國外軍工產(chǎn)品研發(fā)模式發(fā)展趨勢(shì)淺析

◎中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院總體設(shè)計(jì)部 熊煥

一、普遍采用集成優(yōu)化設(shè)計(jì)與并行工程

為提升型號(hào)研制水平和運(yùn)載火箭總體性能，國外航天機(jī)構(gòu)和一流軍工企業(yè)普遍采用了基于并行工程的集成產(chǎn)品開發(fā)模式、數(shù)字化設(shè)計(jì)手段和多學(xué)科集成優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)，并開發(fā)了專業(yè)的設(shè)計(jì)系統(tǒng)，構(gòu)建了先進(jìn)的集成設(shè)計(jì)環(huán)境。通過將這些先進(jìn)的設(shè)計(jì)手段與理念的綜合應(yīng)用，顯著地提高了研發(fā)設(shè)計(jì)的效率和能力，從根本上提升了軍工企業(yè)的生存力和競(jìng)爭(zhēng)力，筆者結(jié)合實(shí)例進(jìn)行簡(jiǎn)要闡述。

洛克希德·馬丁公司圍繞導(dǎo)彈研發(fā)設(shè)計(jì)開發(fā)了交互式導(dǎo)彈設(shè)計(jì)系統(tǒng)，系統(tǒng)集成了幾何引擎、推進(jìn)系統(tǒng)、氣動(dòng)分析、空氣熱環(huán)境分析、結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)、武器效能及費(fèi)用模型等，構(gòu)造了基于網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)協(xié)同設(shè)計(jì)環(huán)境。該系統(tǒng)通過產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程的集成和優(yōu)化，可以快速對(duì)導(dǎo)彈進(jìn)行概念和初始設(shè)計(jì)，使設(shè)計(jì)速度提高為原來的4倍，并能在導(dǎo)彈概念設(shè)計(jì)階段為洛馬公司節(jié)約大量開支。該系統(tǒng)在包括聯(lián)合低空發(fā)射導(dǎo)彈等眾多項(xiàng)目中得到運(yùn)用。

此外，洛馬公司還圍繞超/高超音速飛行器的研發(fā)設(shè)計(jì)開發(fā)了超/高超音速飛行器設(shè)計(jì)系統(tǒng)，它是一個(gè)涉及熱、彈道、結(jié)構(gòu)、控制、氣動(dòng)、推進(jìn)、成本、可靠性等方面的多學(xué)科系統(tǒng)。傳統(tǒng)上對(duì)這些學(xué)科的分析是獨(dú)立進(jìn)行的，所以導(dǎo)致了飛行器設(shè)計(jì)過程的低效。但該系統(tǒng)將這些設(shè)計(jì)分析集成到一個(gè)統(tǒng)一的設(shè)計(jì)平臺(tái)，并與各個(gè)專業(yè)的分析模塊緊密結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了需求—幾何—分析—優(yōu)化—數(shù)據(jù)管理的一體化自動(dòng)設(shè)計(jì)過程，在概念設(shè)計(jì)階段就能對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行快速評(píng)估。該系統(tǒng)可以獨(dú)自捕獲和處理各學(xué)科知識(shí)，推動(dòng)多學(xué)科協(xié)同和并行工程，并實(shí)現(xiàn)集成的工程仿真分析和尋優(yōu)，為跨大氣層運(yùn)載器的設(shè)計(jì)與仿真提供了條件。

為了新型可重復(fù)使用運(yùn)載器的順利研發(fā)，NASA開發(fā)了全新的先進(jìn)工程環(huán)境用于新型運(yùn)載器的設(shè)計(jì)和分析，這是一個(gè)支持新一代航空/宇航飛行器研發(fā)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)平臺(tái)和環(huán)境，通過網(wǎng)絡(luò)門戶和設(shè)計(jì)過程管理、設(shè)計(jì)與工程分析工具集成以及產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)集成管理，實(shí)現(xiàn)了分布、并行、合作的研發(fā)設(shè)計(jì)方式。新的工程環(huán)境建設(shè)，使NASA在可重復(fù)使用運(yùn)載器的研制過程中可以方便、靈活地實(shí)現(xiàn)多構(gòu)型、多方案、多技術(shù)的比較及融合，并通過多學(xué)科聯(lián)合分析方法的應(yīng)用來確保優(yōu)化方案的可靠性。

為了克服日益復(fù)雜的研制需求所帶來的項(xiàng)目研制風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的固化、項(xiàng)目流程的優(yōu)化，ESA開發(fā)了協(xié)同工程環(huán)境。通過開發(fā)并實(shí)際使用協(xié)同工程環(huán)境，ESA有效地解決了需求管理、項(xiàng)目管理等問題，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)流程、設(shè)計(jì)文檔、設(shè)計(jì)方法、設(shè)計(jì)工具、設(shè)計(jì)架構(gòu)和設(shè)計(jì)成果本身的重復(fù)使用，顯著提升了型號(hào)的研制效率，降低了項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)。

ESA還建立了多個(gè)并行設(shè)計(jì)支撐環(huán)境，由服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)資源、基礎(chǔ)軟件、多媒體系統(tǒng)、多學(xué)科團(tuán)隊(duì)、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范等共同組成，實(shí)現(xiàn)了資源共享、協(xié)同設(shè)計(jì)的目的，在方案論證工作中發(fā)揮了重要作用。近年來，ESA相關(guān)部門采用并行設(shè)計(jì)支撐環(huán)境完成了130余項(xiàng)未來項(xiàng)目的系統(tǒng)級(jí)概念研究與設(shè)計(jì)，以及7個(gè)新型運(yùn)載器項(xiàng)目的概念設(shè)計(jì)，極大地縮短了研發(fā)周期，同時(shí)改進(jìn)了產(chǎn)品質(zhì)量和任務(wù)設(shè)計(jì)的一致性與完整性、技術(shù)可行性、風(fēng)險(xiǎn)控制及成本控制。

二、廣泛應(yīng)用仿真技術(shù)

美國把仿真技術(shù)納入國家關(guān)鍵技術(shù)清單，并將仿真技術(shù)看作是“軍隊(duì)和經(jīng)費(fèi)效率的倍增器”，廣泛應(yīng)用于研制開發(fā)、試驗(yàn)鑒定、作戰(zhàn)分析等領(lǐng)域。美國在“基于威脅”向“基于能力”軍事轉(zhuǎn)型的過程中，不斷加強(qiáng)了復(fù)雜戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境體系的對(duì)抗能力，并且將仿真作為軍事理論研究和武器裝備效能評(píng)估的重要手段。美國通過發(fā)布國防部體系結(jié)構(gòu)框架來加強(qiáng)作戰(zhàn)體系的互聯(lián)、互通和互操作能力；不斷完善模型體系，大量采用基于仿真技術(shù)的系統(tǒng)驗(yàn)證與優(yōu)化方法來驗(yàn)證武器系統(tǒng)作戰(zhàn)概念和評(píng)估武器系統(tǒng)方案的優(yōu)劣；在效能評(píng)估方面，充分將武器系統(tǒng)的性能和要完成的使命聯(lián)系起來，對(duì)武器系統(tǒng)生命周期的效費(fèi)比進(jìn)行評(píng)估。

例如，2010年美國導(dǎo)彈防御局和諾斯羅普·格魯曼公司利用仿真系統(tǒng)完成了2009年的彈道導(dǎo)彈防御系統(tǒng)性能評(píng)估活動(dòng)。該活動(dòng)是一個(gè)端對(duì)端系統(tǒng)級(jí)仿真，用于分析彈道導(dǎo)彈防御系統(tǒng)集成雷達(dá)、通信網(wǎng)絡(luò)以及攔截彈在各種場(chǎng)景內(nèi)如何開展工作，反映了彈道導(dǎo)彈防御系統(tǒng)從敵方導(dǎo)彈發(fā)射到對(duì)其進(jìn)行攔截的全過程。評(píng)估活動(dòng)利用仿真系統(tǒng)進(jìn)行了2500次以上的試驗(yàn)，并為36個(gè)截然不同的場(chǎng)景設(shè)定了基礎(chǔ)配置，性能評(píng)估活動(dòng)取得了成功。

此外，美國德雷珀實(shí)驗(yàn)室在改進(jìn)“三叉戟”導(dǎo)彈制導(dǎo)與控制系統(tǒng)時(shí)，也采用了基于仿真技術(shù)的設(shè)計(jì)方法對(duì)方案驗(yàn)證和系統(tǒng)性能進(jìn)行評(píng)估。

三、試驗(yàn)技術(shù)向虛實(shí)結(jié)合方向發(fā)展

虛擬試驗(yàn)是一種以虛擬樣機(jī)模型、實(shí)物試驗(yàn)數(shù)據(jù)和知識(shí)為基礎(chǔ)，配合可視化渲染和交互手段，在一個(gè)虛擬試驗(yàn)環(huán)境中模擬真實(shí)產(chǎn)品的物理試驗(yàn)過程。國外虛擬試驗(yàn)技術(shù)在軍工產(chǎn)品研制中的應(yīng)用基礎(chǔ)已經(jīng)具備，且結(jié)合數(shù)字化設(shè)計(jì)和仿真技術(shù)，使得綜合試驗(yàn)驗(yàn)證發(fā)展所需的支撐技術(shù)逐漸具備，試驗(yàn)范圍由單點(diǎn)型轉(zhuǎn)向系統(tǒng)級(jí)和體系級(jí)，系統(tǒng)間交互能力大幅提升。另外，國外綜合試驗(yàn)中的環(huán)境模擬技術(shù)日益成熟，形成了若干典型的環(huán)境模擬系統(tǒng)，積累了大量的環(huán)境模型。

美國等發(fā)達(dá)國家注重由權(quán)威部門主導(dǎo)的試驗(yàn)驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的制定和推廣應(yīng)用，用以規(guī)范試驗(yàn)系統(tǒng)集成過程中數(shù)據(jù)交換和流程再造。試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)制逐漸完善，有力地支撐了聯(lián)合試驗(yàn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，促進(jìn)了虛擬試驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展。傳統(tǒng)的以實(shí)物試驗(yàn)為主的試驗(yàn)驗(yàn)證模式正在向虛實(shí)結(jié)合的綜合試驗(yàn)驗(yàn)證模式發(fā)展，虛擬試驗(yàn)可提高試驗(yàn)的效率、降低風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)物試驗(yàn)可提高虛擬試驗(yàn)的精度及可信性，兩者相輔相成。