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航空装备制造为什么必须使用数字工程?

大国军事竞争已经从单纯的装备对抗上升到能力体系的对抗,美军发展数字工程就是要升维其敏捷供给能力体系,再辅以断供等手段从供给侧给对手降维打击。美军在装备全生命周期力推数字工程,离不开国防制造商的鼎力支持,目前,主要的航空制造巨头都在使用数字工程技术,促进航电等飞机系统的开发和生产。尽管这些企业在应用数字工程的方式上存在差异,但毫无疑问,数字工程对他们而言已变得至关重要。美国空军协会经常组织航空航天研讨会,其中一次的主题大概就是“为什么必须使用数字工程,如何使用数字工程”,行业大佬纷纷发言,本篇就让我们“听其言、观其行”。

一、美国波音公司

波音可以说是产品全三维设计和基于模型定义(MBD)的全球开拓者,进入数字工程时代,它自然也敢为人先,像融合数字孪生的系统工程“宝石”模型概念就是波音在2018年提出的。美军2016年展示“工程强韧系统”的效果时,波音也凭借CH-47F、“灰鹰”无人机、“低成本可消耗飞行器”等项目成为标杆。当然最值得称道的,还是空军两个数字工程“探路者”项目——eT7A“红鹰”高教机和F-15EX战斗机。

波音利用数字工程提速无人机开发波音T-7A的总工程师盖尔·米勒表示,缩短开发周期对于跟上技术创新步伐和威胁变化态势很重要,以前波音新机的开发周期大约是10年,现在需要压缩到3年!“绝对不能超过10年,否则我们还在生产产品的时候,威胁就已经改变了。”波音在T-7A上使用数字工程来跟踪新的方式方法,比如使用经数字工程方法组织好的飞机维修数据。米勒举了例子,通过“大家都熟悉”的数字线索概念(笔者注:注意听众都是谁?),让每架不同尾号的飞机都拥有一个数字孪生,从而能够了解每架飞机的状态。而且,每个地面训练系统和每个模拟器也都将拥有这个信息,今后在操作使用和从数据中学习这方面,我们将打破常规。

波音对外宣称,T-7A教练机研制中依托数字工程方法流程,使得不到200人的设计、制造和测试团队,仅用时36个月就实现了从全新设计到验证机首飞,并将首批验证机的工程质量提高75%,装配工时减少80%,软件开发和验证时间缩短50%。波音正在使用数字工程实施“权威的虚拟化”。一旦我们达到这一点,即数字模型来表达复杂系统和系统之系统中的各种系统,并且拥有足够精确的水平,就可以开始取代传统的模拟式搭积木方法。所以对我们来说,需要了解如何以及由什么造就一个经确认的模型。这对于权威的虚拟化非常重要,因为如果不是所有人都同意模型得到了引用、结束引用和确认,那么永远也不会有权威的虚拟化条件。(笔者注:权威,就意味着是经所有利益攸关方批准认可的,不是别的字面意思)

米勒还凡尔赛了一下,“T-7A是波音可以与公众分享其数字工程成果的领域,一般不这么做”。这句话很有意思,因为波音在“数字化百系列”飞机或F-15EX上可也是将数字工程当卖点的,还制作了一堆视频说明其先进性。其中一点就是不再用传统的模拟式搭积木方法,而是“数字式乐高”。F-15EX是基于数字线索建造的,在飞机设计和制造阶段使用仿真技术,可更迅速地测试所有能力并植入新能力。

通过数字工程和模块化开放式系统架构,可以快速建造并演进为不同的型别,可快速融入新技术,“从第一天其就不断进化”。此外,F-15EX之前的机型在训练、使用和保障上的通用性很高,因此首飞36天后就交付空军!

二、美国洛马公司

洛克希德·马丁公司(下称洛马公司)作为主承包商的F-35项目被空军视为基于模型的系统工程(MBSE)的开山之作,洛马与“数字工程”的缘分也最深。2009年,F-35项目就提出了“打造闭环的数字线索”,随后又提出了扩展数字线索的“数字织锦”概念,其含义为一个人、流程、工具和数据的框架,集成了整个产品生命周期和所有学科。2017年,臭鼬工厂进一步提出“产品数字世界”概念,其含义为集成了人、流程、工具、物料、环境和数据的框架,跨产品生命周期和所有学科连接物理和数字领域。当年,洛马公司将数字孪生列为2018年的六大技术趋势之首,而数字空间镜像物理世界,是“万事万物”的完整数字孪生。

类似DNA双螺旋结构的产品数字世界概念(中国航空工业发展研究中心,作者制图)

洛马“臭鼬工厂”集成系统总监雷妮·帕斯曼表示,公司正在努力使用数字工程来缩短对技术进行测试和确认的时间。“如果我们不能更快地完成这些工作,那么就无法搞定世界上所有的工程并部署世界上所有的飞机,数字工程或数字线索和数字孪生(笔者注:这几个术语大佬们基本是混用的,但意思都差不多,即利用相互连接和无缝传递的模型和数据来实施全生命周期的工程活动)是实现这一目标的关键。”臭鼬工厂还发布了一段保密的“竞速者”无人机项目视频,提到项目的重点并非开发无人机系统的最终能力,而是展示如何使用全新的 “星驱动”数字工程工具集实现系统的快速原型开发和全生命周期支持。

“臭鼬工厂”是军事领域快速原型和概念开发的先驱,是使用高逼真度建模和其他数字技术将纸面概念快速发展为飞行器原型的领导者。“星驱动 ” 集成了先进的计算机辅助设计和产品全生命周期管理工具,既加快了设计速度,又可以更广泛地使用机器人、增材制造和自动化质量检测技术。从视频中可以看到,“星驱动”这个工具集实际上已经在“臭鼬工厂”开发X-59“静音超声速飞机”过程中使用。

使用数字工程的好处在于只有一套数据,尽管工程流程中的许多部分还在用他们自己的工具集进行开发,但是每个工具集都连接到同样的核心信息。而这正是“打造闭环的数字线索”的概念,即面向单一真相源,在一个虚拟环境中连接工程、制造和供应链。可以说,“星驱动”正在重新设计在完全集成的数字工程环境中运行所需的文化、流程和工具,在短时间内满足所有的开发需求来加快开发过程。 

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