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建模与仿真在F-35战斗机项目中发挥大作用

时间:2019-11-21 14:32来源:空天防务观察 作者:中国航空

 

2019年10月,美国国防部官员表示2019年不会批准F-35战斗机开始全速生产,这一里程碑节点甚至可能将推至2021年1月。美国国防部原本打算在2019年底前做出全速生产的决定,但是由于联合仿真环境(Joint Simulation Environment,JSE)仍然面临的延期问题等原因,美国防部将不得不推迟长达13个月的时间。JSE是美国国防部测试F-35任务系统的关键设施,大量的测试、验证工作需要在JSE中完成,目前尚不清楚这种延迟是否会导致F-35项目计划成本的增加。据洛克希德·马丁公司称,尽管本应在2019年夏天完成的测试延迟,但生产仍在继续,2018年年产91架,到2023年目标年产160架。

一、美军对五代机试验要求高

F-35的初始作战试验与鉴定(IOT&E)目的是验证武器系统的作战效能,确保其能满足作战使用。 IOT&E由五角大楼作战试验与鉴定总监罗伯特·贝勒(Robert Behler)负责,在该工作未完成之前,F-35仍然按照低速初始生产(LRIP)阶段去生产。当前,物理训练环境太有限,无法全面测试先进的第五代飞机和其他先进平台。在未来作战中将出现的一系列高威胁情况下,需要JSE对F-35进行仿真评估。JSE包含了现代化的空中威胁和密集的综合防空威胁天气,地理和航程限制等特征,从而可用来证明飞机具有应对各种威胁和复杂场景的能力。

JSE正在整合洛克希德·马丁公司的F-35数字化模型(F-35 In A Box, FIAB),仿真模型F-35的传感器系统集成到了整个飞机系统中,FIABJSE环境中用于完成对F-35飞机模拟。

 

高置信度建模思路(美国洛马公司图片)

F-35这种极其复杂的飞机所需要开发和测试环境远远超过传统飞机所需要的能力。除了现有的用于飞机系统、任务系统和作战分析的实验室外,F-35项目还包括互用性和自主化后勤保障专业。这种需求导致了需要众多的实验室一起配合,其中许多实验室需要结合非常详细的设计。之前的项目大部分的复杂性体现在实验室硬件配置中,但随着五代机能力的增加,其复杂性也体现在了要测试任务系统模型、飞机系统模型与环境(自然和战术环境,包括大气、地形、目标、武器和威胁)的交互。洛克希德·马丁公司的F-22战斗机的作战试验与鉴定验证了测试五代机能力的重要性。F-35将吸取 F-22的经验教训,争取试验得更加充分。 

 

 

各代战斗机能力及复杂性演进示意图(美国洛马公司图片


二、美军对F-35仿真要求高

1重视仿真模型

美军先后多次给F-35项目有关仿真工作的合同,用于测试战斗机的高度复杂的软件和硬件系统。合同主要包括全任务模拟器(FMS)、虚拟仿真模型(Virtual SimulationVSim)等方面。VSim 模型开发集成工作正在德克萨斯州的沃斯堡马里兰州的帕图克森特河海军航空站和加利福尼亚的爱德华兹空军基地进行。

VSim目标能在各种作战条件下测试F-35高度复杂的软件和硬件系统的功能。F-35配备了战斗机上最复杂的传感器和电子战系统,在整个寿命周期中,其软件和硬件(例如健康监测系统和传感器)之间的集成一直存在问题。尽管VSim面临着反复的延期,但是该仿真模型对于完成IOT&E至关重要。

 

F-35设计验证流程(美国洛马公司图片)

2重视仿真环境

洛克希德·马丁公司最初为F-35的测试提出了虚拟验证方案。但是在2015年,美国防部为了更好的测试F-35作战所要求的威胁密度和复杂性,将测试工作改为要结合JSE,并移交给马里兰州的帕图克森特河海军航空站和仿真和分析设施(SimAF)。但是这两设施的JSE功能有限美空军提倡建设新的JSE设施,一处是加利福尼亚州的爱德华兹空军基地JSE面积2,1988平方米)另一个位于内华达州内利斯空军基地JSE面积1,5535平方米)。JSE设施也在设计中考虑到灵活性,这两个设施都将采用相似的硬件和软件配置,因此两个环境将能够增强彼此的能力。爱德华兹空军基地将专注于开发测试,内利斯空军基地将专注于作战测试。

JSE是一个可伸缩的、可扩展的、高保真的政府所有的、非专有的建模和仿真环境,能解决物理实验环境中存在的空域限制问题、GPS干扰限制以及其他安全问题等。JSE的总体目标是支持军方测试人员和工业部门工程师在装备的开发和测试阶段测试多个平台。

美空军的长期目标是不仅仅在F-35项目中使用JSE,还考虑将JSE用于F-22传感器升级的作战测试,以及F-15E红外搜索和跟踪测试,和F-15的具备主动干扰功能的导弹来袭告警系统测试。甚至还可以将JSE用于未来的B-21轰炸机和其他未来战斗机平台的开发与测试。

 

 

场景验证示意图,图中蓝方可见1架B-2A轰炸机和4架F-35战斗机(美国洛马公司图片)

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