航空軟件困窘,國產飛機設計戴上“緊箍咒”

“30多年前,我讀研究生時就在編寫飛機設計和分析軟件,當時我國的航空設計軟件跟國外同時起步,但是現在市場已經完全被國外掌控。”說起飛機設計軟件發展歷程,南京航空航天大學教授、NH40飛機總設計師姚衛星覺得不可思議。

自上世紀80年代后,世界航空業就邁入數字化設計的新階段,現在已經達到離開軟件就無法設計的高度依賴。設計一架飛機至少需要十幾種專業軟件,全是歐美國家產品。國內設計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”,整個航空產業將陷入癱瘓。

數字化“造”飛機更靠譜

飛機設計涉及到30多個學科專業,每個專業都有自己的設計軟件,它們是飛機設計及性能評估不可缺少的工具。

姚衛星告訴記者,設計飛機全過程在CATIA為基礎的平臺上開展。首先要從氣動外形開始,主要用到的軟件有Fluent、AAA等;然后是結構設計,主要用到的軟件有MSC NASTRAN、Abques、Fatigue、Analsis等;同時開展系統設計,包括操作系統、動力系統、控制系統和人機環境等,主要用到的軟件有ADMS、Simulink等;最后,還要把設計好的部件在計算機中“組裝”成飛機,并輸入各種參數模擬現實環境進行測試。

飛機設計不僅流程繁瑣,而且零部件數量龐大,加工制造容不得絲毫誤差。在手工設計時期,返工修改是飛機制造業最常見的通病。以我國飛豹飛機為例,如用傳統手工設計,按常規考量估計有近6000張工程更改單。采用數字化設計的飛豹,工程更改單僅有1041張,工程量減少80%左右。

據媒體報道,設計殲-10飛機時,主起落架主承力結構的整個金屬部件是委托國外制造。但造完之后,起落架的收放出現問題,有5毫米的誤差,只好重新訂貨制造。僅僅是這一點點的誤差,影響了殲-10首飛推遲了八九個月。沒有全數字化的軟件支撐,任何一點細微的誤差,都可能成為制造業的夢魘。

記者查詢公開報道得知,飛豹有54000多個結構件,43萬個標準件;最新列裝的運-20有近千萬個零部件。如此復雜的產品,沒有全數字化設計,幾乎是不可想象的。

發令槍響了30年還在原地走

上世紀80年代,得益于計算機技術的興起,我國的航空設計軟件與國外同時起步。

“現在這些名氣很大的軟件,起初都是航空公司或大學科研人員開發的,比如CATIA軟件,功能很強大,現在全球的飛機公司基本都用這個軟件在設計,就是法國達索公司一個設計室研發的;還有AAA軟件,是美國一個大學教授開發的。”姚衛星說,我國的航空設計軟件起步階段與國外差不多,也是科研人員根據工作需要琢磨著編寫出來的。

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

其差別就在于,國外軟件開發出來后,會根據設計需要,一步步升級改進,目的是使軟件好用易用、讓更多的人使用;而國內的軟件開發出來后,只要計算結果正確,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也是相當大的。“比如達索的CATIA,國內任何一個航空設計單位在這一個軟件上花的錢都要上千萬。”姚衛星說,航空設計軟件少則幾十萬元,多則近千萬元,每增加一個賬號還要另付一筆費用,過幾年升級版本還要付費。如果要完整地設計一架飛機,需要十幾甚至幾十個軟件,花費可想而知。

航空設計軟件自給還需補足市場課

航空設計軟件起早趕晚集,是缺人還是缺錢?都不是。

我國信息產業已涌現出華為等知名企業,在某些應用領域甚至領先于發達國家。

“航空設計軟件的程序代碼與普通軟件并沒有什么不同,但是背后需要強大的理論支撐。比如用來設計結構強度的有限元軟件,基本原理就來自我國馮康院士提出的‘有限元’理論。”

姚衛星說,他根據自己的研究理論開發的結構疲勞分析軟件,也是業內公認的“獨門秘籍”,國內絕大多數飛機在設計時都請他去計算過結構疲勞強度,國外公司為了獲取“秘籍”邀請他當顧問、高薪聘用他的學生,但是都沒有開發出相似的軟件。

在我國航空設計單位中,類似的現象還有不少。可以說,我國并不缺少相應的人才和理論基礎。近年來,有關部門也組織科研單位集中力量開發相應軟件,但時至今日,市場上也看不到哪個國產軟件在流通使用。

“國有科研單位以型號為管理目標,導致軟件后續開發難以持續,而民營企業又沒有航空專業人才。”姚衛星說,航空設計軟件想要與國外媲美,必須有市場化思維。且這類軟件開發周期較長、基礎理論要求高,需要國有科研單位與民營軟件公司配合,理順上下游產業鏈。

“沒有哪個軟件是完美的,國家應多研究出臺政策,鼓勵國產軟件的開發和使用。”姚衛星說,高校院所也應改進考核機制,讓科研人員愿意投入幾年甚至更長時間開發一款航空設計軟件且不受評價機制的影響成為可能。(記者 張 曄)