美軍計劃將F-35數(shù)字化模型集成到了飛機系統(tǒng)中去

2019年10月，美國國防部官員表示2019年不會批準(zhǔn)F-35戰(zhàn)斗機開始全速生產(chǎn)，這一里程碑節(jié)點甚至可能將推至2021年1月。美國國防部原本打算在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）仍然面臨的延期問題等原因，美國防部將不得不推遲長達(dá)13個月的時間。JSE是美國國防部測試F-35任務(wù)系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)施，大量的測試、驗證工作需要在JSE中完成，目前尚不清楚這種延遲是否會導(dǎo)致F-35項目計劃成本的增加。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。

美軍對五代機試驗要求高

F-35的初始作戰(zhàn)試驗與鑒定（IOT＆E）目的是驗證武器系統(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，無法全面測試先進(jìn)的第五代飛機和其他先進(jìn)平臺。在未來作戰(zhàn)中將出現(xiàn)的一系列高威脅情況下，需要JSE對F-35進(jìn)行仿真評估。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，從而可用來證明飛機具有應(yīng)對各種威脅和復(fù)雜場景的能力。

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)集成到了整個飛機系統(tǒng)中，F(xiàn)IAB在JSE環(huán)境中用于完成對F-35飛機的模擬。

F-35這種極其復(fù)雜的飛機所需要開發(fā)和測試環(huán)境遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過傳統(tǒng)飛機所需要的能力。除了現(xiàn)有的用于飛機系統(tǒng)、任務(wù)系統(tǒng)和作戰(zhàn)分析的實驗室外，F(xiàn)-35項目還包括互用性和自主化后勤保障專業(yè)。這種需求導(dǎo)致了需要眾多的實驗室一起配合，其中許多實驗室需要結(jié)合非常詳細(xì)的設(shè)計。之前的項目大部分的復(fù)雜性體現(xiàn)在實驗室硬件配置中，但隨著五代機能力的增加，其復(fù)雜性也體現(xiàn)在了要測試任務(wù)系統(tǒng)模型、飛機系統(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)斗機的作戰(zhàn)試驗與鑒定驗證了測試五代機能力的重要性。F-35將吸取F-22的經(jīng)驗教訓(xùn)，爭取試驗得更加充分。

各代戰(zhàn)斗機能力及復(fù)雜性演進(jìn)示意圖

美軍對F-35仿真要求高

1．重視仿真模型

美軍先后多次給F-35項目有關(guān)仿真工作的合同，用于測試戰(zhàn)斗機的高度復(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)斗機上最復(fù)雜的傳感器和電子戰(zhàn)系統(tǒng)，在整個壽命周期中，其軟件和硬件（例如健康監(jiān)測系統(tǒng)和傳感器）之間的集成一直存在問題。盡管VSim面臨著反復(fù)的延期，但是該仿真模型對于完成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的測試提出了虛擬驗證方案。但是在2015年，美國防部為了更好地測試F-35作戰(zhàn)所要求的威脅密度和復(fù)雜性，將測試工作改為要結(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德華茲空軍基地（JSE面積21988平方米），另一個位于內(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)計中考慮到靈活性，這兩個設(shè)施都將采用相似的硬件和軟件配置，因此兩個環(huán)境將能夠增強彼此的能力。愛德華茲空軍基地將專注于開發(fā)測試，內(nèi)利斯空軍基地將專注于作戰(zhàn)測試。

JSE是一個可伸縮的、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，能解決物理實驗環(huán)境中存在的空域限制問題、GPS干擾限制以及其他安全問題等。JSE的總體目標(biāo)是支持軍方測試人員和工業(yè)部門工程師在裝備的開發(fā)和測試階段測試多個平臺。

美空軍的長期目標(biāo)是不僅僅在F-35項目中使用JSE，還考慮將JSE用于F-22傳感器升級的作戰(zhàn)測試，以及F-15E紅外搜索和跟蹤測試，和F-15的具備主動干擾功能的導(dǎo)彈來襲告警系統(tǒng)測試。甚至還可以將JSE用于未來的B-21轟炸機和其他未來戰(zhàn)斗機平臺的開發(fā)與測試。

場景驗證示意圖，圖中藍(lán)方可見1架B-2A轟炸機和4架F-35戰(zhàn)斗機

F-35配套的實驗室

F-35任務(wù)的復(fù)雜性也導(dǎo)致了其實驗室的復(fù)雜性。一方面，必須在實驗室中復(fù)制F-35用于飛行的復(fù)雜戰(zhàn)術(shù)環(huán)境，方便對飛機任務(wù)系統(tǒng)進(jìn)行測試，另一方面，飛行員可以利用試驗環(huán)境，開發(fā)新的作戰(zhàn)概念，主動尋找飛機的能力邊界。

此外，F(xiàn)-35項目需要驗證飛機的全部功能。盡管使用實際飛機在國防部的測試場內(nèi)執(zhí)行了許多這些驗證任務(wù)，但是復(fù)雜戰(zhàn)術(shù)任務(wù)需要實驗室環(huán)境的配合，開展虛實混合驗證。

F-35項目利用人在環(huán)（MITL）和硬件在環(huán)（HITL）仿真與系統(tǒng)集成實驗室，在全壽命周期中從支持系統(tǒng)開發(fā)到售后服務(wù)。包括研究和開發(fā)、威脅分析、概念探索、業(yè)務(wù)發(fā)展、系統(tǒng)采購研究、需求開發(fā)、設(shè)計評估、開發(fā)測試、集成測試、驗證和確認(rèn)、作戰(zhàn)試驗與鑒定、作戰(zhàn)訓(xùn)練、持續(xù)保障等。

F-35主要的實驗室可分為幾個類別：

飛機系統(tǒng)實驗室包括如飛行控制、剎車系統(tǒng)、液壓、推進(jìn)、起落架、空氣動力學(xué)和能源系統(tǒng)等。

任務(wù)系統(tǒng)實驗室包括如戰(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)模擬實驗室將飛機系統(tǒng)和任務(wù)系統(tǒng)模擬結(jié)合在一起，模擬飛行器真實狀態(tài)，并添加對戰(zhàn)術(shù)任務(wù)環(huán)境的模擬，包括目標(biāo)、武器、威脅、地形、情報信息和天氣。

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

其他實驗室還包括機上環(huán)境、燃料系統(tǒng)模擬器和機載任務(wù)的可視化系統(tǒng)測試臺。

軍方實驗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任務(wù)的飛機系統(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-毀傷計算和修復(fù)時間），交戰(zhàn)仿真（BRAWLER，ESAMS-增強的地空導(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)隊的測試聯(lián)隊合作，在萊特-帕特森空軍基地的范圍內(nèi)進(jìn)行了實彈試驗與鑒定。模擬和分析設(shè)施（SimulaTIon and Analysis Facility，SimAF）具有F-35項目所需要的多種功能。多光譜環(huán)境團(tuán)隊在SimAF為可見光（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。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)的空對空評估模型、聯(lián)合過渡任務(wù)模型（JIMM）和增強型地對空導(dǎo)彈仿真（ESAMS）的建模和分析。

在測試中還要驗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)對抗或者加入LVC訓(xùn)練網(wǎng)奠定基礎(chǔ)。

觀點

F-35模型、仿真和實驗室的發(fā)展已經(jīng)為這些驗證任務(wù)建立了一個全面的基礎(chǔ)環(huán)境。與過去傳統(tǒng)飛機系統(tǒng)相比，F(xiàn)-35項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。這項投資幫助F-35在實驗室環(huán)境中進(jìn)行更全面的測試，減少了在實機上的測試時間。

此外，F(xiàn)-35項目中的許多模型都可在多個實驗室重復(fù)使用，避免了在重復(fù)開發(fā)、重新驗證和再集成驗證的大量工作。由于許多模型都是源自設(shè)計環(huán)境中，因此它們不僅逼真度高，而且在重用之前經(jīng)過了大量驗證。基于設(shè)計環(huán)境，它們還受益于從飛行和靶場測試數(shù)據(jù)中獲取更新，有助于整個重用鏈條的一致性。

F-35強調(diào)根據(jù)合同規(guī)范驗證系統(tǒng)能力。約43%的測試任務(wù)將在F-35實驗室中進(jìn)行。這些測試任務(wù)中的許多只能在實驗室綜合環(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)境模型的實驗室。

JSE這種虛實結(jié)合的測試、訓(xùn)練方法是外場測試的一種增強和補充，在一定程度上緩解了可用空域不足的問題，是一種科學(xué)的IOT&E環(huán)境，能夠有效模擬在外場中無法模擬的高級威脅環(huán)境以及其他大量的敵我雙方實體，給五代機全面的作戰(zhàn)測試。