Unbemannte Systeme: Die nächste Ära der Verteidigung

Drohnenhersteller (insbesondere unbemannte Systeme (UxS) in der Luft, zu Lande und zu Wasser) müssen schnell sein, aber sie müssen auch frühzeitig die richtigen Entscheidungen treffen. Jede Änderung an Nutzlast, Antrieb, Struktur, Elektronik und Kommunikationstechnik kann sich auf das Gewicht, die Reichweite, die Flugdauer, das thermische Verhalten, die Kosten und die Herstellbarkeit auswirken. Falsche Entscheidungen in diesem Bereich könnten die Markteinführungszeit verlängern und die Produktlieferung an Verteidigungspartner beeinträchtigen.

Für aufstrebende Industrien müssen diese technischen Entscheidungen oft mit begrenzten Ressourcen und straffen Entwicklungszeitplänen getroffen werden. Gleichzeitig muss sich das Unternehmen darauf vorbereiten, die Erwartungen von Kunden, Hauptauftragnehmern und staatlichen Organisationen zu erfüllen.

Ein erster Prototyp muss daher mehr als nur funktionsfähig sein. Er muss sich zu einem kontrollierten, nachvollziehbaren und optimierten System entwickeln, das sich in eine breitere Umgebung integrieren lässt und in steigenden Stückzahlen konsistent produziert werden kann.

Dassault Systèmes verbindet Anforderungen, Engineering, Simulation, Validierung, Fertigung und Betrieb entlang dieses gesamten Prozesses.

Sobald ein neu gegründetes UxS-Unternehmen sich die Finanzierung gesichert, einen konkreten Einsatzzweck oder eine Lücke identifiziert und mit der Entwicklung seines ersten Prototypen begonnen hat, besteht die unmittelbare Herausforderung darin, während der fortlaufenden Weiterentwicklung des Designs Strukturen, Antrieb, Sensoren, Elektronik, Software und Komponenten von Zulieferern zu integrieren. Dies wird als multiphysikalisches Engineering-Modell bezeichnet. 

Das Ziel besteht darin, eine zuverlässige technische Basis zu schaffen, die später zum digitalen Fundament wird. Anforderungen, Produktdefinitionen, Software, Elektronik und Informationen zu Zulieferern können in einer gemeinsamen Umgebung verwaltet werden, anstatt über voneinander getrennten Dateien und einzelne Tools verteilt zu sein. 

Da sich Nutzlasten, Komponenten und Einsatzanforderungen schnell verändern, kann ein strukturiertes Änderungs- und Konfigurationsmanagement den Teams helfen, die Auswirkungen jeder Modifikation zu verstehen und eine kontrollierte Definition jedes Prototyps oder jeder Variante aufrechtzuerhalten. Durch die Herstellung digitaler Kontinuität in dieser Phase wird zudem sichergestellt, dass die während der frühen Entwicklungsphase erstellten Informationen später die Validierung, Qualifizierung und Fertigung unterstützen können.

Ein funktionsfähiger Prototyp allein erfüllt noch nicht die Anforderungen eines Großkunden, Integrators oder einer Verteidigungsorganisation. Der Hersteller muss nachweisen, dass das System die definierten Verteidigungsanforderungen erfüllt, sich nahtlos in einen bestehenden Systemverbund integriert und innerhalb einer übergeordneten Architektur interoperabel ist.

Model-Based Systems Engineering (MBSE) erleichtert die Definition der UxS-Architektur, der Schnittstellen, der Verhaltensweisen sowie der Interaktionen mit Kommandosystemen, Sensoren, anderen Plattformen und bestehenden Ressourcen. Dadurch wird eine klarere gemeinsame Definition zwischen Hersteller, Zulieferern, Systemintegratoren und Kunden geschaffen.

Gleichzeitig müssen Ingenieure auch das Gesamtsystem optimieren. Eine Erhöhung der Betriebsdauer kann sich auf die Batteriemasse und die Nutzlast auswirken. Die Reduzierung des strukturellen Gewichts kann die Robustheit beeinflussen. Die Anordnung der Antennen kann die Kommunikationsleistung beeinflussen, während Entscheidungen hinsichtlich der Leistung und Wärmeentwicklung Auswirkungen auf die Elektronik und eingebettete Systeme haben können.

Die Multiphysics-Simulation und Multidisciplinary Design Optimization (MDO) unterstützen Teams dabei, miteinander zusammenhängende Design-Trade-offs frühzeitig zu bewerten und physikalische Tests auf die vielversprechendsten Konfigurationen zu konzentrieren. Die virtuelle Validierung ersetzt zwar keine physikalischen Tests, erleichtert es Teams jedoch, Prototypen und Tests auf die vielversprechendsten Konfigurationen auszurichten. Durch die Verknüpfung von Daten des virtuellen Zwillings mit realen Betriebsdaten können Teams innerhalb kürzester Zeit optimale Entscheidungen treffen.

Anforderungen, Entscheidungen zur Architektur, Simulationen, Änderungen sowie Test- und Einsatzprotokolle sollten miteinander verbunden bleiben. Dies erleichtert es, aufzuzeigen, wie Anforderungen erfüllt werden. Außerdem werden die entsprechenden Erkenntnisse im Zuge der Weiterentwicklung des Designs aktualisiert. Bei einem neuen Programm zeigt dies einem Anwender oder Hauptauftragnehmer zudem, dass das Programm mit der Sorgfalt geführt werden kann, die von einem größeren Industrieunternehmen erwartet wird.

Die Fertigung von unbemannten Systemen (UxS) bringt neue Herausforderungen mit sich. Sobald Aufträge eingehen, verlagert sich der Fokus vom Nachweis der Funktionsfähigkeit eines einzelnen Systems hin zur Sicherstellung, dass jedes System in gleichbleibender Qualität produziert werden kann.

UxS-Plattformen müssen unter Umständen unterschiedliche Nutzlasten, Communication Suites, Antriebsoptionen und kundenspezifische Konfigurationen unterstützen. Durch die Verwaltung dieser Varianten auf Basis einer gemeinsamen Produktgrundlage können Teams validierte Elemente wiederverwenden, anstatt jede Konfiguration als eigenständiges Programm zu betrachten.

Eine frühzeitig implementierte digitale Durchgängigkeit verbindet die Engineering-Definition mit den Fertigungsstücklisten, Prozessplänen, Arbeitsanweisungen und Qualitätsinformationen. Dadurch werden manuelle Neuinterpretationen zwischen Engineering und Produktion eingeschränkt. Zudem bleibt die validierte Produktdefinition auch bei steigenden Stückzahlen erhalten.

Virtuelle Produktionsplanung, Liniensimulation, Automatisierung und Qualitätsmanagement können Herstellern zudem dabei helfen, vor Produktionsbeginn industrielle Prozesse vorzubereiten und einen einheitlicheren Ablauf zwischen Zulieferern und Fertigungsstandorten zu gewährleisten. Darüber hinaus können Unternehmen auf diese Weise ihre neuen Fabriken planen und die Zeit bis zur Produktion durch die Anbindung an die Lieferkette optimieren. 

Die Entwicklung und Skalierung von UxS erfolgt selten isoliert. Im Zuge der Weiterentwicklung von Programmen müssen Hersteller mit Zulieferern, Technologiepartnern, Integratoren, Organisationen im Verteidigungsbereich und Endnutzern zusammenarbeiten. Gleichzeitig müssen sie die Kontrolle über ihre Produktdaten und ihr geistiges Eigentum behalten.

Dassault Systèmes ist ein aktiver Partner in diesem Wertschöpfungsnetzwerk der Innovation und unterstützt Hersteller dabei, digitale Lösungen der nächsten Generation für Anwendungen im UxS-Bereich zu entwickeln. Mithilfe der 3DEXPERIENCE Plattform können Startups, Scaleups, Dual-Use-Unternehmen, etablierte Industrieakteure und andere Stakeholder auf einer gemeinsamen digitalen Grundlage arbeiten, Entwicklungsrisiken reduzieren und bahnbrechende Ideen in die betriebliche Realität umsetzen.