F-35 子系统集成 监控 数据采集系统 图形用户界面。照片由 G Systems 提供

几十年来，数字技术的力量、速度和连接性呈指数级增长，对社会的方方面面都有影响。毫不奇怪，数字技术也正在极大地改变军事技术以及这些技术的开发、测试和部署方式。这将在未来几年对军队的作战测试和评估 （OT&E） 构成越来越严峻的挑战，同时为提高 OT&E 的响应速度、有效性和灵活性提供机会。

本章探讨了数字技术在运营测试中的这两个互补方面 — 挑战和机遇。许多挑战的出现是由于新型军事技术的出现，这些技术的运行测试需要的方法与当今存在的任何方法都截然不同。也许最好的例子是人工智能、自主系统和机器学习领域，这些领域为那些寻求测试此类技术运营性能的人带来了新的、迄今为止尚未解决的挑战。

与此同时，数字技术正在为 OT&E 提供新的强大方法。一个例子是数字孪生和高性能建模和仿真的兴起，它们为测试技术和系统提供了新的方法。国防部长办公室电子战主任 David Tremper 在公开研讨会上向委员会发表了讲话，并分享了 AEGIS 战斗系统使用可与操作系统同时运行的机载数字孪生所取得的成功。数字化的出现Twins 特别及时，因为新领域和操作约束的结合越来越使虚拟测试成为某些应用程序唯一实用的方法。

最后，随着越来越强大的数字技术能够收集、处理和分析来自测试的大量数据，军事靶场将面临越来越大的挑战，需要安全有效地收集、处理、传输、存储和分析这些数据。另一个挑战是保护所有状态中的这些数据，并确保数据可供需要的人访问、安全和消费，因为在操作测试期间生成的数据可能处于混合分类级别。这些综合挑战对该国军事靶场的数字基础设施提出了越来越高的要求。

建模和仿真 （M&S） 正成为运营测试中越来越重要的部分。这种日益增长的作用是由多种因素驱动的，其中一些是供应侧，一些是需求侧。在供应侧，计算能力和内存的快速增长，以及软件功能和复杂性的改进，极大地扩展了数字模型的可能性。M&S 现在在商业产品的开发中发挥着重要作用，例如汽车（Biesinger 等人，2019 年）或制药（USFDA，2021 年），大大缩短了将产品推向市场所需的时间，并且它有可能显着改善军事武器和系统的测试。这种方法有效性的一个案例研究是美国国家核安全局的基于科学的库存管理（Reis 等人，2016 年）计划，该计划中跨多个物理和材料科学学科的高性能计算机模拟在认证国家核库存的安全和安保方面发挥着主导作用。事实上，国防部 （DoD） 已经在建设使用 M&S 来支持未来技术的能力，例如先进飞机 1 太空系统2 和人工智能。3

在需求方面，多种因素正在推动 M&S 在 OT&E 中的作用越来越大。例如，一些测试练习会泄露敏感信息和功能。由于隐藏露天测试是不现实的或来自观测的天基测试，任何此类测试都有可能向美国对手提供有关被测试系统能力的信息。如果某些细节需要保密，通过模拟进行测试通常是最好的或唯一的选择。4

模拟的另一个原因是，某些系统实际上无法在其整个应用空间中进行测试。例如，高超音速武器系统的露天测试需要在不同高度的大地理区域，但这些系统是昂贵的一次性设备，成本太高且时间太长，无法在测试中充分探索操作范围。

在真实环境中对旨在破坏附近计算机和数字通信的武器进行全面测试也是不可行的。此外，某些测试环境无法在 DoD 测试范围内进行物理复制。例如，人工智能 （AI） 系统必须训练和执行反映其预期操作环境的操作数据流。在开发和测试期间，自动驾驶汽车可以使用与操作系统相同的道路。然而，用于对威胁发射器进行分类的 AI 系统无法持续访问预期未来威胁的电磁辐射。另一方面，可以运行仿真模型，随着时间的推移，通过智能提供信息和改进来生成样本数据。

最后，运行仿真通常比使用昂贵的设备运行测试更便宜，虽然仿真不能完全取代物理测试（真实世界的数据始终是现实中模型接地所必需的），但仿真可以以各种方式与测试结合使用，并且应嵌入到测试程序的规划中。

F-35 上改变游戏规则的通信、导航和监视功能由超过 800 万行代码和战斗机上有史以来最先进的嵌入式计算能力提供支持。Avionics 最近与总部位于德克萨斯州的工程服务公司 G Systems 合作，该公司开发了一种数据采集系统，能够监控 F-35 子系统集成测试生成的数据。

洛克希德·马丁公司的 F-35 车辆系统集成设施 （VSIF） 向 G Systems 提出了数据采集系统挑战 — 构建一个所需的集成系统，该系统能够使用反射内存获取从系统传输的模拟、数字和视频数据。他们通过使用定制的软件应用程序和货架商业 （COTS） 硬件找到了解决方案。

VSIF 位于德克萨斯州沃思堡，被洛克希德公司用于融合 F-35 的新硬件和软件子系统。该设施的特色是一架 F-35 飞机，分布在体育馆大小的区域内，带有一个在真实硬件上运行真实代码的硬件在环测试台，以及一个基于运动的 F-35 模拟器。

Lockheed 的 VSIF 团队面临的挑战是多方面的，因为他们需要一个能够监控飞机子系统集成测试的集成系统。这还需要实时显示功能以及管理从传感器设置到数据管理的所有系统组件的能力。

G Systems 工程和制造高级副总裁兼合作伙伴 Dave Baker 表示，它能够通过结合高通道数数据采集架构和灵活的可配置硬件来满足洛克希德对 F-35 VSIF 的需求。G Systems 与另一家总部位于德克萨斯州的自动化测试设备提供商 National Instruments 合作，解决了 F-35 VSIF 挑战。

“该系统的主要设计挑战之一是使用 COTS 设备和软件工具构建一个大型分布式平台，而不是传统上使用的专有黑盒解决方案。由于该系统聚合了来自多个来源的数据，因此时间同步也是一个主要问题，“Baker 告诉 Avionics。

根据 G Systems 发布的关于该项目的案例研究，数据采集系统架构被建立为分布在多个服务器上，这将有助于实现负载平衡并实现所需的系统性能。G Systems 在分布式软件架构中开发六个定制软件应用程序，也实现了系统的未来扩展。

贝克说，最终，G Systems 和 NI 生产出了一个“超过洛克希德马丁公司规定的初始要求”的硬件系统。VSIF 使用的系统总共有 45 个数据采集卡，并且混合了 XI-6070E、PXI-6031E、PXI-6052E 和 PXI-6534，分布在通过光纤连接的 5 个 PXI 机箱上。该系统的时间同步是使用 Microsemi IRIG-B 板实现的，反射存储器是使用 Curtiss-Wright 提供的硬件配置的。

该系统以工程单位向 F-35 VSIF 工程师提供数据，考虑系统各个组件（包括传感器和信号调节模块）的校准值。作为系统一部分的硬件的成本控制也是该项目的一个主要问题。

“通过选择 COTS 设备，我们能够为系统的每个部分应用最佳解决方案。我们提供了多个软件应用程序，这些应用程序可以与主系统数据库无缝通信，以便将来自多个制造商的各种硬件连接在一起，从而获得有凝聚力的用户体验，“Baker 说。

2017 年，洛克希德·马丁公司 （Lockheed Martin） 与哈里斯公司 （Harris Corp.） 签订了一份合同，为其第五代战斗机 F-35 提供新的全景驾驶舱显示器、高级内存系统和导航技术的计算基础设施。根据升级，每架 F-35 都将获得新的硬件和软件，每架飞机包括 7 个机架，由 1,500 个模块组件组成，例如新天线和武器释放系统。在满足成本和可负担性目标的同时，实现该斜坡率。上升速度即将到来;我们看到了这一点，最大的挑战是专注于质量，确保质量并维护在设计阶段建立的硬件战术基线。挑战还包括按时获得零件，确保 100% 合规。

飞机的成本需要下降。我们的零缺陷文化和能力分析有助于支持这一点。

飞机上的执行器执行许多重要功能，例如调整飞行控制表面，如升降舵、方向舵、副翼、襟翼、缝翼和扰流板、伸展和缩回起落架、定位发动机进气导流叶片和推力反向器，以及打开和关闭货舱或武器舱门。

在过去的几十年里，飞机上执行器的源控制信号和电源已经发展。从电缆和杆等手动源开始，驱动技术逐渐发展到液压和电动解决方案。从手动动力源的过渡始于液压机械系统，其中控制柱或杠杆的运动以机械方式传递，以操作液压回路中的控制阀，填充和排空气缸以产生执行器运动。

后来，电传操纵系统用电缆取代了机械连接。在电传操纵系统中，飞行员的控制柱运动由飞行计算机解释，该计算机向执行器控制电子设备发送电信号。控制电子设备指示液压控制阀的操作以启动液压执行器或电动机以移动机电执行器。电传操纵系统使飞机制造商能够在飞机系统中集成更多的电动执行器，例如静液压执行器和机电执行器。这些执行器由发动机驱动的发电机产生的电力提供动力，这些发电机通过有线供电系统提供。

电传操纵飞行控制系统的要素。来源：Garg 等人。光纤在飞机控制系统中的应用及其发展。2014 年电子与通信系统国际会议 （ICECS）。（点击图片放大）这一转变是在航空航天业转向电动飞机之际发生的，其长期目标是全电动飞机。将机械、气动和液压系统转换为电气系统的动机是希望优化飞机性能、降低维护和运营成本、提高燃油效率和减少排放。

在选择驱动技术时，会考虑许多因素。力和速度规格以及致动器的尺寸和重量等应用要求至关重要。在评估系统生命周期内的总运营成本时，能源效率、可靠性和安全性等总拥有成本因素也很重要。操作执行器所需的每额外一盎司重量和瓦特功率都会导致额外的燃料消耗，从而使飞机的飞行成本更高。

传统电液致动器（左）、机电致动器（中）和静液致动器（右）的简化原理图。来源：Lee et al. Achieving High-Performance Electrified Actuation System with Integrated Motor Drive and Wide Band隙Power Electronics.（点击图片放大）

电液执行器

传统的电液执行器系统需要一个中央液压电源，液压管路通向每个执行器。电动命令信号控制伺服阀，以改变从主液压油供应输送到执行器的液压油量。

飞机控制面控制系统由电动液压伺服阀提供动力。资料来源：美国宇航局。爱德华兹，JW （1972）。电液飞机控制面伺服的分析并与测试结果进行比较。（点击图片放大）

这种类型的电液伺服驱动器系统由电液伺服阀和液压驱动器组成，能够产生非常高的力，而不会产生反冲。

用于 A380 电传

电子命令信号通过电缆传送到静液压执行器。在常见的变速电动机驱动的静液压执行器中，信号控制电动机的速度，为液压泵提供旋转动力，液压泵产生加压液压油，使液压缸在执行器处局部移动。

该图说明了在静液执行器中将电力转换为执行器运动所涉及的主要组件。来源：Qiao et al.More/All Electric 飞机系统的机电致动器综述。（点击图片放大）

未来的空战场景见证了由于隐身和现代导弹而发生的空战战术的新变化。快速的视觉遭遇可以通过在高迎角和跨音速下非常快速的瞬时机动来决定，从而通过快速导弹交换最终确定射击优势。对于围绕所有三个轴的受控运动，也必须掌握较高跨音速下的受控涡流。飞机的平面形状、机翼后掠角和前缘型的安排必须考虑到整个飞行包线中这些复杂流动的互惠互利，同时也考虑到了特征的考虑。通常在侧滑条件下达到受控飞行极限。在这里，不对称的涡流不稳定性会导致不稳定的滚动力矩以及不利的偏航。为了突破这些极限，有必要进一步理解涡旋分离、它们的相互作用和分解。设计空气动力学特性的探测将由现代流动模拟工具辅助，并在适当的物理理解的基础上通过复杂的测试设施进行验证。

与传统的电液执行器相比，电动静液压执行器的运行能效更高。静液压执行器不是不断从发动机释放动力以将大型液压网络保持在恒定压力下，而是仅在移动负载时消耗电力（以发动机驱动发电机产生的电力形式）。较低的能量消耗减少了液压油中产生的热量，无需冷却系统。与具有大量管道的中央液压网络相比，故障点更少，泄漏的可能性降低了，维护需求也减少了。

F-35 多用途战斗机的电传操纵飞行控制系统。F-35 有一个完整的线控系统，没有集中式液压网络。来源：穆格（点击图片放大）

F-35 多用途战斗机主飞行控制系统的驱动组件。飞机的方向舵、襟副翼和水平尾翼由静液压执行器提供动力。来源：穆格（点击图片放大）

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