国外军工产品研发模式发展趋势浅析

◎中国运载火箭技术研究院总体设计部 熊焕

一、普遍采用集成优化设计与并行工程

为提升型号研制水平和运载火箭总体性能，国外航天机构和一流军工企业普遍采用了基于并行工程的集成产品开发模式、数字化设计手段和多学科集成优化设计技术，并开发了专业的设计系统，构建了先进的集成设计环境。通过将这些先进的设计手段与理念的综合应用，显著地提高了研发设计的效率和能力，从根本上提升了军工企业的生存力和竞争力，笔者结合实例进行简要阐述。

洛克希德·马丁公司围绕导弹研发设计开发了交互式导弹设计系统，系统集成了几何引擎、推进系统、气动分析、空气热环境分析、结构动力学、武器效能及费用模型等，构造了基于网络的实时协同设计环境。该系统通过产品设计过程的集成和优化，可以快速对导弹进行概念和初始设计，使设计速度提高为原来的4倍，并能在导弹概念设计阶段为洛马公司节约大量开支。该系统在包括联合低空发射导弹等众多项目中得到运用。

此外，洛马公司还围绕超/高超音速飞行器的研发设计开发了超/高超音速飞行器设计系统，它是一个涉及热、弹道、结构、控制、气动、推进、成本、可靠性等方面的多学科系统。传统上对这些学科的分析是独立进行的，所以导致了飞行器设计过程的低效。但该系统将这些设计分析集成到一个统一的设计平台，并与各个专业的分析模块紧密结合，实现了需求—几何—分析—优化—数据管理的一体化自动设计过程，在概念设计阶段就能对设计方案进行快速评估。该系统可以独自捕获和处理各学科知识，推动多学科协同和并行工程，并实现集成的工程仿真分析和寻优，为跨大气层运载器的设计与仿真提供了条件。

为了新型可重复使用运载器的顺利研发，NASA开发了全新的先进工程环境用于新型运载器的设计和分析，这是一个支持新一代航空/宇航飞行器研发设计的系统平台和环境，通过网络门户和设计过程管理、设计与工程分析工具集成以及产品模型数据集成管理，实现了分布、并行、合作的研发设计方式。新的工程环境建设，使NASA在可重复使用运载器的研制过程中可以方便、灵活地实现多构型、多方案、多技术的比较及融合，并通过多学科联合分析方法的应用来确保优化方案的可靠性。

为了克服日益复杂的研制需求所带来的项目研制风险，实现设计经验的固化、项目流程的优化，ESA开发了协同工程环境。通过开发并实际使用协同工程环境，ESA有效地解决了需求管理、项目管理等问题，实现了设计流程、设计文档、设计方法、设计工具、设计架构和设计成果本身的重复使用，显著提升了型号的研制效率，降低了项目风险。

ESA还建立了多个并行设计支撑环境，由服务器、网络资源、基础软件、多媒体系统、多学科团队、标准规范等共同组成，实现了资源共享、协同设计的目的，在方案论证工作中发挥了重要作用。近年来，ESA相关部门采用并行设计支撑环境完成了130余项未来项目的系统级概念研究与设计，以及7个新型运载器项目的概念设计，极大地缩短了研发周期，同时改进了产品质量和任务设计的一致性与完整性、技术可行性、风险控制及成本控制。

二、广泛应用仿真技术

美国把仿真技术纳入国家关键技术清单，并将仿真技术看作是“军队和经费效率的倍增器”，广泛应用于研制开发、试验鉴定、作战分析等领域。美国在“基于威胁”向“基于能力”军事转型的过程中，不断加强了复杂战场环境体系的对抗能力，并且将仿真作为军事理论研究和武器装备效能评估的重要手段。美国通过发布国防部体系结构框架来加强作战体系的互联、互通和互操作能力；不断完善模型体系，大量采用基于仿真技术的系统验证与优化方法来验证武器系统作战概念和评估武器系统方案的优劣；在效能评估方面，充分将武器系统的性能和要完成的使命联系起来，对武器系统生命周期的效费比进行评估。

例如，2010年美国导弹防御局和诺斯罗普·格鲁曼公司利用仿真系统完成了2009年的弹道导弹防御系统性能评估活动。该活动是一个端对端系统级仿真，用于分析弹道导弹防御系统集成雷达、通信网络以及拦截弹在各种场景内如何开展工作，反映了弹道导弹防御系统从敌方导弹发射到对其进行拦截的全过程。评估活动利用仿真系统进行了2500次以上的试验，并为36个截然不同的场景设定了基础配置，性能评估活动取得了成功。

此外，美国德雷珀实验室在改进“三叉戟”导弹制导与控制系统时，也采用了基于仿真技术的设计方法对方案验证和系统性能进行评估。

三、试验技术向虚实结合方向发展

虚拟试验是一种以虚拟样机模型、实物试验数据和知识为基础，配合可视化渲染和交互手段，在一个虚拟试验环境中模拟真实产品的物理试验过程。国外虚拟试验技术在军工产品研制中的应用基础已经具备，且结合数字化设计和仿真技术，使得综合试验验证发展所需的支撑技术逐渐具备，试验范围由单点型转向系统级和体系级，系统间交互能力大幅提升。另外，国外综合试验中的环境模拟技术日益成熟，形成了若干典型的环境模拟系统，积累了大量的环境模型。

美国等发达国家注重由权威部门主导的试验验证标准规范的制定和推广应用，用以规范试验系统集成过程中数据交换和流程再造。试验的标准化机制逐渐完善，有力地支撑了联合试验系统的结构，促进了虚拟试验技术的发展。传统的以实物试验为主的试验验证模式正在向虚实结合的综合试验验证模式发展，虚拟试验可提高试验的效率、降低风险，实物试验可提高虚拟试验的精度及可信性，两者相辅相成。