Zukünftiges Kampfflugzeugprogramm stellt Schlüsseltest für die Konstruktionsmethode der US-Luftwaffe dar

Aug 20, 2023

DAYTON, Ohio – Die futuristische Kampfflugzeugplattform „Next Generation Air Dominance“, die derzeit in Arbeit ist, dürfte eine der komplexesten und risikoreichsten Waffenanschaffungen in der Geschichte der US Air Force sein.

Der Kampfjet der sechsten Generation wird voraussichtlich über neue Technologien verfügen, die von hochmodernen adaptiven Triebwerken bis hin zu einer autonomen Drohne reichen, die neben seinen Flügeln fliegt. Wenn NGAD so funktioniert, wie der Dienst hofft, könnte es sich in einem möglichen Krieg gegen China als entscheidend erweisen.

Aber in den letzten Jahren haben sich die fortschrittlichen digitalen Techniktechniken, von denen die Luftwaffe einst dachte, sie würden zu einer Revolution in der schnellen Entwicklung und dem Einsatz von Flugzeugen führen, nicht immer durchgesetzt. Das Konzept ermöglicht es Ingenieuren, Entwürfe oder Modelle zu erstellen, um Annahmen schneller und genauer zu testen. Da die digitale Technik voraussichtlich eine zentrale Rolle bei den NGAD-Bemühungen spielen wird, muss der Dienst laut Experten sicherstellen, dass die Technik hält, was sie verspricht.

Dies ist nicht das erste Mal, dass die Air Force eine digitale Designrevolution ins Auge fasst, um eine neue Flugzeuggeneration einzuführen. Während der letzten großen Anschaffung eines neuen Jets durch den Dienst, des Schulflugzeugs T-7A Red Hawk, versprachen die Luftwaffe und der Hersteller Boeing, dass das Programm zu einer neuen Art der Entwicklung und dem Bau zukünftiger Flugzeuge führen würde.

Der Dienst war von den potenziellen Vorteilen einer auf digitaler Flugzeugtechnik basierenden Zukunft so optimistisch, dass er im Jahr 2020 einen kurzlebigen Versuch unternahm, den Trainer in „eT-7“ umzubenennen und künftige, auf diese Weise entworfene Flugzeuge auch mit „eT-7“ zu betiteln. e“-Präfix.

Seitdem haben eine Reihe von Fehltritten und Verzögerungen wichtige Meilensteine ​​des T-7 zurückgedrängt – und dazu geführt, dass sein vielgepriesener digitaler Designansatz etwas von seinem Glanz abrieb.

Bei einem Frühstück im Mai machte Air Force-Sekretär Frank Kendall deutlich, wie sehr die digitale Technik nach den Problemen mit dem T-7 an Glanz verloren hatte.

„Es ist eine deutliche Verbesserung, aber es wurde überbewertet“, sagte Kendall gegenüber Reportern. „Mehr integrierte digitale Designs und eine bessere Modellierung helfen zwar, sind aber nicht revolutionär. … Sie ersetzen Tests nicht vollständig.“

„Digital Engineering gibt es in der einen oder anderen Form seit den 1970er Jahren“, sagte Heather Penney, Senior Resident Fellow am Mitchell Institute for Aerospace Studies. Computergestütztes Design hat dazu beigetragen, viele heute im Einsatz befindliche Flugzeuge zu formen, darunter den Tarnkappenbomber B-2 Spirit, den Jet F-22 Raptor und den Joint Strike Fighter F-35.

Das Konzept habe sich mit der Verbesserung von Verarbeitung, Algorithmen, Modellierung und Simulation weiterentwickelt, erklärte sie. Jetzt, so Penney, kann digitales Engineering alles umfassen, von 3D-Modellen einzelner Flugzeugteile – Treibstoffpumpen, Hydraulikleitungen, elektrische Systembündel und mehr – bis hin zu Modellen, die zeigen, wie die verschiedenen Systeme eines Flugzeugs miteinander oder mit dem Flugzeug als Ganzes interagieren.

Der Besitz eines solchen digitalen Modells beeinflusse nicht nur das Design des Flugzeugs, sondern präge auch die Werkzeugausstattung und Herstellung des Flugzeugs, sagte sie. Als Beispiel für den erheblichen Fortschritt, den diese Technologie bieten kann, verwies sie auf Boeings „erstaunliche“ Fähigkeit, mithilfe digitaler Prozesse T-7-Komponenten so präzise herzustellen, dass sie ohne Unterlegscheiben zusammenpassen. Und sie hob die B-21 und die interkontinentale ballistische Rakete LGM-35A Sentinel als Beispiele für komplexe und bisher erfolgreiche Akquisitionen der Luftwaffe hervor, bei denen die digitale Technik enorm zum Einsatz kam.

Aber sie bemerkte: „Es ist kein Zauberstab, der Unebenheiten im Design wegwischt“ und kann solide technische Grundlagen nicht ersetzen.

Eine aerodynamische Instabilität des T-7, bekannt als „Wing Rock“, bei der seine Flügel bei manchen Flugbedingungen gefährlich hin- und herschaukelten, wurde 2021 behoben, war aber einer von mehreren Faktoren, die die Air Force dazu veranlassten Boeing wird ab 2022 damit beginnen, seinen Flugplan zu überdenken.

Weitere Probleme, darunter ein Fluchtsystem und ein Schleudersitz, die die Piloten der T-7 gefährden könnten, sowie Störungen in der Flugsteuerungssoftware führten zu weiteren Verzögerungen.

„Bei der eT-7 sollte die digitale Technik dafür sorgen, dass dieses Flugzeug schnell fliegt, das Design würde schnell gehen, es würde alle zusammenfügen, es würde ein reibungsloser Designprozess sein“, sagte Penney. „Unsere Erfahrung mit dem eT-7 ist, dass Digital Engineering nur ein Werkzeug ist. Man muss immer noch die Technik richtig hinbekommen.“

Penney sagte, dass die Schuld für die Probleme des T-7, wie etwa die mit seinem Schleudersitzsystem, nicht der digitalen Technik zugeschrieben werden könne – aber insbesondere habe die digitale Modellierung die Probleme des T-7 nicht im Voraus erkannt.

In Rundtischgesprächen mit Reportern bei den Life Cycle Industry Days der Air Force, die vom 31. Juli bis 31. August stattfanden. 1 in Ohio beschrieben Beamte, wie der Dienst versucht, seinen Ansatz zur digitalen Technik zu erweitern, indem er die Vorteile über die gesamte Lebensdauer eines Flugzeugs verteilt – in einem Konzept, das er digitales Materialmanagement nennt.

In einem Whitepaper vom Juni sagte das Air Force Materiel Command, dass das digitale Materialmanagement darauf abzielt, die Prozesse des Entwurfs, der Herstellung und der Wartung von Flugzeugen oder anderen Systemen durch den Einsatz digitaler Methoden während ihres gesamten Lebenszyklus, von der ersten Idee bis zur Ausmusterung, drastisch zu beschleunigen und zu rationalisieren.

„Wir spielen das langfristige Spiel“, sagte Brig. General Dale White, Programmleiter der Luftwaffe für Kampfflugzeuge und moderne Flugzeuge. „Das ist von entscheidender Bedeutung. Wenn Sie die Digitalisierung nur aus der Perspektive von Design, Entwicklung und Tests betrachten, werden Sie sich selbst einschränken. Wir alle wissen, dass der Großteil der Mittel für die Nachhaltigkeit ausgegeben wird.“

„Die Möglichkeit, Entscheidungen zu treffen, die man vorher normalerweise nicht treffen konnte, weil man so früh im Prozess nicht über diese Menge an Informationen verfügte, ist also wirklich ein Wendepunkt“, fuhr White fort, der das NGAD-Programm leitet.

Wenn es einen einzigen digitalen Weg gibt, der ein Flugzeug über seinen gesamten Lebenszyklus hinweg verfolgt, so argumentieren Beamte, wird es einfacher, Techniken wie die vorausschauende Wartung durchzuführen, die dabei hilft, genau zu verfolgen, wie lange sich Teile in einem Flugzeug befunden haben, und zu deren Austausch führt, bevor sie sie ersetzen werden wahrscheinlich scheitern.

Sicherlich kann das Konzept funktionieren, aber das Government Accountability Office stellte in einem Bericht vom Dezember 2022 fest, dass das Militär es nicht in vollem Umfang ausgenutzt hat. Technologische Einschränkungen behindern die weit verbreitete Einführung der vorausschauenden Wartung, beispielsweise Probleme mit älteren Informationssystemen und das Fehlen digitalisierter Wartungshandbücher.

Das Militär berichtete: „Vorausschauende Wartung hat es Piloten ermöglicht, Unfälle mit Hubschrauberflugzeugen zu vermeiden und von Mechanikern unentdeckte Ausfälle zu identifizieren, Wartungskosten zu vermeiden und Wartungspersonal auf andere Arbeiten umzuleiten, was zu Kosteneinsparungen führt“, sagte GAO in dem Bericht. Aber „die Beispiele stammen aus begrenzter Erfahrung. [Und] um die vorausschauende Wartung umfassender zu implementieren, werden Änderungen an den Mainstreaming-Geschäftsprozessen erforderlich sein, um Ressourcenherausforderungen in Bezug auf Personal, Teile und Technologie zu bewältigen.“

„Laut Militärdienstmitarbeitern können ungeplante Wartungsarbeiten – die sich negativ auf Kosten und Betrieb auswirken – durch den verstärkten Einsatz vorausschauender Wartung reduziert werden“, heißt es in dem Bericht. „Beamte des Militärdienstes erkennen an, dass sie zwar Beispiele für Verbesserungen haben, die sie der Implementierung von Predictive Maintenance zuschreiben, diese Beispiele jedoch auf begrenzter Erfahrung beruhen und den Militärdiensten im Allgemeinen Kennzahlen zur Bewertung der Ergebnisse von Predictive Maintenance fehlen.“

Im Mai machte die Luftwaffe ihren bisher bedeutendsten öffentlichen Schritt in Bezug auf NGAD, als sie bekannt gab, dass sie der Industrie eine geheime Ausschreibung für einen Entwicklungs- und Fertigungsvertrag für das geheime Programm geschickt hatte. Die Air Force sagte außerdem, sie plane, den Auftrag im Jahr 2024 zu vergeben, wobei Lockheed Martin und Boeing voraussichtlich die beiden verbleibenden Bieter sein werden. Die Luftwaffe hofft, NGAD bis zum Ende dieses Jahrzehnts in Produktion zu haben.

Und da Kendall den Preis jedes Kämpfers auf Hunderte Millionen Dollar schätzt, kann es sich der Dienst nicht leisten, einen Fehler zu machen.

Bisher wurde wenig darüber gesagt, welchen Beitrag Digital Engineering zu NGAD leistet. Während des Runden Tisches im Mai, wenige Tage nach der Bekanntgabe der Ausschreibung durch die Luftwaffe, beschrieb Kendall eine Situation, in der Servicetechniker und andere NGAD-Programmbeamte auf der Wright-Patterson Air Force Base in Ohio „im gleichen Designraum wie die Bieter lebten“. Programmverantwortliche hätten direkten Zugriff auf die Datenbanken, die die beiden um das Programm konkurrierenden Firmen nutzen, um ihre NGAD-Designs zu verfeinern, sagte Kendall, und nutzten diesen Zugriff, um ihre eigenen Vorschläge zu unterbreiten.

In Dayton, Ohio, boten White – der die Gründung von NGAD leitet – und andere Beamte weitere Einblicke in die Art und Weise, wie die Luftwaffe und Auftragnehmer digitale Technik nutzen, während sie die Arbeit an der Entwicklung der Flugzeuge und Antriebssysteme vorantreiben.

Als frühere Jäger entworfen wurden, erklärte White, seien sie zweidimensional auf Papier skizziert worden. Während die Entwürfe eine Iteration nach der anderen durchliefen, sagte er, vervielfachten sich diese Blätter, bis sich Unmengen von Papier stapelten, das jeden Schritt in der Entwicklung eines Flugzeugs nachzeichnete.

Doch während NGAD Gestalt annimmt, seien diese Papierberge durch ein sich ständig weiterentwickelndes digitales Design ersetzt worden, sagte White. In den kommenden Jahren und sogar Jahrzehnten, fügte er hinzu, werde es der NGAD leichter fallen, sich weiterzuentwickeln, um den Bedrohungen, denen sie ausgesetzt sein werde, immer einen Schritt voraus zu sein.

„Es ist ein Lebewesen“, sagte er. „Sie können ständig fundierte Entscheidungen darüber treffen, wohin Sie gehen und wo Sie Ihrer Meinung nach sein müssen. … Es reicht nicht aus, nur aus technischer Sicht digital zu sein. Man muss über eine gute Grundlage verfügen, um zu verstehen, was die Bedrohung bewirkt. Und das wird uns eine größere Flexibilität ermöglichen.“

„Es ermöglicht uns, besser informierte Käufer zu werden“, fügte er hinzu. „In dieser Welt gibt es viele Dinge, die man nicht physisch erledigen muss, weil man dank der digitalen [Werkzeuge], die wir vorher nicht hatten, eine bessere Sichtbarkeit und ein besseres Verständnis und eine bessere Beherrschung des Wissens hat.“

Und das Antriebssystem des NGAD wird das erste völlig neue militärische Antriebssystem sein, das digital entworfen und hergestellt wird, so John Sneden, Direktor der Antriebsdirektion der Luftwaffe.

Die Unternehmen, die am Next Generation Adaptive Propulsion System (NGAP) arbeiten – vor allem GE Aerospace und Pratt & Whitney sowie Lockheed Martin, Boeing und Northrop Grumman – sind gerade an einem Punkt angelangt, an dem sie mit der Entwicklung in einem vollständig digitalen 3D-System beginnen können Umwelt, sagte er. Angesichts der Tatsache, dass die letzten für die Luftwaffe entwickelten Kampftriebwerke vor Jahrzehnten für die F-35 und F-22 entwickelt wurden, sei dies ein neuer Ansatz, sagte Sneden.

„All das existierte schon vor der digitalen Welt“, erklärte er. „Bis wir bei NGAD ankamen, gab es wirklich keine Anforderungen, die [Designer digitaler Motoren] wirklich erfüllen müssten.“

Wenn das Antriebssystem von Grund auf digital entworfen und gebaut wird, wird es einfacher, es im Einklang mit sich entwickelnden Bedrohungen zu aktualisieren und weiterzuentwickeln, fügte Sneden hinzu.

NGAP befinde sich noch im frühen Designstadium, sagte er, aber während es in die Testphase übergehe, werde die digitalbasierte Modellierung dabei helfen, digitale Tests zu verfeinern und verschiedene Modelle zu kombinieren, um die Auswirkungen zweiter und dritter Ordnung von Designänderungen zu erkennen .

„Wenn Sie anfangen, Modelle zu testen, haben Sie möglicherweise eines, das sich hinsichtlich der Strukturen unterscheidet, oder Sie haben möglicherweise ein anderes, das sich hinsichtlich der thermodynamischen Eigenschaften der Motoren unterscheidet“, erklärte Sneden. „Können wir diese zusammenfassen, damit wir besser sehen können, wie sich eine Änderung hier auf Sie nachgelagert auswirkt?“

Wenn es an der Zeit sei, mit der Prototypenentwicklung oder dem Bau der Motoren zu beginnen, könnten die Auftragnehmer digitale 3D-Baupläne an ihre eigenen Lieferanten senden, um Komponenten herzustellen, anstatt sich auf 2D-Zeichnungen zu verlassen, fügte er hinzu.

Penney betonte, dass sich ein Programm von Anfang an die Zeit und Mühe nehmen muss, um genau zu verstehen, wie es digitale Werkzeuge nutzen wird, damit Digital Engineering Vorteile bringt.

„Wenn Sie nicht über diese Grundlage verfügen, werden Sie technische Schulden haben, wenn Sie anfangen, voranzukommen“, sagte Penney, und könnten später unbeabsichtigt Probleme verursachen. „Man muss es am Anfang richtig machen.“

In Dayton stimmten die Beamten Kendalls Bemerkungen zu, dass Fortschritte in der digitalen Modellierung zwar wichtig sind, aber reale Tests nicht vollständig ersetzen können. Sie beschrieben, wie sie hoffen, dass zukünftige Programme beide Techniken nutzen können, um die Lücken zu schließen, die ein einziger Ansatz schaffen würde.

Die Air Force hat zusammen mit GE Aerospace und Pratt & Whitney bereits umfangreiche Konstruktions- und Entwicklungsarbeiten an adaptiven Triebwerken durchgeführt, die im Rahmen des Adaptive Engine Transition Program (AETP) als Ersatz für die F-35 in Betracht gezogen wurden.

Das Pentagon entschied sich schließlich gegen den Einbau von AETP in die F-35 und entschied sich stattdessen für eine Aufrüstung der aktuellen Triebwerke des Jägers. Aber die AETP-Motorentechnologie – beispielsweise die adaptiven Lüfter, die es dem Motor ermöglichen, in einer bestimmten Situation auf die effizienteste Konfiguration zu wechseln – wird wahrscheinlich in den Motorenentwicklungsprozess von NGAD integriert.

Sneden sagte, dass NGAP durch die Nutzung der vorhandenen AETP-Technologie beim Testen das Beste aus beiden Welten nutzen kann. NGAP werde digitale Modellierung verwenden, erklärte er, aber diese digitalen Tests würden auf realen Ergebnissen früherer Tests basieren, die für AETP durchgeführt wurden.

„Wenn wir einen Motor testen, testen wir tatsächlich eine Reihe von Technologien, um herauszufinden, wie sie funktionieren, damit man tatsächlich eine Testbasis erstellen kann“, sagte Sneden. „Wir haben reale Tests [an den Motoren XA100 und

„Was Sie jetzt tun können, ist, diese Testbasis zu nehmen und sie in Ihr NGAP-Verständnis zu integrieren und damit zu beginnen, die Welten der ‚realen Welt‘ und der ‚digitalen‘ miteinander zu verschmelzen, sodass diese schöne Verschmelzung entsteht.“

White unterstrich in seinem eigenen Rundtischgespräch die Absicht der Air Force, digitale Tests zur Unterstützung realer Tests zu nutzen. Sein Büro hofft, dass die Kombination der beiden Testformen es ermöglichen wird, Lücken zu schließen und einen viel umfangreicheren Datensatz zu liefern.

„Wir nutzen die virtuellen Aspekte des Modells, um sicherzustellen, dass wir die Lücken in den Daten füllen“, sagte White. „Und wenn man das dann macht, ist es wie ein Puzzle. Das Rätsel beginnt sich zu lösen und man fühlt sich wohler.“

„Mehrere Möglichkeiten zur Durchführung von Tests zu haben, ist praktisch, wenn junge Flugzeuge den extremeren Flugbedingungen ausgesetzt werden sollen, denen sie möglicherweise ausgesetzt sind“, sagte Col. Kirt Cassell, Leiter des T-7-Red-Hawk-Programmbüros der Air Force.

„Egal wie gut Ihre digitale Technik ist, die Physik hat eine Stimme“, sagte Cassell. „Wenn man große Anstellwinkel hat … ist es immer noch sehr schwierig, fortgeschrittene Modelle zu bekommen“, um die physikalische Realität in der realen Welt vorherzusagen.

Sneden stellte fest, dass die Luftwaffe noch nicht einmal ansatzweise an die Grenzen stößt, wie digitale Tools dazu beitragen können, ein Triebwerk während seiner gesamten Lebensdauer am Laufen zu halten.

Digitale Werkzeuge könnten beispielsweise dabei helfen, mit additiver Fertigung Wege zu finden, Ersatzteile für einen Motor einfacher und effizienter herzustellen. Oder es könnte helfen, einen neuen Weg zu finden, ein defektes Teil zu reparieren, anstatt den langwierigen und teuren Schritt zu unternehmen, es durch ein völlig neues zu ersetzen, sagte er.

„Wir fangen gerade erst an, uns auf diese Technologie einzulassen“, fügte er hinzu.