Новый подход к роли прототипов в НИОКР

Увеличение темпов инноваций путем изменения подхода к разработке прототипов 7 Апрель 2015, 13:56

Статья капитана ВМС США Ричарда Хенке, сотрудника ведомства Минобороны по инновациям и прототипированию, была опубликована в издании Defense AT&L Magazine за июль-август 2014 г., выпускаемом под эгидой Оборонного Университета (Defense Acquisition University) при Минобороны США.

Похоже, что в настоящее время роль прототипов в процессе развития возможностей меняется, выходит за рамки фокусированного инструмент проектирования и превращается в методологию, которая в перспективе может изменить всю парадигму. То, что раньше было все лишь еще одним проверенным инструментом в арсенале проектировщиков, теперь превратилось в совокупность научно-производственных и экспериментальных видов деятельности, которые повышают качество разработки промежуточных форм и работы с ними (моделей или демонстрационных образцов). 

Использование денежных средств, предусмот­ренных  для НИОКР, на создание хотя бы нескольких прототипов систем, которые мы не можем позволить себе купить в больших количествах... двигает нас вперед по пути технического прогресса. Это оздоравливает нашу производственную базу и объединяет наши проектные группы.
Фрэнк Кендалл (Frank Kendall), заместитель Министра обороны  по закупкам, технологиям и логистике

Средство снижения риска

В последние несколько десятилетий разработка и создание прототипов в Министерстве обороны США в основном были связаны с техническим совершенствованием комплексных систем вооружения. Повышенный интерес к созданию прототипов в целях технического совершенствования вооружения стал следствием провала многих широко освещаемых программ по созданию систем вооружений во время Холодной войны. В то время стратегия США по разработке вооружений была направлена на создание технического превосходства в противовес высокому мобилизационному потенциалу и превосходству в количестве боевой техники их соперника, Советского Союза. В результате значительное давление начала испытывать закупочная система, вынужденная в целях поддержания технического превосходства в значительной мере полагаться на зарождающиеся и непроверенные технологии. Попытки довести передовые технологии до стадии готовности привели к продолжительным отставаниям от сроков в системе закупок. Из тех программ, которые в конечном итоге были реализованы на практике, многие могли в условиях реальных боевых действий не оправдать себя. В докладе Комиссии по управлению обороной под руководством Дэвида Паккарда (Packard Commission) от 1986 года, широко известной независимой экспертной комиссии, назначенной президентом Рейганом, решительно указывается на необходимость «создания и испытания прототипов систем и подсистем до перехода к этапу их полномасштабной разработки».

Расширение сфер применения

Самый первый намек на то, что создание прототипов может преследовать более широкий круг целей, поступил в 1947 году от Чака Йегера (Chuck Yeager; летчик-испытатель, позже — генерал ВВС США — прим. Technowars), который преодолел звуковой барьер на прототипе Bell X-1. Это вызвало горячий интерес у общественности. Послышались заявления о необходимости высокобюджетного прототипирования, которое уже показало, что с его помощью США может достичь значительных технических достижений. Программы по созданию самолетов серии „Х” и космические программы не только помогли понять, как надо действовать в авиационно-космической сфере (принесли знания и наработки, которые Соединенные Штаты использовали в течение десятилетий), но и помогли создать механизм усиления развития технологий, вдохновляя целое поколение выбирать профессии ученых и инженеров, которые в свою очередь создадут очередную волну технических открытий.

Исследователи в области оборонных технологий обращают пристальное внимание на возможности аддитивных технологий производства. Рикардо Родригес (Ricardo Rodriguez) не сомневается, что «напечатанные» на специализированных принтерах армейские каски из гибридных материалов, которые позволяет изготавливать технологии 3D-печати, превзойдут существующие образцы по защищенности при уменьшенном весе

В 2007 году Джон Янг (John Young), будучи заместителем Министра обороны по закупкам, технологиям и логистике, выделил еще одну роль, которую играет прототипирование, — роль механизма усиления конкуренции. Он распорядился, чтобы на ранней стадии процесса разработки крупные программы закупок разрабатывали конкурирующие проекты. Согласно исследованию корпорации RAND в 2009 году, результаты программы Министерства обороны по усилению конкуренции в сфере создания прототипов были неоднозначными. Исследователи RAND предположили, что на увеличение расходов влияют более значимые факторы, отсутствие конкретных требований, постоянно меняющийся бюджет и недостаточный уровень технического развития.
Сегодня такие реалии как ужесточение бюджетных ограничений и глобализация широкого спектра увеличивающихся угроз (которые включают в себя ракеты большой дальности, сложные системы ПВО и химическое оружие) объединились в один фактор, который нанес Министерству обороны такой удар, от которого пошатнулась вся его система закупок. Эта система больше не может позволить себе то разнообразие систем, которое необходимо для поддержания технического превосходства на фоне многочисленных опасностей. Даже без ограничений в ресурсах и финансировании неясно, сможет ли существующая на сегодняшний день система закупок адаптировать продукты достаточно быстро для того, чтобы успевать реагировать на возникающие угрозы. Многие щедро финансируемые программы разработки оружия еще до начала первого производственного цикла показывают признаки приближающегося устаревания.

Но есть и причина для оптимизма. Исторически сложилось так, что для периодов ограниченных ресурсов характерны необычайная креативность и внедрение инноваций. Все уменьшающиеся бюджеты и международные договоры на ограничение вооружений, последовавшие за Первой мировой войной, совпали с инновационным развитием военно-морских и воздушных сил. Несмотря на сокращение бюджетов, или, как сказал бы Черчилль, благодаря сокращению, этот период был отмечен вспышками творчества и экспериментов, что неуклонно повышало уровень технического развития ВМС и ВВС на протяжении 1920-х годов, и в конечном итоге привело к созданию авианосцев и связанных с ними концепций, которые имели решающее значение для успеха союзников по ангигитлеровской коалиции во Второй мировой войне.

Для поддержания технического преимущества перед нашими противниками мы должны снова создать среду, в которой позволено процветать творческому мышлению, и культуру риска, поощряющую эксперименты с новыми идеями, отступающими от сложившихся традиций. В этой среде жаждут и честно оценивают более высокий уровень риска и более инновационные прототипы, открывая новые перспективы, которые могут привести к созданию решений, потенциально меняющих правила игры.

А новые быстрые методы создания прототипов, сокращающие время, необходимое для цикла разработки, позволяют как никогда быстро разрабатывать еще лучшие решения. Пол Маккриди (Paul MacCready), разработчик, получивший премию Кремера за полет с использованием мускульного привода движителя, утверждал, что успех его самолета, Gossamer Condor, обусловлен не вдохновенным проектом, а вдохновенным процессом проектирования. Он изготовил Condor с возможностью быстрой реконфигурации после каждого цикла создания и испытания. Разработчики-конкуренты трудились над своими проектами в течение года или более только для того, чтобы увидеть их провал и еще один год потратить на очередную доработку проекта для следующего испытания. Gossamer Condor дорабатывался так быстро, что испытание пяти модификаций в течение дня было обычным делом.

Циклы разработки образцов военной техники, традиционно измеряемые в годах и десятилетиях, должны измеряться в месяцах, если мы собираемся превзойти наших противников. Технологии и методы быстрого создания прототипов находятся сейчас в выгодном положении и помогут сократить время, которое требуется на разработку. В хорошо оснащенной лаборатории быстрого прототипирования есть все необходимое для производства нового образца за несколько дней или недель. Системы автоматизированного проектирования и программного обеспечения для производства, соединенные со станками с числовым программным управлением (ЧПУ), сразу после проектирования изготавливают необходимые детали и компоненты. В сочетании с микропроцессорами, которые можно быстро перепрограммировать, эти инструменты позволяют лабораториям по созданию прототипов оперативно создавать и изменять новейшие сложные прототипы.

Подразделение систем экспериментальных летательных аппаратов (APSD) Авиационно-технического командования ВМС США (NAVAIR) является примером нового поколения лаборатории быстрого прототипирования. Оснащенное инструментами для проектирования и оборудованием с ЧПУ, APSD откликнулось на просьбу модернизировать контейнер автомата отстреливания тепловых ловушек для нескольких моделей вертолетов. В случае с атакующим вертолетом Bell AH-1W APSD завершило все проектные работы и изготовление первого прототипа всего за три недели. Затем APSD использовало измерительные приборы и испытательное оборудование NAVAIR на двух своих полигонах, чтобы испытать новые прототипы в воздухе. В результате были получены точные проверенные проекты, которые предоставили менеджерам программы существенные альтернативы в сфере закупок, включая предложения «изготовления единичных образцов по чертежам заказчика». Поскольку NAVAIR уже имела испытанный прототип с технической документацией, за контракт на производство вышеупомянутого контейнера могли побороться даже мелкие частные компании, не имеющие своей испытательной базы и систем проектирования.

Инженеры и техники Научно-технологического центра по внедрению разработок (RFAST-C), организованного Научно-инженерного командования Армии США (RDECOM), обсуждают новейшие прототипы

Смена фокуса: от быстрой поставки на вооружение к возникающим возможностям и созданию прототипов

Признавая преимущества современного прототипирования, нынешний заместитель Министра обороны по закупкам, технологиям и логистике (ASD(R&E)) направил Управлению быстрого развертывания систем (Rapid Fielding office) распоряжение расширить сферу их деятельности и помимо создания образцов, готовых к развертыванию, назначение которых — немедленно удовлетворить потребности вооруженных сил в случае боевых действий, разрабатывать технически непроверенные прототипы, чтобы оперативно изучить возможности новых идей. Чтобы подтвердить изменение курса, управление недавно даже поменяло свое название с Управления быстрого развертывания на Управление по перспективным исследованиям и прототипированию (EC&P).

Управление ASD(R&E), к которому относится EC&P, идеально подходит для выполнения этой расширенной функции. Навыки, полученные во время боевых действий, хорошо адаптируются к стратегической миссии разработки быстро реконфигурируемых, гибких систем вооружения. Управление создало широкую разветвленную сеть, которая включает в себя военнослужащих, прошедших «горячие точки», представителей их командования, научного сообщества, традиционных и инновационных поставщиков решений. Эта сеть — богатый источник новейших решений, который Управление теперь может использовать для осуществления более широкого круга деятельности в области прототипирования.

Существующая методология развития возможностей EC&P также способствует его успеху в новой роли. Управление подготовило свою сеть для разработки решений, удовлетворяющих множеству требований. Сначала команда ищет существующие решения, которые они могли бы изменить с учетом потребностей военных. Затем они определяют системы, которые можно либо быстро изменить, либо объединить с другими системами, в результате чего такие системы смогут выполнять функции, которые и не снились первоначальным проектировщикам. Только после того как они исчерпают ресурс существующих систем и решений, они решают начать разрабатывать новую систему. Методология EC&P «изменить, модифицировать и комбинировать» — прародитель модульных архитектур, работающих по технологии plug-and-play, которые понадобятся в системах вооружения будущего. С ростом уже существующих угроз и появлением новых, оружие будущего должно обладать большей гибкостью и способностью к изменению, оно должно быть достаточно гибким, чтобы выполнять широкий диапазон миссий и быстро адаптироваться к изменяющимся угрозам. Для создания гибких и легко изменяемых систем требуются открытые архитектуры и модульные проекты. Здесь важную роль играют прототипы: они испытывают открытые архитектуры и демонстрируют их возможности, автоматически являясь устройствами plug-and-play.

Программа Warrior Web агентства DARPA изучает способы снижения усталости и травм пехотинцев путем разработки отдельно применяемях элементов экзоскелета. В таких работах крайне важна высокая скорость внесения изменений в прототипы для последующих испытаний.

Тот факт, что в распоряжении ASD(R&E) имеется собственное производство по созданию прототипов, имеет и другие преимущества. ASD(R&E) поддерживает тесные связи с военными, государственными и коммерческими лабораториями. ASD(R&E) знает основные потребности Армии, что гарантирует, что оно не дублируют действия Вооруженных сил и не посягает на активы Вооруженных сил, в то же время пользуясь передовым опытом каждого рода войск с целью удовлетворить совместные потребности. ASD(R&E) имеет также глубокие связи с Генштабом, связь которого со всеми боевыми командованиями поможет обновленному Управлению по прототипированию выявить сложные военные задачи, актуальные и сквозные для широкого спектра военных операций.

Классификация прототипирования

Чтобы обеспечить лучшее управление деятельностью по созданию прототипов, вновь созданное Управление по перспективным исследованиям и прототипированию делит всю деятельность по созданию прототипов на две категории.

Первая из них — опытное прототипирование — практически повторяет предыдущие мероприятия по быстрому развертыванию, выполняемые Управлением. Ожидается, что опытные прототипы смогут функционировать в полевых условиях в течение короткого времени, а в проекте будет отражаться их форма, назначение и функции. Также будут рассматриваться рекомендации системы поддержки, что поможет определить, какие аспекты прототипа будет необходимо доработать в дальнейшем.

Вторая категория — экспериментальное прототипирование — дает возможность изучить операционную и техническую ценность незавершенных систем вооружения. Экспериментальное прототипирование также занимается разработкой формы, назначением, функциями и возможным жизненным циклом, но акцент делается больше на способности прототипа приносить полезный результат в оборонной сфере. Экспериментальное прототипирование позволяет изучать возможности высокорискованных проектов, способных в будущем изменить привычные боевые действия. Экспериментальное прототипирование может обогатить наши техничес­кие знания и не требует при этом перехода на этап выполнения одобренной программы. Вместо этого экспериментальные образцы, испытанные и изученные, можно «положить на полку», откуда их так же легко снять и продолжить разработку, если этого потребуют обстоятельства. Стратегия «отложить для последующей разработки» способствует максимальному использованию ресурсов, так как при этом можно разрабатывать широкий спектр технологий, предназначенных для смягчения угроз, и не нести никаких расходов по уже начатой программе разработки с полным производственным циклом.

Марк Браун (Mark Brown), глава Лаборатории разработки медицинских препаратов, демонстрирует изготовленный с помощью 3D-принтера прототип Environmental Sentinel Biomonitor — прибора, который позволит солдатам определять токсичные примеси в воде

Опытное прототипирование, основной инструмент снижения риска в системах, приближающихся к стадии завершения, объединяется с экспериментальным прототипированием, изучающим менее проработанные области технической реальности. Следующий шаг, и мы попадаем в сферу определения проблемы и разработки концепции. Этот шаг имеет важное значение для процесса разработки возможностей, потому что на решения, принятые здесь, приходится большая часть затрат и ресурсов. Концептуальные прототипы (например, макеты систем, ранние прототипы и компьютерное моделирование) физически или визуально представляют ранние идеи и концепции, помогая лицам, принимающим решения, лучше понять проблему и прийти к соглашению о подходах к ее решению.

ASD(R&E) рассматривает способы перенести культуру прототипирования в эту концептуальную плоскость. Обсуждается модель, которая соединит военное сообщество с технологами и учеными на реальных и виртуальных совместных рабочих площадках. Цель этого сотрудничества — обеспечить информацией как сообщество, разрабатывающее технологии, так и сообщество, разрабатывающее требования к этим технологиям. Инициатива все еще находится на ранней стадии разработки, но концепция сотрудничества военных и технологов перспективна в качестве средства решения некоторых из наиболее сложных проблем Министерства обороны. Объединяя все стороны, вовлеченные в процесс развития возможностей, чтобы разбить на составные части и пересмотреть наши самые сложные проблемы, такая совместная работы приведет к новым решениям, полученным с помощью новых подходов.

Один из образцов обуви, предназначенной для подразделений, ведущих бои в жарком влажном климате. Для быстрого внесение изменений в форму колодки с целью сделать ношение солдатских ботинок максимально комфортным идеально подойдет быстрое прототипирование с помощью трехмерной печати.

Да, прототипирование может все это

Правильный ответ на заявления, сделанные сторонниками прототипирования, — «да, прототипирование может все это и даже больше». При условии правильного руководства и исполнения прототипирование может содействовать выполнению широкого спектра деятельности в области развития возможностей и стратегических инициатив. Разнообразная деятельность в области концептуального, опытного и экспериментального прототипирования позволяет исследовать обширную и неизведанную территорию технологий и концепций, получать информацию о новых возможностях, стимулировать проектные группы и доводить до готовности перспективные технологии, дающие сигнал противникам о том, что опытные образцы уже не за горами.

Возможно (и это самое важное!), согласованные действия по созданию экспериментальных и опытных образцов, направленные на развитие критических механизмов создания и внедрения инноваций — открытые архитектуры, модульные и многоразовые конструкции, раннее применение метода быстрого, многократно повторяющегося цикла разработки — могут помочь Минобороны создать портфель гибких и легко изменяемых систем, необходимых ему, чтобы превзойти в техническом плане любого противника.