО «Техномаш» обеспечат переход к построению новой производственной системы Госкорпорации «Роскосмос» и созданию опережающего научно-технического задела в области промышленных технологий предприятий РКП на основе современных цифровых решений.

Библиографический список

1. ГОСТ 34479-2018. Станки металлорежущие. Условия испытаний. Нормативно-техническое обеспечение совершенствования методов диагностирования и технологий ремонтно-восстановительных работ станочного парка. – М.: Стандартинформ, 2020 – 50 с.

Власов Юрий Вениаминович – канд. техн. наук. Тел.: +7 (499) 689-50-66. E-mail: info@tmnpo.ru / Vlasov Iurii Veniaminovich –Ph.D. in Engineering Sciences. Tel.: +7 (499) 689-50-66. E-mail: info@tmnpo.ru

Кузин Анатолий Иванович – докт. техн. наук, и.о. генерального директора ФГУП «НПО «Техномаш» им. С.А. Афанасьева. Тел.: +7 (499) 689-50-66. E-mail: info@tmnpo.ru / Kuzin Anatolii Ivanovich – Doktor Nauk in Engineering, Acting CEO of FSUE «NPO «Technomac» named after S.A. Afanasev. Tel.: +7 (499) 689-50-66. E-mail: info@tmnpo.ru