國外航天工業(yè)軟件技術(shù)及應(yīng)用發(fā)展

◎中國航天系統(tǒng)科學(xué)與工程研究院 石勝友

隨著航天工業(yè)化與信息化“兩化”的發(fā)展，工業(yè)軟件作為其背后必不可少的推手和關(guān)鍵技術(shù)，也在“兩化”不斷深入發(fā)展中逐步從簡單的應(yīng)用走向功能復(fù)雜的應(yīng)用，涵蓋航天產(chǎn)品論證、設(shè)計、制造、試驗、管理及維護(hù)的各個環(huán)節(jié)。本文簡要分析了國外典型航空航天產(chǎn)品研制過程工業(yè)軟件應(yīng)用概況，闡述了德國、法國、俄羅斯、印度等軟件產(chǎn)業(yè)發(fā)達(dá)國家推進(jìn)軟件技術(shù)發(fā)展的相關(guān)計劃、戰(zhàn)略及政策，最后分析了國外工業(yè)軟件的發(fā)展趨勢。

一、支撐國外航天產(chǎn)品研制的應(yīng)用軟件情況

（一）NASA 軟件體系

從人類首次登陸月球簡潔有效的阿波羅導(dǎo)航系統(tǒng)到使用了五十萬行軟件代碼的“好奇號”火星探測器降落紅色星球，軟件已成為NASA航天型號任務(wù)成功的核心。過去五年間，NASA已經(jīng)共享了5000多段代碼，擁有了一個靈活的專用軟件發(fā)布專業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施，代碼從NASA應(yīng)用向工業(yè)轉(zhuǎn)化的流程順暢而簡化。

2014年，NASA對公眾發(fā)布了最新的可重用軟件目錄，該目錄覆蓋了項目管理系統(tǒng)、設(shè)計工具、數(shù)據(jù)處理、圖像處理，以及生命維護(hù)功能方案、航空飛行、結(jié)構(gòu)分析，機(jī)器人及自治系統(tǒng)等15個大類，如圖1所示。

其中，項目管理類包括了采辦、業(yè)務(wù)流程、物業(yè)管理、風(fēng)險管理、調(diào)度等5個子類，共發(fā)布軟件111項；數(shù)據(jù)服務(wù)器處理類包括了算法、數(shù)據(jù)管理、路由器、服務(wù)器、存儲等5個子類，共發(fā)布軟件84項；材料與工藝類包括零件、制造、生產(chǎn)工藝、復(fù)合材料等4個子類，共發(fā)布軟件17項；系統(tǒng)測試類包括聲學(xué)、震動、振動、熱真空、泄露與壓力測試、測試準(zhǔn)則、測試管理與規(guī)劃、空氣動力學(xué)測試等8個子類，共發(fā)布軟件75項；推進(jìn)類包括推進(jìn)劑、低溫學(xué)、發(fā)動機(jī)與電動機(jī)性能分析等3個子類，共發(fā)布軟件39項；電子與電力類包括太陽能陣列、電池、線纜、接地、變頻器、點分析等6個子類，共發(fā)布軟件8項；操控類包括地面軟件、遙測、指令與控制、全球定位系統(tǒng)、太空船外活動、無線電、通信等7個子類，共發(fā)布軟件95項，結(jié)構(gòu)與機(jī)械類包括部署、結(jié)構(gòu)負(fù)載分析與設(shè)計等2個子類，共發(fā)布軟件10項；環(huán)境科學(xué)（地球、大氣層、太空、外星球）類包括陸地環(huán)境、行星大氣建模、輻射屏蔽等3個子類，共發(fā)布軟件87項；設(shè)計與集成工具類包括運(yùn)載/有效載荷建模與分析、組件與集成系統(tǒng)仿真等2個子類，共發(fā)布軟件151項；船員與生命維持類包括生物傳感器、食物、醫(yī)藥、生物分析、船員支持、基本的人體模型和認(rèn)知等6個子類，共發(fā)布軟件30項；自治系統(tǒng)類包括機(jī)器人、自動化系統(tǒng)、系統(tǒng)健康監(jiān)測等3個子類，共發(fā)布軟件39項；運(yùn)載器管理（太空/大氣/地面）包括飛行軟件、飛行器處理、指令與數(shù)據(jù)處理、儀器管理等4個子類，共發(fā)布軟件54項；數(shù)據(jù)與圖像處理包括算法、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)處理等3個子類，共發(fā)布軟件138項；航空飛行類包括空中交通管理工具、建模與仿真工具等2個子類，共發(fā)布軟件33項。發(fā)布的各類軟件數(shù)量總計近千項，分布如圖2所示。

圖1 NASA 軟件體系

圖2 NASA軟件類別及數(shù)量分布圖

在NASA發(fā)布的近千項軟件或代碼中，主要是針對美國政府和國內(nèi)發(fā)布，對美國政府發(fā)布587項，占發(fā)布總數(shù)的61%，僅對美國國內(nèi)發(fā)布212項，占發(fā)布總數(shù)的22%，供項目協(xié)同的開源發(fā)布109項，占發(fā)布總數(shù)的11%，而針對美國以外的公眾發(fā)布為28項，僅占此次發(fā)布總數(shù)的3%，其發(fā)布使用范圍及占比如表1所示。

（二）支撐“獵戶座”飛船Orion研制的應(yīng)用軟件

“獵戶座”飛船是NASA新型宇宙飛船，是“星座計劃”的關(guān)鍵組成部分，由洛·馬公司負(fù)責(zé)設(shè)計和建造，飛船由兩個飛行器構(gòu)成，載人探測飛船（CEV）和貨物運(yùn)載飛船（CLV），可同時向國際空間站輸送6名宇航員，并能夠同時向月球輸送4名宇航員。飛船首飛時間最初定于2015年，但2010年初，因為資金短缺，進(jìn)度拖后，設(shè)計思想有爭議等原因，美國政府終結(jié)“星座計劃”，“獵戶座”飛船也隨之成為泡影，后又通過計劃，執(zhí)行飛往月球、登陸小行星，乃至最終到火星的探測任務(wù)。2014年12月5日，“獵戶座”飛船在佛羅里達(dá)州卡納維爾角基地發(fā)射升空，首飛成功，NASA表示這是一次重大的進(jìn)展，將是1972年12月阿波羅17號進(jìn)行最后一次載人登月后，首個外層空間載人探測計劃，“獵戶座”飛船的發(fā)射被視為美國航天飛機(jī)退役后最受矚目的航天事件?！矮C戶座”飛船研制過程中，數(shù)字化設(shè)計、仿真、制造等軟件發(fā)揮了核心支撐作用。支撐“獵戶座”飛船研制的數(shù)字化設(shè)計、制造軟件主要采用了市場上成熟的商業(yè)軟件，而飛船研制過程的諸多仿真軟件則由NASA相關(guān)機(jī)構(gòu)自行研發(fā)或基于商業(yè)軟件包研發(fā)而成，這是由于航天產(chǎn)品研制過程仿真具有專業(yè)性極強(qiáng)的特點決定的，商業(yè)軟件無法承擔(dān)這一功能，這對我國大力加強(qiáng)航天產(chǎn)品研制過程數(shù)字化仿真軟件的研發(fā)力度具有重要的借鑒意義。由NASA相關(guān)機(jī)構(gòu)研發(fā)的飛船仿真軟件，包括發(fā)射終止系統(tǒng)引導(dǎo)與控制仿真、飛船/火箭發(fā)射與上升仿真、飛船進(jìn)入、下降和著陸仿真、降落傘樣板艙虛擬測試、降落傘裝配系統(tǒng)新的空投試驗艙仿真，構(gòu)建了通用仿真環(huán)境、降落傘仿真環(huán)境等。

表1 NASA發(fā)布軟件使用范圍數(shù)量統(tǒng)計

（三）支撐新一代運(yùn)載火箭戰(zhàn)神（Ares）研制的應(yīng)用軟件

美國新一代運(yùn)載火箭戰(zhàn)神（Ares）是“星座計劃”的關(guān)鍵組成部分，“星座計劃”的終止讓戰(zhàn)神火箭未出山即夭折，但奧巴馬此舉遭到美國參議院的激烈反對，出于維持美國太空領(lǐng)先地位的考慮，美國參議院很快在NASA 2011財年授權(quán)法案中加入研制一款3000噸級運(yùn)載火箭的要求，取代“星座計劃”中的戰(zhàn)神1和戰(zhàn)神5，這就是后來的美國太空發(fā)射系統(tǒng)SLS火箭。SLS火箭的終極貨運(yùn)版性能指標(biāo)乃至結(jié)構(gòu)與戰(zhàn)神5極為相似，美國人實際是在爭論中浪費2、3年時間。戰(zhàn)神系列火箭的進(jìn)展是美國新一輪航天工程的重要步驟，與其他各國已經(jīng)服役或在研的重型火箭相比，戰(zhàn)神系列火箭具有技術(shù)成熟、成本低廉、運(yùn)載能力無與倫比的優(yōu)勢。戰(zhàn)神系列火箭研制過程中，數(shù)字化設(shè)計、仿真、制造等軟件的應(yīng)用是火箭成功的關(guān)鍵，研發(fā)過程除了使用商業(yè)成熟軟件開展基于模型的全三維設(shè)計、結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化設(shè)計、制造仿真、火箭移動發(fā)射器仿真、上面級運(yùn)輸、吊裝、堆放及匹配仿真外，還構(gòu)建了多學(xué)科分析與優(yōu)化設(shè)計環(huán)境、分布式空間探索仿真環(huán)境，研發(fā)了蒙特卡羅仿真、硬件在回路實時仿真、上面級推力矢量控制仿真軟件。

（四）支撐波音787飛機(jī)研制的應(yīng)用軟件

波音787飛機(jī)研制的成功是商業(yè)成熟的設(shè)計、分析、制造、管理軟件和波音公司多種自研軟件成功的典范。各種數(shù)字化設(shè)計、制造、仿真等軟件為型號產(chǎn)品的設(shè)計開發(fā)提供了重要支撐，軟件的復(fù)雜度和集成度不斷提高。3D設(shè)計、MDO軟件逐漸成為支撐產(chǎn)品快速研制的關(guān)鍵，CAE技術(shù)和產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于航天各類零部件、組件、全機(jī)的設(shè)計、分析、試驗、仿真、測試和故障診斷、制造和維護(hù)。波音787采用CAE技術(shù)后，機(jī)翼配置的風(fēng)洞測試數(shù)量大大減少，從767項目的50多種不同的機(jī)翼配置減少到787項目只測試了10多種。產(chǎn)品全生命周期集成管理軟件已經(jīng)成為構(gòu)建產(chǎn)品數(shù)字化綜合集成研制的基礎(chǔ)，基于PLM的數(shù)字化研制集成能力平臺，實現(xiàn)設(shè)計、制造、管理的全面集成，全面支撐產(chǎn)品持續(xù)創(chuàng)新。波音787研制覆蓋了全球60個地點，300個供應(yīng)商，設(shè)計過程將更加依賴于協(xié)同設(shè)計和開發(fā)，制造過程將極度傾向于成品裝配件（少于100個），在廣域協(xié)同環(huán)境下，在整個787價值鏈中，實施了新的PLM流程和技術(shù)。

二、國外軟件產(chǎn)業(yè)發(fā)展計劃、戰(zhàn)略與政策

（一）德國

德國政府非常重視IT產(chǎn)業(yè)的鼓勵政策，認(rèn)為IT業(yè)的發(fā)展對國家經(jīng)濟(jì)、社會發(fā)展具有重要的戰(zhàn)略意義。為鼓勵I(lǐng)T產(chǎn)業(yè)發(fā)展，德政府出臺了一系列不同層面的規(guī)劃、政策措施，其中，《信息通訊技術(shù)2020——為創(chuàng)新而科研》規(guī)劃和《信息社會德國2010》行動方案兩個文件是綱領(lǐng)性的，具有引領(lǐng)作用。

在專項法規(guī)、研發(fā)扶持政策及示范運(yùn)營項目方面，德聯(lián)邦政府于2010年推出了“數(shù)字德國2015”戰(zhàn)略和《德累斯頓共識：抓住德國ICT機(jī)遇》，為發(fā)展德國軟件產(chǎn)業(yè)制定了發(fā)展政策和相關(guān)具體措施。

在財政政策方面，德聯(lián)邦政府將發(fā)起新的“成立者競爭—ICT創(chuàng)新”倡議以及通過EXIST創(chuàng)業(yè)基金，支持科學(xué)界進(jìn)行ICT創(chuàng)業(yè)。另外，聯(lián)邦政府將進(jìn)一步改善條件，促進(jìn)企業(yè)創(chuàng)業(yè)和中小型ICT企業(yè)的融資。

（二）法國

軟件產(chǎn)業(yè)被認(rèn)為是國家經(jīng)濟(jì)的“火車頭”。從2000年開始，法國政府就比較重視軟件的研究與開發(fā)工作，并將軟件課題列為國家關(guān)鍵技術(shù)項目。法國政府對軟件領(lǐng)域研究和創(chuàng)新的支持政策由兩大部分組成：其一，積極參與歐盟框架研究計劃下的信息科技計劃（IST）和尤里卡框架下的ITEA計劃；其二，利用國家軟件技術(shù)研究創(chuàng)新網(wǎng)開發(fā)未來的軟件元件技術(shù)和集成技術(shù)。2012年2月法國發(fā)布的《數(shù)字法國2020》主要包括三大主題：發(fā)展固定和移動寬帶、推廣數(shù)字化應(yīng)用和服務(wù)以及扶持電子信息企業(yè)的發(fā)展。

在專項法規(guī)、研發(fā)扶持政策及示范運(yùn)營項目方面，1983年，法國開始采用研發(fā)稅收激勵政策，歷經(jīng)幾次修改后，1992年將其命名為研發(fā)稅收抵免（簡稱CIR），《2004年財政法案》將其修訂為一項永久性的、開展創(chuàng)新活動的公共政策。2008年，對CIR政策實施的重要改革，使法國成為了歐洲提供最優(yōu)惠研發(fā)稅收激勵政策的國家。

（三）俄羅斯

信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)正在對俄羅斯各經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域產(chǎn)生越來越深刻的影響。國際金融危機(jī)之后，俄羅斯政府出臺了系列促進(jìn)產(chǎn)業(yè)多樣化發(fā)展的戰(zhàn)略規(guī)劃，包括在2010年出臺的《信息社會發(fā)展規(guī)劃（2011-2020）》、2012年發(fā)布的《2018年前信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》、2013年出臺的《2014-2020年信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略及2025年遠(yuǎn)景規(guī)劃》、2014年出臺的《2030年前科技發(fā)展前景預(yù)測》等文件。

在專項法規(guī)、研發(fā)扶持政策及示范運(yùn)營項目方面，斯科爾科沃創(chuàng)新中心是俄羅斯政府開始積極探索依托創(chuàng)新發(fā)展，實現(xiàn)轉(zhuǎn)型道路的重大戰(zhàn)略舉措。2010年9月，俄羅斯議會通過了《斯科爾科沃創(chuàng)新中心法》，此后，俄政府批準(zhǔn)了創(chuàng)新中心的商業(yè)運(yùn)作模式，并出臺了系列優(yōu)惠政策，在政策優(yōu)惠力度和開放程度方面都達(dá)到了史無前例的規(guī)模。信息技術(shù)是斯科爾科沃創(chuàng)新中心建設(shè)重點布局并優(yōu)先發(fā)展五大領(lǐng)域技術(shù)之一。在信息技術(shù)領(lǐng)域，重點發(fā)展新一代多媒體搜索引擎、影像識別處理技術(shù)、分析軟件、手機(jī)應(yīng)用、新一代數(shù)據(jù)傳輸與存儲、云計算、信息安全、無線傳感網(wǎng)絡(luò)、醫(yī)藥領(lǐng)域信息技術(shù)。

（四）印度

印度軟件產(chǎn)業(yè)的迅速崛起是發(fā)展中國家發(fā)展新興產(chǎn)業(yè)取得成功的經(jīng)典案例。在過去30年內(nèi)，印度從一個經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)薄弱、社會矛盾突出的貧窮國家一躍成為世界軟件生產(chǎn)大國，堪稱世界軟件產(chǎn)業(yè)發(fā)展史上的一個奇跡。為了推動軟件業(yè)的發(fā)展，印度政府出臺了大量的宏觀戰(zhàn)略規(guī)劃。上世紀(jì)90年代初，印度率先在軟件業(yè)開始了經(jīng)濟(jì)體制的轉(zhuǎn)型，頒布了《軟件技術(shù)園區(qū)（SPT）計劃》，對IT產(chǎn)業(yè)的發(fā)展推出了許多新的扶持政策，如免除進(jìn)入高科技園區(qū)的公司進(jìn)出口軟件的雙重賦稅，免征全部產(chǎn)品用于出口的軟件商的所得稅等。1999年，政府組建了獨立的信息技術(shù)部，具體負(fù)責(zé)信息技術(shù)行業(yè)的政策制定、產(chǎn)業(yè)管理和實施項目等。為更好地協(xié)調(diào)信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，還成立了內(nèi)閣信息委員會，頒布了《信息技術(shù)法》，建議政府各部將2%-3%的預(yù)算用于發(fā)展信息技術(shù)，如信息技術(shù)產(chǎn)品的開發(fā)、采購、人員培訓(xùn)和服務(wù)等。軟件產(chǎn)業(yè)的零稅率政策，軟件和服務(wù)公司的銀行貸款“優(yōu)先權(quán)”，極大地刺激了軟件產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，引發(fā)了印度軟件行業(yè)的一場革命。

三、國外工業(yè)軟件發(fā)展趨勢

國外軍工企業(yè)廣泛重視并大力推進(jìn)面向武器裝備研制全生命周期過程的工業(yè)軟件研究與應(yīng)用，使工業(yè)軟件技術(shù)在各個方面都取得了迅猛發(fā)展。

（一）各種設(shè)計、制造、仿真等工程軟件的復(fù)雜度和集成度不斷提高

CAD三維建模技術(shù)的創(chuàng)新與融合。三維建模技術(shù)形成了直接建模、特征建模、曲面建模和同步技術(shù)多種建模方式。其中同步技術(shù)則是一種將特征建模和直接建模相結(jié)合，從而實現(xiàn)在三維環(huán)境下，進(jìn)行尺寸驅(qū)動及伸展變形的三維造型方法和約束求解技術(shù)。

集成一體化的CAD/CAE功能。隨著設(shè)計、仿真一體化的不斷推進(jìn)，國際流行的Creo、NX、Solid Edge等三維CAD軟件都已經(jīng)內(nèi)嵌了一些基礎(chǔ)的、易學(xué)易用的仿真功能。設(shè)計師在產(chǎn)品設(shè)計過程中，就可以做一些簡單的仿真分析，有些軟件甚至提供更專業(yè)化的仿真功能。例如，CATIA與Abaqus、Optistruct的結(jié)合，Inventor與Ansys軟件的集成，NX與Nastran的融合等。

機(jī)、電、軟一體化協(xié)同設(shè)計。針對機(jī)電一體化協(xié)同設(shè)計，大型CAD軟件提供了機(jī)電一體化概念設(shè)計MCD解決方案，利用系統(tǒng)工程原理，全程跟蹤客戶需求，直至完成最終設(shè)計；協(xié)同運(yùn)用機(jī)械原理、電氣原理和自動化原理，加快設(shè)計交付速度、減少設(shè)計流程后期的集成問題；借助機(jī)電一體化概念設(shè)計解決方案，可以在設(shè)計流程的任何環(huán)節(jié)對設(shè)計進(jìn)行仿真和交互操作。

與高性能計算技術(shù)的結(jié)合。充分利用多核CPU、HPC、并行計算等新興技術(shù)提高虛擬仿真的分析效率、減少計算時間，將會是CAE技術(shù)一個非常重要的發(fā)展方向。目前，各大CAE軟件廠商如ANSYS、MSC、DS SIMULIA、Altair等都已經(jīng)逐步把高性能計算技術(shù)結(jié)合到軟件中。未來計算機(jī)硬件與軟件技術(shù)良好的結(jié)合后將會把虛擬仿真的運(yùn)算速度提升到一個新的高度。而為了跟上計算機(jī)硬件高速發(fā)展的步伐，新型的高精度和高效率并行算法正被研究，一些實用的新算法將不斷問世。而新的算法在對復(fù)雜工程或產(chǎn)品仿真時，能夠充分發(fā)揮超級并行計算系統(tǒng)的軟、硬件資源優(yōu)勢，高效率和高精度地獲得計算結(jié)果。

（二）集成化、系統(tǒng)化、平臺化成為工業(yè)軟件的發(fā)展方向

CAD/CAM/CAPP軟件集成技術(shù)在國外軍工制造業(yè)中取得了良好的應(yīng)用成效。CAD/CAM/CAPP軟件集成在武器裝備的研制生產(chǎn)中已廣泛應(yīng)用，改變了信息系統(tǒng)“孤島”建設(shè)的局面，統(tǒng)一數(shù)據(jù)源使得信息共享，研制周期大為縮短。在設(shè)計與過程管理集成及優(yōu)化方面，洛·馬公司基于Windchill系統(tǒng)建立了集成化信息管理平臺，用作洛·馬公司旗下所有設(shè)計數(shù)據(jù)和項目管理數(shù)據(jù)的主框架，實現(xiàn)了項目主承制商和位于多個國家的供應(yīng)商之間異地、異構(gòu)信息的集成和協(xié)同工作。通過設(shè)計、制造、管理軟件的全面集成，波音公司、洛·馬公司在飛機(jī)型號研制中已經(jīng)應(yīng)用數(shù)字化制造技術(shù)進(jìn)行飛機(jī)復(fù)合材料零件的設(shè)計、制造和管理，實現(xiàn)了數(shù)字化設(shè)計制造一體化。

產(chǎn)品全生命周期集成管理軟件已經(jīng)成為構(gòu)建產(chǎn)品數(shù)字化綜合集成研制的基礎(chǔ)，促進(jìn)應(yīng)用軟件向平臺化方向發(fā)展?；赑LM構(gòu)建數(shù)字化研制集成能力平臺，可實現(xiàn)設(shè)計、制造、管理的全面集成，全面支撐產(chǎn)品持續(xù)創(chuàng)新。波音、空客、洛·馬等宇航企業(yè)基于PLM系統(tǒng)建成了全球協(xié)同研制平臺和集成數(shù)字化環(huán)境，大幅度提高了系統(tǒng)研制性能，節(jié)約研制時間達(dá)50%。NASA基于Windchill軟件構(gòu)建了一體化協(xié)同環(huán)境ICE，實現(xiàn)其載人探測飛行器（CEV）開發(fā)。在ICE中，利用Windchill進(jìn)行項目管理和實施，實現(xiàn)安全的數(shù)據(jù)管理、實時制定決策和貫穿于整個項目生命周期的有效的變更管理等重要功能；基于統(tǒng)一的數(shù)據(jù)視圖，統(tǒng)一了所有NASA員工和NASA供應(yīng)商所用的數(shù)據(jù)；通過強(qiáng)大的自動化工作流可以促進(jìn)項目和分散在不同地方的并行產(chǎn)品開發(fā)工作。