数字工程在美高超声速武器中的应用

来源：战术导弹技术

作者：刘津玮 杨金龙等

关键词：数字工程；高超声速；数值模拟；风洞试验；数字环境；数字研发机构；数字工厂

高超声速武器是指飞行速度超过5倍声速的武器系统，因具有超高速度、超强机动性和超强打击能力，成为美国军事战略的关键要素之一。然而，由于其极高的速度和复杂的飞行动力学特性，高超声速武器的研发和应用面临着重大挑战。美国防部在2018年颁布了数字工程发展战略，并被视为实现“第三次抵消”战略，以及空军“更好购买力”构想的坚实基础。数字工程作为一种先进的工程方法和技术手段，为美国的高超声速武器设计、模拟、测试和优化提供了关键支持。

本文首先探讨数字工程在高超声速武器设计、研发、模拟仿真、测试及生产制造各阶段的应用，进一步研究各军工企业关于高超声速武器的数字工程建设，以及美国已采用数字工程技术的高超声速武器项目。最后对数字工程在高超声速武器领域的应用挑战与发展趋势进行深入剖析。

数字工程是一种基于计算机科学和信息技术的综合性工程方法和技术手段，它将数字化、计算化和智能化的思想应用于不同工程领域中的设计、建模、仿真、优化、测试和生产等环节。图1为美国数字工程发展历程。

数字工程在美国高超声速武器研发中扮演着关键角色，为工程师提供了强大的工具和资源，加快了高超声速武器的设计和优化过程，提升了产品的性能和质量，对美国在高超声速武器领域的领先地位有着显著贡献。随着数字工程技术的不断发展和创新，它将继续推动高超声速武器不同阶段的进一步发展和应用。

2.2.1设计阶段

数字工程可通过数值模拟和仿真技术，预测高超声速飞行器的气动特性、结构响应和热力学效应等关键参数，为飞行器的设计和性能优化提供了准确的数据支持。

一是数值流体力学仿真。通过数值模拟流动场、压力分布、热传导和湍流等特性，可帮助工程师深入了解高超声速飞行器的气动性能。有助于优化飞行器外形设计、提高空气动力学效率，并减少阻力和气动加热。美国在数值仿真方面处于领先地位，为高超声速武器设计提供了强大的数字工程支持。

二是结构动力学分析和优化。数字工程方法可以通过有限元分析、模态分析和多体动力学仿真等技术，预测飞行器在高超声速飞行过程中受到的载荷和振动情况。这些分析结果可以用于指导材料选择、结构优化和减振措施的设计，以确保飞行器在极端飞行条件下的稳定性和可靠性。

三是多物理场耦合仿真。高超声速飞行过程中，飞行器受到的物理场影响相互耦合复杂，利用数字工程方法解决多物理场耦合仿真的挑战，确保各个场的相互作用准确模拟。美国在多物理场耦合仿真领域积累了丰富经验，通过开发高级模拟工具和建立跨学科合作，可以更深入地理解高超声速飞行器的复杂行为。

2.2.2试验与验证阶段

在高超声速武器的试验与验证阶段，数字工程可以辅助风洞试验等地面试验，提高试验的效率和数据的准确性。通过数字化建模和仿真，可以在试验前预测潜在的问题和现象，指导试验方案的制定，并在试验数据分析过程中提供重要的参考依据。

一是风洞试验阶段。风洞试验是评估高超声速武器气动性能和飞行稳定性的关键方法，美国拥有多个先进风洞设施，可模拟各种飞行条件下的气动特性。雷锡恩公司高级技术团队在高超声速系统开发中，通过对高速风洞一个缩比样本的测试，验证了数字模型和仿真的准确性。然而，在最初的测试中，实际风洞数据与数字模型预测并不相符。经过交叉验证发现差异是由风洞试验中存在的气流干扰引起。研究人员可以通过数字化模型仿真的结果，观察到风洞试验中存在的异常情况，并进行了相应的纠正。此案例凸显了数字工程在风洞试验阶段预先识别和解决问题的关键性，以及在项目开发中迅速迭代和优化的关键作用。数字工程方法在风洞试验的规划、数据采集和分析等方面发挥关键作用，提高试验效率和数据可靠性。

二是数据处理和分析阶段。高超声速武器试验中产生的大量数据需要进行有效处理和分析。数字工程方法可以应用于数据挖掘、模式识别和统计分析，提取关键信息和规律。这些分析结果可以帮助研究人员评估飞行器的性能，并为进一步的设计改进和决策提供支持。

2.2.3优化与生产阶段

数字工程的另一个重要应用是在高超声速武器的优化和改进中。通过数字化建模和优化算法，快速探索设计空间，找到最优的设计方案，提高飞行器的性能和打击能力。数字工程还可以应用于控制系统和导弹制导技术的优化，提高高超声速武器的制导精度和打击效能。在生产阶段，利用前期的模型、数据和基础设施推进基于模型的制造和全尺寸定位装配技术的实施，并随时复建已有的产品设计，加快生产进度，缩短生产时间。

一是设计参数的优化与灵活性分析。数字工程方法可以通过设计参数的敏感性分析和优化算法，探索高超声速飞行器设计空间的最佳方案。优化可以涉及外形设计、控制系统、发动机参数和材料选择等方面，以实现更高的性能和更好的飞行特性。

二是控制系统与导弹制导的优化。高超声速武器的控制系统和导弹制导技术对其精确打击目标至关重要。数字工程方法可以进行控制系统仿真、导弹轨迹优化和命中概率分析，提高高超声速武器的制导精度和打击效能。

三是材料与制造工艺的优化。高超声速武器对材料和制造工艺有较高要求。数字工程方法可以用于材料性能的预测和优化，以及制造过程的仿真和优化。通过数字工程手段，可以降低材料开发和制造成本，从而提高高超声速武器的可靠性和性能。

美国应用科学与技术研究组织（ASTRO）在DARPA资助下于2021年10月完成了“高超声速生产加速器设施”（HPAF）方案研究。该方案核心目标是以超燃冲压动力的高超声速巡航导弹为关键突破口，通过数字工程技术应用，实现数千枚导弹的快速、低成本制造。方案设想中，从电子束焊接机原料供应商到主承包商负责总装集成，整个高超声速巡航导弹的供应链都集中在HPAF一座工厂内。根据测算，这种垂直整合的集中式供应链模式，可以将设计、生产、试验和鉴定的时间周期缩短一半左右，同时成本约为传统分布式供应链的四分之一。此生产模式为高超声速武器的批量制造开辟了新的途径，并预期将为美国国防能力带来显著提升。

在美国高超声速武器的研发过程中，数字工程作为一种先进的工程方法和技术手段，正逐渐成为推动项目进展和取得重大突破的关键因素。美国国防领头企业在数字化转型的浪潮下，积极应用数字工程技术，为高超声速武器项目带来了显著优势和创新。此外，在数字战略牵引下，高超声速武器项目研发将全面采用数字工程。数字工程技术的持续应用和创新将不断推动高超声速武器领域的进一步发展。

3.1.1洛马公司智能制造厂

洛马公司作为美国国防领域的领军企业，积极参与数字化转型，并在高超声速武器的研发中引入智能制造和数字工程技术。

洛马公司臭鼬工厂于2021年开设数字化制造工厂，如图2，将用于支持空军“空射快速响应武器”（ARRW）样机建造工作，可能成为大规模生产以超燃冲压发动机为动力的高超声速巡航导弹的理想地点。此外，该公司启用4号导弹装配大楼（MAB4）采用先进数字技术，重点支持ARRW后续制造工作。

▲ 图2 洛马公司臭鼬工厂2021年开设的数字工厂

两大智能工厂配备了数字基础设施，集成了智能制造手段和物联网技术，能够快速、经济地提供高超声速武器的尖端解决方案。通过数字化转型，洛马公司实现了项目的快速迭代设计，大幅加快了高超声速武器的研发和制造过程。

3.1.2雷锡恩公司数字工程环境

雷锡恩公司在“高超声速吸气式武器概念”（HAWC）项目的开发过程中充分应用了数字工程技术。图3为HAWC概念图。

与过去的典型设计流程不同，雷锡恩公司在数字工程环境中将所有的模型汇集在一起，避免了传统设计过程中迭代的繁琐。雷锡恩公司在该项目研制中“所有的事情都在数字模型中完成”。在开发高超声速系统过程中，研发团队通过数字化模型仿真结果观察到风洞试验中存在的异常情况并进行纠正，真正做到通过数字工程进行项目细节纠错及优化。

数字工程的应用使得雷锡恩公司能够更高效地进行设计、模拟和试验，从而加速了HAWC项目的进展和成果。该项目利用数字环境中的循环迭代学习，代替了传统的硬件制造和试飞过程。通过数字工程，研发团队能够在虚拟环境中进行多次仿真测试和优化，快速探索设计空间，找到最优解。这种数字化的迭代设计方法使得验证过程得以简化，大幅缩短了研发周期，同时降低了研产风险。

3.1.3诺格公司数字化研发机构

诺格公司建立了高超声速卓越中心（COE），如图4，致力于支持高超声速武器的设计、开发、生产和集成，通过数字工程可实现无损检测的自动化处理，并部署自动化装置来提高安全性和可靠性，优化高超声速导弹开发效率，降低生产成本。其研究、技术和工程部门努力创造最先进的三维设计技术，并将数字设计与数字制造技术结合起来，以更快、更有效地提供更优质的产品，并优化作战人员的体验。

数字工程的应用使得诺格公司能够更加灵活地响应需求和快速迭代设计，为高超声速武器项目的成功研发和应用做出了重要贡献。

3.1.4企业参与数字工程建设的特点

洛马公司着力于数字化制造工厂的构建，通过数字技术与自动化设备的结合，实现了生产过程的智能化、精细化，从而提高了产品质量和生产效率。同时，公司还通过数据分析和预测，对生产过程进行优化，有效降低了生产成本。

雷锡恩公司则通过数字工程环境实现了所有模型的集成，规避了传统设计中的反复迭代。他们运用数字技术对产品进行一次性建模，并在数字环境中进行仿真测试，大幅缩短了产品研发周期，提高了研发效率。同时，通过数字孪生技术，雷锡恩公司可以在实际生产之前对产品进行全面的检测和优化，有效降低了生产成本和风险。

诺格公司更加关注数字化研发机构的建设，以此实现无损检测的自动化处理。通过引入智能检测设备和算法，他们能够快速、准确地检测产品内部缺陷和损伤，提高了产品质量和可靠性。同时，自动化检测也降低了人工检测的成本和误差，进一步提升了生产效率并降低了成本。

三家公司均致力于数字化转型，运用数字工程技术来加速高超声速武器项目的研发和制造过程。然而，他们的实施方式有所不同。洛马和诺格公司注重高超声速武器的生产制造过程，通过数字化工厂或机构的建设，引入先进自动化设备和智能化技术，实现武器的低成本和高质量高效率的生产；而雷锡恩公司侧重高超声速武器的研发过程，通过数字环境的引入，将整个设计和测试过程融入数字环境，软件代替硬件，真正通过数字模型完成“所有事情”。

3.2.1“高超声速攻击巡航导弹”（HACM）项目

美空军2022财年启动的“高超声速攻击巡航导弹”（HACM）项目，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，主要依托HAWC项目对高超声速巡航导弹进行关键技术开发和演示验证。

HACM项目将支持原型机技术开发和试验，支持数字工程、开放系统架构、建模分析和高性能计算环境建设等技术应用，为演示验证做技术储备。其预研项目HAWC作战原型完成了多次飞行试验，证明了数字工程概念在预测和提高系统性能方面的准确性，并得到了真实飞行数据的支持。

未来HACM项目将采用数字化建模和仿真技术：一是研发团队能够快速评估不同设计方案的性能，为实验方案制定提供精确指导，并为未来演示验证做好充分的技术储备；二是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；三是在模拟集成开始之前识别潜在问题，有助于导弹与战斗机集成；四是还可帮助开发数字线程，从设计到制造到测试，将导弹开发过程各个阶段连接起来，有助于提高开发过程的效率和质量。

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。HACM导弹将成为美军未来首型高超声速巡航导弹武器，具有极高的战略价值和技术优势。

3.2.2“高超声速空射进攻性反水面作战武器”（HALO）项目

“高超声速空射进攻性反水面作战武器”（HALO）项目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。在《2023年美国国防授权法案》公开的HALO项目中，数字工程将应用于整个研发过程，包括需求确定、设计、贸易研究、分析和未来作战条件下的系统鉴定等多个环节。数字工程不仅用于数字化建模和仿真测试，还在基于模型的系统工程实践中发挥着关键作用。通过数字化建模，研发团队能够在虚拟环境中评估不同设计方案的优劣，为系统鉴定提供可靠的依据。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。

3.2.3“消耗性高超声速吸气式演示器”（Mayhem）项目

“消耗性高超声速吸气式演示器”（Mayhem）项目旨在设计研制一型大尺寸吸气式高超声速系统，由超燃冲压发动机推进，飞行马赫数超过5，将在射程、有效载荷能力等方面超越现有吸气式高超声速系统。

美国雷多斯公司作为该项目主要负责企业将密歇根大学纳入其项目的合作伙伴行列。在Mayhem项目中，密歇根大学将应用基于模型的系统工程（MBSE）技术，致力于开发虚拟生态系统，并将其过渡到雷多斯公司开发的数字环境中。高超声速系统需要能够模拟高超声速飞行中常见的极端热和速度条件的数字建模和仿真环境，数字工程能够加速建模仿真环境的建设。通过系统模型，可帮助研发团队更好理解项目系统架构、设计和需求，共享信息和知识、提高沟通效率、加强协同，从而减少错误和重复工作；有助于预测武器在各种复杂环境下的行为和性能，优化设计流程，提升项目质量；通过数字模拟试验降低武器研发和试验风险和成本，以加快开发进度。通过数字化建模和仿真，密歇根大学能够更加高效地评估不同设计方案的性能和可行性，加快项目的进展，并为美国高超声速武器的发展带来新的突破。

数字工程作为关键支持工具，尽管在高超声速武器项目中具有显著应用，但由于高超声速武器极高的速度和复杂的飞行动力学特性，其研发和应用面临着重大挑战。在智能化技术牵引下，未来数字工程为美高超声速武器领域提供更多机会，加速研发过程，提高系统性能，同时也将推动美国在高超声速武器领域的领先地位。

当前，数字工程在高超声速武器上的应用，一方面面临技术本身不成熟的问题，另一方面也面临着验证存在不确定性、安全可靠性差等问题。

技术不成熟。一是复杂耦合模拟的挑战。高超声速武器飞行涉及多个物理场的复杂耦合，如气动、热力学、结构和控制等。数字工程在进行多物理场耦合模拟时面临挑战，包括模型精度、计算资源需求和算法稳定性等方面的问题。解决这些挑战需要继续发展高效的仿真方法和算法。二是数据不确定性。高超声速武器试验和仿真产生的数据可能存在不确定性，包括测量误差、模型假设和边界条件的影响等。数字工程方法需要考虑数据不确定性，并开发相应的验证方法来确保模拟结果的准确性和可靠性。

验证不确定性。尽管数字工程在一些项目理论和模拟层面取得了显著进展，但其在实际应用中仍需经受试验验证和实战检验。美国高超声速武器试验频率较低，目前只有采用数字工程的HAWC项目成功进行多次试验，其他各军种项目进展缓慢，数字工程在实战环境中可能面临着挑战和限制。

安全性和可靠性差。数字工程在防范数据和模型被敌方窃取或破坏、同时确保其输出符合军事标准和规范方面，仍然面临考验。确保数字工程安全涉及高度的网络安全措施和防御策略，以保护其关键数据和敏感信息不受未经授权的访问。尽管数字工程在提高高超声速武器项目研产过程中的效率和精确度方面取得了显著成果，但在某些情况下，传统实体工程仍然具有不可替代的优势。因此，在数字工程的推广应用中，需要综合考虑传统工程经验和数字技术创新，以确保在安全性和可靠性方面取得最佳的综合效果。

未来数字工程将加速技术创新，在高超声速武器领域更快速、更高效地研发和制造，全面推动数字化转型，促进标准化、模块化和通用化等。

技术创新与应用。一是算法和计算能力的提升。数字工程方法未来可以应用更复杂的模型和算法来模拟高超声速武器的行为，将进一步提高模拟的准确性和效率。二是数据驱动设计与优化。基于大数据和机器学习的数据驱动方法在高超声速武器设计中的应用前景广阔，通过分析大量试验和仿真数据，可以发现潜在的优化方向和设计模式，加速高超声速武器的研发过程。三是自动化设计与智能制造的应用前景。数字工程方法将与自动化设计和智能制造技术相结合，如HPAF方案实施等，以实现高超声速武器的快速设计和制造。自动化设计工具和智能制造技术将大幅提高生产效率，并支持高超声速武器的大规模生产和部署。

全面数字化转型。数字工程将在高超声速武器领域推动全面的数字化转型，包括数字线索、数字孪生和数字化仿真等技术的广泛应用。工程师能够在虚拟环境中进行全面而深入的测试、优化和验证，从而更好地理解和应对高超声速武器的复杂性和多变性。

标准化与通用化。数字工程未来或将促进高超声速武器的标准化、模块化和通用化，实现多军种、多平台、多任务的高超声速武器能力。通过统一的数字设计和仿真标准，不同系统和平台可以更好地集成和协同工作，提高整体作战效能。

未来数字工程将在美国高超声速武器的设计、研发、制造和集成等方面发挥重要作用，支持高超声速武器系统的快速规划、敏捷设计、高效制造和精准保障。通过充分利用超级计算、数据分析、人工智能和机器学习等创新技术，数字工程将提升高超声速武器的性能、可靠性和安全性，促进标准化、模块化和通用化，推动数字化转型，加速技术创新，探索新型高超声速武器的概念和方案。

高超声速系统研制和部署涉及复杂工程和先进技术，数字工程、MBSE等方法可使高超声速武器装备“设计一研发一制造”全生命周期虚拟化，实现更快设计、无缝装配和升级。

数字工程作为现代工程领域的重要发展方向，为高超声速武器的研发和应用提供了关键支持和创新思路。本文深入了解了数字工程在美国高超声速武器项目研发阶段所扮演的角色，并举例探讨美国防企业数字工程在各大企业发展高超声速武器过程中的重要应用及重点项目，最后研判了数字工程在美高超声速武器领域的应用挑战与发展趋势。在未来的发展中，数字工程将持续发挥着不可替代的作用，推动高超声速武器技术的进步和发展，为美国军事实力提升和国家安全保障做出更大贡献。