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蔡天恒 ¦ 美空军颠覆采办模式的“数字化百系列”项目的来龙去脉

空天防务观察 2020-01-14 09:41 发文

2019年11月26日,美空军负责采办的助理部长威廉·罗珀在“新美国安全中心”阐述了他的数字化百系列战略思想。罗珀称,在1950到1970年间,有13家国防承包商可以制造战斗机;而现在只有波音公司和洛马公司为美国制造战斗机。为了防止美国在某天不得不依赖唯一的战斗机制造商,罗珀希望分解设计和生产过程,以允许更多公司参与设计竞争。“我不认为我们会欢迎新的主承包商,但由‘无聊的亿万富翁’创立的公司却可以设计很酷的飞机,我们会为他们的好的设计给予合理的利润,使他们的公司永远运转下去。”——埃隆·马斯克和杰夫·贝索斯就是这样的亿万富翁,他们参与了空间火箭的行业,并且与空军关系密切。现在罗珀希望他们也能参与设计美空军的飞机。

罗珀(右一)参观美空军在波士顿的“凯塞尔航线”软件实验室

这里澄清几个概念。下一代空中主宰(NGAD)指下一代战斗机(2015年之前称为第六代战斗机);2014年,美空军在2015财年预算申请中正式列编了NGAD项目;2018年2月发布了2019财年预算需求文件,计划在2018-2023财年为NGAD项目投资101.85亿美元。但2019年9月16日,罗珀表示将重塑NGAD,使其转化为“数字化百系列”,因此这两个词指代的是同一件事情,即美空军第六代战斗机的研发。“百系列”这一概念来源于20世纪50年代的百系列飞机,这里为了区分,称其为“初代百系列”;百系列这个命名是因为这些军机的编号都大于等于100,因此,将“数字化百系列”翻译为“数字百年系列”或“数字世纪系列”,都是偏离了美空军原意的误译

“初代百系列”“数字化百系列”项目简介

为了理解“数字化百系列”的基本思想,有必要简要了解一下“初代百系列”项目。

1“初代百系列”项目概述

20世纪50年代的“初代百系列”战斗机因快速开发和爆炸性创新而闻名,虽然有时它也遭遇失败。当时新成立的美空军在短短5年内就部署了来自5个不同制造商的6种新战斗机,编号从F-100到F-106,这就是百系列的名称来源。“初代百系列”设计了至少10款新型号,其中XF-103YF-107XF-108XF-109是原型机,但未投入制造。

北美F-100“超级佩刀”由朝鲜战争的F-86“佩刀”集成了J57涡喷发动机演变而来,于1954年服役,距首次飞行仅16个月。这是世界第一架具备超声速平飞能力的战斗机。

F-100“超级佩刀”在越南发射火箭弹

麦克唐纳F-101“巫毒”于1957年开始服役,距首次飞行不到三年,是双发双座战斗机,并衍生出远程战斗轰炸机F-101A和F-101C,以及可携带空空核导弹的拦截机F-101B。

康维尔F-102“三角剑”于1956年开始服役,距首次飞行不到三年,是第一架超声速截击机。

洛克希德F-104“星战士”是第一架能够达到马赫数2的战斗机。它于1958年服役,距首次飞行不到两年。

共和国F-105“雷公”是超声速战术核轰炸机,作为单发飞机,载重量超过四发的B-17,速度达马赫数2,于1958年开始服役,是越南战争的主力战术轰炸机。

康维尔F-106“三角标枪”,由F-102B升级而来,装备了J-75发动机,速度可达马赫数2.3,是最快的单发战斗机,于1959年开始服役。

F-106“三角标枪”正在飞行中

在取得这些突破性创新的同时,“初代百系列”飞机的部署速度非常快,原型机自开发之日起五年内就完成,并在10年内生产了超过5000架飞机。

五型“初代百系列”飞机在美空军位于加利福尼亚州的爱德华兹空军基地合影。自最前沿左侧向上顺时针走向,依次是:F-104“星战士”;F-100“超级佩刀”;F-102“三角剑”;F-101“巫毒”;F-105“雷公”(美空军图片)

尽管存在失败案例,“初代百系列”仍然表明,在面对技术与需求的不确定性时,快速地并行开发项目能够提供灵活性,并且演示至少部分能用于未来系统的技术。

 

美国兰德公司对“初代百系列”的研究报告(美国兰德公司图片)

2“数字化百系列”的采办思路

美空军目前用于设计和制造飞机的模式没有使它们跟上技术更新的速度。因此,空军正在考虑将其目标从最终状态固定的产品转变为具有快速可升级性和适应性的持续过程。

早在2019年4月,罗珀就宣称:“我们必须抛弃当今重大国防采办项目的做法,并用类似早期空军的百系列开发方式代替它……我们无需敲定一种最终的方案并建造数百架相同的飞机,而只需设计一种基本的飞机、卫星或其他武器系统,然后建造一些基本款,进行改进,再建造一些改进款,然后再进行改进,如此不断迭代。虽然最终产品看起来不像‘初代百系列’飞机,但它们的采办模式一脉相承。”

罗珀最喜欢的比喻是“数字化百系列”“像iPhone一样制造飞机”。就像iPhone每次发布新机型一样,它与老机型保持很多共性,尤其是软件应用和数据的接口。这些接口方式基本上不必仅仅因为升级了手机硬件而改变。

“数字化百系列”可以创建共享设计原则的飞机或其他武器系统簇;在生产和维修上都可实现规模化经济的通用组件;使飞行员无需大量再培训即可操作从一架飞机过渡到下一架的通用控制系统;以及最重要的是通用的模块开放架构,它使空军可以轻松地即插即用新技术组件,而无需进行大量且昂贵的重新设计。

罗珀2019年10月2日宣布,正式成立先进飞机项目执行办公室,通过该PEO寻求一种更快速、更低廉、更敏捷的持续创新解决方案,通过综合运用模块化开放系统架构、敏捷软件开发和数字工程的“三位一体”工具,对战斗机进行每四年一次的高频率升级,实现快速迭代研发。办公室还将“把‘下一代空中主宰’项目转化为空军的数字化‘百系列’战斗机,加快先进战斗机的设计、研发、采办和部署”。

三位一体的工具概念与面临的挑战

敏捷开发、开放架构和数字工程的概念都是近年的热门术语(尽管部分概念可追溯到20年前,但它当时并不热门),但它们还从未结合起来成功实施一个大项目。这三个工具从不同层面组成了“数字化百系列”:敏捷开发指的是整个项目的产品迭代过程,开放架构侧重每一件产品所具有的特征,数字工程则是产品全寿命周期的实际开发中应用的技术手段。它们彻底颠覆了当前的采办模式,也因此面临着挑战。

1敏捷开发

敏捷是关于使用灵活的设计、开发和部署流程来确保团队获得正确的系统。敏捷明确指出了工业原则和方法,即在小型、短期阶段为战士开发和部署该项目的特定能力,以便及时反馈并降低计划成本、进度、性能风险。简而言之,敏捷通过交付更小的增量并使用户参与开发和部署活动过程,来快速响应需求的改变,获得适合用户的功能。美国在《2017财年国防授权法中,增加了采办敏捷性法案,包括5个部分:重大武器系统开发中的模块开放系统方法;武器系统组件或技术的开发、原型制造和部署;重大国防采办项目的成本、进度和性能;重大国防采办项目的透明度;技术数据权利的相关修正。

敏捷开发通常用于软件,美空军目前已经建立了多个敏捷软件项目(如F-35的自主后勤信息系统ALIS的升级“疯帽子”),国防部和国会也支持敏捷开发更广泛的实践。但“数字化百系列”使敏捷开发迈出了更远的一步,它不仅应用于软件,还将应用于硬件。

然而,美国防部采用敏捷开发的方式存在由来已久的困难:一是国防部的需求通常只在项目开始时提出一次,然后进行时间冗长的开发二是敏捷开发把项目分解成较小的部分,按优先级分期安排不同能力交付的速度,而不是整体交付所有的能力三是每次敏捷增量交付的能力难以提前预测,使国防部预算部门难以分配资源并评估投资效果四是敏捷开发容许失败,因为开发者可在后续版本中改正并升级软件,这与国防部当前风险厌恶型的采办文化矛盾。

敏捷软件开发中,工程师先建立初始基线代码。初始代码在每个螺旋中进化,工程师修复漏洞来改正缺陷,或升级功能以满足新需求。硬件的并行开发概念也是类似的,产品在开发完成之前投入生产,改变按计划划分进未来的生产运行或加装附件的各阶段。与F-22和F-35不同,在“数字化百系列”计划中,美空军准备主要通过生产全新产品而不是在老产品上加装附件来改正和升级。因此,对敏捷硬件开发而言,在每个设计进化螺旋中,都用新的硬件替代旧的,因而不能像软件螺旋那样应用上一代产品的能力。如果新的设计不能转化为应用,硬件制造还要比软件承担更高的失败成本。

2模块化开放式系统架构

美国防部早在1996年的5000系列文件中提到了开放架构。2013年,国防部在《更加购买力2.0》中强调开放架构。2015年,国会鼓励国防部把模块开放系统架构(MOSA)应用于所有可用的项目。MOSA旨在开发带有标准交互界面的模块化系统,以为未来的升级提供便捷。通过在开发者团体中共享标准交互界面,MOSA“开放”了一个系统的竞争;理论上说,这种竞争会在项目的整个寿命周期内降低升级成本并激励创新。开放还可以削减设计、集成和测试升级的时间和成本,因为模块在系统内部独立变更,而通用的标准使它们可以在不同系统之间的开发过程中复用。虽然智能手机之类的私营部门存在成功的典范,但美国防部少有成功案例。

多个文化和结构的障碍阻碍了美国防部使用MOSA。一是为使系统模块化和标准化,工程师不得不牺牲部分当前性能以保留未来升级和互操作性的余地。这种做法与国防部宁愿设计一种满足预定性能需求的系统相矛盾。二是为保障界面的标准化,MOSA需要谨慎的知识产权管理,而这一直以来是国防部面临的大问题。这也要求国防部以一种更主动的姿态来管理它子系统和组件的界面,这一职责在过去都分配给了承包商。三是实施MOSA的项目必须激励承包商在开发时把开放架构放在第一位。而在使用与保障阶段,国防部能够选择合作的承包商极其有限,且它们往往不是初始系统的承包商。这样,政府就失去了谈判的权力,承包商也失去了控制成本的动力。开放架构可以增加参加系统升级竞争的承包商数量,使政府获得更多的好处。MOSA可能迫使承包商设计一种减少其全寿命周期利润的架构,而他们本可以从使用与保障阶段作为垄断承包商获利。

“数字化百系列”不仅对模块合同,甚至对平台和系统集成合同也要采用MOSA,这就使阻力更加强大。国防部此前从未有过这种程度的架构开放,因此,空军把集成承包商、平台承包商和模块承包商的利益在整个百系列寿命周期内协调一致,并保证所有相关界面保持真正的开放和标准化,是巨大的挑战。

3数字工程

2018年6月,美军正式对外发布数字工程战略,战略旨在构建数字工程生态系统,将美军以往线性、以文档为中心的采办流程转变为动态、以数字模型为中心,完成以模型和数据为核心谋事做事的范式转移。数字工程是一种集成的数字化方法,使用系统的权威模型源和数据源,以在寿命周期内可跨学科、跨领域连续传递的模型和数据,支撑系统从概念开发到报废处置的所有活动。

美空军计划利用数字工程仿真与优化新系统的生产、升级、作战与保障过程。数字工程利用现代化的建模和仿真方法为系统设计“可X性”,如可靠性、可制造性、可升级性等。这些特征不直接与系统性能相关,但显著影响系统全寿命周期的成本。国防部开发系统时通常优先考虑能立即看得见好处的性能需求,而不是在系统寿命周期后期才能显现利益的“可X性”。

数字工程意味着在进入实际物理生产之前对所有内容进行虚拟建模和测试,并尝试“每天大约进行20亿次”不同的迭代。罗珀表示他“应该能够戴上虚拟现实头盔并在生产线实际出现之前走过它”。利用虚拟现实技术对下一代战斗机和轰炸机的设计、生产和持续保障进行建模,可以让空军立刻着手权衡直接性能和“可X性”以控制飞机整个寿命周期的成本,而不仅仅是最初(首次设计生产)的30%

、对未来采办模式颠覆

“数字化百系列”不仅对美空军是颠覆性的变革,它的采办模式完美遵循了美军自2015年来的国防战略和采办改革思路,很可能推广到整个美军。

1更好地适应世界变化的速度

以F-35联合攻击战斗机为代表的飞机在广泛的技术领域内进行缓慢的研发,从而在长时间内完成跨越式发展。尽管针对美空军、海军和海军陆战队有A/B/C三种型别,但F-35只有单一的制造商洛马公司,它将至少构成美海军未来战斗机机队的一半,美空军的大部分,以及美海军陆战队的全部。从三架F-35于2006年12月首次飞行起12年,距X-35原型机于2000年首次飞行18年,三种型别才终于达到军方所谓的“初始作战能力”。

而百系列针对少量的几个相同问题反复而迅速地改进,特别是在超声速和火控方面。通过一架接着一架地改进相似但是每架都进步一点的飞机,百系列在狭窄的性能领域中取得了快速的进步。罗珀认为,F-35这种缓慢而宽泛的模式帮助赢得了冷战,但是对于一个民用创新超过军事速率,且革命性技术可供美国及其对手轻易应用的世界来说,它过时了。近年来,美军正在全面推动主题是“适应世界变化的速度”的关于精简和加速国防采办的改革。百系列方法适合这个时代。

罗珀称这改变了游戏规则:最好是快速行动,而不是采取太迟的完美行动。这与美国防部采办与保障副部长艾伦·罗德反复呼吁的“我们必须明白,明天获得的85%的解决方案远胜于几年后获得的100%的解决方案”的思想不谋而合。

2改变承包商的盈利方式

美空军当前的主力飞机F-22和F-35战斗机的开发造成了巨额成本和进度增长,即使在今天,它们的维修保障与升级也耗资巨大,相比之下,它们的初始开发成本只是全寿命周期成本的冰山一角。

美军当前的后勤保障成本占飞机系统全寿命周期内总成本的70%。很少有供应商能够负担得起目前的飞机竞标,因为他们在竞标设计阶段是亏本的。他们的期望是获得合同后,将从随后30年的长期持续保障中获利。罗珀说:“这不是一个好的商业模式。我们现在不为前沿设计付钱。我们已经习惯了工业界亏本,假装当他们亏钱的时候也会和没有亏钱一样采取相同的行动,就好像他们都是瞎子。我们应该始终为最前沿的设计付钱。”

“数字化百系列”希望用财政激励来鼓励更多公司参与飞机设计阶段,希望承包商从设计中获得报酬,而不是设计时亏本,靠批量生产和后期保障赚钱。它不希望飞机具有30年的寿命,较短的设计寿命使飞机在不得不进行基地级维修之前就已经退役。“数字化百系列”聚焦计划表,强调严格遵守服役与退役进度计划。它依赖于快速和可预测的技术发展,短期设计寿命,以及快速按计划表报废作战机型的意愿,而不是像现在服役的飞机一样一再通过改型或升级延寿。这就是“数字化百系列”与F-22和F-35真正的区别。

3扩大承包商来源以加强工业基础

尽管存在种种缺陷,“初代百系列”的采办模式带来了航空业的突破,使美空军在短短五年内发生了革命。通过把一个巨大的合同拆分成许多较小的合同,空军使多个承包商得以维持相关业务(而不至于因失去订单倒闭),并参与激烈的竞争。这激励承包商进行快速创新,并且空军可以在一种设计的表现不佳时选择替代方案。然而,随着冷战的进行,采办项目开始花费更长时间和更高成本,从而导致合同数量的大幅减少与合同周期的大幅增加,因而拿不到订单的公司在很长时间内将难以为继。1991年以后,大多数承包商要么通过合并形成联合体,要么退出航空界,使情况更加恶化。几十年间,能够为美军制造战斗机的承包商从冷战初期的13家锐减到现在的2家,而且很可能像下一代洲际弹道导弹的“陆基战略威慑”(GBSD)项目一样,最终只剩下一家主承包商(波音公司宣布退出,仅仅剩下诺格公司团队)。

过少的承包商造成了美国工业基础的脆弱,并削弱了政府的谈判能力。国防部一直鼓励更灵活地从传统合作清单外的承包商购买产品。扩大承包商的数量可以促进竞争,降低产品价格,激励创新,增加美军对不同设计方案的选择余地,并带来显著的社会经济学效益。“数字化百系列”正在从模式上使承包商的数量恢复成为可能,并已经开始邀请与美空军关系密切的“无聊的亿万富翁”。

4为对手施加不确定的竞争成本

美军在很大程度上自1991年海湾战争胜利以来就几乎未曾改变,中国和俄罗斯有几十年的时间来研究美军装备,并迎头赶上。罗珀问道:“如果我们不再花几十年的时间去部署一架新战斗机,而是每四年就能设计一架新飞机,对手将如何应对?”每四年部署一种新飞机,美军的对手就不知道美军正在下一次升级的飞机上部署的技术。这种策略将会给中、俄这种水平相近的竞争对手带来不确定性,他们无法针对美军确定的装备测绘仿制或研究反制方案,从而迫使他们按照自己的装备发展条件应对未知的威胁。这是美“第三次抵消战略”的思想。

“数字化百系列”能以最快的速度开发和部署最新技术。在美空军看来,它不再是一架战斗机。它是一种战略竞争背景下的“空中主宰”。

蔡天恒先生已为《空天防务观察》提供12篇专栏文章,如下表:

序号

篇名

发表日期

1

美国防部对<国防采办系统的运行>文件作出新的修订

2018年8月3日

2

敏捷、共享、低成本——美国唯一国防部级别的军民两用维修计划创立二十周年

2019年1月29日

3

非开发类采办项目典型案例:美陆军UH-72A轻型通用直升机采办过程及优势

3月11日

4

非开发类采办项目典型案例:美陆军UH-72A轻型通用直升机采办阶段管理与成功要点总结

3月14日

5

美空军“远程防区外”核空射巡航导弹的需求和效用

4月8日

6

他山之石:美非开发类装备采办的五大误区及其对T-X高教机项目的影响

4月18日

7

美国国防采办的革命性变化——全面解读809小组关于精简和编纂采办条例的报告

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8

美军正使用中层采办以极其激进的方式加速形成装备作战能力

7月16日

9

美空军利用中层采办实施B-52H轰炸机商用发动机替换项目分析

8月26日

10

加速采办!美军重启并扩大冷战产物——“其他交易授权”的使用

9月18日

11

时代跃迁!美国防部即将以“自适应采办框架”取代传统采办模式

11月4日

12

美空军颠覆采办模式的“数字化百系列”项目的来龙去脉(即本篇)

2020年1月14日

有兴趣的读者,可点击相关文章的“篇名”阅读原文。

(中国航空工业发展研究中心  蔡天恒)


本篇供稿:系统工程研究所

运 营:李沅栩

 


声明:本文为OFweek维科号作者发布,不代表OFweek维科号立场。如有侵权或其他问题,请及时联系我们举报。
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