Цифровая трансформация в проектировании электроники для аэрокосмической отрасли

Спрос на передовые авионические и космические системы растет, и, согласно прогнозам, глобальный рынок аэрокосмической электроники достигнет $206 миллиардов к концу 2030 года. Но этот рост сопровождается значительным увеличением сложности. Современные самолеты и космические аппараты уже не те "типичные" транспортные средства, которыми они были ранее. Теперь они представляют собой что-то совершенно иное. Сейчас это сложные, взаимосвязанные сети датчиков, процессоров и систем связи, все из которых требуют повышения уровня производительности и функциональности. 

Цифровая трансформация, лежащая в основе многих этих разработок, означает фундаментальный переход от традиционных, часто изолированных процессов проектирования к высокоинтегрированным, основанным на данных процессам. Это усиление человека технологиями, которое использует мощь цифровых инструментов и технологий для помощи командам в управлении сложностью проектирования, сотрудничестве без препятствий и ускорении всего жизненного цикла проектирования, от первоначальной концепции до окончательного производства и даже технического обслуживания в процессе эксплуатации. 

Однако аэрокосмическая отрасль сталкивается с уникальными и чрезвычайно строгими требованиями наряду с тщательными процессами сертификации, которые требуют детальной документации и проверки на каждом этапе. Надежность, конечно, является ключевым моментом, поскольку сбои иногда имеют катастрофические последствия; системы должны работать безупречно в экстремальных условиях — от ледяного вакуума космоса до интенсивного тепла и вибрации при запуске ракеты — и, таким образом, требования должны учитываться с самого начала. 

Основные движущие силы цифровой трансформации в аэрокосмической отрасли

Несколько мощных факторов сходятся, чтобы стимулировать быстрое принятие цифровой трансформации в проектировании электроники для аэрокосмической отрасли.

Требование ускорения выхода на рынок

Аэрокосмическая отрасль чрезвычайно конкурентоспособна, компании постоянно стремятся разрабатывать и внедрять новые технологии раньше своих соперников. Давление в плане сокращения времени выхода на рынок огромно, его вызывают такие факторы, как эволюция требований клиентов, появление новых рыночных возможностей и необходимость опережать технологические достижения. Цифровая трансформация ускоряет цикл проектирования и разработки за счет автоматизации задач, облегчения сотрудничества и обеспечения быстрого создания прототипов, позволяя аэрокосмическим компаниям быстрее и эффективнее выводить на рынок новые продукты и возможности.

Увеличение сложности систем

Современные летательные аппараты и космические корабли оснащены обширным набором датчиков, блоков обработки данных, систем связи и интерфейсов управления. Рассмотрим сложные системы управления полетом, навигационные системы, комплексы связи и системы развлечений в полете на примере коммерческого авиалайнера или сложные системы наведения, контроля и научные полезные нагрузки спутника. Каждая подсистема содержит тысячи электронных компонентов, требующих сложных взаимосвязей и точного тайминга. Управление этой сложностью, обеспечение беспрепятственной интеграции и избежание конфликтов между системами представляет собой огромную задачу, с которой традиционные методы проектирования не справляются. Цифровые инструменты предоставляют рамки для моделирования, симуляции и проверки этих взаимодействий на ранних этапах процесса проектирования.

Акцент на надежности и безопасности

Надежность и безопасность являются непреложными требованиями в аэрокосмической электронике. Отказы могут иметь угрожающие жизни последствия, что делает тщательную проверку и валидацию проекта обязательными. Цифровые инструменты повышают надежность и безопасность, предоставляя продвинутые возможности симуляции, позволяя инженерам тестировать проекты в различных условиях и выявлять потенциальные слабые места до создания физических прототипов. Этот подход сдвига влево, позволяющий обнаруживать ошибки на более ранних этапах цикла разработки, снижает риск дорогостоящих доработок и задержек на более поздних этапах проекта. Кроме того, цифровая прослеживаемость и управление данными гарантируют, что каждое решение по дизайну и каждое изменение документируются, облегчая тщательные обзоры и аудиты.

Возникновение модельно-ориентированного системного инжиниринга (MBSE)

MBSE — это формализованная методология, использующая модели в качестве основного средства обмена информацией, а не документы, является ключевым фактором цифровой трансформации. Она обеспечивает целостный, системный взгляд на весь проект, интегрируя все аспекты дизайна, от определения требований и концептуального проектирования до детальной реализации, проверки и валидации. Создавая единую, объединенную модель системы, MBSE способствует улучшению коммуникации, снижению неоднозначности и раннему обнаружению дефектов дизайна. Это позволяет инженерам исследовать различные варианты дизайна, оценивать их влияние на производительность системы и принимать обоснованные решения.

Проектирование и анализ на основе данных

Цифровая трансформация позволяет перейти к проектированию на основе данных, когда инженеры используют огромные объемы данных из симуляций, тестов и даже эксплуатационных систем для оптимизации своих проектов. Данные с датчиков прототипов и внедренных систем, в сочетании с мощными результатами симуляций, предоставляют ценные сведения о поведении системы. К этим данным можно применить методы анализа данных и машинного обучения для выявления узких мест производительности, прогнозирования потенциальных отказов и уточнения дизайна для достижения оптимальной производительности, эффективности и надежности. Этот непрерывный цикл обратной связи позволяет осуществлять итеративные улучшения и глубже понимать возможности системы.

Основные технологии, обеспечивающие цифровую трансформацию

Несколько ключевых технологий работают вместе, чтобы обеспечить цифровую трансформацию в проектировании электроники для аэрокосмической отрасли.

Продвинутые инструменты проектирования и разработки печатных плат

В центре этой трансформации находятся продвинутые инструменты проектирования и симуляции печатных плат, такие как Altium Designer, вместе с платформами разработки, такими как Altium 365, которые позволяют инженерам выйти за рамки традиционных, фрагментированных процессов проектирования к единой, коллаборативной среде. 

Ключевые функции, способствующие цифровой трансформации, включают:

• 3D проектирование и визуализация печатных плат: Позволяет точно представить печатную плату, компоненты и корпус, облегчая обнаружение механических помех и обеспечивая правильную посадку. Эта возможность 3D критически важна для сложных аэрокосмических проектов, где пространство часто ограничено.
• Сотрудничество ECAD/MCAD: Интегрирует электронное и механическое проектирование рабочие процессы, позволяя инженерам эффективно сотрудничать и обеспечивать идеальное соответствие печатной платы в общей механической сборке, исключая дорогостоящие переделки и задержки, вызванные недопониманием между электрическими и механическими командами.
• Управление данными и контроль версий: Обеспечивает надежные возможности управления данными, гарантируя, что все данные проектирования должным образом отслеживаются, версионируются и контролируются. Это необходимо для поддержания целостности проекта и соответствия строгим требованиям к документации в аэрокосмической отрасли.
• Инструменты, подключенные к облаку: Возможность размещения файлов и данных в облаке позволяет осуществлять удаленное сотрудничество, упрощая работу распределенных команд.

Цифровые двойники

Цифровые двойники — это виртуальные представления физических активов, систем или процессов. В аэрокосмической электронике цифровой двойник может быть создан для всего самолета, конкретной подсистемы или даже отдельного компонента. Эти цифровые двойники питаются данными из симуляций, испытаний и реальной эксплуатации, позволяя инженерам отслеживать производительность, предсказывать отказы и оптимизировать проекты в виртуальной среде. Они могут использоваться в различных целях, включая:

• Тестирование изменений и модификаций дизайна в виртуальной среде перед созданием физических прототипов.
• Выявление потенциальных отказов до их возникновения, что позволяет проводить проактивное обслуживание и сокращать время простоя.
• Анализ данных реальной эксплуатации для выявления областей для улучшения и оптимизации производительности системы.

Облачные вычисления и платформы для сотрудничества

Облачные вычисления предоставляют инфраструктуру и ресурсы, необходимые для поддержки процессов цифровой трансформации, требующих большого объема данных. Облачные платформы предлагают ряд преимуществ:

• Масштабируемость: Легко наращивать или уменьшать вычислительные ресурсы в соответствии с потребностями, что позволяет справляться с требованиями сложных симуляций и анализов.
• Хранение и обмен данными: Обеспечивают централизованное хранилище для всех данных проектирования, делая их доступными для распределенных команд и способствуя сотрудничеству.
• Инструменты для совместной работы: Предлагают функции, такие как совместное проектирование в реальном времени, контроль версий и управление проектами, позволяя командам эффективно работать вместе, независимо от их местоположения.

Добавочное производство

Добавочное производство, или 3D-печать, позволяет быстро создавать физические прототипы и, в некоторых случаях, даже компоненты, готовые к производству. Эта технология позволяет инженерам быстро вносить изменения в проекты, тестировать различные конфигурации и создавать сложные геометрии, которые было бы сложно или невозможно изготовить традиционными методами. 3D-печать особенно ценна для быстрого создания прототипов, индивидуальных компонентов и производства небольших партий специализированных деталей. 

Будущие тенденции и возможности

Цифровая трансформация в области проектирования электроники для аэрокосмической отрасли является продолжающимся процессом, на горизонте которого виднеется несколько захватывающих тенденций и возможностей.

Возникновение Космоса 2.0 и новых космических компаний

Появление частных космических компаний, часто называемых "Космос 2.0" или "Новый Космос", кардинально меняет аэрокосмическую отрасль. Эти компании характеризуются своими гибкими процессами разработки, ориентацией на инновации и готовностью принимать новые технологии. Цифровая трансформация является ключевым фактором, позволяющим этой новой космической гонке проектировать, создавать прототипы и тестировать новые космические аппараты и ракеты-носители; оптимизировать проекты и минимизировать необходимость в дорогостоящем физическом тестировании; и изучать новые концепции и технологии с большей эффективностью.

Автономные системы и городская воздушная мобильность

Спрос на автономные летательные аппараты и транспортные средства для городской воздушной мобильности резко возрастает. Эти передовые системы требуют усовершенствованных электроники и программного обеспечения, делая цифровую трансформацию необходимой для их разработки. Ключевые области, где цифровые инструменты играют решающую роль, включают:

• Слияние данных сенсоров: Интеграция данных с нескольких датчиков (например, камер, лидаров, радаров) для создания полного понимания окружающей среды.
• Системы управления: Разработка надежных и эффективных систем управления для автономного полета.
• Системы связи: Обеспечение безопасной и надежной связи между транспортным средством и наземным контролем.
• Системы критической безопасности: Проектирование и проверка систем критической безопасности, соответствующих строгим требованиям автономного полета.

Интернет космических вещей (IoST)

Под "Интернетом космических вещей" понимается киберфизическая система, объединяющая информацию на Земле с данными, получаемыми от взаимосвязанных спутников и других космических активов, что представляет различные вызовы для проектирования аэрокосмической электроники:

• Управление данными: Обработка огромных объемов данных, генерируемых устройствами IoST.
• Протоколы связи: Разработка стандартизированных протоколов связи, которые могут помочь существенно снизить задержки и ограниченную пропускную способность, с которыми часто сталкиваются космические активы.
• Безопасность: Обеспечение безопасности сетей IoST и защита их от кибератак для предотвращения проникновения в системы, критически важные для миссии.
• Жесткие условия окружающей среды: Компоненты, используемые в космосе, должны быть устойчивы к радиации; это увеличивает стоимость компонентов и ограничивает доступность передовой электроники. Системы также должны выдерживать экстремальные температуры и условия вакуума. 

Преобразование проектирования аэрокосмической электроники

Цифровая трансформация кардинально изменяет проектирование электроники в аэрокосмической отрасли. Чтобы выжить и процветать, компаниям в этой сфере необходимо отказаться от традиционных, изолированных процессов проектирования в пользу интегрированных, ориентированных на данные подходов. Поэтому помните о необходимости активно принимать модельно-ориентированное системное инженерство, использовать мощь аналитики данных и принимать передовые инструменты для проектирования, моделирования и сотрудничества, и не забывайте, что путь цифровой трансформации непрерывен. Он никогда не стоит на месте. Будущее обещает захватывающие возможности, но аэрокосмическим компаниям, дизайнерам и производителям электронных компонентов необходимо принять культуру непрерывного обучения и адаптации.

Делая это, аэрокосмическая отрасль может раскрыть полный потенциал цифровой трансформации и вступить в новую эру более безопасных, эффективных и способных полетов и исследований космоса.

Готовы взять под контроль жизненный цикл электроники военно-воздушных сил и сотрудничать без проблем в инженерных командах? Узнайте, как создавать аэрокосмические и оборонные системы в защищенной облачной среде!