我國航空軟件困窘：跟國外同時(shí)起步，30年過去了還在原地轉(zhuǎn)悠

“30多年前，我讀研究生時(shí)就在編寫飛機(jī)設(shè)計(jì)和分析軟件，當(dāng)時(shí)我國的航空設(shè)計(jì)軟件跟國外同時(shí)起步，但是現(xiàn)在市場已經(jīng)完全被國外掌控。”說起飛機(jī)設(shè)計(jì)軟件發(fā)展歷程，南京航空航天大學(xué)教授、NH40飛機(jī)總設(shè)計(jì)師姚衛(wèi)星覺得不可思議。



自上世紀(jì)80年代后，世界航空業(yè)就邁入數(shù)字化設(shè)計(jì)的新階段，現(xiàn)在已經(jīng)達(dá)到離開軟件就無法設(shè)計(jì)的高度依賴。設(shè)計(jì)一架飛機(jī)至少需要十幾種專業(yè)軟件，全是歐美國家產(chǎn)品。國內(nèi)設(shè)計(jì)單位不僅要投入巨資購買軟件，而且頭戴鋼圈，一旦被念“緊箍咒”，整個(gè)航空產(chǎn)業(yè)將陷入癱瘓。

數(shù)字化“造”飛機(jī)更靠譜


 


飛機(jī)設(shè)計(jì)涉及到30多個(gè)學(xué)科專業(yè)，每個(gè)專業(yè)都有自己的設(shè)計(jì)軟件，它們是飛機(jī)設(shè)計(jì)及性能評估不可缺少的工具。

姚衛(wèi)星告訴記者，設(shè)計(jì)飛機(jī)全過程在CATIA為基礎(chǔ)的平臺上開展。首先要從氣動外形開始，主要用到的軟件有Fluent、AAA等。

然后是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主要用到的軟件有MSC NASTRAN、Abaqus、Fatigue、Analsis等；同時(shí)開展系統(tǒng)設(shè)計(jì)，包括操作系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和人機(jī)環(huán)境等，主要用到的軟件有ADMS、Simulink等。



最后，還要把設(shè)計(jì)好的部件在計(jì)算機(jī)中“組裝”成飛機(jī)，并輸入各種參數(shù)模擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境進(jìn)行測試。

飛機(jī)設(shè)計(jì)不僅流程繁瑣，而且零部件數(shù)量龐大，加工制造容不得絲毫誤差。在手工設(shè)計(jì)時(shí)期，返工修改是飛機(jī)制造業(yè)最常見的通病。以我國飛豹飛機(jī)為例，如用傳統(tǒng)手工設(shè)計(jì)，按常規(guī)考量估計(jì)有近6000張工程更改單。采用數(shù)字化設(shè)計(jì)的飛豹，工程更改單僅有1041張，工程量減少80％左右。



據(jù)媒體報(bào)道，設(shè)計(jì)殲-10飛機(jī)時(shí)，主起落架主承力結(jié)構(gòu)的整個(gè)金屬部件是委托國外制造。但造完之后，起落架的收放出現(xiàn)問題，有5毫米的誤差，只好重新訂貨制造。僅僅是這一點(diǎn)點(diǎn)的誤差，影響了殲-10首飛推遲了八九個(gè)月。沒有全數(shù)字化的軟件支撐，任何一點(diǎn)細(xì)微的誤差，都可能成為制造業(yè)的夢魘。

記者查詢公開報(bào)道得知，飛豹有54000多個(gè)結(jié)構(gòu)件，43萬個(gè)標(biāo)準(zhǔn)件；最新列裝的運(yùn)-20有近千萬個(gè)零部件。如此復(fù)雜的產(chǎn)品，沒有全數(shù)字化設(shè)計(jì)，幾乎是不可想象的。

發(fā)令槍響了30年還在原地走

上世紀(jì)80年代，得益于計(jì)算機(jī)技術(shù)的興起，我國的航空設(shè)計(jì)軟件與國外同時(shí)起步。

“現(xiàn)在這些名氣很大的軟件，起初都是航空公司或大學(xué)科研人員開發(fā)的，比如CATIA軟件，功能很強(qiáng)大，現(xiàn)在全球的飛機(jī)公司基本都用這個(gè)軟件在設(shè)計(jì)，就是法國達(dá)索公司一個(gè)設(shè)計(jì)室研發(fā)的；還有AAA軟件，是美國一個(gè)大學(xué)教授開發(fā)的。”姚衛(wèi)星說，我國的航空設(shè)計(jì)軟件起步階段與國外差不多，也是科研人員根據(jù)工作需要琢磨著編寫出來的。

例如，中航集團(tuán)623所上世紀(jì)80年代就開發(fā)出一款“航空結(jié)構(gòu)分析軟件（HIJF）”，主要功能與大名鼎鼎的美國NASTRAN軟件相近，但是現(xiàn)在鮮有人用。

國外飛機(jī)設(shè)計(jì)軟件PIANO對波音787飛機(jī)進(jìn)行分析

其差別就在于，國外軟件開發(fā)出來后，會根據(jù)設(shè)計(jì)需要，一步步升級改進(jìn)，目的是使軟件好用易用、讓更多的人使用；而國內(nèi)的軟件開發(fā)出來后，只要計(jì)算結(jié)果正確，誰也不會花精力去美化界面、增添功能，軟件的使用者也僅局限于本單位或本科室甚至是某幾個(gè)人，除此以外，別人既看不懂也不會用。

久而久之，大家也就更樂于使用成熟、美觀且好用的國外軟件。

但是，使用國外軟件的代價(jià)也是相當(dāng)大的。“比如達(dá)索的CATIA，國內(nèi)任何一個(gè)航空設(shè)計(jì)單位在這一個(gè)軟件上花的錢都要上千萬。”姚衛(wèi)星說，航空設(shè)計(jì)軟件少則幾十萬元，多則近千萬元，每增加一個(gè)賬號還要另付一筆費(fèi)用，過幾年升級版本還要付費(fèi)。如果要完整地設(shè)計(jì)一架飛機(jī)，需要十幾甚至幾十個(gè)軟件，花費(fèi)可想而知。

航空設(shè)計(jì)軟件自給需補(bǔ)足市場課



航空設(shè)計(jì)軟件起早趕晚集，是缺人還是缺錢？都不是。

我國信息產(chǎn)業(yè)已涌現(xiàn)出華為等知名企業(yè)，在某些應(yīng)用領(lǐng)域甚至領(lǐng)先于發(fā)達(dá)國家。

“航空設(shè)計(jì)軟件的程序代碼與普通軟件并沒有什么不同，但是背后需要強(qiáng)大的理論支撐。比如用來設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的有限元軟件，基本原理就來自我國馮康院士提出的‘有限元’理論。”



姚衛(wèi)星說，他根據(jù)自己的研究理論開發(fā)的結(jié)構(gòu)疲勞分析軟件，也是業(yè)內(nèi)公認(rèn)的“獨(dú)門秘籍”，國內(nèi)絕大多數(shù)飛機(jī)在設(shè)計(jì)時(shí)都請他去計(jì)算過結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度，國外公司為了獲取“秘籍”邀請他當(dāng)顧問、高薪聘用他的學(xué)生，但是都沒有開發(fā)出相似的軟件。

在我國航空設(shè)計(jì)單位中，類似的現(xiàn)象還有不少?？梢哉f，我國并不缺少相應(yīng)的人才和理論基礎(chǔ)。近年來，有關(guān)部門也組織科研單位集中力量開發(fā)相應(yīng)軟件，但時(shí)至今日，市場上也看不到哪個(gè)國產(chǎn)軟件在流通使用。

“國有科研單位以型號為管理目標(biāo)，導(dǎo)致軟件后續(xù)開發(fā)難以持續(xù)，而民營企業(yè)又沒有航空專業(yè)人才。”姚衛(wèi)星說，航空設(shè)計(jì)軟件想要與國外媲美，必須有市場化思維。且這類軟件開發(fā)周期較長、基礎(chǔ)理論要求高，需要國有科研單位與民營軟件公司配合，理順上下游產(chǎn)業(yè)鏈。

“沒有哪個(gè)軟件是完美的，國家應(yīng)多研究出臺政策，鼓勵(lì)國產(chǎn)軟件的開發(fā)和使用。”姚衛(wèi)星說，高校院所也應(yīng)改進(jìn)考核機(jī)制，讓科研人員愿意投入幾年甚至更長時(shí)間開發(fā)一款航空設(shè)計(jì)軟件且不受評價(jià)機(jī)制的影響成為可能。

附：常用航空軟件
UG NX



UG(Unigraphics) NX是西門子公司開發(fā)的一個(gè)交互式CAD/CAM系統(tǒng)，隨著PC硬件的發(fā)展和個(gè)人用戶的迅速增長，已經(jīng)成為三維設(shè)計(jì)領(lǐng)域的一個(gè)主流應(yīng)用?？梢暂p松實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜實(shí)體及造型的構(gòu)建，將復(fù)雜多變的信息轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制代碼，用計(jì)算機(jī)進(jìn)行快速處理，為用戶的產(chǎn)品設(shè)計(jì)及加工過程提供數(shù)字化造型和驗(yàn)證手段。它包含了產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工程制造全范圍的開發(fā)過程，廣泛應(yīng)用于航空制造領(lǐng)域。

CATIA



CATIA是IBM公司和達(dá)索公司合作后推出的一款三維CAD/CAE/CAM集成軟件，在產(chǎn)品外形設(shè)計(jì)、機(jī)械設(shè)計(jì)、設(shè)備與系統(tǒng)工程、管理數(shù)字樣機(jī)、機(jī)械加工、分析模擬等領(lǐng)域具有強(qiáng)大的功能，已成為國際航空工業(yè)首選軟件。

在虛擬裝配方面，CATIA除了擁有先進(jìn)的混合建模技術(shù)、強(qiáng)大的三維實(shí)體造型功能以及全面的裝配設(shè)計(jì)模塊之外，還可以對虛擬裝配的裝配模型進(jìn)行干涉校驗(yàn)，并生成檢測報(bào)告，及時(shí)發(fā)現(xiàn)裝配中存在的干涉點(diǎn)。

AdvancedAircraft Analysis（AAA）



美國DAR（(Design, Analysis and Research)）公司的飛機(jī)設(shè)計(jì)軟件。AAA軟件在全球范圍內(nèi)超過55個(gè)國家成功應(yīng)用，被世界范圍內(nèi)的主要航空工程大學(xué)、飛機(jī)制造商、軍事組織廣泛使用。AAA包含飛機(jī)概念設(shè)計(jì)所有專業(yè)的設(shè)計(jì)能力，使用大量的經(jīng)驗(yàn)工程方法和數(shù)據(jù)，并且一直在更新進(jìn)步：DAR一直持續(xù)不斷的在研究風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，更新AAA中所使用的方法。

RDS



美國CRC（Conceptual ResearchCorporation）開發(fā)的飛機(jī)概念設(shè)計(jì)軟件，具有優(yōu)秀的三維造型設(shè)計(jì)能力， RDS可以進(jìn)行飛行器概念設(shè)計(jì)、初步設(shè)計(jì)，包含總體、氣動、性能、重量、載荷、控制、動力、成本等功能。具有自己的圖形系統(tǒng)，設(shè)計(jì)和造型能力突出。

CADS/OpenCADS



北航開發(fā)的飛機(jī)概念設(shè)計(jì)軟件，有自己獨(dú)立的圖形系統(tǒng)。具有幾何造型、氣動、動力特性、性能、重量、電磁散射等特性計(jì)算分析能力。CADS可借助iSIGHT進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。OpenCADS在CADS上進(jìn)行了改進(jìn)和創(chuàng)新開發(fā)，側(cè)重于民機(jī)設(shè)計(jì)。兩個(gè)軟件被用在北航的飛機(jī)設(shè)計(jì)教學(xué)中。