1、航空業(yè)的新格局和挑戰(zhàn)
前段時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”C919，獲得了民航上海審定中心頒發(fā)的首個型號檢查核準書，這標志著C919飛機正式進入局方審定試飛階段，離正式投入市場又跨進了堅實的一步。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)展相對緩慢的傳統行業(yè)，快速地向充滿競爭和創(chuàng)新的開放市場轉變。電動化、電氣化、新結構、新材料、數字化等新技術的不斷涌現和深入，航空業(yè)看起來正在被快速重新定義。
純電動、混合動力、超音速私人飛機等新型飛機的發(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和式飛機的體驗飛行，但我們還有機會體驗皮拉圖斯PC-24私人超音速飛機。如果能在有生之年乘坐純電動飛機環(huán)游世界，那真是個令人激動的夢想，看起來我們的夢想正在變成現實。由空客、羅爾斯羅伊斯和西門子（對的，西門子也造飛機）聯合開發(fā)的E-Fan X預計于2020年左右試飛，并計劃在2030年推出的第一架可以搭乘100名乘客、里程可以達到大約1,000公里的第一架電動民航飛機。西門子正在雄心勃勃地推動這一計劃，并且已經取得了非常亮眼的成績。2011年，世界上第一架混合動力飛機DA36 eStar首航，這架特別的飛機就是集成了西門子驅動技術部開發(fā)的全新傳動系統。配有西門子電動飛機推進系統的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，打破了飛機的世界爬升記錄，最高速度可達337.50 km/h。
更大的機遇同時意味著更大的挑戰(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業(yè)界，導致機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。
飛機的研發(fā)是一個龐大且長周期的大工程，并且涉及到多學科、多部門、研發(fā)&制造&實驗&認證多階段協同，經歷設計方案迭代、制造、試驗、試航認證的復雜的過程。C919是從2008年開始研發(fā)的，已經過了12年，還進一步要經過嚴格的試航認定。雖然在過去的幾十年里，飛機結構概念、推動系統選擇和系統架構都得到了很大的提升，但如今的開發(fā)概念幾乎已經達到極限。如何提高飛機的整體工程性能、縮短研發(fā)周期是兩個巨大的挑戰(zhàn)。重大商用飛機項目的交付如果延誤一年，就會產生10億美元的資金消耗。
2、新航空業(yè)成功的秘訣：新的數字化策略和飛機的性能工程相關的仿真技術應用
如何應對這些棘手并且系統性的難題，國外的諸多行業(yè)成功案例給了我們很有價值的參考：必須采用“新的數字化策略”。從結構、空氣動力學、系統性能、熱管理到驗證和認證管理，全過程使用仿真技術、構建可擴展的飛機數字化雙胞胎。
數字化研發(fā)策略這個概念看起來已經是老生常談，近10年在工業(yè)軟件廠商的努力下，中國的各個行業(yè)包括航空航天行業(yè)，都對CAE、PLM、數字孿生的概念已經“相當”熟悉，但是我們對數字化研發(fā)應用的深度如何、廣度如何、收獲的價值如何，個人認為我們還有相當大的提升空間。
和飛機性能工程相關的氣動性能工程、結構強度性能工程、系統性能工程、集成測試驗證和認證、熱管理五個主要方面，當然還有很多細分的CAE應用，不做完整相關性描述。
空氣動力性能工程不僅影響機身，而且影響許多其他飛機系統。包括推進、環(huán)境控制、起落架、冰保護和航空電子設備在內的系統的設計和性能取決于最佳空氣動力學性能。飛機的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計、APU進氣道和導管以及內部流體動力學的多種應用。
在飛機項目中，結構保證了非經常性成本的60%，而結構工作流帶來的麻煩會導致項目延遲長達5年，開發(fā)超支成本高達50%。所以結構的CAE仿真的價值和重要性顯而易見。
起落架仿真是一個經典的應用，涉及到液壓系統、結構、多體機構運動。吉凱恩航宇福克起落架公司應用Simcenter的1D組件（Simcenter Amesim）和3D組件（Simcenter 3D Motion）設計安全可靠的起落架，實現了30%的時間節(jié)省。這個解決方案的組合不僅在飛機制造企業(yè)得到廣泛應用，在飛機適航性認證機構也有成功應用案例。飛機在正式投放市場之前，必須經過飛機適航性認證機構的認證，適航性認證整個認證過程成本高昂且十分耗時。以起落架的認證為例，要求通過實驗室試驗、地面試驗和飛行試驗多階段認證，考慮到如此復雜的工程問題，物理測試方法明顯受限。上海航空器適航審定中心(SAACC)即現在的Simcenter 3D Motion成功確立了C919起落架系統的剛柔多體動力學仿真模型。幫助認證專家改進分析確認和適航審定效率。該模型還考慮了各種復雜設計參數和環(huán)境參數，使得適航審定專家能夠模擬很多試驗條件下難以重現的情況，從而大幅改進檢驗工作的認證效率和信心。
飛機的系統性能包括電氣系統、液壓系統、環(huán)境控制系統、飛行控制、燃料系統、著陸系統、運動模擬的仿真，機電液聯合控制系統是飛機系統性能的核心，液壓系統作為電氣信號控制機械運動的傳遞中樞，在飛機的起落架、艙門閉合系統、環(huán)境控制、燃料系統等各個重要部件系統中起控制作用，Simcenter Amesim在這方面無疑是不二的全能型選手。開發(fā)典型飛機系統通常需要掌握結構、機械、電氣、液壓、氣動、熱和控制工程學。Simcenter Amesim以一種集成方式捕獲不同物理域，同時解決物理和動態(tài)交互問題。
空客直升機對Simcenter Amesim的應用有很高的參考價值，在采用Simcenter Amesim之前，空客直升機的液壓和飛行控制部門專家只能獲得液壓系統的準靜態(tài)表示。絕大部分參數只能在原型測試階段決定。此外，液壓模型與更廣泛的協同仿真環(huán)境無法兼容。通過使用Simcenter Amesim將液壓系統設計時間減少三分之一，將原型成本減少四分之一；使用Simcenter Amesim的熱、液壓、機械和燃料設備功能，預測燃料系統，實現了飛行測試時間減半；將燃料系統設計階段縮短12個月，將集成階段縮短9個月，效率非常顯著。
現代的商用飛機越來越電氣化，系統集成化，不同子系統之間的動態(tài)交互越來越多，控制軟件呈指數級增長，虛擬集成飛機(VIA)技術的應用越來越呈現價值，包括從設計早期到硬件在環(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系統環(huán)境的集成情況。同時，高度的電氣化和集成化，和復合材料等結合應用，帶來了更大的熱量與能源管理挑戰(zhàn)，包括電氣設備的散熱、機艙的熱舒適度。更重要的是，民航乘客要求更高的舒適度和安全性，同時還要降低碳排放量。
空客A320 neo飛機利用Simcenter STAR-CCM+（CFD軟件）、HEEDS（多學科多目標優(yōu)化軟件）聯合，實現在遠離地面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艙氣候。軟件尋優(yōu)設計方法使得兩周內完成了更好的ECS設計，減少了90%的周轉時間。
CAE仿真在航空業(yè)的應用已經有相當普遍，仿真的應用朝著更大的模型、更系統的輸入邊界、更多的物理場耦合邁進。雖然仿真是實現飛機研發(fā)數字化的關鍵，但是到此為止，我們的數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，所以并不能系統完整實時動態(tài)地進行仿真。而且設計、制造、測試三個環(huán)節(jié)的數據不是統一的，所以并不能做到三個部門之間，基于模型和數據的協作，所以CAE的應用價值進行到一定深度后，會越來越感覺到瓶頸，解決這個瓶頸并不能通過用更好的CAE工具或更好的CAE工程師，這時我們看到了一個既熟悉又陌生的名詞：數字孿生。
3、新航空業(yè)成功的秘訣：新的數字化策略數字孿生戰(zhàn)略
從西門子航空、皮拉圖斯超音速私人飛機、空客直升機等成功經驗來看，無一不是基于數字孿生的基礎上，對CAE和PLM的深度應用，他們把數字孿生技術定義為取得項目成功的最關鍵要素，是核心競爭力，而非采用了電動新能源、復合材料等新技術，當然新技術的應用對成功也是不可或缺，但最重要的是“軟件”層面。
飛機的使用生命周期可以達到幾十年，所以把整個生命周期的數據進行記錄、分析不僅僅是很有價值的，而是必須的?；谖臋n的部門協作模式，必須轉向基于模型的、數字孿生的數字化協作模式。
關于使用數字化雙胞胎，最好的概括方式就是構建和維護大量超現實模型和數據，它們最好能通過實時仿真預測整個生命周期內的產品行為。這些模型根據不同應用情況分幾種比例和實例構建，融合多個方面，包含最佳和物理描述，鏡像真實產品壽命。當數字化雙胞胎部署到完整范圍時，它會跟蹤影響產品運作的所有參數信息。其中包含初始設計和進一步的改進、與制造相關的偏差、修改、不確定性、更新，以及機載一體化車輛健康管理(IVHM)系統的傳感器數據、維護歷史記錄和數據挖掘可以獲取的所有歷史數據和航空數據。
所以，只有應用完整的數字孿生技術（Holistic Digital Twin），建立大量【超現實】模型和數據，包含Digital Product（數字產品模型）,Digital Production（數字制造模型）,Digital Performance（數字性能模型），實時、雙向、透明、系統地考慮設計、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，延期交付的風險會越來越大。另外，只有全數字化，才有可能突破性能設計的瓶頸。
所以數字化雙胞胎在航空界的應用并不是將來要去做的事情，而是必須是當下就要去實施的非常重要的戰(zhàn)略。當然數字化雙胞胎的實施非常有難度，這不僅僅是技術層面的事情，數字化雙胞胎的應用涉及到研發(fā)體系架構、研發(fā)制造試驗驗證流程的重定義，所以通常會“大動干戈”。當然，數字孿生也沒有那么高大上遙不可及，其實我們或許已經多多少少實現了部分數字孿生。數字孿生的應用可以分階段，從局部到整體，分步推進，逐漸完善。從波音、西門子航空等成功案例的觀點來看，也是如此。以仿真和數字孿生為核心的數字化策略，正在成為驅動新航空業(yè)成功的秘訣。
雖然航空航天的技術門檻非常高，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，勤苦耐勞是我們獨有的優(yōu)勢，中國的航空界看起來有信心正在復制中國的高鐵、5G通信的奮發(fā)圖強、自主研發(fā)創(chuàng)新之路，逆襲成為國際航空業(yè)強有力的競爭者。
