本文提出了一個敏捷的協同模擬框架,用于開發新型飛行器的數字孿生原型。該框架能夠在飛行器設計周期的早期階段對其性能和飛行動力學進行快速評估。該框架將用于飛行動力學建模的MATLAB/Simulink環境與AGI STK Aviator任務模擬器整合為一個松散的計算回路。兩個軟件包的結合使飛機不僅可以從飛行動力學的角度進行評估,而且可以從GPS覆蓋和雷達跟蹤的整體任務角度進行評估。
這種虛擬飛行測試和評估框架的優勢在于更快地開發新的飛行器,從設計周期的早期階段就施加任務約束。在不同條件下的復雜任務場景中測試原型模型,可以及早發現設計的局限性,從而改善飛機的設計過程,減少進一步的設計成本。
本文最后以英國兩個城市布里斯托爾和卡迪夫之間的民用eVTOL飛行模擬為例進行了總結。eVTOL的空氣動力學建模是基于數值生成的數據查詢表,而任務分析是基于飛機沿途的GPS和雷達監視能力。
在過去的幾十年里,數字孿生(DTs)在航空航天工程中的逐步使用已經得到了證明。自NASA在阿波羅計劃期間首次將數字孿生體引入航空航天領域以來,真實車輛的數字模型已經幫助解決了許多問題。2002年Grieves博士提出 "數字孿生 "一詞后不久,NASA承認計算能力的進步,并將數字孿生確定為建模、仿真和信息技術領域的三大技術挑戰[1]。最近城市空中交通(UAM)概念的興起,其中電動垂直起降(eVTOL)飛機是最受歡迎的,計算能力的進步表明在飛機設計的早期階段有可能使用數字孿生原型(DTPs)。DTPs允許預測 "所設計的產品在其高低公差之間變化的部件的行為,以確定所設計的產品符合擬議的要求"[2],并且也受到諸如波音等OEM廠商的青睞[3]。如果成功的話,在商業航空工程的歷史上,這將是第一次允許在實際測試飛機被制造之前測試整體的飛機操控質量。這將允許更快和更便宜的認證過程,這對設計和制造eVTOLs的初創公司至關重要[4]。此外,這也可以減少軍用飛機從設計到樣機的時間尺度。
人們普遍認為,第一批eVTOLs雖然被設計成自主飛行器,但在之后的操作過程中,將以駕駛配置[5-6]和/或遠程控制進行測試[4]。這意味著對新飛行器的飛行/操縱質量(FQs/HQs)和飛行性能的徹底分析對于確保飛行安全是最重要的。大多數eVTOLs被設計為像直升機一樣起飛和降落,像飛機一樣飛行,垂直和水平飛行之間的中間階段稱為過渡。HQ通常是作為認證的要求而建立的,例如,歐洲航空安全局對大型運輸機的CS-25和歐洲航空安全局對大型直升機的CS-29。然而,民用飛機的HQ通常非常簡短和靈活。這與軍用飛機的總部要求相反[7-8],后者的定義更加精確,并以所謂的任務要素(MTE)為基礎。MTEs能夠將任務要素區分為不同的任務,如初始起飛、爬升、過渡等。此外,軍事領域導致了垂直/短距離起降(V/STOL)飛機的FQs/HQs規范的發展[9-11]。最著名的是V-22鶚式飛機(螺旋槳驅動)和鷂式/F-35(都是噴氣機驅動)。美國聯邦航空管理局在認證阿古斯塔-韋斯特蘭AW609傾轉VTOL飛機時,使用了這些軍事規格作為支持。民用飛機認證機構使用不同的方法進行eVTOL認證,即FAA使用所謂的混合方法,即要求來自于目前現有的法規,而EASA專門為小類VTOL飛機發布了特殊條件要求[12]。
上述討論得出的結論是,目前的eVTOL認證法規是相當靈活的。因此,在2020年啟動了研究項目[13],調查使用數字工具對新的eVTOL設計進行認證的潛力。本文提出了建模和仿真框架,以測試使用MTE的(e)VTOL飛機設計,作為定義飛行/操縱質量和飛行性能特征的手段。本文定義了所開發的框架、被調查的飛機、任務,并討論了結果和建議框架的進一步發展方向。
擬議的框架將用于飛行動力學建模的MATLAB/Simulink環境與AGI STK Aviator任務模擬器相結合。目前,該框架形成了一個松散耦合的計算回路,因為它需要在兩個軟件包之間手動傳輸數據。
圖1展示了該框架的結構,并確定了兩個軟件包之間的數據流。MATLAB/Simulink為STK Aviator提供飛機狀態,即姿態和位置,STK Aviator為飛機運行的環境建模。MATLAB/Simulink和STK Aviator的這種結合,可以從飛行動力學和整體任務的角度對飛機進行評估。例如,任務評估的一組目標可以是任務期間飛機的GPS覆蓋和雷達跟蹤。這個框架不僅可以評估飛機對預定任務的適用性,還可以在制造實際產品之前及時糾正設計問題。
幾年來,全球供應鏈(GSCs)正變得越來越脆弱,混合威脅的范圍也在擴大。本研究旨在評估聯盟對外國投入的依賴和對外國市場的依賴,通過仿真全球供應鏈在風險和不確定情況下的沖擊來確定彈性的脆弱性。我們通過模擬最嚴酷的環境對彈性進行壓力測試,并確定相關的、有效的和高效的政策解決方案。在概念上,我們采用了一個新開發的建模框架,該框架專門用于解釋日益相互依存的全球供應鏈,并研究外生沖擊下的復原力和穩健性。該模型通過結合世界投入產出表和國家間投入產出表來確定參數。基于模型的模擬為反事實的彈性和穩健性政策選擇的積極和規范性影響提供了可操作和直接比較的量化數據。它們允許確定政策解決方案,以有效和高效地提高供應鏈的復原力和穩健性,特別是在關鍵部門。
近年來,有兩個具有全球性質并在各行業和國家間動態相互關聯的事態發展在加速進行:全球生產網絡的脆弱性不斷增加,混合威脅的格局不斷擴大(歐盟委員會2021年)。在全球化和跨境生產不斷增加的時代,碎片化提高了國內產業的脆弱性,它們越來越多地參與到全球供應鏈(GSCs)中。參與全球供應鏈而產生的國內公司的專業化和成本優勢,不可避免地與面對沖擊時的更大風險有關,如全球大流行病、氣候危機、網絡威脅和地緣政治沖突。這些風險得到了秘書長斯托爾滕貝格的承認。"過度依賴關鍵商品的進口,如能源[在采購方,以及]出口先進技術,如人工智能[在銷售方],會造成脆弱性和削弱的復原力"。事實上,自冷戰結束以來,最后的獨裁政權比以往任何時候都更多地挑戰民主社會的利益、價值觀和更普遍的基于價值的生活方式。戰略競爭者考驗著聯盟的復原力,并試圖利用自由和開放社會的開放性、互聯性和數字化,干預民主進程和機構,并通過混合戰術,直接或通過代理人針對公民的安全。
聯盟的第一道防線是復原力--確保社會政治經濟結構能夠在逆境中發揮作用。1 要利用強有力的行動承諾,實現理想的復原力和穩健性,需要采取全面、綜合和動態協調的方法。在政策方面,政治領導人需要承擔起責任,向公民全面公開外部威脅的變化特征。要實現增強的社會政治經濟復原力,滿足七項基線要求--必須在最苛刻的情況下保持--就需要調動資源。因此,在面對俄羅斯的民主戰爭和未來可能發生的戰爭時,需要對所需的成本和犧牲有充分的透明度,例如,為了捍衛安全。正如秘書長斯托爾滕貝格在2022年世界經濟論壇上所指出的:"我們不應該用長期的安全需求來換取短期的經濟利益",2 這意味著成本和犧牲。
如何在對社會的社會政治經濟結構造成盡可能少的損害的同時,"實現必要的復原力"?事實上,挑戰在于實現長期的安全目標而不忽視社會的中短期經濟需求。在我們的研究中,挑戰是確保彈性和多樣化的供應鏈到位,以允許基本貨物的持續流動,避免短期、中期和長期的短缺。我們的分析通過把它看作一個有兩個約束條件的優化問題來正式研究這種權衡--一邊是彈性/穩健性約束條件,另一邊是社會/經濟的可容忍性約束條件。基于模型的模擬為關鍵部門和非關鍵部門的反事實復原力和穩健性政策選擇的積極和規范性影響提供了可操作和直接比較的量化。此外,我們采用的簡明模型可以確定解決聯盟因社會開放和經濟在國際貿易和全球生產網絡中的相互聯系而產生的脆弱性的策略。
本研究建立在現有的科技組織(STO)戰略分析支持的基礎上,并對其進行補充,包括多維數據耕作、因果推理、ACT創新中心的復原力數據分析工具和聚合復原力模型。復原力模型為模擬各種政治、軍事、經濟、社會、信息和基礎設施(PMESII)沖擊(如停電、網絡攻擊、戒嚴執法、人類大流動、戰爭狀態、武裝沖突)提供了一個整體框架,并可以評估復原力領域(民間對軍隊的支持、政府的連續性和基本服務的連續性)以及風險(指揮和控制、保護、移動/機動和持續)(Hodicky等人,2020)。聯合戰爭中心(JWC)利用聯合戰區級模擬(JTLS)。復原力數據分析工具可用于,除其他外,通過利用開源數據、大數據分析、機器學習和數據可視化來評估復原力的水平,并允許識別對聯盟復原力的潛在沖擊。我們的建模框架--基于Antras和de Gortari (2020)--是對現有復原力建模和模擬工具的補充,因為它是專門為說明日益相互關聯的全球供應鏈而設計的,并研究聯盟在外源沖擊下的復原力和穩健性,例如,在一個相互關聯的多國多行業模型中造成供應斷裂、需求斷裂/突發或運輸斷裂。
低速、慢速和小型 (LSS) 飛行平臺的普及給國防和安全機構帶來了新的快速增長的威脅。因此,必須設計防御系統以應對此類威脅。現代作戰準備基于在高保真模擬器上進行的適當人員培訓。本報告的目的是考慮到各種商用 LSS 飛行器,并從不同的角度定義 LSS 模型,以便模型可用于LSS 系統相關的分析和設計方面,及用于抵制LSS系統(包括探測和中和)、作戰訓練。在北約成員國之間提升 LSS 能力并將 LSS 擴展到現有分類的能力被認為是有用和有益的。
【報告概要】
在安全受到威脅的背景下考慮小型無人機系統 (sUAS)(通常稱為無人機)時,從物理和動態的角度進行建模和仿真遇到了一些獨特的挑戰和機遇。
無人機的參數化定義包括以下幾類:
描述無人機飛行動力學的分析模型在數學上應該是合理的,因為任務能力在很大程度上取決于車輛配置和行為。
考慮到剛體在空間中的運動動力學需要一個固定在剛體本身的參考系來進行合適的力學描述,并做出一些假設(例如,剛體模型、靜止大氣和無擾動、對稱機身和作用力在重心處),可以為 sUAV 的飛行動力學開發牛頓-歐拉方程。
在檢測 sUAS 時,必須考慮幾個現象,例如可見波范圍內外的反射、射頻、聲學以及相關技術,如被動和主動成像和檢測。
由于需要多個傳感器檢測 sUAS,因此有必要考慮識別的參數以便針對不同類型的檢測器對特征進行建模。此外,對多個傳感器的依賴還需要在信息融合和集成學習方面取得進步,以確保從完整的態勢感知中獲得可操作的情報。
無人機可探測性專家會議表明了對雷達特征以及不同無人機、雷達和場景的聲學特征進行建模的可能性,以補充實驗數據并幫助開發跟蹤、分類和態勢感知算法。此外,雷達場景模擬的適用性及其在目標建模和特征提取中的潛在用途已得到證實。
然而,由于市場上無人機的復雜性和可變性以及它們的不斷增強,就其物理和動態特性對無人機簽名進行清晰的建模似乎并不容易。
sUAS 特性的復雜性和可變性使得很難完成定義適合在仿真系統中使用的模型的任務。這是由于無人機本身的幾個參數,以及考慮到無人機的所有機動能力和特性所需的飛行動力學方程的復雜性。
此外,sUAS 特性的復雜性和可變性不允許定義用于評估相關特征的參數模型。
圖1 無人機類別與其他類別/參數的關系(part 1)
圖2 無人機類別與其他類別/參數的關系(part 2)
圖3 參考坐標系
【報告目錄】