数字孪生在航天领域应用日益广泛
数字孪生技术是连接物理世界和数字世界的纽带，旨在为物理系统创造一个表述其特征的数字孪生体，其根源可以追溯到美国“阿波罗”时代的物理伴飞，即建造与实际飞船同比例的飞船，在地面进行实际飞行操作，以此反映飞船在飞行中的状态，并为飞船的维护提供参考。美国宇航局在2010年发布的《美国宇航局空间技术路线图》中提出了数字孪生体的目标，并阐述了数字孪生是一个集成多物理场、多尺度的非确定性分析框架，能够联合高精度物理模型、传感器测量数据、飞行历史数据等，是镜像相应孪生飞行器的生命历程。
数字孪生技术在航空航天领域具有很大的应用潜力，可应用于飞行器的设计研发、制造装配和运行维护等领域。例如，法国达索航空公司基于数字孪生理念建立的虚拟开发与仿真平台，用于阵风战斗机的设计改进，质量提升了15%以上。美国洛克希德·马丁公司将数字孪生技术应用于F-35隐身战斗机制造，不但缩短了生产周期，而且还大幅降低了成本。美国宇航局通过应用数字孪生技术基于历史飞行数据、传感器数据，对航天器系统进行多物理场、多维度、概率性的仿真，以此来反映航天器的运行状态和整个生命周期历程，预计到2035年能够实现飞行器维护成本减半，服役寿命延长至目前的10倍。
数字孪生技术在复杂系统建模技术、传感与监测技术、大数据技术、动态数据驱动分析与决策技术、数字孪生软件平台技术等关键技术取得重大突破后，可以在航空航天领域的相关产品研制中发挥更加高效的作用，以及优化运维调度和提高管理效能。
原来中国有3个天宫空间站，天上地上各1个还孪生1个
中国载人航天工程空间站系统总设计师、中国工程院院士杨宏在“智行中国”系列论坛上介绍到，原来中国拥有3个天宫空间站：从研制阶段到运行阶段，正样空间站发射成为在轨空间站，初样空间站改造成为地面模拟空间站，而空间站的数字模型，通过“数字孪生”，变为“数字空间站”。通过数字孪生技术实现了“天—地—数字”三站协同运行，同时也是“三位一体”。
地面模拟空间站可以在地验证飞行任务、软件升级、维修和故障对策、在轨维修和扩展、人机协同等；而数字空间站则可以进行飞行数据实时驱动、在轨状态检测和预测、趋势评估、飞行方案验证等。这样一来，天地协同保障长期在轨稳定运行，全面支持空间站发挥应用效能，“解决了在轨飞行状态动态变化、功能不断提升和扩展以及长寿命、高可靠、高安全运行等关键难题。
事实上，“天—地—数”3站协同模式，从研制阶段的全模型传递，到运行阶段的完善模型，一直处于同步中。“天和”核心舱成功发射后，数字空间站就全天候24小时支持空间站在轨飞行，并在机械臂转位、出舱活动、机械臂巡检、首长通话、推进剂补加、实验舱转位等关键任务中提供了有力的支撑。逐梦三十年，圆梦空间站。对于数字化工程发展模式，空间站系统复杂度高，多学科深度耦合，技术跨度大，传统研制与运行模式不能适应，全面数字化研制是空间站高质量、高效率发展的必由之路。
杨宏院士表示，据统计，在数字化高效率研制中，全周期“模型传递”无图纸，以仿真指导并部分替代物理试验，结构生产、总装布局、系统集成、大型试验均一次成功，使得研制周期缩减30%、人员缩减40%、试验效率提高30%。“从方案论坛开始，直到目前在轨管理，数据同源的全周期多学科模型支持正向设计。”，采用数字孪生技术建立数字空间站，还可以进行状态预测与趋势评估。
从天问一号的星际之旅谈数字孪生
2021年5月15日，历经9个多月的长途跋涉，中国火星探测器天问一号成功着陆火星表面，迈出了我国星际探测征程的重要一步。这背后离不开中国航天人的攻坚克难、卓越创新，也离不开数字孪生等一系列先进技术的支撑。我国自主研制的天问一号火星探测器于2020年7月23日发射升空；经过1次深空机动和4次中途修正，于2021年2月10日成功进入火星轨道；5月15日，天问一号成功穿越火星大气层，着陆于火星乌托邦平原南部预选着陆区；5月22日，“祝融号”火星车驶离着陆平台，到达火星表面，开始了对火星的探测之旅。
实现这个极其复杂的科学任务，就应用到数字孪生技术。开发普通产品时，工程师可以通过实物试验来测试产品性能，修改设计方案，不断迭代优化。而天问一号无法在真实应用场景进行实物试验，因此科学家除了在地面对实物样机进行性能测试之外，还需要对天问一号的各个子系统、从地球飞向火星的轨迹以及火星大气和着陆区环境等建立数字孪生模型。在产品研发过程中进行全数字化仿真，在原型样机制造出来之后进行半实物仿真。所谓半实物仿真，指的是仿真对象是物理实体，而运行环境用软件来模拟。在天问一号飞向太空和着陆火星的过程中，则通过卫星通信传回的实时数据，对其数字孪生模型进行仿真分析，从而判断飞行轨迹和运行状态是否正常，以便及时调控。为了帮助观众更好地理解，电视直播往往也会使用对航天器数字化模型进行运动仿真演示和推演。
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