美国数字工程在导弹领域的应用研究

致力于数字孪生体技术的研究与发展

通过解决方案和工程化应用造福人类

来源：高端装备产业研究中心

前 言

依据美国防部《数字工程战略》，美国空军洲际弹道导弹(Inter continental Ballistic Missile，ICBM)系统理事会于2019年10月提出了针对洲际弹道导弹实施数字工程的4项战略目标：

①通过现代数字工程流程、工具和方法实现安全、可靠和有效的改造;

②在研制LGM-35A“哨兵”导弹的同时，同步推进现役民兵3导弹的数字工程工作;

③创建数字工程队伍，促进从民兵3到LGM-35A“哨兵”的平稳过渡;

④建设涉密和非密的数字工程基础设施。

此外，美国将数字工程应用在高超声速导弹领域，数字工程的应用可以更加灵活地响应需求和快速迭代设计，为高超声速导弹的成功研发和应用做出了重要贡献。

 

 

LGM-35A“哨兵”项目从立项开始就是全数字化的，2021年美空军负责采办、技术和后勤的首席副助理部长达琳·科斯特洛表示，“哨兵”在确定设计方案之前已经通过数字建模运行了大约60亿次迭代。据悉，“哨兵”将采用数字工程技术和模块化开放式系统结构，这将提供互操作性并降低生命周期成本。模块化设计还将使系统能够适应不断变化的威胁环境。

2022年4月，美国空军LGM-35A“哨兵”项目经理杰森·E·巴托洛梅上校在美国第37届太空研讨会“数字工程和数字孪生”上表示，陆基核导弹现代化项目已经成为使用数字孪生的试验台，“哨兵”在项目全寿命周期的每个阶段都有真实武器系统的虚拟模型。

诺斯罗普·格鲁曼公司副总裁兼总经理格雷格·曼努埃尔表示：数字工程令“哨兵”项目能够以新的瞄准和制导技术水平将美国地面发射的洲际弹道导弹维持至本世纪70年代及以后。这些软件升级可以改进武器的制导系统、技术和传感器。这是一个重要因素，因为LGM-35A“哨兵”要在未来数十年里应对新一代敌人威胁和反制措施。数字工程还带来额外的优势，也就是能够通过在“弯曲金属”之前对设计进行评估和测试来节省时间并降低成本。这可以通过模拟来复 制武器系统性能，令研发人员对关键的性能参数以及设计的有效性有一个实际且快速的估计。

美国空军决定在LGM-35A“哨兵”导弹服役前，继续对“民兵-3”导弹部件进行现代化改进，并推进“民兵-3”维护阶段向数字工程过渡，使其服役至2030年。

围绕“民兵-3”维护阶段向数字工程过渡，美空军主要采取了两大措施：一是以基于模型的系统工程(MBSE)为基础，将“民兵-3”项目的纸质文档转化为数字工程环境，构建预测性MBSE环境。二是发展产品生命周期管理和3D模型能力，建立“民兵-3”可视化的维护工作流程。

诺斯罗普·格鲁曼公司副总裁兼总经理格雷格·曼努埃尔表示：“数字工程正令我们能够快速前进。数字创新提供了建造、交付和填补本可能是‘民兵-3’洲际弹道导弹与“哨兵”项目之间潜在差距的机会”。曼努埃尔还说：“你可以想象，‘民兵-3’型洲际弹道导弹的设计利用了上世纪60年代的技术，使用了10年……LGM-35A“哨兵”项目的设计是在数字环境中，将使用50年，利用现有技术，排除项目研发的风险，并整合具备适应性和灵活性的能力……这一数字蓝图可以大幅降低操作维护费用。”

高超声速吸气式武器概念(HAWC)项目于2013年启动，旨在发展一型速度超过5马赫的高超声速巡航导弹。2022年4月6日，美军证实首次成功试射了HAWC导弹，飞行试验创下了以超燃冲压发动机为动力的高超声速飞行记录。

雷神技术公司在HAWC项目的开发过程中充分应用了数字工程技术，项目每个阶段都建立了武器系统高逼真度的数字模型，所有研制流程都在数字模型中完成。与过去交替往复且耗时的流程不同，新流程将采用数字工程方法创建的机械模型、流体力学模型、热模型等所有模型都聚集在一起，实现连续传递并进行快速迭代。该项目验证了所有研制流程基于模型一致连续传递，可以将研发时间缩短30%甚至更多。

美空军“高超声速攻击巡航导弹”(HACM)项目于2022年启动，旨在研发以超燃冲压发动机为动力的高超声速巡航导弹原型机并开展演示验证，计划于2027年列装。

HACM项目将采用数字化建模和仿真技术，这能助力研发团队迅速评测不同设计方案的性能，为实验方案的确立给予精确导向，同时为未来的演示验证做好充分的技术筹备；可开发导弹数字孪生体，用于模拟和测试导弹在各种场景下的性能。此外，HACM计划使用数字设计工具和“全数字设计审查”，以提高设计效率和准确性。

美国空军在其2024年5月发布的国防结构与现代化计划中提到，将继续通过地面和飞行测试来成熟HACM，并继续进行基于模型的工程和数字生态系统的工作。数字工程可使HACM导弹研发进程能够更加高效、精准地推进，从而加速转化为装备。

HALO项目在美海军2022财年预算中首次披露，在2023财年预算申请中，美海军正式将其命名为“高超声速空射进攻性反水面作战武器”(HALO)，旨在谋求快速采办一型用于航母舰载战斗机的新型高超声速巡航导弹。据悉，HALO导弹最高速度至少马赫数5，预计2028财年投入使用。

在项目的采办计划中，该项目将使用数字工程和基于模型的系统工程实践进行需求确定、设计、研究及分析，并完成未来作战条件下的系统鉴定、组件/子系统试验、制造和维护的相关技术规划。数字工程的应用使得HALO项目能够更加高效地进行技术规划和实施，为美国高超声速武器的发展提供全面支持。

数字工程作为一种前沿的工程方法和技术手段，利用新一代数字和信息技术在美国导弹的设计、模拟、测试和优化等方面发挥着作用，可以显著缩短导弹的研制周期并降低开发成本;美国采用全流程数字化开发方法，从概念设计到最终生产，可实现实现高度集成和自动化的设计流程，这种方法不仅提高了设计效率，还增强了系统的可靠性和适应性。数字工程极大地推动了导弹技术的发展和军事装备的现代化。