1、航空業(yè)的新格局和挑戰(zhàn)
前段時(shí)間看到一篇令人振奮的新聞，承載著“中國研發(fā)”和“打破波音空客壟斷”希望的中國“大飛機(jī)”C919，獲得了民航上海審定中心頒發(fā)的首個(gè)型號檢查核準(zhǔn)書，這標(biāo)志著C919飛機(jī)正式進(jìn)入局方審定試飛階段，離正式投入市場又跨進(jìn)了堅(jiān)實(shí)的一步。中國目前已成為除了美國、法國、德國、俄羅斯、巴西、加拿大、英國之外，世界上有能力研制大型飛機(jī)八大研制國之一。航空界正在從之前的由幾家巨頭壟斷，競爭相對平衡、發(fā)展相對緩慢的傳統(tǒng)行業(yè)，快速地向充滿競爭和創(chuàng)新的開放市場轉(zhuǎn)變。電動化、電氣化、新結(jié)構(gòu)、新材料、數(shù)字化等新技術(shù)的不斷涌現(xiàn)和深入，航空業(yè)看起來正在被快速重新定義。
純電動、混合動力、超音速私人飛機(jī)等新型飛機(jī)的發(fā)展趨勢超出想象，或許我們大部分人都錯過了世界上第一架超音速協(xié)和式飛機(jī)的體驗(yàn)飛行，但我們還有機(jī)會體驗(yàn)皮拉圖斯PC-24私人超音速飛機(jī)。如果能在有生之年乘坐純電動飛機(jī)環(huán)游世界，那真是個(gè)令人激動的夢想，看起來我們的夢想正在變成現(xiàn)實(shí)。由空客、羅爾斯羅伊斯和西門子（對的，西門子也造飛機(jī)）聯(lián)合開發(fā)的E-Fan X預(yù)計(jì)于2020年左右試飛，并計(jì)劃在2030年推出的第一架可以搭乘100名乘客、里程可以達(dá)到大約1,000公里的第一架電動民航飛機(jī)。西門子正在雄心勃勃地推動這一計(jì)劃，并且已經(jīng)取得了非常亮眼的成績。2011年，世界上第一架混合動力飛機(jī)DA36 eStar首航，這架特別的飛機(jī)就是集成了西門子驅(qū)動技術(shù)部開發(fā)的全新傳動系統(tǒng)。配有西門子電動飛機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)的Extra 330LE于2016年7月4日在德國丁斯拉肯市完成首航。重量約為1,000千克，打破了飛機(jī)的世界爬升記錄，最高速度可達(dá)337.50 km/h。
更大的機(jī)遇同時(shí)意味著更大的挑戰(zhàn)，航空業(yè)的工程師們的壓力和加班也在大幅增長，至少我了解到的商飛和西飛的技術(shù)工程師正處在這種狀態(tài)。挑戰(zhàn)不僅來自于越來越多的競爭對手涌入這個(gè)業(yè)界，導(dǎo)致機(jī)型交付的周期越來越緊張。還來自于世界環(huán)保組織對飛機(jī)更高的環(huán)保節(jié)能減排降低其碳排放量要求的要求，和更高的乘客舒適度的要求。當(dāng)然第一位的是要滿足氣候變化、交通堵塞以及不斷提高的安全需求。
飛機(jī)的研發(fā)是一個(gè)龐大且長周期的大工程，并且涉及到多學(xué)科、多部門、研發(fā)&制造&實(shí)驗(yàn)&認(rèn)證多階段協(xié)同，經(jīng)歷設(shè)計(jì)方案迭代、制造、試驗(yàn)、試航認(rèn)證的復(fù)雜的過程。C919是從2008年開始研發(fā)的，已經(jīng)過了12年，還進(jìn)一步要經(jīng)過嚴(yán)格的試航認(rèn)定。雖然在過去的幾十年里，飛機(jī)結(jié)構(gòu)概念、推動系統(tǒng)選擇和系統(tǒng)架構(gòu)都得到了很大的提升，但如今的開發(fā)概念幾乎已經(jīng)達(dá)到極限。如何提高飛機(jī)的整體工程性能、縮短研發(fā)周期是兩個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。重大商用飛機(jī)項(xiàng)目的交付如果延誤一年，就會產(chǎn)生10億美元的資金消耗。
2、新航空業(yè)成功的秘訣：新的數(shù)字化策略和飛機(jī)的性能工程相關(guān)的仿真技術(shù)應(yīng)用
如何應(yīng)對這些棘手并且系統(tǒng)性的難題，國外的諸多行業(yè)成功案例給了我們很有價(jià)值的參考：必須采用“新的數(shù)字化策略”。從結(jié)構(gòu)、空氣動力學(xué)、系統(tǒng)性能、熱管理到驗(yàn)證和認(rèn)證管理，全過程使用仿真技術(shù)、構(gòu)建可擴(kuò)展的飛機(jī)數(shù)字化雙胞胎。
數(shù)字化研發(fā)策略這個(gè)概念看起來已經(jīng)是老生常談，近10年在工業(yè)軟件廠商的努力下，中國的各個(gè)行業(yè)包括航空航天行業(yè)，都對CAE、PLM、數(shù)字孿生的概念已經(jīng)“相當(dāng)”熟悉，但是我們對數(shù)字化研發(fā)應(yīng)用的深度如何、廣度如何、收獲的價(jià)值如何，個(gè)人認(rèn)為我們還有相當(dāng)大的提升空間。
和飛機(jī)性能工程相關(guān)的氣動性能工程、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度性能工程、系統(tǒng)性能工程、集成測試驗(yàn)證和認(rèn)證、熱管理五個(gè)主要方面，當(dāng)然還有很多細(xì)分的CAE應(yīng)用，不做完整相關(guān)性描述。
空氣動力性能工程不僅影響機(jī)身，而且影響許多其他飛機(jī)系統(tǒng)。包括推進(jìn)、環(huán)境控制、起落架、冰保護(hù)和航空電子設(shè)備在內(nèi)的系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和性能取決于最佳空氣動力學(xué)性能。飛機(jī)的CFD仿真不僅包括外部空氣動力特性，還包括空氣動力噪聲、腹部整流罩和翼體整流罩設(shè)計(jì)、APU進(jìn)氣道和導(dǎo)管以及內(nèi)部流體動力學(xué)的多種應(yīng)用。
在飛機(jī)項(xiàng)目中，結(jié)構(gòu)保證了非經(jīng)常性成本的60%，而結(jié)構(gòu)工作流帶來的麻煩會導(dǎo)致項(xiàng)目延遲長達(dá)5年，開發(fā)超支成本高達(dá)50%。所以結(jié)構(gòu)的CAE仿真的價(jià)值和重要性顯而易見。
起落架仿真是一個(gè)經(jīng)典的應(yīng)用，涉及到液壓系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)、多體機(jī)構(gòu)運(yùn)動。吉凱恩航宇?？似鹇浼芄緫?yīng)用Simcenter的1D組件（Simcenter Amesim）和3D組件（Simcenter 3D Motion）設(shè)計(jì)安全可靠的起落架，實(shí)現(xiàn)了30%的時(shí)間節(jié)省。這個(gè)解決方案的組合不僅在飛機(jī)制造企業(yè)得到廣泛應(yīng)用，在飛機(jī)適航性認(rèn)證機(jī)構(gòu)也有成功應(yīng)用案例。飛機(jī)在正式投放市場之前，必須經(jīng)過飛機(jī)適航性認(rèn)證機(jī)構(gòu)的認(rèn)證，適航性認(rèn)證整個(gè)認(rèn)證過程成本高昂且十分耗時(shí)。以起落架的認(rèn)證為例，要求通過實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)、地面試驗(yàn)和飛行試驗(yàn)多階段認(rèn)證，考慮到如此復(fù)雜的工程問題，物理測試方法明顯受限。上海航空器適航審定中心(SAACC)即現(xiàn)在的Simcenter 3D Motion成功確立了C919起落架系統(tǒng)的剛?cè)岫囿w動力學(xué)仿真模型。幫助認(rèn)證專家改進(jìn)分析確認(rèn)和適航審定效率。該模型還考慮了各種復(fù)雜設(shè)計(jì)參數(shù)和環(huán)境參數(shù)，使得適航審定專家能夠模擬很多試驗(yàn)條件下難以重現(xiàn)的情況，從而大幅改進(jìn)檢驗(yàn)工作的認(rèn)證效率和信心。
飛機(jī)的系統(tǒng)性能包括電氣系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、環(huán)境控制系統(tǒng)、飛行控制、燃料系統(tǒng)、著陸系統(tǒng)、運(yùn)動模擬的仿真，機(jī)電液聯(lián)合控制系統(tǒng)是飛機(jī)系統(tǒng)性能的核心，液壓系統(tǒng)作為電氣信號控制機(jī)械運(yùn)動的傳遞中樞，在飛機(jī)的起落架、艙門閉合系統(tǒng)、環(huán)境控制、燃料系統(tǒng)等各個(gè)重要部件系統(tǒng)中起控制作用，Simcenter Amesim在這方面無疑是不二的全能型選手。開發(fā)典型飛機(jī)系統(tǒng)通常需要掌握結(jié)構(gòu)、機(jī)械、電氣、液壓、氣動、熱和控制工程學(xué)。Simcenter Amesim以一種集成方式捕獲不同物理域，同時(shí)解決物理和動態(tài)交互問題。
空客直升機(jī)對Simcenter Amesim的應(yīng)用有很高的參考價(jià)值，在采用Simcenter Amesim之前，空客直升機(jī)的液壓和飛行控制部門專家只能獲得液壓系統(tǒng)的準(zhǔn)靜態(tài)表示。絕大部分參數(shù)只能在原型測試階段決定。此外，液壓模型與更廣泛的協(xié)同仿真環(huán)境無法兼容。通過使用Simcenter Amesim將液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)間減少三分之一，將原型成本減少四分之一；使用Simcenter Amesim的熱、液壓、機(jī)械和燃料設(shè)備功能，預(yù)測燃料系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了飛行測試時(shí)間減半；將燃料系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段縮短12個(gè)月，將集成階段縮短9個(gè)月，效率非常顯著。
現(xiàn)代的商用飛機(jī)越來越電氣化，系統(tǒng)集成化，不同子系統(tǒng)之間的動態(tài)交互越來越多，控制軟件呈指數(shù)級增長，虛擬集成飛機(jī)(VIA)技術(shù)的應(yīng)用越來越呈現(xiàn)價(jià)值，包括從設(shè)計(jì)早期到硬件在環(huán)和虛擬鐵鳥的所有V循環(huán)，使得不同部門可以跨越鴻溝并檢查自身與整個(gè)系統(tǒng)環(huán)境的集成情況。同時(shí)，高度的電氣化和集成化，和復(fù)合材料等結(jié)合應(yīng)用，帶來了更大的熱量與能源管理挑戰(zhàn)，包括電氣設(shè)備的散熱、機(jī)艙的熱舒適度。更重要的是，民航乘客要求更高的舒適度和安全性，同時(shí)還要降低碳排放量。
空客A320 neo飛機(jī)利用Simcenter STAR-CCM+（CFD軟件）、HEEDS（多學(xué)科多目標(biāo)優(yōu)化軟件）聯(lián)合，實(shí)現(xiàn)在遠(yuǎn)離地面30,000英尺的高空，外部溫度為-40度到-60華氏度(F)的情況下提供舒適的內(nèi)艙氣候。軟件尋優(yōu)設(shè)計(jì)方法使得兩周內(nèi)完成了更好的ECS設(shè)計(jì)，減少了90%的周轉(zhuǎn)時(shí)間。
CAE仿真在航空業(yè)的應(yīng)用已經(jīng)有相當(dāng)普遍，仿真的應(yīng)用朝著更大的模型、更系統(tǒng)的輸入邊界、更多的物理場耦合邁進(jìn)。雖然仿真是實(shí)現(xiàn)飛機(jī)研發(fā)數(shù)字化的關(guān)鍵，但是到此為止，我們的數(shù)字模型和物理模型還是脫離的，通過人工采集邊界條件輸入到CAE，所以并不能系統(tǒng)完整實(shí)時(shí)動態(tài)地進(jìn)行仿真。而且設(shè)計(jì)、制造、測試三個(gè)環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)不是統(tǒng)一的，所以并不能做到三個(gè)部門之間，基于模型和數(shù)據(jù)的協(xié)作，所以CAE的應(yīng)用價(jià)值進(jìn)行到一定深度后，會越來越感覺到瓶頸，解決這個(gè)瓶頸并不能通過用更好的CAE工具或更好的CAE工程師，這時(shí)我們看到了一個(gè)既熟悉又陌生的名詞：數(shù)字孿生。
3、新航空業(yè)成功的秘訣：新的數(shù)字化策略數(shù)字孿生戰(zhàn)略
從西門子航空、皮拉圖斯超音速私人飛機(jī)、空客直升機(jī)等成功經(jīng)驗(yàn)來看，無一不是基于數(shù)字孿生的基礎(chǔ)上，對CAE和PLM的深度應(yīng)用，他們把數(shù)字孿生技術(shù)定義為取得項(xiàng)目成功的最關(guān)鍵要素，是核心競爭力，而非采用了電動新能源、復(fù)合材料等新技術(shù)，當(dāng)然新技術(shù)的應(yīng)用對成功也是不可或缺，但最重要的是“軟件”層面。
飛機(jī)的使用生命周期可以達(dá)到幾十年，所以把整個(gè)生命周期的數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄、分析不僅僅是很有價(jià)值的，而是必須的?；谖臋n的部門協(xié)作模式，必須轉(zhuǎn)向基于模型的、數(shù)字孿生的數(shù)字化協(xié)作模式。
關(guān)于使用數(shù)字化雙胞胎，最好的概括方式就是構(gòu)建和維護(hù)大量超現(xiàn)實(shí)模型和數(shù)據(jù)，它們最好能通過實(shí)時(shí)仿真預(yù)測整個(gè)生命周期內(nèi)的產(chǎn)品行為。這些模型根據(jù)不同應(yīng)用情況分幾種比例和實(shí)例構(gòu)建，融合多個(gè)方面，包含最佳和物理描述，鏡像真實(shí)產(chǎn)品壽命。當(dāng)數(shù)字化雙胞胎部署到完整范圍時(shí)，它會跟蹤影響產(chǎn)品運(yùn)作的所有參數(shù)信息。其中包含初始設(shè)計(jì)和進(jìn)一步的改進(jìn)、與制造相關(guān)的偏差、修改、不確定性、更新，以及機(jī)載一體化車輛健康管理(IVHM)系統(tǒng)的傳感器數(shù)據(jù)、維護(hù)歷史記錄和數(shù)據(jù)挖掘可以獲取的所有歷史數(shù)據(jù)和航空數(shù)據(jù)。
所以，只有應(yīng)用完整的數(shù)字孿生技術(shù)（Holistic Digital Twin），建立大量【超現(xiàn)實(shí)】模型和數(shù)據(jù)，包含Digital Product（數(shù)字產(chǎn)品模型）,Digital Production（數(shù)字制造模型）,Digital Performance（數(shù)字性能模型），實(shí)時(shí)、雙向、透明、系統(tǒng)地考慮設(shè)計(jì)、制造、性能，才有可能控制和降低研發(fā)周期，否則隨著研發(fā)難度的增加，延期交付的風(fēng)險(xiǎn)會越來越大。另外，只有全數(shù)字化，才有可能突破性能設(shè)計(jì)的瓶頸。
所以數(shù)字化雙胞胎在航空界的應(yīng)用并不是將來要去做的事情，而是必須是當(dāng)下就要去實(shí)施的非常重要的戰(zhàn)略。當(dāng)然數(shù)字化雙胞胎的實(shí)施非常有難度，這不僅僅是技術(shù)層面的事情，數(shù)字化雙胞胎的應(yīng)用涉及到研發(fā)體系架構(gòu)、研發(fā)制造試驗(yàn)驗(yàn)證流程的重定義，所以通常會“大動干戈”。當(dāng)然，數(shù)字孿生也沒有那么高大上遙不可及，其實(shí)我們或許已經(jīng)多多少少實(shí)現(xiàn)了部分?jǐn)?shù)字孿生。數(shù)字孿生的應(yīng)用可以分階段，從局部到整體，分步推進(jìn)，逐漸完善。從波音、西門子航空等成功案例的觀點(diǎn)來看，也是如此。以仿真和數(shù)字孿生為核心的數(shù)字化策略，正在成為驅(qū)動新航空業(yè)成功的秘訣。
雖然航空航天的技術(shù)門檻非常高，和西方國家比起來，我們還有很長一段路去超越，但是中國巨大的市場和大量的工程科技人才、以及不畏艱苦，勤苦耐勞是我們獨(dú)有的優(yōu)勢，中國的航空界看起來有信心正在復(fù)制中國的高鐵、5G通信的奮發(fā)圖強(qiáng)、自主研發(fā)創(chuàng)新之路，逆襲成為國際航空業(yè)強(qiáng)有力的競爭者。
