国外航天工业软件技术及应用发展

◎中国航天系统科学与工程研究院 石胜友

随着航天工业化与信息化“两化”的发展，工业软件作为其背后必不可少的推手和关键技术，也在“两化”不断深入发展中逐步从简单的应用走向功能复杂的应用，涵盖航天产品论证、设计、制造、试验、管理及维护的各个环节。本文简要分析了国外典型航空航天产品研制过程工业软件应用概况，阐述了德国、法国、俄罗斯、印度等软件产业发达国家推进软件技术发展的相关计划、战略及政策，最后分析了国外工业软件的发展趋势。

一、支撑国外航天产品研制的应用软件情况

（一）NASA 软件体系

从人类首次登陆月球简洁有效的阿波罗导航系统到使用了五十万行软件代码的“好奇号”火星探测器降落红色星球，软件已成为NASA航天型号任务成功的核心。过去五年间，NASA已经共享了5000多段代码，拥有了一个灵活的专用软件发布专业基础设施，代码从NASA应用向工业转化的流程顺畅而简化。

2014年，NASA对公众发布了最新的可重用软件目录，该目录覆盖了项目管理系统、设计工具、数据处理、图像处理，以及生命维护功能方案、航空飞行、结构分析，机器人及自治系统等15个大类，如图1所示。

其中，项目管理类包括了采办、业务流程、物业管理、风险管理、调度等5个子类，共发布软件111项；数据服务器处理类包括了算法、数据管理、路由器、服务器、存储等5个子类，共发布软件84项；材料与工艺类包括零件、制造、生产工艺、复合材料等4个子类，共发布软件17项；系统测试类包括声学、震动、振动、热真空、泄露与压力测试、测试准则、测试管理与规划、空气动力学测试等8个子类，共发布软件75项；推进类包括推进剂、低温学、发动机与电动机性能分析等3个子类，共发布软件39项；电子与电力类包括太阳能阵列、电池、线缆、接地、变频器、点分析等6个子类，共发布软件8项；操控类包括地面软件、遥测、指令与控制、全球定位系统、太空船外活动、无线电、通信等7个子类，共发布软件95项，结构与机械类包括部署、结构负载分析与设计等2个子类，共发布软件10项；环境科学（地球、大气层、太空、外星球）类包括陆地环境、行星大气建模、辐射屏蔽等3个子类，共发布软件87项；设计与集成工具类包括运载/有效载荷建模与分析、组件与集成系统仿真等2个子类，共发布软件151项；船员与生命维持类包括生物传感器、食物、医药、生物分析、船员支持、基本的人体模型和认知等6个子类，共发布软件30项；自治系统类包括机器人、自动化系统、系统健康监测等3个子类，共发布软件39项；运载器管理（太空/大气/地面）包括飞行软件、飞行器处理、指令与数据处理、仪器管理等4个子类，共发布软件54项；数据与图像处理包括算法、数据分析、数据处理等3个子类，共发布软件138项；航空飞行类包括空中交通管理工具、建模与仿真工具等2个子类，共发布软件33项。发布的各类软件数量总计近千项，分布如图2所示。

图1 NASA 软件体系

图2 NASA软件类别及数量分布图

在NASA发布的近千项软件或代码中，主要是针对美国政府和国内发布，对美国政府发布587项，占发布总数的61%，仅对美国国内发布212项，占发布总数的22%，供项目协同的开源发布109项，占发布总数的11%，而针对美国以外的公众发布为28项，仅占此次发布总数的3%，其发布使用范围及占比如表1所示。

（二）支撑“猎户座”飞船Orion研制的应用软件

“猎户座”飞船是NASA新型宇宙飞船，是“星座计划”的关键组成部分，由洛·马公司负责设计和建造，飞船由两个飞行器构成，载人探测飞船（CEV）和货物运载飞船（CLV），可同时向国际空间站输送6名宇航员，并能够同时向月球输送4名宇航员。飞船首飞时间最初定于2015年，但2010年初，因为资金短缺，进度拖后，设计思想有争议等原因，美国政府终结“星座计划”，“猎户座”飞船也随之成为泡影，后又通过计划，执行飞往月球、登陆小行星，乃至最终到火星的探测任务。2014年12月5日，“猎户座”飞船在佛罗里达州卡纳维尔角基地发射升空，首飞成功，NASA表示这是一次重大的进展，将是1972年12月阿波罗17号进行最后一次载人登月后，首个外层空间载人探测计划，“猎户座”飞船的发射被视为美国航天飞机退役后最受瞩目的航天事件。“猎户座”飞船研制过程中，数字化设计、仿真、制造等软件发挥了核心支撑作用。支撑“猎户座”飞船研制的数字化设计、制造软件主要采用了市场上成熟的商业软件，而飞船研制过程的诸多仿真软件则由NASA相关机构自行研发或基于商业软件包研发而成，这是由于航天产品研制过程仿真具有专业性极强的特点决定的，商业软件无法承担这一功能，这对我国大力加强航天产品研制过程数字化仿真软件的研发力度具有重要的借鉴意义。由NASA相关机构研发的飞船仿真软件，包括发射终止系统引导与控制仿真、飞船/火箭发射与上升仿真、飞船进入、下降和着陆仿真、降落伞样板舱虚拟测试、降落伞装配系统新的空投试验舱仿真，构建了通用仿真环境、降落伞仿真环境等。

表1 NASA发布软件使用范围数量统计

（三）支撑新一代运载火箭战神（Ares）研制的应用软件

美国新一代运载火箭战神（Ares）是“星座计划”的关键组成部分，“星座计划”的终止让战神火箭未出山即夭折，但奥巴马此举遭到美国参议院的激烈反对，出于维持美国太空领先地位的考虑，美国参议院很快在NASA 2011财年授权法案中加入研制一款3000吨级运载火箭的要求，取代“星座计划”中的战神1和战神5，这就是后来的美国太空发射系统SLS火箭。SLS火箭的终极货运版性能指标乃至结构与战神5极为相似，美国人实际是在争论中浪费2、3年时间。战神系列火箭的进展是美国新一轮航天工程的重要步骤，与其他各国已经服役或在研的重型火箭相比，战神系列火箭具有技术成熟、成本低廉、运载能力无与伦比的优势。战神系列火箭研制过程中，数字化设计、仿真、制造等软件的应用是火箭成功的关键，研发过程除了使用商业成熟软件开展基于模型的全三维设计、结构分析与优化设计、制造仿真、火箭移动发射器仿真、上面级运输、吊装、堆放及匹配仿真外，还构建了多学科分析与优化设计环境、分布式空间探索仿真环境，研发了蒙特卡罗仿真、硬件在回路实时仿真、上面级推力矢量控制仿真软件。

（四）支撑波音787飞机研制的应用软件

波音787飞机研制的成功是商业成熟的设计、分析、制造、管理软件和波音公司多种自研软件成功的典范。各种数字化设计、制造、仿真等软件为型号产品的设计开发提供了重要支撑，软件的复杂度和集成度不断提高。3D设计、MDO软件逐渐成为支撑产品快速研制的关键，CAE技术和产品广泛应用于航天各类零部件、组件、全机的设计、分析、试验、仿真、测试和故障诊断、制造和维护。波音787采用CAE技术后，机翼配置的风洞测试数量大大减少，从767项目的50多种不同的机翼配置减少到787项目只测试了10多种。产品全生命周期集成管理软件已经成为构建产品数字化综合集成研制的基础，基于PLM的数字化研制集成能力平台，实现设计、制造、管理的全面集成，全面支撑产品持续创新。波音787研制覆盖了全球60个地点，300个供应商，设计过程将更加依赖于协同设计和开发，制造过程将极度倾向于成品装配件（少于100个），在广域协同环境下，在整个787价值链中，实施了新的PLM流程和技术。

二、国外软件产业发展计划、战略与政策

（一）德国

德国政府非常重视IT产业的鼓励政策，认为IT业的发展对国家经济、社会发展具有重要的战略意义。为鼓励IT产业发展，德政府出台了一系列不同层面的规划、政策措施，其中，《信息通讯技术2020——为创新而科研》规划和《信息社会德国2010》行动方案两个文件是纲领性的，具有引领作用。

在专项法规、研发扶持政策及示范运营项目方面，德联邦政府于2010年推出了“数字德国2015”战略和《德累斯顿共识：抓住德国ICT机遇》，为发展德国软件产业制定了发展政策和相关具体措施。

在财政政策方面，德联邦政府将发起新的“成立者竞争—ICT创新”倡议以及通过EXIST创业基金，支持科学界进行ICT创业。另外，联邦政府将进一步改善条件，促进企业创业和中小型ICT企业的融资。

（二）法国

软件产业被认为是国家经济的“火车头”。从2000年开始，法国政府就比较重视软件的研究与开发工作，并将软件课题列为国家关键技术项目。法国政府对软件领域研究和创新的支持政策由两大部分组成：其一，积极参与欧盟框架研究计划下的信息科技计划（IST）和尤里卡框架下的ITEA计划；其二，利用国家软件技术研究创新网开发未来的软件元件技术和集成技术。2012年2月法国发布的《数字法国2020》主要包括三大主题：发展固定和移动宽带、推广数字化应用和服务以及扶持电子信息企业的发展。

在专项法规、研发扶持政策及示范运营项目方面，1983年，法国开始采用研发税收激励政策，历经几次修改后，1992年将其命名为研发税收抵免（简称CIR），《2004年财政法案》将其修订为一项永久性的、开展创新活动的公共政策。2008年，对CIR政策实施的重要改革，使法国成为了欧洲提供最优惠研发税收激励政策的国家。

（三）俄罗斯

信息技术产业正在对俄罗斯各经济领域产生越来越深刻的影响。国际金融危机之后，俄罗斯政府出台了系列促进产业多样化发展的战略规划，包括在2010年出台的《信息社会发展规划（2011-2020）》、2012年发布的《2018年前信息技术产业发展规划》、2013年出台的《2014-2020年信息技术产业发展战略及2025年远景规划》、2014年出台的《2030年前科技发展前景预测》等文件。

在专项法规、研发扶持政策及示范运营项目方面，斯科尔科沃创新中心是俄罗斯政府开始积极探索依托创新发展，实现转型道路的重大战略举措。2010年9月，俄罗斯议会通过了《斯科尔科沃创新中心法》，此后，俄政府批准了创新中心的商业运作模式，并出台了系列优惠政策，在政策优惠力度和开放程度方面都达到了史无前例的规模。信息技术是斯科尔科沃创新中心建设重点布局并优先发展五大领域技术之一。在信息技术领域，重点发展新一代多媒体搜索引擎、影像识别处理技术、分析软件、手机应用、新一代数据传输与存储、云计算、信息安全、无线传感网络、医药领域信息技术。

（四）印度

印度软件产业的迅速崛起是发展中国家发展新兴产业取得成功的经典案例。在过去30年内，印度从一个经济基础薄弱、社会矛盾突出的贫穷国家一跃成为世界软件生产大国，堪称世界软件产业发展史上的一个奇迹。为了推动软件业的发展，印度政府出台了大量的宏观战略规划。上世纪90年代初，印度率先在软件业开始了经济体制的转型，颁布了《软件技术园区（SPT）计划》，对IT产业的发展推出了许多新的扶持政策，如免除进入高科技园区的公司进出口软件的双重赋税，免征全部产品用于出口的软件商的所得税等。1999年，政府组建了独立的信息技术部，具体负责信息技术行业的政策制定、产业管理和实施项目等。为更好地协调信息技术产业的发展，还成立了内阁信息委员会，颁布了《信息技术法》，建议政府各部将2%-3%的预算用于发展信息技术，如信息技术产品的开发、采购、人员培训和服务等。软件产业的零税率政策，软件和服务公司的银行贷款“优先权”，极大地刺激了软件产业的发展，引发了印度软件行业的一场革命。

三、国外工业软件发展趋势

国外军工企业广泛重视并大力推进面向武器装备研制全生命周期过程的工业软件研究与应用，使工业软件技术在各个方面都取得了迅猛发展。

（一）各种设计、制造、仿真等工程软件的复杂度和集成度不断提高

CAD三维建模技术的创新与融合。三维建模技术形成了直接建模、特征建模、曲面建模和同步技术多种建模方式。其中同步技术则是一种将特征建模和直接建模相结合，从而实现在三维环境下，进行尺寸驱动及伸展变形的三维造型方法和约束求解技术。

集成一体化的CAD/CAE功能。随着设计、仿真一体化的不断推进，国际流行的Creo、NX、Solid Edge等三维CAD软件都已经内嵌了一些基础的、易学易用的仿真功能。设计师在产品设计过程中，就可以做一些简单的仿真分析，有些软件甚至提供更专业化的仿真功能。例如，CATIA与Abaqus、Optistruct的结合，Inventor与Ansys软件的集成，NX与Nastran的融合等。

机、电、软一体化协同设计。针对机电一体化协同设计，大型CAD软件提供了机电一体化概念设计MCD解决方案，利用系统工程原理，全程跟踪客户需求，直至完成最终设计；协同运用机械原理、电气原理和自动化原理，加快设计交付速度、减少设计流程后期的集成问题；借助机电一体化概念设计解决方案，可以在设计流程的任何环节对设计进行仿真和交互操作。

与高性能计算技术的结合。充分利用多核CPU、HPC、并行计算等新兴技术提高虚拟仿真的分析效率、减少计算时间，将会是CAE技术一个非常重要的发展方向。目前，各大CAE软件厂商如ANSYS、MSC、DS SIMULIA、Altair等都已经逐步把高性能计算技术结合到软件中。未来计算机硬件与软件技术良好的结合后将会把虚拟仿真的运算速度提升到一个新的高度。而为了跟上计算机硬件高速发展的步伐，新型的高精度和高效率并行算法正被研究，一些实用的新算法将不断问世。而新的算法在对复杂工程或产品仿真时，能够充分发挥超级并行计算系统的软、硬件资源优势，高效率和高精度地获得计算结果。

（二）集成化、系统化、平台化成为工业软件的发展方向

CAD/CAM/CAPP软件集成技术在国外军工制造业中取得了良好的应用成效。CAD/CAM/CAPP软件集成在武器装备的研制生产中已广泛应用，改变了信息系统“孤岛”建设的局面，统一数据源使得信息共享，研制周期大为缩短。在设计与过程管理集成及优化方面，洛·马公司基于Windchill系统建立了集成化信息管理平台，用作洛·马公司旗下所有设计数据和项目管理数据的主框架，实现了项目主承制商和位于多个国家的供应商之间异地、异构信息的集成和协同工作。通过设计、制造、管理软件的全面集成，波音公司、洛·马公司在飞机型号研制中已经应用数字化制造技术进行飞机复合材料零件的设计、制造和管理，实现了数字化设计制造一体化。

产品全生命周期集成管理软件已经成为构建产品数字化综合集成研制的基础，促进应用软件向平台化方向发展。基于PLM构建数字化研制集成能力平台，可实现设计、制造、管理的全面集成，全面支撑产品持续创新。波音、空客、洛·马等宇航企业基于PLM系统建成了全球协同研制平台和集成数字化环境，大幅度提高了系统研制性能，节约研制时间达50%。NASA基于Windchill软件构建了一体化协同环境ICE，实现其载人探测飞行器（CEV）开发。在ICE中，利用Windchill进行项目管理和实施，实现安全的数据管理、实时制定决策和贯穿于整个项目生命周期的有效的变更管理等重要功能；基于统一的数据视图，统一了所有NASA员工和NASA供应商所用的数据；通过强大的自动化工作流可以促进项目和分散在不同地方的并行产品开发工作。