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数字工程支撑的美军航空装备方案论证

美军《数字工程战略》旨在构建数字工程生态系统,将以往以静态文档为中心的采办流程转变为以不断演进的数字模型为中心,完成以模型和数据为核心谋事做事的范式转移。数字工程是一种集成的数字化方法,使用系统的权威模型源和数据源,以在寿命周期内可跨学科、跨领域连续传递的模型和数据,支撑系统从概念开发到报废处置的所有活动。美军在其航空装备方案论证中,已经开始利用基于模型、数据驱动的手段和工具,建立数字工程方法和流程。值得注意的是,这种转型,离不开“工程强韧系统”和“计算研究与工程采办工具和环境”的支持,美空军开展“数字战役”,推动“数字采办”,这些由国防部层面统一支持开发的支撑平台和工具是关键。

一、航空装备方案论证的数字工程转型

传统上,在备选方案分析中使用“战役-作战-任务-交战”四层模型,层级越高,兴趣装备的解决方案就越少涉及实际物理行为。对飞行器进行物理特性建模一直存在挑战,一是它需要大量时间和资金,二是交战模型和物理特性模型的计算时间相差很多,这都使得很少有总体方案能够基于物理特性模型,实施广泛的效能、成本和风险权衡分析。进行权衡分析的工程人员只能将单点设计交付到成本估算和任务效能分析人员,由于时间和资金的约束,两者之间进行的迭代一般不多于两次,而迭代结果往往是落在设计空间的边界——最高风险和最高成本的设计。基于数字工程的航空装备方案论证,重点是构建并利用交战模型、物理特性模型、模拟器(真实-虚拟-构造,或L-V-C)模型,生成经济可承受的、互操作的系统需求模型,构建经济可承受的、可行的总体方案设计权衡空间,执行海量备选总体方案在效能、成本和风险上的权衡分析,得到最优总体方案。

其中,重要的一点是形成“公共模型”——一个物理上可行的、经济可承受的、互操作的和互依赖的装备解决方案的跨领域模型。公共模型可以用简明的代数格式或代理响应面来表达物理特性模型的输出,直接接入交战层级的模型。使用高性能计算,物理特性建模可在相对短的时间内覆盖总体方案的整个设计空间,从而在可行性、任务效能和经济可承受性之间进行权衡。公共模型还可以将输出内容导入空军SIMAF(Simulation and Analysis Facility,“仿真与分析设施”的英语缩略语)飞行模拟器,实施“真实-虚拟-构造”仿真,并且,SIMAF中考虑物理行为可以实现对互操作性的评价。

二、数字工程转型中的重要支撑平台和工具

1. 工程强韧系统

“工程强韧系统”(ERS)计划是美军7个科技优先计划之一,其目的是在一个与采办和作战业务流程相一致的框架内,开发一个现代计算工程工具的集成平台,平台包括模型、仿真和相关能力,以及设计权衡空间评估与可视化工具。“强韧”表明其在各种任务背景环境中是可靠的和有效的,通过重新配置/替换而很容易适用其它任务环境,可预测功能性能降低并且可缓解。工程强韧系统平台主要由需求生成、备选方案分析、虚拟样机与评估这几部分功能组成,能够全面探索并识别关键性能参数,快速分析上百万种可能的设计,提供虚拟作战环境和样机的构建与响应能力。该平台使用高性能云计算资源,通过建模仿真展现基于物理特性的交互并预测装备系统功能性能,分析可能影响任务执行的背景环境,对这些建模仿真生成的数据进行评估并执行系统总体方案的权衡分析,以确定一个系统提供所需能力的风险,以及确定系统是否可以保留并表现出足够的强韧性来保证系统的采办和部署。工程强韧系统能够加强需求生成和备选方案分析流程,并且在权衡过程中提供包括寿命周期成本在内的寿命周期“情报”,通过权衡分析实现有充分依据的决策,在更少时间内“可视化”更多设计的权衡,从而达到量化并降低采办风险的目标。

工程强韧系统支撑数据驱动的决策(美国防部图片,中国航空工业发展研究中心汉化)

2. 计算研究与工程采办工具和环境

“计算研究与工程采办工具和环境”(CREATE)项目是美军高性能计算现代化计划的核心方向之一,目标是开发和部署基于物理特性的高性能计算软件产品,通过高逼真度虚拟样机的构建和改进,支撑飞行器、舰船、地面车辆和射频天线系统等国防部平台的设计和实现。其中,用飞行器的物理特性建模工具包括三个,分别用于快速概念设计、固定翼飞行器(包括高超声速)以及旋翼飞行器。以固定翼飞行器物理特性建模工具“茶隼”(Kestrel)为例,它可输出一个高逼真度的物理特性模型,全面仿真从亚声速到超声速飞行的固定翼飞行器,包括复杂机动、推进装置影响、移动控制面、气弹影响、多体相对运动以及引入真实内循环和外循环控制率的能力。该工具拥有一个模块化架构,可以综合流体/结构相互作用、推进装置集成和武器集成,带来:多学科、多物理、多逼真度建模仿真能力,快速和高效生成降阶模型的能力,在详细设计工程中处理系统集成的能力,以及充分利用高性能计算资源的可扩展性。

三、美空军装备方案论证转型试点案例分析

1. 下一代运输机C-X分析

在工程强韧系统平台的支持下,空军针对一款潜在的下一代运输机C-X进行了设计权衡空间分析,通过连接物理特性模型与交战模型构成公共模型,将性能、效能和成本数据有效融合到了一个设计权衡空间,分析得出了充分定义且可追溯的设计方案,加入了备选方案分析的概念表征和技术描述文件中。空军使用自己的集成计算机辅助设计工具构建物理特性模型以评价设计参数,如机翼展弦比、机翼后掠角、起飞毛重、机翼负载、载荷重量、载荷舱尺寸等。权衡分析中使用了三个的候选运输机构型——一个传统机身和机翼,一个混合翼身和一个集成翼身。每个构型分析5000个设计以形成输出参数的代理响应面模型,这个降阶模型一般在1%~2%的实际预测值之内,不会降低设计权衡空间分析的完整性。典型的输出包括最大载荷范围、空速、平均燃油消耗率、航程、最大燃油载荷、起飞距离、降低距离、空重、最大推力、寿命周期成本和每飞行小时成本,与交战模型所需的输入相匹配。空军使用移动性平台分析工具对空、海和陆地的军用货物部署进行建模,形成交战模型,典型的输出包括燃油效能、总机队燃油使用、平均出击、平均燃油使用、平均延迟天数、总延迟天数、高峰飞行器使用等。为了评价任务效能,共建立了三个任务场景——一个在突尼斯的跨大西洋部署、一个在澳大利亚的跨太平洋部署和一个在夏威夷的国内人道主义救援。每个场景分析2500个不同的C-X设计,构建数据集以创建回归和代理响应面模型,通过降阶模型探索优化最终得到9个候选设计(3个构型×3个场景)。空军随后将这些技术和经验集成到了计算研究与工程采办工具和环境中,目前已经使用该工具开发代理响应面模型支撑早期备选方案分析。

2. 情报、监视和侦察多解析度分析

针对在条例、组织、训练、装备、领导和教育、人员、设施和政策(DOTMLPF-P)框架下,在空、天和赛博领域内执行作战相关的情报、监视和侦察设计权衡空间分析,空军开发了提供DOTMLPF-P框架的多解析度分析能力(ISR-MSA)工具环境,以处理影响兴趣平台互依赖性和互操作性的系统之系统(SoS)、网络、模块化开放式架构、非装备备选方案等。为了使该环境提供从需求到能力的可追溯性,空军将其与计算研究与工程采办工具和环境进行了集成,使其能够利用兴趣平台的物理特性模型进行权衡分析。ISR-MRA环境中拥有基于物理特性的能力和架构分析、网状信息和集成分析以及任务效能分析这三大主要功能。空军SIMAF飞行模拟器的核心能力就是基于物理特性的能力和架构分析(PCA)功能,它包括平台表达、性能表征、系统和传感器构型及其交互。在网状信息和集成分析(ANII)功能中,对蓝军系统正确通信以支撑规划任务所需的架构和网络拓扑结构进行建模。两个功能形成一个迭代循环,允许对架构和系统特性进行权衡,以定义可用的蓝军信息架构(集成的系统和网络拓扑结构),支撑众多任务线。任务效能分析(MUA)功能是一个战役和任务层级的评估工具,允许评估集成信息架构的任务效能和战役效能,MUA和ANII之间的迭代循环,帮助理解网络拓扑结构权衡空间(不同网络拓扑参数和方案下,众多任务/任务线的任务效能敏感度),并针对成本驱动因素来平衡任务效能。

情报、监视和侦察多解析度分析流程(美空军图片,中国航空工业发展研究中心汉化)

空军将计算研究与工程采办工具和环境与ISR-MRA环境集成,进行了互操作性研究,使用一个下一代加油机通用构型执行了众多的建模和迭代循环。首先,与对C-X的分析一样,建立了一个参数化的设计权衡空间,只不过使用了不同的任务场景和交战模型,从而评价可行性、任务效能和经济可承受性。然后,权衡分析得出的最佳构型在“茶隼”工具中建模,比如在一个固定的马赫数和高度,在不同角度和速度下进行横滚、俯仰和偏航机动。之后,使用空军的系统辨识软件SIDPAC对输入角度、速度和输出载荷进行建模,输出一个降阶的代理响应面模型,它可以立即用作交战模型和飞行模拟器的飞行模型,即公共模型。最后,通过SIMAF飞行模拟器的PCA功能,将飞行模型导入ISR-MRA环境中,评价互操作性和互依赖性。

四、结束语

美军国防采办系统,包括国防部层面的采办里程碑决策,各军种层面的系统工程技术评审,项目办层面的成本分析、需求论证、成本/进度/性能权衡,都在充分利用数字工程生态系统提供的能力,构建基于模型、数据驱动的方法和流程。目前,通过若干开发了十几年的数字化支撑平台和工具,美军航空装备采办正在加速向数字工程转型,而方案论证只是其中一个缩影。而且值得注意的是,在美军的方案论证中,成本和经济可承受性一直是与性能、效能、进度、风险并列的顶层权衡分析指标,利用数字工程,军方和工业界合力完成对成本、进度和性能、经济可承受性、风险和风险缓解策略的分析,包括对边界条件、不确定性和风险的概率性分析,以及对总拥有成本的成本评估与计划评价/成本评估数据组织体(CAPE/CADE)一致分析。数字工程能力,将是美军实现“第三次抵消”战略以及空军实现“更佳购买力”、“数字化百系列”构想的坚实基础。(中国航空工业发展研究中心  刘亚威)                                            

本篇供稿:系统工程研究所

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