案例分享 | T-7A“红鹰”高级教练机项目数字工程应用

2021年10月14日，OEM COG（Original Equipment Manufacturers Cooperative Opportunities Group）（注：该组织隶属于ICEAA The International Cost Estimating and Analysis Association成本和技术社区的行业联盟）组织了一场视频会议，邀请波音公司系统工程技术人员Brian Beyer分享他在T-7A高级教练机项目开发方面的经验。

Brian Beyer作为该项目生产样机(PRJ)阶段(处于TMRR开发阶段)从早期概念开发到飞机首飞的可负担能力（affordability）负责人，以“T-7A‘红鹰’高级教练机项目数字工程的经济可负担性”为题，介绍了T-7A项目数字工程运用情况。本期作者将以此次视频交流内容为主线，并结合前期收集整理的大量相关资料，分析T-7A项目中数字工程应用实践价值，以期能给大家带来一些启迪。

（一）项目背景

考虑到国内外媒体对T-7A项目多有关注，背景资料较多，在此就不再赘述。作者仅从数字工程视角，介绍项目相关背景。美军2018年启动数字工程战略以来，空军作为该战略的积极倡导者和行动者，于2019年7月以白 皮书的形式提出了数字空军（Digital Air Force）的理念；2020年6月，空军下属的装备司令部（AFMC）又对外发布了数字战役（Digital Campaign）行动，旨在创造新的技术环境，在集成数字领域开展设计、维护和现代化，提供高效地交付尖端装备的能力，促使空军 转型为能够利用21世纪数字技术管理全寿命周期技术基线的军种；2020年9月14日，空军部长芭芭拉·巴雷特在弗吉尼亚州阿灵顿举行的空军协会航空、空间和网络会议上，宣布了一种以“e”为前缀标识新武器系统采办文件形式，开始实施数字空军E系列（E-series）采办，进一步强化数字工程在未来装备采办中的应用。（注：关于美国数字空军建设作者后续会专门研究，待时机成熟后形成系列报道）。

在此次交流会上，巴雷特还专门提到了波音公司实施数字工程的eT-7A红鹰高级教练机，并认为它是数字工程在E系列采办中的范例。从近年来T-7A项目实施情况来看，波音公司充分利用数字工程工具设计和制造T-7A，仅仅用了3年时间就完成了从概念设计到首飞成功，比传统上飞机开发周期快了很多。综上研判，T-7A项目显然已经成为美国空军数字工程应用的一个明星标杆项目和推广示范工程。

（二）项目进展情况

美空军之所以上马T-7A项目，主要是想取代当前使用的老旧T-38C“魔爪”教练机，以训练飞行员驾驶第四代和第五代战机。项目前身为波音公司为竞标开发的T-X项目，T-X项目启动可追溯至2013年12月6日，波音和萨博公司签署联合开发协议，该协议明确两家公司联合以一种全新的、专门设计的T-X参与空军教练机项目竞标。T-X项目正式下达时间为2018年9月27日。2022年4月28日，波音公司在密苏里州圣路易斯举行了有空军高层参加的T-7A红鹰亮相仪式，标志着空军采购351架T-7计划中的首次交付。项目过程标志性事件如表所示。

表1 项目过程标志性事件

目前来看，T-7A实施数字工程效果斐然。2021年10月14日举办的视频交流会上，可负担能力负责人Brian Beyer也提到了一些成效。结合已有资料，从降本增效的角度来看，成效突出体现在以下几点。

（一）项目军事需求得到有效满足

T-7A以四代机、五代机的作战、使用、维修、保障需求为牵引，在满足多样化训练需求、低成本维护保养等方面进行了大量的基于数字工程的技术创新。如开发了更易于重构的“玻璃”座舱，通过快速调整程序和变换操作界面可模拟空军每架战斗机和轰炸机的显示和操控质量，这使其成为迄今为止现役部队配备的最灵活、最通用的 训练系统。未来，该机除用于训练战斗机飞行员外，还有可能被用于训练空中加油机和运输机飞行员，以及从航空 母舰起飞的海军飞行员。

（二）项目工程质量得到有效保证

据Brian Beyer介绍，T-7A项目是为了模仿第五代战斗机而设计的，对项目质量要求非常高。与以往项目相比，项目首次工程质量提高了75%，并按照合同约定顺利交付空军开展试飞验证。试飞前通过模型仿真，成功地规避了软件故障、机翼抖动等重大质量问题的发生。

（三）项目研制周期大幅缩短

历史数据显示，美军以往多型战机研制周期都很长，如：F-22从1986年立项开始，到2005年形成初始作战能力，历时19年时间；F-35从2000年立项到2006年F35A首飞，2008年F35B首飞,2010年F35C首飞，也历时6-10年。T-7A从概念设计到首飞历时仅3年。通过对比来看，不得不说该项目研制速度之快大大出乎意料，数字工程所发挥的作用不言而喻。

（四）项目成本得到有效控制

2018年美国空军授予波音下一代训练系统合同时，许多观察人士曾对其低廉的价格感到惊讶。空军当时估计，开发和生产351架飞机、模拟器及地面训练辅助设备将花费近200亿美元，而波音却同意以不到一半的价格完成，这充分说明了波音在成本方面是有充足信心的。进一步从项目实施情况来看，基于现有资料，也并未发现有关项目超支的负面消息报出。

目前，关于项目数字工程实践情况虽然受技术保密等多重因素影响，其应用的很多细节我们无从而知，但从各种开源资料中可窥见一斑。其主要做法大致可归纳为以下几个方面。

资料显示，无论是美国空军高层还是波音公司高层、技术主管都在反复强调模型在项目研发过程中的重要作用。可负担能力负责人Brian Beyer在总结模型贯穿研发生产过程中的作用时，他认为：数字模型开发、传递与集成，不仅促进了系统工程师之间的交流，而且也推动了不同利益相关方、不同学科之间的合作，为开发、建造、测试及维护活动提供了重要支持；一些集成的模型让共享和重用设计数据、分析数据、优化和更有效的验证变得更加容易。T-7A项目经理Kirt Cassell上校认为，“T-7A是通过基于模型的系统工程和三维工具设计的，这使得装配速度加快，质量提高，为空中教育和训练司令部提供了一个安全和有效的训练系统”。

早在论证设计阶段，保障工程师就要围绕保障能力开展论证设计，这主要包括开发保障系统、持续维护、综合后勤、综合飞机健康管理等，上述工作均以模型为中心展开，主要是在充分利用已有模型数据的基础上开发一系列可靠性、维修性、保障性模型，并进行仿真试验测试设计的科学合理性。如通过模型开发和测试，T-7A做到了与空军现有飞机在结构部件组成、架构设计等方面80%的相同性，弹射座椅可以在15分钟内切换，通用电气的F404引擎(也用在萨博的鹰狮上)可以在90分钟内用一些简单的工具更换。

开发与集成高逼真度模型，并在实验室充分开展虚拟测试活动是项目确保进度、降低成本、保证质量的突出做法。虚拟仿真测试将传统上以实物测试验证工作提前，从而尽早发现问题和改进，大大降低了返工率和试验事故发生概率。如在试飞前，工程人员利用开发的俯仰模型并通过风洞测试获得的数据，成功发现了机翼摇摆（25度攻角附近或以上）的问题，并及时通过修改飞行控制系统软件程序方式得以解决。再如，使用高逼真度模型以及对燃油系统进行建模仿真，确保了燃油系统在试飞过程中运行的高可靠性。

资料显示，波音内部在T-7A项目是否需建立数字孪生体的问题上，开始存在意见分歧，一部分人担心会增加成本且效用不高，另一部分人认为建造十分必要。最终在测试工程师的强烈倡议下，高层同意建立部分数字孪生体。从后面应用情况来看，数字孪生体也确实发挥了重要作用。如开展飞机空中停车、引擎重启验证时，由于前期已在数字孪生体上开展了仿真试验，各项指标数据支持该科目试飞验证，飞行员才敢关闭引擎、并成功重启引擎。与此同时，地面上测试工程师在遥测室成功监控了飞机上每一个系统的运行状态，实时记录了过程数据，确保了科目圆满完成。

由于前期充分利用了基于模型的系统工程和三维工具设计，使得T-7A在装配前可开展虚拟装配试验验证，从而保证了制造阶段各部件能够更精准地装配。T-7A项目由波音和萨博共同研发，在后期组装时，波音生产的前半段与萨博生产的后半段能够采用全数字化工程快速拼接，拼接速度比传统方法大幅提升，大约可在5分钟内将机身转动对齐，30分钟可把螺栓装好，大大减少了组装过程中的触摸劳动需求，生产率进一步提高，返工率大幅下降。

T-7A项目实践表明，数字化软件为模型开发集成、权衡分析、仿真试验、管理评估等活动提供了重要工具手段。可负担能力负责人Brian Beyer在交流中，也提及了项目应用的一些软件工具，如建模工具软件MagicDraw，开展多学科设计优化（MDO）用的Cameo，以及PLM软件等。为确保成本可控，相关人员也使用了Excel、项目管理软件工具套件中的价格软件进行了高逼真度参数成本建模。特别需要提及的是，项目实施过程中波音利用了大量的现成工业软件，并根据项目所需，将其进行工具集成，整合插件，统一软件接口。

波音将T-7A项目的各项活动都依托在数字化网络上完成，打造了一个统一的权威真相源和协同共享开发环境。Brian Beyer介绍，正是由于建立了这样一个统一的数字化网络，工程师在做出一项改变时，它可立即被融入模拟器和训练辅助设备中，这也解决了长期以来模拟器落后于驾驶舱功能开发的问题。更重要的是，数字网络更新了生产计划、维护程序和系统的所有其他方面，使得整个团队能够共享其所参与的项目的详细内容，大大提高了工作效率。