在全球军事数字化转型浪潮中，美国凭借先发优势，通过提前布局、目标导向等策略，构建起完善的数字工程生态，推动装备研发变革。深入剖析美国经验，可为我国航空发动机数字化发展提供重要的参考价值。

近年来，数字化转型是全球军事领域发展的重要方向，为持续保持装备领先优势，美国在第四次工业革命浪潮的冲击下加快发展以数字工程为代表的数字化转型工作。大力构建以数字模型为中心的数字工程生态系统，推动装备研发和采办流程变革，着力实现降本增效、降维打击的战略目标。在这一背景下，我国也制定了数字中国发展目标，并在航空航天领域率先落实，取得了一定成效，但与国际先进水平相比，仍存在差距。我国可借鉴美国数字工程发展经验，制定符合实际的航空发动机数字工程蓝图和实施路径，加强顶层策划；推进试点先行，强化算力统筹；全力支撑武器装备高质量、高效益、低成本和可持续发展。

美国发展数字工程的战略路径

坚持提前布局，打牢应用基础

美国早在20世纪90年代便开始从高性能计算能力提升以及仿真平台开发两个方面同步推进数字工程。在高性能计算方面，美国国防部从20世纪90年代起开始部署以高性能计算现代化计划（HPCMP）为代表的多个高性能计算研发项目，并通过建立国防研究与工程网络将美国主要的海陆空高算中心连接起来，实现了高性能资源共享，有力地支持了复杂装备系统的研制、生产和试验工作。2019年，国防部联合空军研究实验室（AFRL）启动了HPCMP的后续项目——国防部秘密级以上共享高性能计算能力计划，旨在保证美国国防部与军方、政府和国防承包商之间共享超级计算资源，提升了国防部关键领域的计算能力。该计划主要建立了4台先进的HPE SGI 8600超级计算机，其中1台超级计算机的峰值运算速度达4.87千万亿次每秒。在仿真技术和平台开发方面，美国国防部在2008年启动了计算研究和工程采办工具及环境（CREATE）计划，该计划致力于开发和部署基于物理特性的高性能计算技术、软件和平台，为数字工程落地应用奠定软件基础。2011年以来，美国大力实施工程强韧系统（ERS）项目，从需求生成、备选方案分析、智能化采办、虚拟样机开发等方面，对产品研制周期、费用和作战效能等进行综合性评估，实现敏捷采办目标。在试点推广应用方面，通过“红鹰”教练机、NGAD战斗机和B-52H轰炸机商用发动机替换等项目，验证了数字工程方法、工具和流程的可行性，使数字工程成为美国武器装备采办和研发的共识，并逐步从概念研究向颠覆性优势能力构建转变。

坚持目标导向，统筹推进实施

美国数字工程由国防部抓总，海军、陆军、空军、太空军牵头实施，联合工业界、学术界优势力量成立了数字工程工作组开展研究和论证工作，最终目标是构建起自上而下、覆盖武器装备全生命周期的数字工程生态系统，实现研发与采办过程的完全数字化。

顶层策划方面，确立了五大建设目标。一是规范数字模型的开发、集成和应用，提高作战效率和战斗力；二是构建权威、可信、单一的数据源，提高指挥决策准确性；三是应用人工智能、数字孪生等创新技术，提升工程实践能力；四是夯实基础技术研究和配套设施，改善数字化生态环境；五是构建全新的数字工程管理文化，推进数字化人才队伍建设。

统筹推进方面，在转型之初，美国国防部联合海军、陆军、空军、太空军及国防承包商制定了《数字工程战略》《国防部数字化战略》《数字系统工程转化战略》等多项战略指导性文件，发布了《数字工程路线图》《数字工程能力框架》《国防部5000.97号指令“数字工程”》等多份实施指南，统一各方思想，形成攻关合力。随后，为全力承接国防部的数字化转型要求，相关利益方提出了一系列细分领域的数字化转型指南、白皮书和纲领性文件，为本领域的数字化发展谋篇布局。例如，美国国家航空航天局（NASA）在2020年公布《NASA的数字化转型战略框架和实施方法》，提出了3个未来国家愿景、4个转型目标、5个数字杠杆、6项基础技术和7项使命任务，创造了“响应式”方法来实施战略框架，并通过启动多个催化项目来验证数字工程战略的可行性和有效性。

坚持创新融合，革新产业生态

建立面向数字采办的数字工程生态系统是美国实施数字工程的重要基础。该生态系统涵盖了基础条件建设、流程和方法等基本要素，并在此基础上引入数字模型（包括数字孪生）、数字线索、数字制品和权威真相源等创新技术，以在武器装备全生命周期内跨学科、跨领域地连续传递模型和数据，支撑系统从概念开发到报废处置的所有活动。

此外，结合工程实践，加快发展数字孪生、人工智能等创新技术与工程技术的融合发展，通过边用边验、持续改进，不断提升技术成熟度和适用性，实现技术创新和工程实践能力的相互促进、双向提升。例如，GE航空航天公司全球研究中心通过参与机身数字孪生体项目，创建了数字孪生体所需的工具、技术和流程，并为每台发动机、每个涡轮等创建了数字孪生体，随后将这些数字孪生嵌入其工业互联网平台Predix中，为客户提供个性化的维护和管理，使用户能够在虚拟空间中进行试验和调试，进而保障物理试验的一次性成功。

坚持工程实践，变革生产方式

当前，美国通过先导试点项目，有效地验证了数字工程技术的可行性，并逐步推广应用于国防部武器装备采办项目的制造开发、生产与部署阶段。洛克希德-马丁（洛马）公司、普惠公司、GE航空航天公司等国防承包商积极将“星驱动”“智能工厂”“软件工厂”等工具集成到军方、政府数字平台，形成跨研制阶段、跨地域、跨组织的数字协作环境，让所有利益相关方参与数字模型的开发、优化和分析工作，统一了“语言”，促进了客户的知情和决策权。截至目前，美国已经有数字系统模型计划、数字线索计划和飞行器数字孪生计划等40个项目正在探索应用数字工程技术和方法。为承接国防部的数字工程转型战略，普惠公司在2019年提出了智慧工厂战略，通过应用人工智能、数字孪生、增材制造等技术，以工厂级和业务层的数字分析为支撑，构建了贯穿其运营体系的端到端的数字线索。例如，借助自动化总装线，普惠公司的PW1500G发动机生产周期从4周缩至2周，废料更少，并且减少了80%的人力。此外，在数字化技术的支撑下，GE航空航天公司的第一型自适应变循环发动机XA100工程验证机，仅用5年时间就实现从立项到高空台性能达标。

坚持标准先行，边建边用

2018年，美国国防部在发布《数字工程战略》后，联合国际系统工程委员会（INCOSE）和美国国防工业协会（NDIA）成立了数字工程信息交换小组。该小组致力于制定数字工程标准框架。在数字工程五大顶层战略目标的牵引下，聚焦于模型的连续传递和无缝交互，信息交换小组全面识别了武器装备领域的标准需求，并结合已有标准框架和标准内容，分析了相关联标准之间的重复度和差距，对现行标准进行修订或建立新的标准以满足国防部的要求，力图构建一个兼容现有可行标准的体系框架。

我国航空发动机数字化发展现状及挑战

随着数字化时代的到来，以GE航空航天公司、普惠公司和罗罗公司为代表的国际航空动力制造商先后制定了数字化转型战略、蓝图和实施路径，在产品全生命周期内引入数字工程方法、流程和工具，以缩短研制周期、节约成本，支撑敏捷研发和快速迭代。我国也在《中国制造2025》《数智航发2035规划》等政策文件中，将航空发动机列为重点发展和突破的高端装备，将航空发动机的数字化转型作为贯彻落实国家规划和战略、应对西方挑战，以及实现内生高质量发展的必经之路。

近年来，我国航空发动机数字化转型从顶层规划、数字化研制能力、数字化采办能力和关键技术发展等方面持续发力，初步形成了一套较为完整的设计、试验流程，构建了以技术流程为牵引、成套工具和方法为推手、标准规范和数据库为基础的产品研发体系。其中，中国航发四川燃气涡轮研究院初步探索了航空发动机数字工程总体方案，梳理了航空发动机数字工程关键技术，给出了数字化生态建设、算力建设和仿真建设的发展建议；北京航空航天大学从全生命周期视角分析了航空发动机数字工程转型中的必要阶段、需求趋势以及挑战，研究了航空发动机数字孪生工程的内涵、体系架构和关键技术；中国航空发动机集团有限公司研究了数字化转型下航空发动机仿真技术内涵、特征、发展机遇和挑战。整体来看，我国航空发动机数字化转型正呈现加速发展的良好态势，理论研究比较充分，但是工程应用不足，缺乏适应型号需求的设计、分析、试验验证等软件工具和集成综合应用平台。具体体现为以下几个方面。

一是数字化系统的数据链条尚未全面打通，仅初步建立起设计、试验和制造环节的数据关系，维护保障方面数据有待梳理整合；构建的发动机数字模型局限于气动、结构、材料等专业技术领域，仿真活动主要用于设计和初步预测，尚不能支撑产品全生命周期工程活动。二是高性能算力与美国相差多个数量级，不足以支撑模型和数据驱动的研制范式转变。三是大数据、人工智能、机器学习、云计算等前沿技术应用程度不高，基于数据的认知、分析和决策能力相对较弱。

分析与启示

数字工程已经成为美国占领武器装备竞争高地的撒手锏，同时也是美国实现敏捷采办、快速迭代和“生产力”模式转变的基础。这种范式转变将给中国、俄罗斯等水平相近的竞争对手带来极大的不确定性，并在不确定性中拉大差距，构建绝对优势，实现第三次抵消战略意图。为此，需尽快启动以航空发动机为代表的武器装备数字工程建设，依托产品开展数字工程先导项目试点和基础能力建设，实现数字化时代下武器装备研发能力的重构和研发模式的变革，避免与相关国家在装备采办和发展模式上形成代差。

加强顶层策划，夯实基础支撑

统筹武器装备数字工程发展战略，制定统一的顶层架构和发展蓝图，更好地协调各方资源，联合工业界和学术界分阶段、分领域制订数字工程转型方案和策略，规范转型赋能的流程、方法和工具，全力构建数字化转型基础支撑体系。航空发动机相关的研究院所、高校和企业需全力承接数字化建设总体架构要求，系统设计与策划实施航空发动机数字工程建设工作。

识别差距，夯实基础

尽管美国2015年才正式提出数字工程理念，但实际上，早在二十多年前就已经开始了基础支撑建设，并进行了一系列关键技术验证，收效良好。从数字化科学原理的视角来看，我国与发达国家基本处于同一水平；从数字化技术应用的视角来看，我国在汽车、电商等消费领域借助仿真、建模商业工具基本实现了数字化与自动化转型。而在武器装备数字化转型上基础比较薄弱。以航空发动机行业为例，基于模型的系统工程研究刚刚起步，对方法和原理仅有初步的探索研究；从数字化工程应用的视角来看，国内基于系统工程的航空发动机自主研发项目屈指可数，实践仅限于研发阶段，距贯通产品全生命周期尚有相当差距，与实践经验的积累差距巨大。为此，需启动数字工程的研究和论证工作，结合先导项目实践，实施能力建设计划，提前布局，建用结合，边用边建，逐步突破各项关键技术，螺旋渐进式提升能力。

推进试点先行，拉动转型变革

选取具备数字化基础的先导项目，开展全生命周期数字化业务场景构建和标准体系设计工作，以降本增效为导向推进数字工程试点应用建设；通过试点探索验证，总结提炼最佳实践和通用标准，迭代形成数字工程标准体系，进一步拉动全业务域、各相关方参与数字工程实践；在标准体系框架的牵引下，逐步验证、推广应用，建成航空发动机数字工程标准体系。

强化算力统筹，整合计算资源

未来航空发动机等领域研发工作对算力的需求将呈几何级数增长，应提升科研院所数字化计算能力，综合应用网络安全、人工智能调度等技术，整合不同工业部门、社会组织的高性能计算资源，系统提升以算力为代表的数字工程基础能力。

（崔艳林，中国航发四川燃气涡轮研究院，工程师，主要从事航空发动机科技情报研究）