美軍計(jì)劃將F-35數(shù)字化模型集成到了飛機(jī)系統(tǒng)中去

2019年10月，美國(guó)國(guó)防部官員表示2019年不會(huì)批準(zhǔn)F-35戰(zhàn)斗機(jī)開(kāi)始全速生產(chǎn)，這一里程碑節(jié)點(diǎn)甚至可能將推至2021年1月。美國(guó)國(guó)防部原本打算在2019年底前做出全速生產(chǎn)的決定，但是由于聯(lián)合仿真環(huán)境（Joint Simulation Environment，JSE）仍然面臨的延期問(wèn)題等原因，美國(guó)防部將不得不推遲長(zhǎng)達(dá)13個(gè)月的時(shí)間。JSE是美國(guó)國(guó)防部測(cè)試F-35任務(wù)系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)施，大量的測(cè)試、驗(yàn)證工作需要在JSE中完成，目前尚不清楚這種延遲是否會(huì)導(dǎo)致F-35項(xiàng)目計(jì)劃成本的增加。據(jù)洛克希德·馬丁公司稱，盡管本應(yīng)在2019年夏天完成的測(cè)試延遲，但生產(chǎn)仍在繼續(xù)，2018年年產(chǎn)91架，到2023年目標(biāo)年產(chǎn)160架。

美軍對(duì)五代機(jī)試驗(yàn)要求高

F-35的初始作戰(zhàn)試驗(yàn)與鑒定（IOT＆E）目的是驗(yàn)證武器系統(tǒng)的作戰(zhàn)效能，確保其能滿足作戰(zhàn)使用。IOT＆E由五角大樓作戰(zhàn)試驗(yàn)與鑒定總監(jiān)羅伯特·貝勒（Robert Behler）負(fù)責(zé)，在該工作未完成之前，F(xiàn)-35仍然按照低速初始生產(chǎn)（LRIP）階段去生產(chǎn)。當(dāng)前，物理訓(xùn)練環(huán)境太有限，無(wú)法全面測(cè)試先進(jìn)的第五代飛機(jī)和其他先進(jìn)平臺(tái)。在未來(lái)作戰(zhàn)中將出現(xiàn)的一系列高威脅情況下，需要JSE對(duì)F-35進(jìn)行仿真評(píng)估。JSE包含了現(xiàn)代化的空中威脅和密集的綜合防空威脅、天氣，地理和航程限制等特征，從而可用來(lái)證明飛機(jī)具有應(yīng)對(duì)各種威脅和復(fù)雜場(chǎng)景的能力。

JSE正在整合洛克希德·馬丁公司的F-35數(shù)字化模型（F-35 In A Box, FIAB），該仿真模型將F-35的傳感器系統(tǒng)集成到了整個(gè)飛機(jī)系統(tǒng)中，F(xiàn)IAB在JSE環(huán)境中用于完成對(duì)F-35飛機(jī)的模擬。

F-35這種極其復(fù)雜的飛機(jī)所需要開(kāi)發(fā)和測(cè)試環(huán)境遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)傳統(tǒng)飛機(jī)所需要的能力。除了現(xiàn)有的用于飛機(jī)系統(tǒng)、任務(wù)系統(tǒng)和作戰(zhàn)分析的實(shí)驗(yàn)室外，F(xiàn)-35項(xiàng)目還包括互用性和自主化后勤保障專業(yè)。這種需求導(dǎo)致了需要眾多的實(shí)驗(yàn)室一起配合，其中許多實(shí)驗(yàn)室需要結(jié)合非常詳細(xì)的設(shè)計(jì)。之前的項(xiàng)目大部分的復(fù)雜性體現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)室硬件配置中，但隨著五代機(jī)能力的增加，其復(fù)雜性也體現(xiàn)在了要測(cè)試任務(wù)系統(tǒng)模型、飛機(jī)系統(tǒng)模型與環(huán)境（自然和戰(zhàn)術(shù)環(huán)境，包括大氣、地形、目標(biāo)、武器和威脅）的交互。洛克希德·馬丁公司的F-22戰(zhàn)斗機(jī)的作戰(zhàn)試驗(yàn)與鑒定驗(yàn)證了測(cè)試五代機(jī)能力的重要性。F-35將吸取F-22的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，爭(zhēng)取試驗(yàn)得更加充分。

各代戰(zhàn)斗機(jī)能力及復(fù)雜性演進(jìn)示意圖

美軍對(duì)F-35仿真要求高

1．重視仿真模型

美軍先后多次給F-35項(xiàng)目有關(guān)仿真工作的合同，用于測(cè)試戰(zhàn)斗機(jī)的高度復(fù)雜的軟件和硬件系統(tǒng)。合同主要包括全任務(wù)模擬器（FMS）、虛擬仿真模型（Virtual SimulaTIon，VSim）等方面。VSim的模型開(kāi)發(fā)、集成工作正在德克薩斯州的沃斯堡、馬里蘭州的帕圖克森特河海軍航空站和加利福尼亞的愛(ài)德華茲空軍基地進(jìn)行。

VSim目標(biāo)能在各種作戰(zhàn)條件下測(cè)試F-35高度復(fù)雜的軟件和硬件系統(tǒng)的功能。F-35配備了戰(zhàn)斗機(jī)上最復(fù)雜的傳感器和電子戰(zhàn)系統(tǒng)，在整個(gè)壽命周期中，其軟件和硬件（例如健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和傳感器）之間的集成一直存在問(wèn)題。盡管VSim面臨著反復(fù)的延期，但是該仿真模型對(duì)于完成IOT＆E至關(guān)重要。

2．重視仿真環(huán)境

洛克希德·馬丁公司最初為F-35的測(cè)試提出了虛擬驗(yàn)證方案。但是在2015年，美國(guó)防部為了更好地測(cè)試F-35作戰(zhàn)所要求的威脅密度和復(fù)雜性，將測(cè)試工作改為要結(jié)合JSE，并移交給馬里蘭州的帕圖克森特河海軍航空站和仿真和分析設(shè)施（SimAF）。但是這兩處設(shè)施的JSE功能有限，美空軍提倡建設(shè)新的JSE設(shè)施，一處是加利福尼亞州的愛(ài)德華茲空軍基地（JSE面積21988平方米），另一個(gè)位于內(nèi)華達(dá)州內(nèi)利斯空軍基地（JSE面積15535平方米）。JSE設(shè)施也在設(shè)計(jì)中考慮到靈活性，這兩個(gè)設(shè)施都將采用相似的硬件和軟件配置，因此兩個(gè)環(huán)境將能夠增強(qiáng)彼此的能力。愛(ài)德華茲空軍基地將專注于開(kāi)發(fā)測(cè)試，內(nèi)利斯空軍基地將專注于作戰(zhàn)測(cè)試。

JSE是一個(gè)可伸縮的、可擴(kuò)展的、高保真的政府所有的、非專有的建模和仿真環(huán)境，能解決物理實(shí)驗(yàn)環(huán)境中存在的空域限制問(wèn)題、GPS干擾限制以及其他安全問(wèn)題等。JSE的總體目標(biāo)是支持軍方測(cè)試人員和工業(yè)部門(mén)工程師在裝備的開(kāi)發(fā)和測(cè)試階段測(cè)試多個(gè)平臺(tái)。

美空軍的長(zhǎng)期目標(biāo)是不僅僅在F-35項(xiàng)目中使用JSE，還考慮將JSE用于F-22傳感器升級(jí)的作戰(zhàn)測(cè)試，以及F-15E紅外搜索和跟蹤測(cè)試，和F-15的具備主動(dòng)干擾功能的導(dǎo)彈來(lái)襲告警系統(tǒng)測(cè)試。甚至還可以將JSE用于未來(lái)的B-21轟炸機(jī)和其他未來(lái)戰(zhàn)斗機(jī)平臺(tái)的開(kāi)發(fā)與測(cè)試。

場(chǎng)景驗(yàn)證示意圖，圖中藍(lán)方可見(jiàn)1架B-2A轟炸機(jī)和4架F-35戰(zhàn)斗機(jī)

F-35配套的實(shí)驗(yàn)室

F-35任務(wù)的復(fù)雜性也導(dǎo)致了其實(shí)驗(yàn)室的復(fù)雜性。一方面，必須在實(shí)驗(yàn)室中復(fù)制F-35用于飛行的復(fù)雜戰(zhàn)術(shù)環(huán)境，方便對(duì)飛機(jī)任務(wù)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，另一方面，飛行員可以利用試驗(yàn)環(huán)境，開(kāi)發(fā)新的作戰(zhàn)概念，主動(dòng)尋找飛機(jī)的能力邊界。

此外，F(xiàn)-35項(xiàng)目需要驗(yàn)證飛機(jī)的全部功能。盡管使用實(shí)際飛機(jī)在國(guó)防部的測(cè)試場(chǎng)內(nèi)執(zhí)行了許多這些驗(yàn)證任務(wù)，但是復(fù)雜戰(zhàn)術(shù)任務(wù)需要實(shí)驗(yàn)室環(huán)境的配合，開(kāi)展虛實(shí)混合驗(yàn)證。

F-35項(xiàng)目利用人在環(huán)（MITL）和硬件在環(huán)（HITL）仿真與系統(tǒng)集成實(shí)驗(yàn)室，在全壽命周期中從支持系統(tǒng)開(kāi)發(fā)到售后服務(wù)。包括研究和開(kāi)發(fā)、威脅分析、概念探索、業(yè)務(wù)發(fā)展、系統(tǒng)采購(gòu)研究、需求開(kāi)發(fā)、設(shè)計(jì)評(píng)估、開(kāi)發(fā)測(cè)試、集成測(cè)試、驗(yàn)證和確認(rèn)、作戰(zhàn)試驗(yàn)與鑒定、作戰(zhàn)訓(xùn)練、持續(xù)保障等。

F-35主要的實(shí)驗(yàn)室可分為幾個(gè)類別：

飛機(jī)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室包括如飛行控制、剎車(chē)系統(tǒng)、液壓、推進(jìn)、起落架、空氣動(dòng)力學(xué)和能源系統(tǒng)等。

任務(wù)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室包括如戰(zhàn)術(shù)和導(dǎo)航設(shè)備、武器和武器管理、傳感器和數(shù)據(jù)融合以及戰(zhàn)術(shù)通信設(shè)備。

戰(zhàn)術(shù)模擬實(shí)驗(yàn)室將飛機(jī)系統(tǒng)和任務(wù)系統(tǒng)模擬結(jié)合在一起，模擬飛行器真實(shí)狀態(tài)，并添加對(duì)戰(zhàn)術(shù)任務(wù)環(huán)境的模擬，包括目標(biāo)、武器、威脅、地形、情報(bào)信息和天氣。

自主后勤保障實(shí)驗(yàn)室包括自主后勤集成系統(tǒng)（ALI）、飛行員訓(xùn)練系統(tǒng)以及非機(jī)載任務(wù)服務(wù)（如任務(wù)規(guī)劃）等。

其他實(shí)驗(yàn)室還包括機(jī)上環(huán)境、燃料系統(tǒng)模擬器和機(jī)載任務(wù)的可視化系統(tǒng)測(cè)試臺(tái)。

軍方實(shí)驗(yàn)室為建模和仿真提供資源支持，一方面提供了用于飛行試驗(yàn)任務(wù)的飛機(jī)系統(tǒng)模擬器，另一方面萊特-帕特森空軍基地提供了作戰(zhàn)協(xié)作環(huán)境（Strike Warfare CollaboraTIve Environment，SWCE）模型，包括很多模塊／插件，毀傷仿真（FASTGEN-用于快速生成彈道、COVART-毀傷計(jì)算和修復(fù)時(shí)間），交戰(zhàn)仿真（BRAWLER，ESAMS-增強(qiáng)的地空導(dǎo)彈仿真，MOSAIC-先進(jìn)的反偵察建模系統(tǒng)，RADGUNS-雷達(dá)瞄準(zhǔn)火炮模擬），維護(hù)保障仿真（LCOM-后勤綜合模型）和戰(zhàn)役模型（THUNDER），以及使用這些模型的人員。還提供了任務(wù)分析和環(huán)境數(shù)據(jù)，包括聯(lián)合集成任務(wù)模型（JIMM）分析支持和多光譜環(huán)境（MSE）管理。毀傷分析人員還與第46聯(lián)隊(duì)的測(cè)試聯(lián)隊(duì)合作，在萊特-帕特森空軍基地的范圍內(nèi)進(jìn)行了實(shí)彈試驗(yàn)與鑒定。模擬和分析設(shè)施（SimulaTIon and Analysis Facility，SimAF）具有F-35項(xiàng)目所需要的多種功能。多光譜環(huán)境團(tuán)隊(duì)在SimAF為可見(jiàn)光（OTW），紅外（IR）和雷達(dá)任務(wù)環(huán)境模擬生成多光譜數(shù)據(jù)庫(kù)。SimAF可以把F-35的模擬器集成到虛擬任務(wù)環(huán)境中，任務(wù)集中在人在環(huán)的空對(duì)空評(píng)估模型、聯(lián)合過(guò)渡任務(wù)模型（JIMM）和增強(qiáng)型地對(duì)空導(dǎo)彈仿真（ESAMS）的建模和分析。

在測(cè)試中還要驗(yàn)證與空軍的分布式任務(wù)作戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)（DMO）的連接性和互操作功能，為F-35參加模擬器聯(lián)網(wǎng)對(duì)抗或者加入LVC訓(xùn)練網(wǎng)奠定基礎(chǔ)。

觀點(diǎn)

F-35模型、仿真和實(shí)驗(yàn)室的發(fā)展已經(jīng)為這些驗(yàn)證任務(wù)建立了一個(gè)全面的基礎(chǔ)環(huán)境。與過(guò)去傳統(tǒng)飛機(jī)系統(tǒng)相比，F(xiàn)-35項(xiàng)目在建模和仿真方面進(jìn)行了大量投資。這種投資非常成功，發(fā)揮了重要的作用。這項(xiàng)投資幫助F-35在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中進(jìn)行更全面的測(cè)試，減少了在實(shí)機(jī)上的測(cè)試時(shí)間。

此外，F(xiàn)-35項(xiàng)目中的許多模型都可在多個(gè)實(shí)驗(yàn)室重復(fù)使用，避免了在重復(fù)開(kāi)發(fā)、重新驗(yàn)證和再集成驗(yàn)證的大量工作。由于許多模型都是源自設(shè)計(jì)環(huán)境中，因此它們不僅逼真度高，而且在重用之前經(jīng)過(guò)了大量驗(yàn)證?；谠O(shè)計(jì)環(huán)境，它們還受益于從飛行和靶場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)中獲取更新，有助于整個(gè)重用鏈條的一致性。

F-35強(qiáng)調(diào)根據(jù)合同規(guī)范驗(yàn)證系統(tǒng)能力。約43%的測(cè)試任務(wù)將在F-35實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行。這些測(cè)試任務(wù)中的許多只能在實(shí)驗(yàn)室綜合環(huán)境中完成，例如，擁有全套飛行硬件、F-35高保真模擬器和大型綜合戰(zhàn)術(shù)環(huán)境模型的實(shí)驗(yàn)室。

JSE這種虛實(shí)結(jié)合的測(cè)試、訓(xùn)練方法是外場(chǎng)測(cè)試的一種增強(qiáng)和補(bǔ)充，在一定程度上緩解了可用空域不足的問(wèn)題，是一種科學(xué)的IOT&E環(huán)境，能夠有效模擬在外場(chǎng)中無(wú)法模擬的高級(jí)威脅環(huán)境以及其他大量的敵我雙方實(shí)體，給五代機(jī)全面的作戰(zhàn)測(cè)試。