一体化试验评估在美国飞行器研制中的应用

何 磊, 张天姣, 钱炜祺, 周 宇, 邵元培

(中国空气动力研究与发展中心, 绵阳 621000)

0 引 言

为实现航空工业“更快、更好、更经济”的发展目标[1]，应对飞行器研制出现的新挑战，美国空军阿诺德工程中心AEDC于20世纪90年代提出了一体化试验评估(Integrated Test and Evaluation，IT&E)方

法。一体化试验评估方法强调将研制过程中涉及的各类试验资源、试验流程和评估方法等进行统筹规划，将多种试验手段进行综合利用，已经在美国多个飞行器试验评估中得到了成功应用，实现了降低研制风险、缩短研制周期、减少研制经费的目的[2-8]。一体化试验评估方法提出后得到了美国国防部的重视和倡导，列入了美军新修订的5000系列防务采办文件以及2012年颁布的第六版试验与评价管理指南中[9]。一体化试验评估要求研制飞行器系统各利益攸关方共同制定统一的试验评估大纲，体现出研制需求、研制设计和研制试验的紧密结合，使得各类试验资源最大化利用，尽可能减少冗余试验活动，避免各试验参与方的数据共享障碍[9-13]。一体化试验评估的出现折射出了装备试验评估的发展规律，适应了装备发展的需求[14]。本文首先剖析了飞行器一体化试验评估的概念与内涵，然后对一体化试验评估方法在飞行器研制中的应用情况及相关关键技术进行了详细介绍，并对其后续发展趋势进行了展望。

1 飞行器一体化试验评估的概念

对飞行器一体化试验评估的理解，应该从体系的视角出发，除了要实现飞行器试验评估涉及的所有相关机构的各种试验流程统一制定、试验活动统一规划，还需要的是要实现研究手段、分系统和研制阶段三个维度的一体化，文献[2]给出了如图1所示的飞行器系统一体化试验评估的多维概念模型。这三个维度分别反映了影响飞行器研制的时间、资源、风险三大因素。一体化试验评估的目标就是最大程度地减少研究手段所需要的资源，降低分系统集成时的意外风险，缩短研制周期。

1.1 飞行器研制各阶段的一体化

一体化试验评估强调在早期同时考虑飞行器的适用性与效能以及技术规范与性能，就通用的试验评估参数、方法、术语达成一致，并尽可能将研制试验评估阶段与作战试验评估阶段的试验合并，以期用最小的代价获取最优的结果[15-16]。例如自由落体弹药试验可以在作战部署条件下通过战斗机投放进行，而非从静止平台投放，可同时满足研制试验和作战试验目的[15]。通过一体化试验评估，一方面作战试验人员在早期通过提供作战信息可牵引系统设计，避免出现因为不满足作战要求而出现大幅设计更改；另一方面作战试验人员还可以在研制早期熟悉系统并获取部分可支持作战试验的数据。以美国空军为例，在F-22猛禽战斗机研制过程中，通过推行一体化试验评估，使得原计划的初始作战试验评估试验次数从700多试飞架次缩减到200多试飞架次，在保证试验评估结果的同时，大大节约了试验评估资源[17]。

1.2 飞行器研制各分系统的一体化

任何复杂的系统都必然是由多个分系统组合而成，如飞行器系统包括了结构强度、航电通信、武器作战、气动飞控、推进动力等多个分系统。传统上，由于支持每一个子系统的技术团体是各自独立的，新系统开发的最初过程中，子系统各自有独立的学科、工序、实践惯例，他们在各自“平行线”上开发，极少有重叠发生，在研制后期进行集成时可能出现难以预测的问题[2]。若采用一体化试验评估思想，将整个系统尽早综合评估，可有效缩短研制周期，并使首次系统集成试验(如飞行器首飞中)可能发生的综合问题达到最小化。例如，对飞行器系统，可通过建模与仿真方法构建虚拟飞行器系统或“铁鸟”仿真试验系统，在地面对各个关键功能系统进行综合试验，重点测试各种软件系统间、硬件设备间的的接口，以提升飞行器系统的安全性和可靠性。在美国的空军的F-22战斗机和波音公司的波音777等民用飞机研制过程中都依靠大型的地面设施进行了系统综合试验，有效降低了集成风险[5,9]。

1.3 飞行器研制各研究手段的一体化

试验评估的基本方法包括建模与仿真、地面试验以及飞行试验。一体化试验评估的实质就是充分发挥三大手段的各自优势，加强三大手段的相互融合。对飞行武器而言，飞行器几何建模、流场数值仿真及飞行仿真为揭示地面风洞试验与飞行试验获得的包线提供了一种分析方法，地面试验为需要详细计算求解区域或飞行试验必须研究的包线区域提供了一种手段，而飞行试验为分析地面模型的预测与假设是否真实可靠提供了一种真实的试验环境，以便据此做出改进。三种手段结合的核心是在开展地面试验的同时进行建模仿真，利用地面试验结果进行验模，然后一方面利用模型来预测和优化类似的地面试验，另一方面将模型推广应用到飞行状态，利用飞行试验数据反馈校验模型，三者之间的关系如图2示。通过这一方法，能够以最低费用和最短时间提供最多的有用信息。

2 一体化试验评估在飞行器研制中的应用

美国的多家航空单位、军事机构都引入了一体化试验评估的思想以支撑其飞行器研制工作，包括航空航天局(NASA)、波音公司、洛-马公司、空军的AEDC和飞行试验中心(AFFTC)、海军的空战中心等[9]。一体化试验评估已经在多个项目中进行了应用，支持了包括F-35、F-22、F-15、B-1B、F/A-18等在内的多型飞行器系统、无人机系统融入国家空域系统(UAS-NAS, Unmanned Aircraft Systems Integration in the National Airspace System)项目以及机体/推进一体化的研制和改进工作[5,18-22]。

2.1 在外挂物分离问题中的应用

飞机外挂物分离(包括内埋武器分离)是关系飞行安全和作战效能的关键问题。应用一体化试验评估方法进行飞机外挂物分离研究是AEDC十分典型和成熟的案例，下面给出其详细步骤[23-24]。其整体思路是：风洞试验对仿真过程的确认⟹飞行试验对仿真的确认⟹利用经过验证的仿真方法来进行分析。其中，仿真确认主要依靠风洞试验数据，飞行试验数据起最终的校核作用。

2.1.1 仿真预测方法与风洞试验数据的对比

如图3示，首先通过风洞试验数据对仿真方法进行确认。气动数据生成和轨迹预测仿真主要有三种方法：TGP(Trajectory Generation Program)方法、FLIP TGP(Flow-field Loads Influence Prediction Trajectory Generation Program)方法和计算流体力学(CFD)方法。以FLIP TGP为例，基本流程如下：输入未带外挂物情况下的飞机流场、自由来流下的外挂物气动特性、外挂物和飞机比较接近情况下的气动特性。其中，自由来流下的外挂物气动特性用于对获取气动特性的半经验计算方法MDA(Missile Distributed Airloads)进行校核；为获得飞机流场对外挂物载荷的影响，利用MDA方法计算外挂物在飞机流场和均匀流场中的气动特性，二者的差值近似为飞机流场对外挂物载荷的影响，如果需进一步考虑飞机与外挂物之间的相互作用，可结合第三部分输入数据，即几组外挂物和飞机不同相对位置下的气动特性，做进一步的增量分析建模，得到最终的气动载荷，最后再加上一些非气动的载荷，如弹射力等，即可进行外挂物分离轨迹和姿态仿真。

图3 风洞试验数据对仿真方法的确认Fig.3 Simulation method confirmed by wind tunnel test data

经过多年发展，外挂物分离问题的研究更加成熟[25-28]，目前采用计算流体力学方法直接求解这一问题已属于常规技术[29]，但因FLIP TGP的计算效率高，在AEDC仍是主要分析工具。

2.1.2 地面仿真预测与飞行试验数据的对比分析

仿真方法通过风洞试验验证后，还需进一步与飞行试验对比。仿真试验结果与飞行试验结果对比分析，一方面是对已建模的现象、机理、流程进行确认，另一方面是通过比较飞行试验数据与仿真预测数据的差异，发现仿真模型的缺陷，特别是一些没能被仿真模型所包含的重要的物理现象。通过飞行试验找出与仿真预测不一致的现象，然后建立描述这些现象的合理模型并加入仿真，使飞行试验和地面仿真数据尽可能吻合[30]。该项工作重点解决仿真模型没有考虑到的影响试验评估结果的物理现象，例如，在F/A-22的AIM-120C导弹分离试验中，角速率(侧滑和滚转速率)出现了阶跃响应。特别是机体在滚转情况下发射导弹，滚转角速率出现阶跃，与仿真预测结果不一致。由于不理解该现象的机理，提出的各种理论都无法解释，后来经过努力，在第17次飞行试验中才找到原因，原来是发射过程中，导弹主体已经和发射装置脱离接触，而挂钩还在发射装置中，导致“挂钩约束”现象发生。研究人员通过在仿真模型中加入运动约束模型，成功解决了这一问题，也为其他战机武器分离试验提供了参考。

2.1.3 一体化试验评估的迭代完善

AEDC和AFFTC将风洞试验、CFD计算、飞行试验和M&S等手段进一步结合在一起，形成了MASTER(Modeling and Simulation Test & Evaluation Resources )项目，如图4示。左上角(即图3)表示预测方法与风洞试验结果对比，方法验证后用于飞行试验预测，与右上角的飞行试验结果一起，送入AEDC的数据分析人员进行对比分析，分析出的结果可以对仿真方法进行验证，用于减少飞行试验架次、降低试验经费和试验风险。同时，风洞试验和飞行试验的结果反过来也用于改进和完善仿真模型。

图4 MASTER项目迭代过程Fig.4 Iterative process of MASTER project

2.2 在航空推进系统中的应用

AEDC早在20世纪70年代就开始将建模分析方法与地面试验结合来开展航空推进系统的试验评估，此后又进一步结合一体化试验评估理念来增强地面试验与分析之间的互补能力，解决了航空航天系统研制中的诸多问题。在航空推进系统分析中，以往的分析方法是在进气道入口处假设一“交界面”AIP(Aerodynamic interface plane)，然后分别对前体和发动机进行地面试验、参数影响分析和飞行试验验证。近年来，AEDC基于一体化试验评估的思想，逐步建立了前体和发动机耦合的计算方法(图5)，能够综合分析总压畸变、进口旋流等因素对发动机工作的影响，指导地面试验，并结合飞行试验进行验证，从而有效降低了试飞风险和试飞费用[18,31]。

2.3 在高超声速武器系统试验中的应用

一体化试验与评估在高超声速武器系统研制中的应用更为重要，因为在高超声速武器系统飞行的高焓、高压状态，每种模拟方法都有局限[32]，没有哪一种模拟方法能够独立地克服这些技术挑战，因此，需要将建模与仿真、地面试验和飞行试验综合起来的新方案[33]。2015年，美军首次披露了高速系统试验(HSST)项目的详细情况，该项目是美国国防部“试验与鉴定/科学技术”(T&E/S&T)计划下专门针对未来高速/高超声速系统转换成武器所需的试验与鉴定技术，是高速打击武器项目(HSSW)的配套。高速打击武器项目(HSSW)包含HAWC(高超声速吸气式武器)和TBG(战术级助推-滑翔武器)两个方面，HSST项目对HAWC提出了23个试验评估目标，对TBG提出了10个试验与鉴定目标。围绕上述目标，提出了25个试验与鉴定需求，在其中体现了一体化试验评估的思想，如图6，即：地面试验中加强洁净空气(无污染)试验、防热烧蚀试验、高超声速/超声速武器投放试验能力；仿真建模中加强高超声速流动模拟；飞行试验中拓展参数测量范围，增加每次飞行数据获取能力等；提升对吸气式超燃发动机、滑翔飞行器、再入飞行器、高速拦截器、组合动力发动机的试验评估能力[34]。

图5 AEDC航空推进系统一体化试验评估Fig.5 Integrated test and evaluation of AEDC aviation propulsion system

图6 美军HSST项目中一体化试验评估需求Fig.6 IT&E requirement of US army’s HSST project

2.4 在UAS-NAS项目中的应用

近年来，NASA持续推动UAS-NAS项目，旨在加速无人机系统与当前有人机空域融合，为军事和民航部门提供相应的安全测试以及适航认证数据。目前，该项目FT3、FT4两个阶段的测试已相继完成，一体化试验评估在系列飞行测试中都发挥了重要作用[35-36]。一体化试验评估在该项目中应用主要目标是为仿真和飞行试验一体化提供环境架构基础，实现一体化概念开发、数据收集以及验证与确认等。NASA利用LVC一体化系统将分布于各地的试验资源集成，并支撑仿真和在线飞行试验的一体化，实现空中和地面的多种监测信息输入，极大地降低了仿真试验和飞行试验分别开展带来的额外风险(图7)[37]。

图7 LVC一体化技术支撑UAS-NAS项目Fig.7 LVC system used to support UAS-NAS project

3 一体化试验评估的关键技术

除了地面风洞试验、飞行试验的关键技术外，开展一体化试验评估涉及到的关键技术包括以下几个方面。

3.1 建模仿真技术

长期以来，美国国防部都将建模与仿真作为国防关键技术，不断致力于建模仿真技术的发展和应用，提升装备一体化试验评估能力。一体化试验评估的提出者AEDC认为建模仿真在一体化试验评估中扮演了极其重要的角色，因此不断发展CFD等仿真技术，以提升其气动与推进系统风洞、火箭和涡轮发动机测试设备、弹道靶系统等试验能力[38-39]。一方面，美军不断推进构建建模仿真资源库，并注重在研制试验和作战试验中使用统一的、经过验证确认的装备仿真模型，避免模型重复开发和资源浪费；另一方面，美军利用建模仿真技术不断推动飞行器试验模式从“试验—改进—试验”向“建模与仿真—虚拟试验—风洞或飞行试验—对比/识别—改进模型”转变。利用上述手段，建模仿真在飞行器试验中的比重不断提高，飞行试验次数不断降低，从而有效降低费用，缩短时间(图8)[5]。

图8 建模仿真在试验评估中比重不断提升Fig.8 Modeling and simulation improved continually in test and evaluation

另外，美军在一体化试验评估中，还利用建模仿真技术加强试验资源的互操作性和连通性，使得将不同地点的多种试验资源(真实、虚拟和构造的试验资源)连接起来，实现互操作，从而满足飞行武器装备体系的分布式试验需求。美军在不同时期提出的不同仿真体系结构均支持LVC一体化仿真集成，主要的建模仿真架构有三种[40]：分布式交互仿真(Distributed Interactive Simulation，DIS)，高层体系结构(High Level Architecture，HLA)以及试验与训练使能体系结构(Test and Training Enabling Architecture，TENA)，他们在美军的仿真应用系统中比例约为35%、35%、15%[41-42]。DIS定义了一种基本框架，该框架支持分布各地的、类型多样的仿真对象连接为一个整体，从而形成一个逼真的虚拟环境，为仿真活动的有效交互提供支撑。DIS标准开发的四个主要领域为互联、综合环境组建、支撑环境和演练组织与管理。DIS虽然有一定的节点聚集性，但是无法完全支撑LVC一体化仿真实现[43]。HLA定义了联邦设计、运行阶段必须遵守的基本规则和接口规范，以保证联邦成员之间正确交互，试图建立一个满足各种类型仿真需要的仿真体系结构，解决各类仿真资源间的互操作性和可重用性问题，为构造、虚拟、实况三类仿真系统的集成提供基础框架。HLA虽然通用性高但专业性相对较弱[44]。TENA吸收了HLA的基本思想，主要针对试验与训练领域的特定需求进行了扩展，其目标是将一系列分布各地的试验训练靶场资源组合起来， 实现可组合、可互操作功能，建立“地域分布、逻辑一体”的试验训练靶场，支撑完成各种试验与训练任务[45-46]。2012年，SISO组织(Simulation Interoperability Standards Organization)进一步提出了层次化仿真体系结构(Layered Simulation Architecture，LSA)的思想，力图将多年来基于DIS、HLA、TENA等构建的各类异构仿真资源进行有效集成，形成更加有效的支撑靶场LVC一体化仿真试验的能力[47]。该结构已在NASA肯尼迪航天中心的战神火箭发射系统仿真中得到了成功应用[48]。

3.2 数据管理与分析

试验评估工作的核心是数据。在IT&E过程中，风洞试验、CFD数值计算、飞行试验、仿真分析都会产生大量的数据，对这些数据的有效管理、分析及呈现也是IT&E的一项关键技术。AEDC在外挂物投放的数据管理方面主要开展了三方面工作：一是对数据进行安全有效的存储；二是开发了DATAMINE软件，该软件不仅能实施显示处理风洞试验数据，同时还能与历史数据、模型预测结果进行动态对比；三是建立了针对外挂物投放的TVIS(Trajectory Visualization)显示系统[5]。随着IT&E工作的不断深入，数据挖掘、数据融合及专家系统的相关功能与工具已进一步融入一体化试验评估的数据管理中。例如，AEDC基于历史试验数据和蒙特卡洛模拟方法构建出数据的不确定度模型[49]，采用Python语言开发了风洞试验数据不确定度评估工具—uMCS[50]。在实际应用中，通过将重复性试验数据与uMCS计算出的误差条进行可视化比较，可直观地显示正在使用的设备和试验硬件运行情况是否正常。

3.3 试验设计

美国多项试验评估相关的指南中明确了必须通过科学的试验设计，严格地规划和执行试验。对一体化试验评估而言，试验设计有助于理解试验成功/失败的原因，理解试验结果的影响因素，如系统分析不同手段、不同阶段获取数据的差异原因等。自20世纪90年代以来，美国NASA兰利研究中心开始创新发展基于现代试验设计(MDOE，Modem Design of Experiments)的风洞试验方法，用于替代传统的OFAT(One Factor at a Time)方法[51]。基于MDOE方法的风洞试验强调将试验目标由单纯的气动数据获取转变为对气动性能认知，尽可能提供知识产品而非大量枯燥乏味的数据。与传统的风洞试验方法相比，MDOE方法具有如下的优越性：通过确定能满足达到特定目标的最小数据量，使风洞试验周期最短，从而降低风洞试验成本；在风洞试验方案执行中，通过采用各种质量保证策略，减小和量化风洞试验不确定度；通过揭示独立变量变化及其相互干扰如何直接影响气动特性，来改进对风洞试验研究对象气动变化规律的认识；为风洞和天平等的校准提供一种新的有效手段。

4 一体化试验评估的发展趋势

一是计算模拟将得到越来越广泛的应用。当前，飞行器系统日趋复杂，过度依赖实装的试验评估模式难以满足节省试验成本、缩短试验周期、降低试验风险的要求。随着计算机技术和计算科学的发展，凭着使用灵活方便、经济高效的优点，可以预见计算模拟将在未来的一体化试验评估工作中得到越来越广泛的应用。文献[52]中提出，通过计算机仿真技术实现LVC一体化试验，能同时起到节省试验成本、增强试验效果的作用。为更好实现模拟试验和实装试验的互补性、融合性，计算模拟技术在一体化试验评估中的应用需要长期跟踪研究。

二是大数据和人工智能技术将在一体化试验评估中得到深度应用。当前人工智能技术用于武器装备论证设计的优势已经展现，在试验数据分析和规律挖掘方面的应用也在不断深入。飞行器系统结构复杂，功能多样，试验数据种类繁多，数量巨大，利用数据聚类、关联分析等大数据和人工智能技术将有助于从海量的试验数据中提取有用信息，通过不同手段获取数据、不同状态试验数据、不同类型飞行器试验数据，发现其中蕴含的物理规律，获取知识，支撑飞行器的设计完善。

三是构建面向空天装备体系的一体化试验评估方法。目前的一体化试验评估实际应用大多针对的是单一问题，或单一飞行器，而未来作战都是体系作战，体系贡献率是评价装备发展的重要依据[53]。因此，有必要将一体化试验评估思想与装备体系仿真紧密结合[54]，科学检验装备是否满足未来空天体系作战的性能和效能要求，确定其体系贡献率[55]。

四是一体化试验评估中将逐步考虑人类行为科学模型。现有的一体化试验评估基本没有考虑人的因素，而未来武器装备将大量使用人工智能技术，基于仿真的试验评估必须建立人类行为模型并考虑作战人员在作战场景中的行为对作战态势和作战结果的影响。对一体化试验评估而言，无论哪一个维度的工作都无法避免对人类行为的描述和应用，因此行为科学技术将在未来一体化试验评估中得到越来越广泛的应用，值得长期关注和研究。

5 小 结

飞行器试验评估是一个复杂的系统工程问题，其发展会受到科学技术水平、国家经济条件、装备发展需求、科研体制机制方式等诸多内外因素的影响。美国之所以能率先提出一体化试验评估思想，并成功应用于飞行器试验评估之中，从分系统、研制过程、研究手段三个维度来对各试验阶段和试验活动进行统筹规划和组织实施，达到有效地提高了试验效率、缩短了试验周期、减少了试验成本和风险的有益效果，是以上诸多因素共同作用的结果。

首先，第二次世界大战以后美国科学技术水平在世界上占有绝对优势，整体科研实力和工业制造能力长期领先，在飞行器研制和试验评估涉及的材料、空气动力、结构强度、气象、机械、计算机、电子通信、飞行控制、发动机制造、数学、建模仿真等诸多领域都是世界一流水平，强大的科学技术水平有力地保障了一体化试验评估思想在飞行器研制过程中的成功应用。

其次，美国经济实力世界第一，对科研投入也长期保持较高水平。2018年投入约为5529.8亿美元，达到了全球科研总投入的四分之一[56]。以高超声速飞行器投入为例，自2013年以来各年投入总经费都在2亿美元以上，其中2019年为2.56亿美元[57-58]，有力地保障了高超声速飞行器试验基础设施建设和试验项目持续推进。

再次，美国为维护其全球政治、经济、军事利益，不断提出新的作战概念，从而牵引其军用飞行器发展需求不断更新，新概念飞行器层出不穷，为有效检验飞行器设计思想、能力是否符合作战需求，必须不断发展其试验评估理论和技术。

最后，对于军用飞行器而言，美军负责根据作战需求提出飞行器战技指标以及通过试验评估检验飞行器的性能和效能，承包商负责按照军方要求提供设计方案并开展工程研制。军方为尽快形成飞行器作战能力，需要确保研制质量的同时降低研制风险、缩短研制周期，而以洛克希德—马丁、波音、诺思罗普—格鲁门为代表的飞行器制造承包商公司为追求利润最大化，必须设法降低研制经费，可见一体化试验评估符合美国军方和承包商的共同利益。另外，美国研制试验与评估和作战试验与评估负责机构不同，采取并行模式推进，同一试验多家机构可能关注点不一样，催生了对一体化试验评估的现实需求[59]。美国现行的试验体制也是促进一体化试验评估在飞行器研制中落地的重要原因。

我国早期提出的“一次试验，多方受益”的试验评估思想[60]与美国一体化试验评估中“一次试验，多方使用”[59]的内涵一致。同时，我国也在积极推进一体化试验评估方法在飞行器研制中的应用，并在分系统、研制过程、试验手段三个维度开展了许多卓有成效的工作。例如，利用燃烧加热脉冲风洞开展的高超声速飞行器气动/推进一体化试验，有效获得了气动推进性能[61]；通过一体化试验评估顶层设计统筹科研过程试验和定型试验，解决了小样本条件下导弹命中精度的试验评估问题[62]；利用建模仿真手段构建飞行器内外场一体化试验评估模式，提升试验效率，降低试验风险[63-64]。

当前我国飞行器发展处于“跟踪测仿”向“自主研发”转变的关键时期，对试验评估工作也提出了许多前所未有的新要求。因此，认清差距，结合我国飞行器发展实际，研究借鉴美国发展经验，更加注重集约高效，加强虚拟现实、大数据、人工智能等创新技术的应用，一体化试验评估方法将在我国飞行器试验评估建设发展过程中起到越来越重要的作用。