尽早实现飞机系统的虚拟集成

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尽早实现飞机系统的虚拟集成

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高层摘要

尽管民用和军用航空开发已略有完善，但仍然存在一些重大挑战。从当今的飞机结构概念、推动系统选择和系统架构不难看出，在过去的 40 年里，技术彻底改变了这一过程，但如今的开发概念几乎已经达到极限。为了应对未来空中交通需求相关的众多挑战，亟需全新技术和概念。航空行业即将在全球范围面临重大挑战，从新出台的公共政策和法规到不断变化的个人价值以及越来越灵活的生活方式。与其他行业一样，航空行业必须在解决能源有限这一问题的同时降低其碳排放量。气候变化、交通堵塞以及不断提高的安全需求，将显著影响未来的空中交通概念。随着世界经济关联性的不断增强，航空行业作为一个整体协作、为后代发展更佳可行空中交通概念的必要性也日益明显。为此，航空行业需要彻底转变。简而言之，航空行业本身必须彻底改造。
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采用基于模型的设计

尽早实现飞机系统的虚拟集成

为设计更加轻型、更加节能环保的飞机，系统功能集成程度必须更高。
飞机团体促使工程师们开始展望新设计概念和技术。由此 产生的概念前景光明，但飞机的复杂度却日益提高。如果 制造如今的飞机存在困难，那么我们又如何对新一代飞机 进行工程设计和组装呢？幸运的是，我们已经认识到其中 潜在的集成问题：不同子系统之间的动态交互越来越多， 控制软件呈指数级增长。为迎合环境法规要求，必须转而 使用电动化程度更高的飞机以及类似复合材料这样的轻型 新材料。实际挑战在于，使用更多电动化设备就会显著增 加热载。较重要的是，民航乘客要求更高的舒适度和安全性， 同时还要降低碳排放量。
2010 年 11 月的《航空周刊》文章作者格雷厄姆 · 沃里克(Graham Warwick) 和盖伊 · 诺里斯 (Guy Norris) 在捕捉到飞机行业从复杂到复合飞机管理过渡过程中面临的本质问题之后提出 “为成功而设计 – 如果要提高项目性能， 就必须重新思考系统工程”。尽管在定义飞机项目的过程中已经充分考虑所有已知因素，但这些项目仍然经常遭遇重大开发延误和大量成本超支。实际上，大家可以大致估算一下，重大商用飞机项目一年的延期无形中可以产生每年10 亿美元的资金消耗。
项目性能不佳的一个主要原因可能就在于，没有建立专门 应对当前飞机复杂问题的工程部门。过去，制造飞机没有 那么复杂，涉及的合作伙伴也更少。如今，飞机开发是牵 涉多个系统的复杂过程，可以具体划分到不同子系统之中。开发部门通常以每个独立部门为单位，单独负责每项子系 统。例如，在商用民空行业，工程部门通常按照航空运输 协会 (ATA) 参考标准分派工作。譬如，ATA 32 为起落架， ATA 24 为电力。用飞机行业术语说，整个飞机开发团体包含最多的就是风险共担合作伙伴  (RSP)，而他们实际上是通过文档沟通的。

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Simcenter Amesim 提供一整套现成的物理库，可以非常轻松地根据客户自身行业特性扩展。
问题在于，如何让所有这一切协同合作，如何做到事半功倍。与复杂系统不同，复合系统不能拆分为一系列独立的子系 统。它本身就是一个系统或组件。这是问题的核心所在。为设计更加轻型、更加节能环保的飞机，系统功能集成程 度必须更高，与控制飞机的机载软件程序互连程度必须更高。
不难想象，设计这种复合系统面临的难度很大，但真正的难题在于，设计一种能够捕获不同系统动态或活动集成的复合系统。如今的重大问题是由于动力系统、结构或控制之类不同系统之间的动态交互造成的。遗憾的是，如今的 工程过程和组织工作方式并没有提供应对这一难题的方式。基于文档的系统工程并不会捕获这种动态交互。这方面的 佐证在整个航空团体随处可见，航空团体是一群有着丰富 经验和专业知识的人员组织，他们遭受集成问题影响的程 度最高。
“如果要提高项目性能，就必须重新思考系统工程。”
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采用基于模型的设计

借助于如今的技术，工程过程的改进潜力巨大，具体途径就在于实施基于模型的设计方法。Siemens Digital Industries Software 公司的产品生命周期管理 (PLM) 系统，例如 Teamcenter? 软件，可以及早在工程过程中捕获并追踪需求，然后继续记录需求并在整个产品生命周期中检查需求满足情况。这一过程从物料清单 (BOM) 开始，管理所有变更，在所有飞机子系统中追踪需求验证，直到进入集成系统测试过程。
在系统和结构工程级别，例如 Simcenter 系统仿真解决方案这样的可扩展多域工程工具可用于实施基于模型的设计 方法并捕获从组件级别到飞机系统级别的飞机系统复杂性。
系统工程主要就是研究正常和异常条件下以及整个工作周期中不同物理现象是如何影响产品功能的。显然，飞机复杂性这样的问题让真正跨领域的工程工具成为必需。
开发典型飞机系统通常需要掌握结构、机械、电气、液压、气动、热和控制工程学。Simcenter AmesimTM 以一种集成方式捕获不同物理域，同时解决物理和动态交互问题。此工具提供一整套现成的物理库，可以非常轻松地根据客户自身库扩展。
要实现从基于文档的系统工程向基于模型的系统工程转变， 另一项要求就是提供系统集成环境，用其集成并模拟飞机 系统级别的不同子系统。实际上，如果要在概念开发和详 细系统设计阶段尽快捕获实际动态交互，必须考虑这些系 统在现实世界中的交互方式。
飞机行业意识到，如果使用虚拟测试策略前端装载这些系统，就极有可能战胜集成问题。这通常需要集成各种各样本质不同的模型。Simcenter 系统仿真解决方案恰好允许工程师们执行这些类型的集成测试。
Siemens Digital Industries Software 已 经 实 施 虚 拟 集成飞机 (VIA) 的专用功能，包括从设计早期到硬件在环和虚拟铁鸟的所有 V 循环。如今， 借助新型信息技术 (IT) 功能，不同 ATA 部门可以跨越不同部门之间的鸿沟并检查自身与整个系统环境的集成情况。我们坚信，通过提前发现不利动态交互问题，这一过程的改变可以阻止飞机系统集成问题。
借助于如今的技术， 工程过程的改进潜力巨大。
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从改进型集成中获益

以更多电气系统设计现代飞机，需要更为强大的电力系统。每个电气系统的内在需求就是散热。环境控制系统  (ECS) 可以确保飞机、客舱及其系统的通风和冷却功能正常。
这表示要更改先前的飞机架构。赋予重要功能的电气系统的安全操作本质上取决于冷却功能是否恰当。过去，这些系统被区别对待。随着飞机电气组件的增多，忽略环境控制和电气系统之间的动态交互，势必会产生更多潜在的集成问题。
如今，飞机架构本质上不仅需要反映动态交互和物理系统， 还要反映众多性能因素，譬如节油、安全性、排放和客舱舒适度。
部分集成飞机模型融合了空气系统，包括 ECS、电气系统、两个引擎、辅助电源设备 (APU) 和燃油系统。这种模型考虑了聚集热流的结构块中的热平衡。
集成模型中主要子系统之间的交互由部门之间的接口合约、标准化通信协议定义。每个 ATA 模型背后都是各个 ATA 系统的多级别、详细物理表示。
借助于集成模型，飞机架构师可以在协同式系统环境中工作并检查系统架构选择对于整个系统级别的影响。他们在决策的时候可以权衡飞机的能源使用率和热系统。这通常会影响能耗。使用这一系统级方法并辅以物理系统建模， 可以让决策更加智能、选择更加明智，并最终带来更好的产品。

尽早实现飞机系统的虚拟集成

虚拟集成飞机的组成部分
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结论

显而易见，通过系统仿真进行基于模型的设计在飞机开发领域的重要性日益提高。这一方法让工程师们能够加快需求定义过程并根据认证级别性能要求进行设计。这是尽早实现飞机成熟方案的更佳途径，也是避开行业目前面临的集成问题的一种可靠方式。
值得庆幸的是，已经存在这方面的工具，能够帮助飞机行业掀起工程方法的重大变革；工程师们可以利用这些工具表示飞机中的所有物理场，例如结构、机械、流体、电气、热，并模拟其动态交互。这些工具能够满足组件级别到系统级别的需求，并且可以集成到 PLM 过程中。
理想情况下，系统仿真允许产品以更佳可行方式在整个开发周期中不断演进，从早期概念阶段，直到最终认证和工作周期。这种方法能够实现物理和数字世界之间的闭环， 在航空行业扩展的整个企业范围内，实现真正的协同式工程过程。
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