國外軍工產品研發模式發展趨勢淺析

◎中國運載火箭技術研究院總體設計部 熊煥

一、普遍采用集成優化設計與并行工程

為提升型號研制水平和運載火箭總體性能，國外航天機構和一流軍工企業普遍采用了基于并行工程的集成產品開發模式、數字化設計手段和多學科集成優化設計技術，并開發了專業的設計系統，構建了先進的集成設計環境。通過將這些先進的設計手段與理念的綜合應用，顯著地提高了研發設計的效率和能力，從根本上提升了軍工企業的生存力和競爭力，筆者結合實例進行簡要闡述。

洛克希德·馬丁公司圍繞導彈研發設計開發了交互式導彈設計系統，系統集成了幾何引擎、推進系統、氣動分析、空氣熱環境分析、結構動力學、武器效能及費用模型等，構造了基于網絡的實時協同設計環境。該系統通過產品設計過程的集成和優化，可以快速對導彈進行概念和初始設計，使設計速度提高為原來的4倍，并能在導彈概念設計階段為洛馬公司節約大量開支。該系統在包括聯合低空發射導彈等眾多項目中得到運用。

此外，洛馬公司還圍繞超/高超音速飛行器的研發設計開發了超/高超音速飛行器設計系統，它是一個涉及熱、彈道、結構、控制、氣動、推進、成本、可靠性等方面的多學科系統。傳統上對這些學科的分析是獨立進行的，所以導致了飛行器設計過程的低效。但該系統將這些設計分析集成到一個統一的設計平臺，并與各個專業的分析模塊緊密結合，實現了需求—幾何—分析—優化—數據管理的一體化自動設計過程，在概念設計階段就能對設計方案進行快速評估。該系統可以獨自捕獲和處理各學科知識，推動多學科協同和并行工程，并實現集成的工程仿真分析和尋優，為跨大氣層運載器的設計與仿真提供了條件。

為了新型可重復使用運載器的順利研發，NASA開發了全新的先進工程環境用于新型運載器的設計和分析，這是一個支持新一代航空/宇航飛行器研發設計的系統平臺和環境，通過網絡門戶和設計過程管理、設計與工程分析工具集成以及產品模型數據集成管理，實現了分布、并行、合作的研發設計方式。新的工程環境建設，使NASA在可重復使用運載器的研制過程中可以方便、靈活地實現多構型、多方案、多技術的比較及融合，并通過多學科聯合分析方法的應用來確保優化方案的可靠性。

為了克服日益復雜的研制需求所帶來的項目研制風險，實現設計經驗的固化、項目流程的優化，ESA開發了協同工程環境。通過開發并實際使用協同工程環境，ESA有效地解決了需求管理、項目管理等問題，實現了設計流程、設計文檔、設計方法、設計工具、設計架構和設計成果本身的重復使用，顯著提升了型號的研制效率，降低了項目風險。

ESA還建立了多個并行設計支撐環境，由服務器、網絡資源、基礎軟件、多媒體系統、多學科團隊、標準規范等共同組成，實現了資源共享、協同設計的目的，在方案論證工作中發揮了重要作用。近年來，ESA相關部門采用并行設計支撐環境完成了130余項未來項目的系統級概念研究與設計，以及7個新型運載器項目的概念設計，極大地縮短了研發周期，同時改進了產品質量和任務設計的一致性與完整性、技術可行性、風險控制及成本控制。

二、廣泛應用仿真技術

美國把仿真技術納入國家關鍵技術清單，并將仿真技術看作是“軍隊和經費效率的倍增器”，廣泛應用于研制開發、試驗鑒定、作戰分析等領域。美國在“基于威脅”向“基于能力”軍事轉型的過程中，不斷加強了復雜戰場環境體系的對抗能力，并且將仿真作為軍事理論研究和武器裝備效能評估的重要手段。美國通過發布國防部體系結構框架來加強作戰體系的互聯、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的系統驗證與優化方法來驗證武器系統作戰概念和評估武器系統方案的優劣；在效能評估方面，充分將武器系統的性能和要完成的使命聯系起來，對武器系統生命周期的效費比進行評估。

例如，2010年美國導彈防御局和諾斯羅普·格魯曼公司利用仿真系統完成了2009年的彈道導彈防御系統性能評估活動。該活動是一個端對端系統級仿真，用于分析彈道導彈防御系統集成雷達、通信網絡以及攔截彈在各種場景內如何開展工作，反映了彈道導彈防御系統從敵方導彈發射到對其進行攔截的全過程。評估活動利用仿真系統進行了2500次以上的試驗，并為36個截然不同的場景設定了基礎配置，性能評估活動取得了成功。

此外，美國德雷珀實驗室在改進“三叉戟”導彈制導與控制系統時，也采用了基于仿真技術的設計方法對方案驗證和系統性能進行評估。

三、試驗技術向虛實結合方向發展

虛擬試驗是一種以虛擬樣機模型、實物試驗數據和知識為基礎，配合可視化渲染和交互手段，在一個虛擬試驗環境中模擬真實產品的物理試驗過程。國外虛擬試驗技術在軍工產品研制中的應用基礎已經具備，且結合數字化設計和仿真技術，使得綜合試驗驗證發展所需的支撐技術逐漸具備，試驗范圍由單點型轉向系統級和體系級，系統間交互能力大幅提升。另外，國外綜合試驗中的環境模擬技術日益成熟，形成了若干典型的環境模擬系統，積累了大量的環境模型。

美國等發達國家注重由權威部門主導的試驗驗證標準規范的制定和推廣應用，用以規范試驗系統集成過程中數據交換和流程再造。試驗的標準化機制逐漸完善，有力地支撐了聯合試驗系統的結構，促進了虛擬試驗技術的發展。傳統的以實物試驗為主的試驗驗證模式正在向虛實結合的綜合試驗驗證模式發展，虛擬試驗可提高試驗的效率、降低風險，實物試驗可提高虛擬試驗的精度及可信性，兩者相輔相成。