F-35地位不保?美空军试飞神秘第六代战斗机 背后是“数字孪生”技术

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  图片来源:Northrop Grumman NGAD概念图

  近日,美国空军高级采购官员证实,美国空军秘密设计、制造并试飞了至少一架神秘的下一代战斗机原型机。据推测,这是五角大楼继第五代F-22和F-35战机之后,首次尝试建造“第六代”战斗机。

  这一进展绝对够劲爆,毕竟上一次看到了一架实验战斗机的首飞,还是在20年前的联合打击战斗机。“我们已经在现实世界中建造并试飞了一架全尺寸飞行演示机,我们打破了记录。”威尔·罗珀在美国空军协会的空中、空间和网络会议召开前接受Defense News独家采访时表示。“我们准备以前所未有的方式建造下一代战斗机。”

  由于下一代空中优势计划(Next Generation Air Dominance)的划分,几乎飞机本身的每一个细节都将是一个谜。在该计划下,美国空军正在努力部署一系列的空中作战系统,包括战斗机、无人机和其它太空或网络领域的网络平台。

  罗珀拒绝透露已经试飞了多少架原型机,也不愿透露是哪个国防承包商制造了这些原型机,第一次飞行是在何时何地进行的也没有透露。一句话来说,他拒绝透露飞机设计的任何方面——它的任务,是无人驾驶还是可选择的有人驾驶,是否能以高超音速飞行,或者它是否具有隐身特性。

  罗珀说,这些属性都不是重点!

  罗珀说,重要的是,在完成了对替代方案的分析仅仅一年之后,空军已经证明,它可以利用尖端的先进制造技术来建造和测试下一代战斗机的虚拟版本,然后建造一个全尺寸的原型机并搭载任务系统进行飞行。

  罗珀说,“这不仅仅是你可以应用到简单系统上的东西”,比如波音T-7红鹰教练机,这是第一架使用数字工程、敏捷软件开发和开放架构‘三合一’的空军飞机。

  “我们的目标是建造有史以来最复杂的系统,并在所有方面都采用这种数字技术。事实上,(我们)不仅仅是点睛之笔,(我们)展示了一些真正神奇的东西。”

  现在,下一代空中优势计划(简称NGAD)正处于一个决定性的时刻。罗珀拒绝透露美国空军多快将下一代战斗机投入生产,只是说“非常快”。但是在决定开始生产新一代战斗机之前,它必须决定购买多少架飞机以及什么时候开始购买——所有的选择都会影响到2022年的财政预算。

  该计划本身就有可能从根本上改变国防工业。如果空军在短期内为NGAD买单,它将给F-35和F-15EX项目增加一个挑战者,潜在地将这些项目置于危险之中。

  而且,由于制造NGAD的关键先进制造技术是由商业部门开创的,该项目可能会为飞机新主承包商的出现打开大门——也许还会给SpaceX创始人埃隆·马斯克一个机会,为F-35设计一个竞争对手。马斯克曾多次炮轰F-35过时落伍,不是无人机的对手。

  美国企业研究所的国防预算分析师Mackenzie Eaglen认为,全面披露飞行战斗机原型可能会在一个关键时刻,正是空军需要从国会获得更多财政支持时,NGAD面临预算限制,需要获得发展势头。

  美国空军向国会提交的2021财政年度预算提案中包括为该项目申请超过10亿美元,并计划在下一财政年度到2025年期间申请超过60亿美元。

  她表示:“如果你能迅速达成某种目标,并通过产品展示出进展,这只会改变国会的整个动态。”“(罗珀)遇到了如此多的阻力,这似乎是展示他的想法在概念上成功的一条可能途径。”

  也有人认为,基于NGAD项目的性质,该飞机最有可能是一种技术演示,将用于降低风险,并有助于证明支撑NGAD项目的主要概念。而巧合的是,最近在美国西南部的飞行测试活动有了显著的上升,这可能至少部分地表明NGAD相关的测试。

  罗珀提到的“打破记录”可能会让人联想到有人驾驶的X 飞机正在挑战极限的画面,但它同样也可能指的是飞机在设计和发展道路上取得的进步,即利用空军新“e系列”中推崇的数字工程技术。

  在过去的50年里,美国的工业基础已经从有能力制造先进战斗机的10家制造商缩小到只有3家国防公司:洛克希德·马丁公司、波音公司和诺斯罗普·格鲁曼公司。空军将一架新战斗机从研发到全速生产的时间从几年延长到几十年。而随着新战斗机的出现,用于制造新飞机的数字设计技术可能会增加竞争,增加美国军用飞机制造商的数量。

  美国空军今年7月透露,他们收到了18份关于一种新型无人机的投标,这种无人机可以与有人驾驶战斗机编队飞行。在波音、诺斯罗普·格鲁曼公司和通用原子公司赢得合同的同时,一直被猜测为收购对象的规模小得多的Kratos公司也获得了一份合同。

  虚拟工具创建新战斗机原型

  美国空军最新披露的战斗机原型机采用浸入式模拟和其它新的数字工具设计,预示着美国军事武器的创造和生产将进入一个新时代。

  军方官员没有透露关于下一代空中优势计划(简称NGAD)的细节,目前已知的是,空军及其承包商利用数据和新技术虚拟设计了这架飞机,这使得空军可以在短时间内建造和测试它,而F-35花了十多年的时间才建造完成。

  “有了eplane,我们可以更快地设计,更快地组装,更快地进行测试,并能够获得我们确定模型所需的数据。”罗珀周二告诉记者,“所以这些贯穿整个程序生命周期的数字线索,似乎加速了一切。加速发展带来的意外之财是,所有东西都能聚焦于真正重要的东西,因为数字模式允许你传达你已经知道的东西。”

  虚拟化本身并不新鲜。与以往不同的是,它的计算能力和数据的可用性使真实物体的数字版本在一个新的规模上变得可信和有用。这种数字孪生的做法可以追溯到工程师迈克尔·格里夫斯(Michael Grieves)在2002年的一次演讲,他当时在密歇根大学的产品生命周期管理中心工作。按照最初的设想,“数字孪生”是一个真实物体的数字版本,不是通过简单的计算机辅助设计技术,而是由真实物体上的传感器产生的数据创造出来的。

  “驱动这一模式的前提,每个系统包括两个系统,一直存在的物理系统和一个新的虚拟系统,包含所有的信息物理系统。”格里夫斯在2016年的一篇论文中写道:“这意味着有一个镜像或孪生系统存在于现实空间和虚拟空间之间,反之亦然。”

  他补充说,美国国防部正在探索下一代战斗机设计的概念。

  对于NGAD,空军使用来自F-35联合打击战斗机和T-7教练机的数据来开发一个虚拟原型,然后是一架实际的飞行飞机。

  罗珀说:“这次发布的消息并不是说我们刚刚建造了一架‘eplane’,并在我们的虚拟世界中试飞了很多次,我们已经做到了,而是说我们已经建造了一架全尺寸的飞行演示机,并在现实世界中试飞。”

  此外,它表明空军有足够的数据来快速开发各种各样的电子飞机,或者调整现有的设计,或者从零开始建造新的飞机。例如,罗珀说,如果他不得不建立另一个T-7后续教练机,它将需要少得多的测试。

  数字孪生并非空军独有。苹果为iPhone开发了这种技术,而特斯拉则为它生产的每一辆汽车都开发了一款数字孪生汽车。汽车上的传感器会提醒特斯拉汽车出现问题,并判断它是需要技工修复还是需要远程软件升级。所有这些传感器数据也会根据汽车在现实世界中的体验,进入新的更好的设计中。

  美国防部也在向太空进军。2018年4月,当时负责研究和工程的国防副部长迈克尔·格里芬(Michael Griffin)告诉议员们,在建造武器、网络和设备的过程中引入虚拟化和模拟的必要性。

  “我们正在开发一个能力验证服务和威胁模型,集成到一个联合仿真环境,这样我们才能进行高保真评估在任务情况下的潜在能力,部门可以更好地了解这些功能如何工作。”格里芬说。同年晚些时候,他继续推动学院采用新的数字工程策略。

  去年,五角大楼与一家名为Uptake的公司签订了合同,以建立一个虚拟的布拉德利战车的孪生兄弟,以更好地预测维修问题。罗珀表示,未来这项技术将帮助开发从卫星到洲际弹道导弹的一切东西。

  这一概念的创始人格里夫斯最近在一次采访中表示,数字孪生的应用可以延伸到航空母舰或任何军方建造的东西上。

  “在房间里放一个观察者,同时展示虚拟产品和实体产品的图像。”他说。“今天,几乎没有人能看出其中的区别。”

  前瞻高端装备研究组

  原文来源:

  https://www.defenseone.com/technology/2020/09/virtual-tools-built-air-forces-new-fighter-prototype/168505/

  https://www.defensenews.com/breaking-news/2020/09/15/the-us-air-force-has-built-and-flown-a-mysterious-full-scale-prototype-of-its-future-fighter-jet/

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