美国空军为什么把机身数字孪生体作为试点？

美国国防部在确定了数字孪生体概念体系之后，由空军研究实验室（AFRL，Air Force Research Laboratory）在2013年启动了“机身数字孪生体”（ADT，Airframe Digital Twin）的概念验证项目，希望从中理解数字孪生体工程的价值。

从公开的文献资料来看，对于这段历史大家关注不多，更少有人去探讨为什么把机身健康和完整性作为第一个数字孪生体项目来完成。为此，笔者结合到工业4.0研究院相关成果，对此做一个较为完整的介绍。

在1958年3-4月，波音公司先后发起了4起B-47轰炸机机身疲劳带来的事故，接连发生的问题促使美国空军开展了系列研究，引入了Safe-Life疲劳设计，最终形成了长期项目“飞机结构完整性计划”（ASIP，Aircraft Structural Integration Program），而且成为强制性设计要求。

为什么机身结构完整性非常重要？这是因为飞机结构在使用过程中长期承受重复载荷作用，导致飞机结构出现疲劳裂纹甚至失事，严重影响了可用性。如果可以解决这个问题，那么飞机的生命周期会大大延长。

数字孪生体是一个有价值的工程体系，AFRL希望引入它来实现机身状态监测，同时还希望对每架战斗机的机身结构进行个性化预测，从而解决机队飞机数据管理上的挑战。

飞机结构工程研究显示，其疲劳寿命与结构特性和载荷谱有关，前者是内因，后者是外因。外因载荷谱是对飞机结构使用过程中经历的载荷-时间历程的描述，如果可以用数字孪生体进行描述，那么就可以简化对其实施的数据管理。

针对F-35的研制要求，美国国防部在1998年颁布的JSSG-2006 飞机结构基础上，于2000、2002年进一步更新了。据工业4.0研究院观察，为了进一步体现数字孪生体的价值，美国国防部正在编制新的指南。

AFRL在2013年机身数字孪生体项目中，要求建立新的机身完整性数据管理方法，即概率性和预测性单机跟踪（P2IAT，Probabilistic and Prognostic Inpidual Aircraft Tracking）。

该项目第一阶段要求在3年时间内完成，经费为200多万美元。

* 来自《军用飞机结构耐久性严重谱编制与应用研究进展》一文统计。

为了验证研究成果的可行性，需要在F-15C上面进行验证。

美国空军F-15各种机型的服役的数量如上表所示，F-15C的架次最多，高达400多架，现役的架次也高达334架，因此解决F-15C维护上的挑战，能够延续其作战能力。

F-15C是在F-15A型基础上改进的单座制空战斗型，内部载油量增加了1.116吨，采用改进型APG-63雷达，可在进气道两侧加装保形油箱。除了可装载2.211吨JP-4燃油外，也可换装侦查传感器、雷达探测、干扰设备、激光标定装置、微光电视设备和侦查照相机等设备。

回顾当初AFRL启动机身数字孪生体项目，其目的实质上有两个：

一是为了验证数字孪生体这个概念体系，虽然专家们做了很多理论论证，但终究要开展工程项目来验证一下，以便进一步发展该项目。在选择验证项目的时候，AFRL还挺照顾探索项目的成败，选择了较为简单的功能来实现。

二是该项目跟当时空军迫切解决的问题结合起来，当然，这些项目有没有数字孪生体，还是在不断进行，但如果这种新方法如果有效，那么经济效益就非常可观了。

值得注意的是，在开展该项目的时候，AFRL项目经理督促承接方采用产业界已有产品，例如，对数字孪生模型的管理就用了ModelCenter，还有飞机跟踪环境中对称机动载荷模块的开发与集成等。之所以采用这样的做法，是因为AFRL希望培育一个健康的数字孪生体技术创新生态。

经过近10年的发展，机身数字孪生体成为了经典，但回顾其历史意义，具有至关重要的价值。

机身数字孪生体项目的开展，为美国空军积累了宝贵的工程知识，为进一步开发WeaponONE等项目奠定了基础，更进一步，美国数字空军（Digital Air Force）和e-Series战斗机系列，无一不受益于机身数字孪生体项目。

作者：胡权，工业4.0研究院院长，数字孪生体联盟理事长