航空宇宙電子設計におけるデジタル変革

先進的な航空電子機器と宇宙システムへの需要が急増しており、世界の航空宇宙電子市場は2030年末までに2060億ドルに達すると予測されています。しかし、この成長は劇的な難易度の増加を伴います。現代の航空機や宇宙船は、以前「典型的」と考えられていたものではありません。それらは完全に別のものになりました。現在、それらは複雑で相互接続されたセンサー、プロセッサー、および通信システムのネットワークのように見え、これらすべてが性能と機能の増加を要求しています。

デジタル変革は、この開発の多くを支えるものであり、伝統的でしばしば孤立した設計ワークフローから、高度に統合されたデータ駆動型のプロセスへの根本的なシフトを示しています。これは、デジタルツールとテクノロジーの力を活用して、設計の複雑さを管理し、障害なく協力し、初期概念から最終生産、さらには現場でのメンテナンスに至るまでの設計ライフサイクル全体を加速する、人間と技術の増強です。

しかし、航空宇宙産業は、厳格な認証プロセスと、各段階での細かな文書化と検証を要求する、特有で非常に厳しい要求に直面しています。信頼性はもちろん、故障が時には壊滅的な結果を招くため、極めて重要です。システムは、宇宙の冷たい真空からロケット発射の激しい熱や振動に至るまで、極端な環境で完璧に動作しなければならず、そのため、要件は最初から対処されなければなりません。 

航空宇宙におけるデジタル変革の主要な推進要因

いくつかの強力な力が集まり、航空宇宙の電子設計におけるデジタル変革の急速な採用を推進しています。

市場投入までの時間の短縮要求

航空宇宙産業は非常に競争が激しく、企業は常にライバルに先んじて新技術を開発し、展開しようと努力しています。市場投入までの時間を短縮する圧力は激しく、顧客の要求の進化、新たな市場機会の出現、技術進歩に先んじる必要性などの要因によって駆り立てられています。デジタル変革は、タスクの自動化、協力の促進、迅速なプロトタイピングを可能にすることで、設計および開発サイクルを加速し、航空宇宙企業が新しい製品や機能をより迅速かつ効率的に市場に投入できるようにします。

システムの複雑さの増大

現代の航空機や宇宙船には、多数のセンサー、データ処理ユニット、通信システム、制御インターフェースが搭載されています。商用旅客機の高度な飛行制御システム、ナビゲーションシステム、通信スイート、機内エンターテインメントシステムや、衛星の複雑なガイダンス、制御、科学的ペイロードを考えてみてください。各サブシステムには数千の電子部品が含まれており、複雑な相互接続と正確なタイミングが求められます。この複雑さを管理し、システム間の障害を避け、スムーズな統合を保証することは、従来の設計方法では対処が難しい大きな課題です。デジタルツールは、設計プロセスの早い段階でこれらの相互作用をモデリング、シミュレーション、検証するための枠組みを提供します。

信頼性と安全性への重点

信頼性と安全性は、航空宇宙電子機器において譲れない要件です。故障は命に関わる結果を招く可能性があるため、厳格な設計検証とバリデーションが不可欠です。デジタルツールは、高度なシミュレーション機能を提供することで信頼性と安全性を向上させ、エンジニアがさまざまな条件下で設計をテストし、物理的なプロトタイプを製造する前に潜在的な弱点を特定できるようにします。このシフトレフトアプローチは、設計サイクルの早い段階でエラーを捉えることで、プロジェクトの後半でのコストのかかるやり直しや遅延のリスクを減らします。その上で、デジタルトレーサビリティとデータ管理は、すべての設計決定と変更が文書化され、徹底的なレビューと監査を容易にすることを保証します。

モデルベースシステムエンジニアリング（MBSE）の台頭

MBSEは、文書ではなくモデルを情報交換の主要手段として使用する形式化された方法論であり、デジタル変革の重要な促進要因です。これは、要件定義や概念設計から詳細な実装、検証、検証に至るまで、プロジェクト全体のシステムレベルのビューを包括的に提供します。システムの単一の統一モデルを作成することにより、MBSEはコミュニケーションを促進し、曖昧さを減らし、設計上の欠陥の早期発見を容易にします。エンジニアは異なる設計オプションを探求し、それらがシステム性能に与える影響を評価し、情報に基づいた決定を下すことができます。

データ駆動型設計と分析

デジタル変革は、シミュレーション、テスト、さらには運用システムからの大量のデータを活用して設計を最適化するデータ駆動型設計へのシフトを可能にします。プロトタイプや現場システムからのセンサーデータは、強力なシミュレーション結果と組み合わせて、システムの挙動について貴重な洞察を提供します。このデータにデータ分析や機械学習技術を適用することで、パフォーマンスのボトルネックを特定し、潜在的な故障を予測し、最適なパフォーマンス、効率、信頼性を達成するために設計を洗練させることができます。この連続するフィードバックループは、反復的な改善とシステムの能力に対するより深い理解を可能にします。

デジタル変革を可能にするコアテクノロジー

航空宇宙の電子設計のデジタル変革を可能にするために、いくつかのコアテクノロジーが協力しています。

先進的なPCB設計および開発ツール

この変革の中心には、Altium Designerのような先進的なPCB設計およびシミュレーションツールと、エンジニアが従来の断片化された設計プロセスを超えて統一された協力的な環境に移行できるようにする開発プラットフォームであるAltium 365があります。 

デジタル変革を促進する主な機能には以下が含まれます：

• 3D PCB設計および可視化： PCB、コンポーネント、およびエンクロージャの正確な表現を可能にし、機械的な干渉の検出を容易にし、適切なフィットを保証します。この3D機能は、空間がしばしばプレミアムである複雑な航空宇宙設計にとって重要です。
• ECAD/MCADコラボレーション： 電子設計と機械設計のワークフローを統合し、エンジニアが効果的に協力し、PCBが全体の機械組立内に完璧に収まることを保証し、電気および機械チーム間のコミュニケーション不足によって引き起こされる高価な再作業と遅延を排除します。
• データ管理とバージョン管理：堅牢なデータ管理機能を提供し、すべての設計データが適切に追跡、バージョン管理、および制御されるようにします。これは、設計の整合性を維持し、航空宇宙産業の厳格な文書要件を満たすために不可欠です。
• クラウド接続ツール：ファイルやデータをクラウドに置くことができる機能は、分散した労働力の難しさを軽減し、リモートでの協力を可能にします。

デジタルツイン

デジタルツインは、物理的な資産、システム、またはプロセスの仮想表現です。航空宇宙電子工学において、デジタルツインは、全体の航空機、特定のサブシステム、または個々のコンポーネントに対して作成することができます。これらのデジタルツインは、シミュレーション、テスト、および実世界の運用からのデータで供給され、エンジニアが仮想環境で性能を監視し、故障を予測し、設計を最適化することを可能にします。それらは、以下を含むさまざまな目的で使用できます：

• 物理的なプロトタイプを作成する前に、仮想環境での設計変更と修正をテストする。
• 発生する前に潜在的な故障を特定し、予防保全を可能にし、ダウンタイムを減少させる。
• 実世界の運用データを分析して改善のための領域を特定し、システム性能を最適化する。

クラウドコンピューティングとコラボレーションプラットフォーム

クラウドコンピューティングは、データ集約型のデジタル変革プロセスをサポートするために必要なインフラとリソースを提供します。クラウドベースのプラットフォームはいくつかの利点を提供します：

• スケーラビリティ： 必要に応じてコンピューティングリソースを簡単に拡大または縮小でき、複雑なシミュレーションや分析の要求に対応します。
• データの保存と共有： すべての設計データのための中央リポジトリを提供し、分散チームにアクセスを可能にし、協力を促進します。
• コラボレーションツール： リアルタイムの共同設計、バージョン管理、プロジェクト管理などの機能を提供し、場所に関係なくチームが効率的に協力できるようにします。

付加製造

付加製造、または3Dプリンティングは、物理的なプロトタイプの迅速な作成を可能にし、場合によっては生産準備が整ったコンポーネントさえも可能にします。この技術により、エンジニアは設計を迅速に反復し、異なる構成をテストし、従来の方法では製造が困難または不可能であった複雑な幾何学を作成できます。3Dプリンティングは、迅速なプロトタイピング、カスタムコンポーネント、および特殊部品の小ロット製造に特に価値があります。 

将来のトレンドと機会

航空宇宙電子設計のデジタル変革は進行中のプロセスであり、地平線上にはいくつかのエキサイティングなトレンドと機会があります。

スペース2.0と新しい宇宙企業の台頭

私企業による宇宙開発の台頭は、しばしば「スペース2.0」または「ニュースペース」と呼ばれ、航空宇宙産業を劇的に変化させています。これらの企業は、アジャイルな開発プロセス、イノベーションへの注力、新技術の採用への意欲によって特徴づけられます。デジタルトランスフォーメーションは、この新たな宇宙競争を可能にする鍵であり、企業が新しい宇宙船や打ち上げ機の設計、プロトタイプ作成、テストを行い、設計を最適化して高価な物理的テストの必要性を最小限に抑え、より効率的に新しい概念や技術を探求することを可能にします。

自律システムと都市型航空移動

自律飛行機と都市型航空移動車両への需要は急上昇しています。これらの先進システムは洗練された電子機器とソフトウェアを必要とするため、その開発にはデジタルトランスフォーメーションが不可欠です。デジタルツールが重要な役割を果たしている主な分野には以下のものがあります：

• センサーフュージョン：複数のセンサー（例えば、カメラ、ライダー、レーダー）からのデータを統合し、環境に関する包括的な理解を作り出します。
• 制御システム：自律飛行のための堅牢で信頼性の高い制御システムを開発します。
• 通信システム：車両と地上制御との間で安全かつ信頼性の高い通信を確保します。
• 安全クリティカルシステム：自律飛行の厳しい要件を満たす安全クリティカルシステムを設計および検証します。

宇宙のインターネット・オブ・シングス（IoST）

「宇宙のインターネット・オブ・シングス」とは、地上の情報と相互接続された衛星やその他の宇宙資産の情報を融合させたサイバー物理システムを指します。これは航空宇宙電子設計に様々な課題を提示します：

• データ管理：IoSTデバイスによって生成される膨大なデータ量を扱う。
• 通信プロトコル：宇宙資産がしばしば経験する顕著な遅延と限られた帯域幅に対応できる標準化された通信プロトコルの開発。
• セキュリティ：IoSTネットワークのセキュリティを確保し、ミッションクリティカルなシステムがサイバー攻撃によって侵入されるのを防ぐ。
• 過酷な環境：宇宙で使用されるコンポーネントは放射線耐性が必要であり、これはコンポーネントのコストを増加させ、最先端の電子機器の利用可能性を制限します。システムはまた、極端な温度と真空の条件に耐えなければなりません。 

航空宇宙電子設計の再形成

デジタル変革は、航空宇宙電子設計を根本的に再形成しています。この分野で生き残り、繁栄するためには、従来の孤立した設計プロセスから統合されたデータ駆動型のアプローチへと移行する必要があります。したがって、モデルベースのシステムエンジニアリングを積極的に取り入れ、データ分析の力を活用し、設計、シミュレーション、およびコラボレーションのための先進ツールを採用することを忘れないでください。そして、デジタル変革の旅は継続的なものであることを忘れないでください。それは決して停滞することはありません。未来はエキサイティングな可能性を秘めていますが、航空宇宙企業や電子部品の設計者および製造業者は、継続的な学習と適応の文化を受け入れなければなりません。

そうすることで、航空宇宙産業はデジタル変革の全潜在能力を解き放ち、より安全で、より効率的で、より能力の高い飛行および宇宙探査の新時代を迎えることができます。

軍用・航空宇宙電子機器のライフサイクルをコントロールし、エンジニアリングチーム間でシームレスに協力する準備はできていますか？安全なクラウド環境で航空宇宙および防衛システムを構築する方法を発見してください！