自適應制造
——加速武器系統(tǒng)研制的利器

北方科技信息研究所 胡曉睿 李曉紅 高彬彬

隨著國際安全環(huán)境日益復雜，武器系統(tǒng)復雜性越來越高以及美國國防預算的減少，要求武器系統(tǒng)能及時、有效、經濟可承受地交付戰(zhàn)場。但是，美國國防部認為當前采用的武器系統(tǒng)設計、制造模式存在技術創(chuàng)新能力不足、適用的技術數量難以滿足需求等問題，導致武器系統(tǒng)研制與交付的進度大幅延遲、成本居高不下。比如，美國國防部研究發(fā)現，按照現有模式研制一種新的武器系統(tǒng)，從項目啟動到形成初步作戰(zhàn)能力(IOC)所需的時間比其他國家長約10年(見圖1)。作為美國國防領域的創(chuàng)新尖兵，國防預先研究計劃局(DARPA)2009年投資約10億美元啟動為期5年的“自適應制造(AM)”計劃，旨在徹底改變現有武器系統(tǒng)的研制模式，從根本上改變武器系統(tǒng)的設計、制造與試驗驗證方式，提升處理復雜問題的能力，大幅提高研制效率并降低成本，加速戰(zhàn)場交付能力。

圖1 1945～2025年美國及非美國家新型號研制從項目啟動到形成初始作戰(zhàn)能力(預計)所需時間Fig.1 Time to Initial Operating Capability (IOC), a measure of time to develop new system, from 1945 to 2025 (projected).

DARPA一直以來都非常注重投資快速自適應制造技術，實施了一系列計劃，促進相關技術的快速發(fā)展。例如，1962年推出的敏捷計劃，實現了陸軍M16突擊步槍快速裝備部隊；20世紀80年代實施的超高速集成電路(VHSIC)計劃奠定了現代集成電路產業(yè)發(fā)展的基礎；20世紀90年代實施的自由成形制造計劃，促進了當前數字直接制造(3D打印)關鍵技術的開發(fā)；多類型導彈制造(M3)計劃旨在為不同類型導彈開發(fā)通用基礎設施；進入21世紀實施的突破性制造計劃及材料加速插入計劃，目的是通過計算機設計和新的工藝能力，開發(fā)新型復合材料和金屬材料。這些成果為“自適應制造”計劃的實施奠定了良好的基礎。

1 自適應制造計劃的戰(zhàn)略愿景

自適應制造計劃戰(zhàn)略愿景的核心是通過各種方法加速技術研發(fā)與創(chuàng)新、促進新技術的快速應用，顯著縮短復雜武器系統(tǒng)從概念生成到規(guī)模生產的時間周期，同時對武器系統(tǒng)的復雜性進行積極的管理，以應對日益復雜的國際安全環(huán)境。

2 自適應制造計劃的重點投資領域及其攻關項目

自適應制造計劃的重點投資領域涉及廣泛，包括武器系統(tǒng)級、組件級、材料與結構、生物系統(tǒng)等多個層次和方面的研究項目。2011、2012財年各研究領域的相對投資比例如圖2所示。在此計劃的實施過程中，通過與DARPA各技術辦公室之間進行相互協(xié)調，保證研究項目的開發(fā)速度、對不同復雜程度的技術研究進行更好的管理。下面主要介紹在各個重點投資領域已經開展的比較典型的攻關項目。

圖2 2011財年和2012財年(預算)對各攻關領域的投資相對比例Fig.2 Relative scale of combined FY2011 & requested FY2012 investment thrust areas that form the 5-year adaptive make portfolio

2.1 武器系統(tǒng)級攻關項目

(1)自適應車輛制造(AVM)。由META，采用二進制即時鑄造自適應(iFAB)，快速、自適應下一代地面車輛(FANG)及MENTOR等4個子項目共同組成，旨在將復雜的計算機-電子-機械軍事系統(tǒng)(如軍用車輛)的研發(fā)周期縮短至少80%。AVM采用鑄造式基于平臺的設計，隨后在位于巖島兵工廠的聯合制造技術中心進行總裝，同時采用靈活的知識產權許可方式，實現基于模型的、開源的全面集成的任務使能(Mission-capable)系統(tǒng)。AVM將提供相關的生產設備及制造方法，使由分散的研發(fā)人員組成的研發(fā)小組能夠通過獎金挑戰(zhàn)賽參與到軍用地面戰(zhàn)車的設計與制造中。海軍陸戰(zhàn)隊兩棲戰(zhàn)車的研發(fā)將AVM的獎金挑戰(zhàn)賽推向高潮。META旨在使復雜計算機-電子-機械系統(tǒng)的設計過程民主化；FANG將通過一系列向廣大設計者開放的兩棲戰(zhàn)車設計獎金挑戰(zhàn)賽對這種復雜的軍事系統(tǒng)進行測試；vehicleforge.mil將會使大量的獨立創(chuàng)新者在開源的平臺上協(xié)同設計相關軍事系統(tǒng)；MENTOR面向科學、技術、工程和數學(STEM)等學科的中學生，致力于在一千多所學校部署可編程的制造設備，讓學生們也參與到分布式數字制造中來，目標是激發(fā)新一代的設計師以及制造創(chuàng)新者，演示驗證基于模型的端到端的集成設計過程。

(2)UAVForge。DARPA與海軍空間和海戰(zhàn)系統(tǒng)司令部(SPAWAR)的協(xié)作項目，旨在設計、制造先進小型無人機(UAV)系統(tǒng)。UAVForge試圖超越傳統(tǒng)的研發(fā)模式，推動聯系并不緊密的相關國際組織間的創(chuàng)意交流，啟發(fā)創(chuàng)造性思維，促進創(chuàng)新。任何人都能通過互聯網訪問UAVForge.net網站并提交解決方案，提供主題專家意見或其他對等的參與者提出的評價意見。專業(yè)的制造商將會提升技術的可制造性，最佳的解決方案將會在定義好的競標飛行(fly-off)場景下進行競爭。

2.2 組件級攻關項目

(1)無掩模納米直寫工具研發(fā)。使國防領域高性能集成電路(ICs)的小批量制造具有經濟可承受性，提高在半導體晶片上寫數據的速度。同時采用由新型反射電子束制圖技術生成的百萬個平行的、單獨控制的電子束，解決目前紫外光法制造集成芯片所需的掩模組成本高(每套數百萬美元)、靈活性不好等問題。

(2)自適應傳感器系統(tǒng)(ADAPT)。采用類似于蘋果iphone和谷歌Android設備所用的基于平臺的商用設計與生產技術，縮短智能、監(jiān)視和偵察(ISR)傳感器的研發(fā)和制造周期，使其由現在的平均每項技術需要3～8年的時間縮短到2年以內。

2.3 材料與結構攻關項目

(1)梯度折射率光學組件(M-GRIN)制造。開發(fā)新穎的工藝用于更快的研制更小、更輕、經濟性更好的優(yōu)質光學鏡片(如士兵夜視護目鏡)和采用現有的傳統(tǒng)鏡片不能實現的新型光學系統(tǒng)，并減少復雜光學組件(如望遠鏡)鏡片的數量，使其重量和尺寸減少80%～90%。該項目的核心是把聚合物或玻璃的薄膜堆(每個單獨的薄膜有不同的折射率)通過高溫及強壓使之熔合澆鑄成一個單一的復合鏡片。

(2)開源制造(OM) 。作為自適應車輛制造(AVM)及其他材料相關的制造研發(fā)項目的補充，將投資開發(fā)快速、適應性強、合適的工藝過程，制造設計、仿真和性能預測工具，以及加速制造產品整個生命周期性能保證的鑒定與認證的方法。

2.4 生物系統(tǒng)攻關項目

(1)藍色天使H1疫苗加速生產。將煙草植物轉化成可重構的生物反應器，用于疫苗質量蛋白質的可移動、自適應、超快速生產。藍色天使成功驗證了蛋白質的大規(guī)模生產，符合優(yōu)質生產規(guī)范(GMP)，具備應對快速變化的病毒，如流行性感冒(H1N1)的能力。

(2)生命鑄造廠。開發(fā)和應用一種可升級的生物學工程構架(engineering framework)與技術，通過簡化、提取以及標準化處理，使生物設計從制造、成品率設計準則及工具中分離出去，并且對生物學復雜性進行管理，以應對當前生物制造技術開發(fā)周期長(7年或更長)、研發(fā)成本高(0.5～5億美元)、生物制品相對簡單等挑戰(zhàn)。

3 自適應制造的主要方法與工具

AM計劃的重點投資領域雖涉及諸多不同的科學、技術及應用領域，但大多數研發(fā)項目所采用的主要方法和工具都是相同的。目前，自適應制造計劃中研究應用較多的方法與工具包括：

(1)鑄造式基于平臺的設計。

由DARPA在20世紀80年代參與投資開發(fā)，至今已發(fā)展成為集成電路產業(yè)的基石。1980年，卡佛·米德和林恩·康威在DARPA的資助下開發(fā)了超大規(guī)模集成(VLSI)系統(tǒng)設計工具，教大學生如何在無半導體生產設備的情況下自行設計計算機電路。采用這種設計工具能夠通過可升級的基于模型的設計與驗證來梳理制造產生的設計問題，并由不同的小組各自獨立解決，最后再集成起來用于產品生產。這些計算機芯片自適應制造技術研發(fā)的經驗對后續(xù)的項目研究都有所借鑒，尤其是在開放式體系結構、可共享的基礎結構及設計分析工具等方面。目前，該方法在自適應車輛制造、開源制造、生命鑄造廠及梯度折射率光學組件制造等項目中都有所應用。

(2)獎金挑戰(zhàn)賽。

為了更好地激發(fā)人的潛能，攻堅克難，DARPA設立了基于創(chuàng)業(yè)精神的獎金挑戰(zhàn)賽機制，其中包括DARPA挑戰(zhàn)大賽、城市挑戰(zhàn)賽、網絡“紅氣球”挑戰(zhàn)賽、粉碎機挑戰(zhàn)賽，以及其他面向未來發(fā)展的新的自適應制造挑戰(zhàn)賽。FANG項目中延續(xù)了這種獎金挑戰(zhàn)賽機制，旨在開發(fā)滿足美國海軍陸戰(zhàn)隊需求的兩棲戰(zhàn)車。

(3)研發(fā)游戲化。

針對一些復雜的設計問題，DARPA將其轉化成解謎形式，把這些問題放在互聯網上的大型多人游戲系統(tǒng)中，通過強大的計算機工具與大量創(chuàng)新者之間的合作來解決。這種技術被稱為“眾源”，能夠更好地利用人類天生的問題解決能力，比只運用計算機分析快捷得多。比如，運用計算機分析一個感染HIV的獼猴的蛋白質長達15年仍沒有得到答案，但是最近卻在網上被Foldit(由DARPA資助的一款基于物理學設計的游戲)的游戲玩家破解，并已通過X射線晶體學確認。

(4)快速驗證方法及工具。

工程人員通過實際經驗已經認識到，計算機雖然先進，但是分析能力并不強大，除非分析結果和設計預測正好匹配。自適應制造計劃也支持快速驗證方法及工具的開發(fā)，比如，開源制造項目正在開發(fā)新的設計和可通過經驗數據驗證的具有仿真功能的生產力分析工具。

(5)協(xié)作工具。

自適應制造計劃正在開發(fā)協(xié)作方法，打造可靠、安全以及可信的基礎結構分享環(huán)境，知識產權共享環(huán)境，設計驗證以及產品物流計劃。類似UAVForge、vehicleforge.mil等網站為參與人員提供了在線溝通平臺，可以共同合作開發(fā)、評估、提交并且評論新的系統(tǒng)概念。

(6)可計算的設計工具鏈。

DARPA正在利用高性能計算機推動全新種類材料的設計，并且采用這些新材料來設計可生產的組件。自適應制造對系統(tǒng)性能進行多域分析，從而實現“一次性生成即保證無誤”的設計，即不僅要在第一時間建立正確的設計，同時需確保其在本質上的可生產性。

4 結束語

近50年來，DARPA通過有效的自適應制造，已經在開發(fā)更小、更輕、更快的技術方法、生產工藝、流程和工具，重塑全球工業(yè)格局的過程中取得了顯著的成績。自適應制造計劃正在對可能的技術進行重新定義，并重新確立未來軍事系統(tǒng)的制造模式，這將徹底改革美國未來的作戰(zhàn)方式。未來DARPA將繼續(xù)與美國國防部及美國政府的其他研發(fā)機構保持通力協(xié)作，為重振美國制造業(yè)，確保美軍的技術優(yōu)勢地位，從戰(zhàn)略高度保障國家安全不懈努力。