美军武器装备综合试验与评价策略综合试验与评价技术.docx
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美军武器装备综合试验与评价策略综合试验与评价技术
美军武器装备综合试验与评价策略
张宝珍
摘要：
在现代武器装备研制中，为了缩短研制周期、降低本钱和减少风险，美英等国正在大力提倡采用一种以知识库为根底的系统开发策略，称之为综合试验与评价策略。
本文首先简介了综合试验与评价策略提出的背景，详细讨论了综合试验与评价的内涵，强调了建模与仿真作为综合试验与评价的知识库所起的作用，阐述了综合试验与评价中知识库的运用方法，最后介绍了综合试验与评价在美军武器装备研制中的应用情况。
关键词：
武器装备，试验与评价，综合，策略
一、综合试验与评价策略的提出
随着武器系统结构日趋复杂，本钱加大，试验费用提高，单独进行某项试验必然增大试验费用。
因为采用单一方法既费时费钱又不可靠，而采用综合方法那么可弥补单一方法的缺点，发挥群体方法的特长，从而取得最正确效果。
所以进入20世纪90年代以后，国外不断改革试验与评价策略、调整试验机构，以适应武器系统采办要求、更好地发挥试验设施的潜力，到达既能节约试验与评价费用，缩短研制周期，降低风险，又能提高试验与评价水平的目的。
出于这种考虑，美国国防部提出五项研究课题：
军方早期参与试验；有效利用建模与仿真；可能的情况下合并某些试验；在可能的地方综合考虑试验与训练设施的合理使用；应用先期概念和技术验证。
美国三军采取了相应的改革举措。
比方，美国陆军实施的改革试验与评价政策的重要举措之一就是尽可能将研制试验与使用试验合并进行，实施综合试验与评价，成立综合试验工作组，统一协调试验工作；减少重复试验、强调技术试验的综合性；尽量将技术试验与部队试验结合进行；试验数据共享，就是折中考虑研制试验与使用试验的不同要求，进行一次试验后搜集足以满足研制试验与使用试验所需的数据。
做到两种试验一次完成，防止了武器研制阶段进行重复性试验。
由于实施以上的管理政策，使“铜斑蛇〞激光制导炮弹少发射764发试验弹，节省经费230万美元。
海尔法反坦克导弹研制中少发射90发弹，节省费用1.38亿美元，并提前一年装备部队使用。
如今，综合试验与评价方法已经成为美国国防部大力提倡的重要策略。
二、综合试验与评价的内涵
所谓综合试验与评价〔IT&E〕〔亦称综合试验与验证〕，是一种基于知识的系统研制途径，它综合协同地利用地面试验和分析，数学建模、仿真和分析，飞行试验和分析等多种试验分析方法，以建模与仿真作为试验与评价知识库以及各种地面试验和飞行试验之间反应的一种工具，使结构仿真、虚拟仿真和实况仿真有机结合，为研制试验与评价〔DT&E〕和使用试验与评价〔OT&E〕的更经济有效的综合提供方法和途径。
该技术是从传统的试验—改良—试验方法，向建模与仿真—虚拟试验—改良模型的迭代过程的转变。
有效地应用综合试验与评价技术，将能在研制工程早期当问题更容易改良且改良费用更低时就能识别问题，能最大程度地减少接受一个有缺陷产品的风险，并促进对缺陷的纠正，因此能够缩短产品研制周期、降低研制费用和减少技术风险。
1、综合试验与评价的方案模型
IT&E方案是一种系统族观点，旨在为武器装备的研制和采办提供最高附加值的试验与评价〔T&E〕支持。
图1展示的一种多维模型反映的是适合于飞行系统的IT&E方案。
IT&E是主要的T&E过程和参与者的虚拟集成，它没有把各种T&E过程看成是一个个独立的任务，而是作为系统整体的有机组成局部。
图1综合试验与评价中的多维方案
图1所示多维方案中每一维的涵义如下：
〔1〕仿真方法
T&E的主要方法是建模与仿真、地面试验和飞行试验。
采用系统工程方法可以开发出一种基于仿真的组合方法，它能够以最低费用和最短时间提供最多的有用信息。
建模和仿真技术的迅速开展已使其成为一种提供研制信息的实用工具并能在许多场合恰如其分地取代相关试验工作。
〔2〕系统
任何一个复杂的武器系统都是由假设干个分系统〔如飞机的动力系统、飞机机体、机载武器、航空电子、结构等〕组成。
这些分系统都有相关的专业技术团体〔或公司〕支持。
在它们的开发初期都各自采取了不同的技术方法，很少发生交叉。
结果，这些主要分系统并行研制，直到研制过程末期才进行集成。
而通过将各个独立系统中每一系统的试验与评价仿真方法相互关联，在研制周期的早期就有可能对整个系统的综合性能做出评价。
将整个系统尽早综合，就可能缩短研制周期并使首次飞行中可能发生的综合问题减到最少。
〔3〕采办过程
采办周期是从方案与技术研制开始到生产与部署直至投入使用与保障的全过程。
通过在研制过程早期规划和利用IT&E方法，可使到达首飞和战备完好性要求的总时间得到显著降低。
图1示出的立方体的体积反映出开发整个系统所需要的全部资源支出。
IT&E的目标就是要把图1中所示的体积减到最小，即最大程度地减少仿真中所需要的资源、减少系统综合过程中的意外情况和减少采办研制时间。
为了实现此目的，需要组织一支包括工程经理、设计人员、建模人员、试验人员和制造人员组成的虚拟综合产品组，利用基于知识的方法共同探索减小立体图中体积的潜在过程。
2、建模和仿真作为IT&E的知识库
图2显示出在整个采办周期中使用的T&E资源。
可以看到，建模和仿真贯穿于系统的整个采办过程。
建模与仿真已被视为T&E过程中极为重要的工具，作为T&E根底结构的主要组成局部。
利用建模和仿真可以从T&E获取的大量数据中提取出有用的知识，从而减少数据的不确定性。
为促进IT&E过程的实施，首先应构建开放体系结构的建模与仿真知识库，并将其作为T&E根底结构的组成局部，其本质上也是系统在研制和使用过程中的知识库。
当试验设施产生的试验结果被集成到建模与仿真体系结构中时，所构建的模型可作为系统本身的档案和数据库。
而且，这种数据库为工程办公室、主制造商、试验与评价机构和使用部门通过互联网组成的虚拟综合产品组提供支持，即通过从构建的知识库中采集、分析与传播的知识不断改良产品，搞好效劳从而增强竞争地位。
构建的建模与仿真知识库的主要属性描述如下。
〔1〕建模及三元组的仿真工具
构建的建模与仿真能力支持T&E过程的明显方式之一是，支持可用于以最少的时间和费用提供最正确仿真的三元组工具〔结构仿真、虚拟仿真和实况仿真〕的集成。
建模已成为试验设计和解释试验结果的根本要素。
T&E建模与仿真知识库通过提供标准的建模与仿真体系结构，可以在各个工程中都能最正确地利用不同来源的模型，可以使建模与仿真、地面试验和飞行试验实现最正确协作。
以这种方式可以识别出最灵验的地面试验和飞行试验，来填补模型的缺陷。
好的建模可帮助试验人员深刻地了解各种现象，以及一些试验数据中的异常现象等。
而且，用来支持T&E过程的任何模型都对系统研制本身具有持续的使用价值。
因此，重要的是在整个T&E过程中识别和构建这些模型。
〔2〕模型的验证、确认和合格鉴定
所构建的系统模型与T&E过程之间的另一种自然联系是研制过程中所使用模型的验证、确认和合格鉴定〔VV&A〕。
模型的VV&A是建模与仿真中的一个根本过程。
当完成每一种试验时，应利用其结果来验证所构建的系统模型的准确性。
这样，随着试验过程中获取数据的增加，模型会变得更可靠，更能代表系统的性能。
另外，构建和管理系统模型的过程提供了一种在T&E周期中规划验证/确认过程的框架。
通过将VV&A作为T&E过程的一个组成局部进行早期规划，并采用构建的建模与仿真知识库作为管理VV&A过程的框架，那么经过全面验证和确认的模型自然会随着系统的成熟获得不断改良。
〔3〕地面试验和飞行试验的反应
建模与仿真知识库的另一有用特征是作为各种地面试验与飞行试验之间的反应手段。
例如在传统的T&E过程中，在一种气动布局的风洞试验与飞行试验之间，并没有构成高度组织化的反应机制，而通常对地面试验结果与飞行试验结果之间的相关性研究仅仅在特殊情况下即当飞行中出现了重大困难时才进行。
因此，地面试验中心要改良其过程以确保获得最好的外推飞行环境是很困难的。
有时，由于对地面试验结果与飞行性能之间的相关性研究不够，致使在系统的初始使用能力研制阶段结束后还要对系统作出代价过高的修改。
为此，通过参加地面试验与飞行试验数据，对所构建的建模与仿真系统进行更新，将能提供一种很好的反应机制，便于地面试验机构〔和建模机构〕改良其技术，更好地模拟实际飞行状况。
这样可大大减少开发新飞行系统所需的飞行试验费用。
〔4〕连接结构仿真、虚拟仿真和实况仿真
在建模与仿真中通常有三种仿真方式：
结构仿真〔计算机推演〕、虚拟仿真和实况仿真。
结构仿真是对系统和人进行仿真的工程工具；虚拟仿真具有模拟的系统与真实的人；而实况仿真那么具有真实的人和真实的系统〔如实际的飞行试验〕。
如图3中所示，T&E知识库提供了从结构仿真、虚拟仿真到真实仿真的连续统一体。
图3三种仿真方式的关系
从结构仿真开始，将利用工程模型如计算流体动力学〔CFD〕或涡轮发动机模型等来评价系统的空气动力学和动力系统有关的物理现象。
这些工程模型可以单独地或与地面试验数据结合后，与集成分系统部件的其它结构模型综合，从而建立能反映整个系统性能的模型。
由空气动力学或动力系统结构模型导出的信息构成含人飞行模拟器的系统仿真根底，这样使结构模型与虚拟仿真联系起来。
同样，飞行模拟器也能把系统其它组成局部（如航空电子系统等）整合起来。
飞行模拟器还可与硬件在回路的电子战仿真与虚拟作战环境（如美国海军空战中心，爱德华空军基地试飞中心）相结合，使战争演习模型也成为合成作战环境能力如美海军空战环境试验与评价设施〔ACETEF〕的组成局部。
如图3所示，进一步将控制系统和航空电子系统的数字模型或试验模型包括进去，在研制阶段早期就可预先查看系统综合性能。
结构模型与仿真为含人飞行模拟器（MFS）提供了高保真度的系统模型。
由于含人飞行模拟器能够与电子战环境全面综合，也就是说能与虚拟电子战环境直接连接起来，因此也可以把系统组成局部的工程模型与合成系统的作战演习模型直接连接起来。
通过这种直接的连接作用，可以把工程模型方面的信息转移到作战演习环境中。
同样，来自作战演习环境的信息可以反应给工程模型，用于显示分系统级的技术变动与整个系统为赢得战争应该具备的能力之间的因果关系。
在结构仿真、虚拟仿真与实况仿真之间的潜在联系还为研制试验与评价（DT&E）和使用试验与评价（OT&E）更经济有效地综合提供了时机。
例如驾驶员可以通过一种含人飞行模拟器，用手通过油门杆联接到地面试验中心〔如AEDC〕的涡轮发动机高空试验舱中的真实发动机上。
这样，虽然研制工程的评估工作是在地面试验设施上进行的，仍可以初步看到在含人飞行模拟器内执行的操作工作。
通过所方案的DT&E和OT&E之间的虚拟交互作用，可以最大限度地减少整个OT&E中所需的飞行资源。
〔5〕知识库的其它效益
构建的建模与仿真知识库作为T&E根底结构的关键要素，已为宇航工程的研制带来了巨大效益。
除了上述所介绍的外，还有两方面的重要效益。
第一，由于它是一种开放式结构，因此每一个新工程都不必为建模再重建根底设施，从而使工程研制经费大为节约；第二，它是以核心专业技术为根底建成的知识库，并且以往工程的经验教训在该知识库内部得到标准，因此可为每个新工程的研制带来益处。
任何新工程可以在以往工程及核心专业技术的根底上从一个更高的熟练水平启动。
三、IT&E中知识库的运用
1、仿真方法的综合
建模、地面试验或飞行试验仿真方法进行综合的关键是，将每项仿真任务都作为一种包括输入、仿真过程和输出的系统过程进行分析。
一般情况，输出是有关系统性能的知识或者是到另一个仿真过程的输入。
过程不是试验过程而是仿真的系统过程。
对于飞行系统来说，综合的仿真过程一般是飞行器的飞行性能仿真。
仿真过程所需输入的描述应对建模、地面试验或飞行试验这三种仿真方法中的任一种都同等适用，这正是IT&E的效用所在。
例如，仿真从飞机上投放非制导炸弹的过程，所要求的输出是有关空投炸弹的平安性、命中目标的精度或者是关于飞机上所用的轰炸算法（即操作飞行程序OFP）系数等信息。
仿真过程是炸弹投放和投放后的运动，而仿真弹道所要求的输入那么被描述为炸弹的空气动力、飞机附近的流场、炸弹架载荷、发射活动如投射力和力矩或者拉火绳的使用到脱开垂尾以及炸弹动力学等。
IT&E方法的根本前提是，这些输入中的任一个可以由这三种仿真工具的任一种提供。
在一个工程的早期，在没有试验数据之前，可利用建模来提供评价系统设计对武器投放的影响所需的全部输入。
当炸弹空气动力学、飞机流场或炸弹架载荷的风洞数据生成后，可利用这些数据来验证和补充输入信息。
最后，当飞行试验完成后，其结果可用于验证整个仿真方法。
通过有选择地使用所有这三种仿真方法，有时机以最少的资源获得最多的输出。
并使工程能在进度、费用和技术风险之间取得平衡，实现工程的最优价值。
利用迭代循环的系统方法，可以将模型的各个层次系统地联结在一起。
武器系统的建模与仿真又分四个层次，如图4所示。
最低层取决于武器系统的详细工程模型。
交战模型〔engagementmodel〕利用来自工程模型和威胁模型的特征来考虑单一系统交战情况。
作战模型〔operationalmodel〕检查一组武器系统与一组威胁的对抗。
最后阶段是包括陆、海、空力量的威胁模型联合后勤保障和指挥、控制及通信功能来打虚拟战争。
较低层次的模型用于研制决策，而较高层次的模型用于确定战场战术。
采用迭代循环系统方法，每个作为下一层次输入的部件可作为T&E过程的一局部进行系统地验证和确认。
因此，IT&E也可能为从工程级到战区级的一些建模与仿真部件构建VV&A过程。
2、系统间的综合
在IT&E中飞机系统间的综合采用了一种虚拟飞机方案〔图5〕。
它充分利用建模与仿真知识库作为综合各个分系统的机制。
以发动机与飞机机体的集成为例。
当飞机进气道构型正在风洞中进行试验时，所测到的畸变图形可以近实时地用于发动机模型来确定进气道对发动机性能的影响。
图5并行的试验与评价——虚拟飞机方案
同样，发动机模型的输出也可与飞行器的空气动力数据或模型组合起来，用来评价飞行器的总体飞行性能。
这又是一种T&E的系统方法，即利用保存在知识库中的最正确来源的模拟或数字输入来仿真飞行轨迹，提供的输出即是飞行器集成性能。
如果集成性能不够满意，还可用诊断工具如CFD来探求畸变来源。
如果进气道模型仍在风洞中，还可对进气道设计进行修改，并再次评估其集成性能，直至到达性能要求。
因此，进气道风洞试验程序已经成为一种设计迭代过程而非仅仅是一种数据采集过程，而且可以更及时地实现系统优化，同时所得到的新数据和修改的模型亦将成为系统知识库中新的组成局部。
用类似的方式在一个高空试验舱内进行发动机试验时，将其结果与空气动力学模型及控制系统模型相结合，以便进一步验证和改良其集成性能。
这样，对发动机改良的评价，将不仅仅是按发动机性能、而是按整个系统性能进行。
原那么上，上述所构建的飞机模拟器可以借助构建的知识库与虚拟和实况仿真相连接，以便为发动机或飞机机体的更改对集成系统赢得一对一交战能力的影响建模，或作为更高层次作战演习仿真的输入。
因此，可以按照对飞机赢得战争的能力的影响或其它系统总体度量指标对设计改良进行评价。
3、采办阶段的综合
综合试验与评价立方图的第三维是采办过程。
采用IT&E方法减少采办时间和降低采办费用的策略主要包括三方面：
一是早期规划IT&E以便最好利用各种仿真方法，尽快建立建模与仿真知识库；二是应用建模与仿真知识库和虚拟飞机方案，在精益研制过程早期集成系统部件；三是早期规划和集成DT&E和OT&E过程，以便最大程度地减少对总资产的需求。
四、IT&E的应用及效益
IT&E在美军武器装备研制中已获得大量应用。
美国空军的阿诺德工程开展中心（AEDC）、美国海军空战中心等都采用了这种综合试验与评价方法，支持F-15、F-16、B-1B、联合直接攻击弹药〔JDAM〕、F/A-18、F/A-22、F-35〔JSF〕等各种航空武器系统的开发和改良工作。
近些年来，AEDC的航空发动机组利用改良的IT&E过程支持JSF和F-22/F119工程的研制工作。
他们借助于建模、仿真和分析〔MS&A〕优化试验矩阵和设计试验支持软件，为IT&E提供有力的支持。
例如，采用计算流体动力学〔CFD〕、计算结构动力学〔IDC〕方法和各学科间的计算〔IDC〕和工程模型等各种计算方法来支持基于知识的试验、评价和分析方法，并不断改良和简化计算编码，以便为更复杂的航空发动机问题提供更快速的解决方案。
随着航空发动机建模能力的不断提高，可以更好地应对发动机的动态属性如喘振、旋转失速和进气道气流畸变，以及传统的瞬态和稳态属性。
此外，发动机基于模型的数据验证方法已在F414和F119发动机试验工程中进行了演示验证。
在空气动力学领域，通过定义一种涡轮发动机气动建模与发动机结构建模相耦合的补充路线图来改良知识中心路线图。
AEDC与美国空军研究试验室的这种联合努力提供了一种解决发动机高周疲劳的通盘方法。
这些新的涡轮发动机工具与传统的计算流体动力学工具一起来增强AEDC的IT&E能力。
另外，AEDC在F/A-22外挂物别离试验与评价中也应用了IT&E方法，取得了非常好的效果。
AEDC的外挂物仿真软件已应用于F-4、F-15、F-16、F/A-18C/D、B-1B、B-2、A-7、F/A-22、JSF、波音公司的UCAV和各种直升机外挂物的IT&E中。
美国新修订的5000系列防务采办文件中特别强调了综合试验与评价方法，要求在武器系统整个采办过程中，工程经理应与用户以及试验与评价机构一起，将研制试验和评价〔DT&E〕、使用试验和评价〔OT&E〕、实弹试验和评价〔LFT&E〕、系统族互用性试验、以及建模和仿真〔M&S〕活动协调成为有效的连续体，并与要求定义以及系统设计和研制紧密结合。
随着建模与仿真技术、计算机技术、网络技术、虚拟现实技术和人工智能技术等高新技术的飞速开展，预计综合试验与评价技术在国防领域将会有更广阔的应用前景。
例如，IT&E方案中的T&E建模与仿真知识库对教育、训练和虚拟战争也具有广阔的应用前景。
美军有关专家认为，IT&E方案作为系统族〔‘systemofsystems〕可以突破传统的T&E小环境，拓展为国防部整个功能谱的系统族方案。
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