數(shù)字工程推動美國高超聲速武器研發(fā)

■ 張強(qiáng) 李茜 / 中國航發(fā)渦輪院

高超聲速武器作為美國國防部重點(diǎn)發(fā)展的復(fù)雜工程項(xiàng)目，在技術(shù)開發(fā)與成熟方式上并不完全支持工業(yè)化解決方案。而采用數(shù)字工程方法可以使高超聲速武器從開發(fā)到生產(chǎn)、組裝和保障的全生命周期的虛擬化，為實(shí)現(xiàn)裝備更快的設(shè)計(jì)、無縫裝配和升級打開了方便之門，為高超聲速武器開發(fā)中存在的問題提供解決辦法。

美國國防部在2018年正式發(fā)布數(shù)字工程戰(zhàn)略（Digital Engineering Strategy）， 并 將其定義為一種集成的數(shù)字方法，通過在全生命周期內(nèi)跨學(xué)科、跨領(lǐng)域地連續(xù)傳遞模型和數(shù)據(jù)，借助超級計(jì)算、數(shù)據(jù)分析、人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)等創(chuàng)新技術(shù)以提升工程能力，實(shí)現(xiàn)敏捷采辦、夯實(shí)工業(yè)基礎(chǔ)、促進(jìn)制造業(yè)變革。

被寄予厚望的數(shù)字工程

近年來，美國自認(rèn)為在高超聲速武器進(jìn)展方面處于相對被動的局面。大國競爭戰(zhàn)略下對未來高超聲速武器庫規(guī)模需求，導(dǎo)致美國投入更大精力以提升高超聲速武器產(chǎn)能。美國最新發(fā)布的“國家高超聲速倡議2.0”（NHI2.0）是一份面向未來的長遠(yuǎn)計(jì)劃，希望幫助其獲得“破壞性和先進(jìn)的作戰(zhàn)能力”，在全球舞臺上重獲競爭優(yōu)勢。美國國防部認(rèn)為，為了實(shí)現(xiàn)可負(fù)擔(dān)的能力，美國必須打破陳舊方式，以更先進(jìn)的方式實(shí)現(xiàn)更多、更快生產(chǎn)。而美國發(fā)展數(shù)字工程，就是要對其敏捷供給能力體系進(jìn)行升級，數(shù)字化能力將在美國高超聲速武器的“設(shè)計(jì)—研發(fā)—制造”全生命周期發(fā)揮重要作用，支持高超聲速武器系統(tǒng)的快速規(guī)劃、敏捷設(shè)計(jì)、高效制造與精準(zhǔn)保障，以更經(jīng)濟(jì)和可持續(xù)的方式向作戰(zhàn)部隊(duì)快速交付先進(jìn)高超聲速武器。

B-52轟炸機(jī)發(fā)射ARRW導(dǎo)彈

2022年7月，為得到制造高超聲速武器所需吸氣式發(fā)動機(jī)的能力信息，美國空軍在向工業(yè)界發(fā)布的征詢書中，除了要求從事美國國防部高超聲速項(xiàng)目的公司概述其當(dāng)前和未來的生產(chǎn)能力預(yù)測外，還要指出在高超聲速發(fā)動機(jī)方面的技術(shù)創(chuàng)新以及是否應(yīng)用了數(shù)字工程等要素。數(shù)字工程與高超聲速武器研發(fā)的聯(lián)系愈加緊密。

數(shù)字工程在現(xiàn)有高超聲速項(xiàng)目的應(yīng)用

2022年7月12日，美國國防部高超聲速武器負(fù)責(zé)人邁克·懷特（Michael White）在高超聲速論壇中圍繞如何最大限度地提供高超聲速能力發(fā)表專題演講，指出國防部正在制訂一項(xiàng)名為“國家高超聲速倡議2.0”的未來戰(zhàn)略，希望創(chuàng)造一個更強(qiáng)大的能力通道和采辦生態(tài)環(huán)境，以負(fù)擔(dān)得起、負(fù)責(zé)任和穩(wěn)健的方式加快美國高超聲速技術(shù)發(fā)展。NHI2.0戰(zhàn)略中降低成本和提高設(shè)計(jì)制造能力的目標(biāo)與美國國防部正在實(shí)施的數(shù)字工程戰(zhàn)略不謀而合，一些軍工企業(yè)紛紛應(yīng)用數(shù)字工程技術(shù)促進(jìn)高超聲速武器的研發(fā)。

洛馬公司開設(shè)智能制造工廠

洛克希德-馬?。羼R）公司承擔(dān)了美國空海陸三軍的多個高超聲速武器項(xiàng)目，在美國國防部數(shù)字化轉(zhuǎn)型的浪潮下，洛馬公司積極參與數(shù)字工程建設(shè)，在多個項(xiàng)目中采用了數(shù)字線索（digital thread）和數(shù)字孿生（digital twin）技術(shù)。

2018年啟動的“空射快速響應(yīng)武器”（ARRW）項(xiàng)目旨在發(fā)展一型戰(zhàn)術(shù)機(jī)載高超聲速助推滑翔武器。作為該項(xiàng)目的總承包研商，洛馬公司在2021年開設(shè)了兩大智能工廠，助力ARRW導(dǎo)彈的制造。

2021年8月，洛馬公司在加利福尼亞州帕姆代爾的臭鼬工廠開設(shè)了一個占地2萬m2的先進(jìn)制造廠，支持空軍ARRW的初始樣機(jī)建造工作。該工廠具備數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施，能夠集成智能制造手段，搭載物聯(lián)網(wǎng)并快速、經(jīng)濟(jì)地提供尖端解決方案，使項(xiàng)目的快速迭代設(shè)計(jì)成為可能。

2021年10月，洛馬公司又在亞拉巴馬州考特蘭啟用了4號導(dǎo)彈裝配大樓（MAB4），重點(diǎn)支持ARRW后續(xù)制造工作。MAB4采用了先進(jìn)的數(shù)字技術(shù)，如機(jī)器人熱防護(hù)應(yīng)用能力、智能扭矩工具和基于混合現(xiàn)實(shí)的培訓(xùn)與虛擬檢查等。同時，制造車間還采用數(shù)字線索技術(shù)，做到生產(chǎn)設(shè)施間的數(shù)字化連接，對其狀態(tài)和運(yùn)營優(yōu)化進(jìn)行全維監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)以最高效率優(yōu)化生產(chǎn)，提升高超聲速導(dǎo)彈制造效率，降低生產(chǎn)成本。由于MAB4工廠匯集了洛馬公司最先進(jìn)的生產(chǎn)技術(shù)，使科研人員能夠充分利用數(shù)字工程在時間和空間上的便利性，徹底改變了開發(fā)和生產(chǎn)高超聲速武器的方式。

除了ARRW項(xiàng)目，基于數(shù)字化制造能力，洛馬公司還向國防部交付了其他高超聲速武器項(xiàng)目的產(chǎn)品，包括常規(guī)快速打擊（CPS）和遠(yuǎn)程高超聲速武器（LRHW）。在上述項(xiàng)目中，洛馬公司表示將與國防部和科研機(jī)構(gòu)長期合作，利用全公司最好的數(shù)字技術(shù)，為開發(fā)最先進(jìn)的高超聲速打擊能力鋪平道路。

雷神技術(shù)公司采用新型設(shè)計(jì)流程

高超聲速吸氣式武器概念(HAWC)項(xiàng)目于2013年啟動，旨在發(fā)展一型速度達(dá)到Ma6的高超聲速巡航導(dǎo)彈。雷神技術(shù)公司在HAWC項(xiàng)目的開發(fā)過程中充分應(yīng)用了數(shù)字工程技術(shù)，其項(xiàng)目負(fù)責(zé)人稱“所有的事情都在數(shù)字模型中完成”。

在過去的典型設(shè)計(jì)流程中，雷神技術(shù)公司一般是在一種集計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)/制造/工程于一體的軟件Pro/Engineer或類似工具中完成機(jī)械模型，以創(chuàng)建整個結(jié)構(gòu)的3D繪圖，進(jìn)而執(zhí)行計(jì)算流體力學(xué)等操作，然后再開展性能模型測試等。在此過程中，工程師需要從一個模型獲取結(jié)果并將其輸入另一個模型，帶來的問題是這種連續(xù)工作方法會驅(qū)使開發(fā)人員進(jìn)行一系列迭代，在將模型傳遞到下一步后，需要繼續(xù)更新模型，十分耗時。而在雷神技術(shù)公司的數(shù)字工程環(huán)境中，所有這些模型都匯集在一起，避免了迭代的過程。同時，隨著數(shù)字化模型繼續(xù)發(fā)展和成熟，還可以找到區(qū)域解決方案，而不是一個點(diǎn)解決方案。這使得整個工作變得有彈性，進(jìn)行了一定范圍的改動后仍能滿足任務(wù)需求，將更有利于生產(chǎn)。

為驗(yàn)證HAWC項(xiàng)目數(shù)字模型和仿真的準(zhǔn)確性，技術(shù)團(tuán)隊(duì)在高速風(fēng)洞中測試一個縮比樣件。試驗(yàn)結(jié)果顯示，數(shù)字化模型仿真結(jié)果非常準(zhǔn)確，甚至能夠通過數(shù)字化模型仿真結(jié)果觀察到風(fēng)洞試驗(yàn)中存在的異常情況并進(jìn)行糾正。通過用數(shù)字環(huán)境中的循環(huán)迭代學(xué)習(xí)代替硬件的制造和試飛以及簡化測試，雷神技術(shù)公司在HAWC項(xiàng)目中驗(yàn)證了對高超聲速飛行環(huán)境的建模能力。數(shù)字化設(shè)計(jì)和工程有能力使開發(fā)時間縮短30%或更多，甚至可能使試驗(yàn)測試時間縮短更多。

雷神技術(shù)公司的HAWC導(dǎo)彈

雷神技術(shù)公司對數(shù)字線索在高超聲速武器開發(fā)中的應(yīng)用十分重視，從采用開發(fā)—信息安全—運(yùn)營（DevSecOps）的方式進(jìn)行軟件研發(fā)開始，將使用、供應(yīng)鏈和持續(xù)保障等環(huán)節(jié)整合到單一的數(shù)字線索中，從而使開發(fā)時間縮短一半，并降低研發(fā)成本。

諾格公司成立數(shù)字化研發(fā)機(jī)構(gòu)

作為美國高超聲速巡航導(dǎo)彈超燃沖壓發(fā)動機(jī)的重要供應(yīng)商，諾斯羅普-格魯門（諾格）公司在其高超聲速項(xiàng)目中積極應(yīng)用數(shù)字工程。諾格公司的研究、技術(shù)和工程部門正在盡其所能，努力創(chuàng)造最先進(jìn)的三維設(shè)計(jì)技術(shù)，并將數(shù)字設(shè)計(jì)與數(shù)字制造技術(shù)結(jié)合起來，更快、更有效地提供更好的產(chǎn)品，優(yōu)化作戰(zhàn)人員的體驗(yàn)。

2021年7月，諾格公司宣布興建高超聲速卓越中心以支持高超聲速武器的設(shè)計(jì)、開發(fā)、生產(chǎn)和集成，配備先進(jìn)的生產(chǎn)技術(shù)并采用成熟的數(shù)字工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，使諾格公司能夠快速應(yīng)對技術(shù)的不斷發(fā)展及客戶需求的變化，以支持美國軍隊(duì)及其盟友應(yīng)對新興威脅。新的高超聲速生產(chǎn)設(shè)施將優(yōu)化開發(fā)效率，降低生產(chǎn)成本，能更快地將武器交付給作戰(zhàn)人員。此外，卓越中心通過運(yùn)用數(shù)字工程，可實(shí)現(xiàn)無損檢測的自動化處理，并部署自動化裝置來提高安全性和可靠性，優(yōu)化高超聲速導(dǎo)彈開發(fā)效率，降低生產(chǎn)成本。

2021年8月，諾格公司在亨茨維爾成立了新的導(dǎo)彈防御未來實(shí)驗(yàn)室（MDFL），采用了全面的建模、仿真和可視化技術(shù)，以促進(jìn)開發(fā)人員和作戰(zhàn)人員之間的創(chuàng)新和協(xié)作。該實(shí)驗(yàn)室憑借定制的服務(wù)器，以及處理和中繼來自導(dǎo)彈探測衛(wèi)星和地面站數(shù)據(jù)的能力，支持導(dǎo)彈防御系統(tǒng)工程師的研究、建模和模擬，協(xié)助開發(fā)跟蹤軟件，以應(yīng)對核威脅和其他威脅。諾格公司表示，通過與客戶在預(yù)研和設(shè)計(jì)之初開始合作，該公司將在國防工業(yè)進(jìn)行數(shù)字化轉(zhuǎn)型的過程中處于領(lǐng)先地位。

數(shù)字工程在新增高超聲速項(xiàng)目的應(yīng)用

除了以上所述項(xiàng)目，根據(jù)最新發(fā)布的2022財(cái)年預(yù)算，還可以看到數(shù)字工程在美國其他高超聲速項(xiàng)目中的應(yīng)用，包括高超聲速進(jìn)攻巡航導(dǎo)彈（HACM）項(xiàng)目和高超聲速空射（HALO）項(xiàng)目等。

諾格公司試驗(yàn)超燃沖壓發(fā)動機(jī)

HACM項(xiàng)目是美國空軍在2022財(cái)年新增的研發(fā)項(xiàng)目，旨在研發(fā)以超燃沖壓發(fā)動機(jī)為動力的高超聲速巡航導(dǎo)彈原型機(jī)并開展演示驗(yàn)證。預(yù)算報告顯示，該項(xiàng)目將支持原型機(jī)的技術(shù)開發(fā)和測試，支持?jǐn)?shù)字工程、開放系統(tǒng)架構(gòu)、建模分析和高性能計(jì)算環(huán)境建設(shè)等，為演示驗(yàn)證做技術(shù)儲備。

HALO項(xiàng)目在美國海軍2022財(cái)年預(yù)算中被首次披露，時稱“進(jìn)攻性反水面戰(zhàn)武器增量II”（OASuW Inc II），作為進(jìn)攻性反水面戰(zhàn)武器（OASuW）的后續(xù)型號。據(jù)預(yù)算信息，美國海軍將通過可選方案分析、原型設(shè)計(jì)及技術(shù)演示驗(yàn)證，有針對性地成熟子系統(tǒng)技術(shù)，并對組件和全尺寸原型進(jìn)行設(shè)計(jì)。在項(xiàng)目的采辦計(jì)劃中，該項(xiàng)目將使用數(shù)字工程和基于模型的系統(tǒng)工程實(shí)踐進(jìn)行需求確定、設(shè)計(jì)、貿(mào)易研究及分析，并完成未來作戰(zhàn)條件下的系統(tǒng)鑒定、組件/子系統(tǒng)試驗(yàn)、制造和維護(hù)的相關(guān)技術(shù)規(guī)劃。

結(jié)束語

當(dāng)前，以美國雷神技術(shù)公司、洛馬公司和諾格公司為代表的軍工企業(yè)積極響應(yīng)和應(yīng)用數(shù)字工程技術(shù)，促進(jìn)高超聲速武器裝備的開發(fā)和生產(chǎn)。隨著數(shù)字化模型的仿真度在所有行業(yè)中的提高，美國國防部對數(shù)字化仿真能力的信心迅速提升，工業(yè)界也將更快落地、啟動更多具有代表性的數(shù)字技術(shù)，以期幫助美國通過創(chuàng)新在高超聲速項(xiàng)目中獲得競爭優(yōu)勢。