La conception du sous-marin SSN(X) nécessitera une modélisation numérique moderne

Alors que la Marine a eu du mal à livrer des programmes de navires majeurs dans les délais et dans les limites du budget, le programme de sous-marins de la classe Virginia se distingue par son succès dans ces domaines. De ses méthodes de fabrication innovantes, son prix abordable et ses améliorations itératives grâce à des constructions de blocs consécutives, le succès soutenu de la forme de coque 774 est impressionnant.

Cependant, un examen de l’historique du programme révèle que le succès de sa conception n’était pas gagné d’avance, mais plutôt un compromis abrupt du programme de sous-marins de la classe Seawolf qui a finalement été annulé après seulement trois coques en raison d’excès de coûts et de la réduction. des budgets de défense. Alors que la Marine se lance dans la conception du sous-marin d’attaque rapide de nouvelle génération (SSN[X]), les nombreuses leçons tirées non seulement des divers échecs du programme, mais aussi du succès des Virginia, devraient insuffler un sentiment de l’urgence et concentrez-vous sur les raisons pour lesquelles les choses peuvent mal tourner, plutôt que sur la complaisance qui peut découler du fait d’avoir gagné la dernière bataille. (1) Nouveaux – ou nouveaux pour la Marine – les outils de conception et de modélisation numériques peuvent aider le service à appliquer ces leçons.

Conception axée sur la mission

Le Pentagone met les militaires au défi de s’efforcer de concevoir des systèmes centrés sur les missions, dans lesquels « la synchronisation, la gestion et la coordination des concepts, des activités, des technologies, des exigences, des programmes et des plans budgétaires guident les décisions clés axées sur les missions du début à la fin ». (2) Cet idéal contraste avec les conceptions récentes centrées sur la plate-forme dans l’ensemble du Département de la Défense (DoD), qui ont fourni des systèmes qui n’ont pas été intégrés dans les concepts de guerre plus larges du département

Les capacités des futurs systèmes de la Marine ne seront pas mesurées par les attributs individuels d’un seul type de coque, mais par la combinaison des capacités de combat de la coque, de sa capacité et de sa capacité à s’interfacer avec des systèmes hors coque. La Marine dispose des outils et de la main-d’œuvre nécessaires pour adopter ce changement de paradigme, mais les responsables des achats de la Marine doivent prendre des mesures positives pour atteindre cet état final. Ceci est particulièrement important pour le SSN(X), car la Marine devra lutter contre ses envies de se concentrer sur l’intérieur de la coque.

Le programme SSN(X) doit accorder une attention particulière à son réseau de combat plus large, et son équipe devra vérifier régulièrement que sa conception répond aux exigences axées sur la mission. Pour le faire à moindre coût, la Marine doit améliorer son développement de modèles numériques et de simulations de systèmes planifiés et valider les concepts d’emploi dans des environnements de test constructifs virtuels en direct (LVC). (3) Le développement des exigences pour le SSN(X) a commencé en 2021, offrant une opportunité parfaite d’intégrer des modèles numériques et des simulations pour optimiser les concepts d’exploitation (ConOps) et intégrer une conception axée sur la mission.

Apprendre des leçons difficiles

À la fin des années 1980, le sous-marin de classe Seawolf a initié un changement de paradigme dans la conception des sous-marins américains, similaire au changement qui a lieu aujourd’hui avec le SSN (X). Plus grand, plus rapide, avec une plus grande profondeur de plongée et deux fois la capacité de torpilles des classes de sous-marins précédentes, le Seawolf (SSN-21) a nécessité une quantité importante de nouveaux travaux de conception et d’ingénierie. Cette complexité a causé les problèmes qui ont finalement causé son annulation après seulement trois sous-marins. Plusieurs programmes de systèmes d’armes de soutien (4) ont également été annulés .

Au début des années 2000, le navire de combat littoral (LCS) devait inaugurer un changement similaire dans la conception et la construction des navires de surface. Son objectif était de construire un système de systèmes autour de modules de mission interchangeables. Le LCS serait capable de changer rapidement de mission simplement en échangeant les modules de mission. (5) En raison de problèmes financiers et techniques, le développement de la technologie de pointe nécessaire à la réalisation de plusieurs modules de mission a été retardé et certains ont été annulés. (6)En conséquence, le programme LCS a livré des casques qui étaient largement incapables de remplir leurs objectifs. Pour le Seawolf et le LCS, la Marine a tenté d’acquérir non seulement de nouvelles plates-formes, mais également de nouvelles technologies pour opérer sur ces plates-formes.

La Marine est dans une position similaire aujourd’hui, avec l’intention d’intégrer des systèmes sans pilote technologiquement avancés dans le SSN (X) et de mener une nouvelle ConOps pour les sous-marins. En raison de coûts relativement faibles, les défis d’acquisition de systèmes sans pilote sont moins célèbres, mais plus nombreux, que les défis bien documentés des grands programmes d’acquisition de défense tels que Seawolf et LCS, entre autres.

La Marine a déjà rencontré des problèmes d’intégration de systèmes sous-marins habités et non habités. Il prévoit d’annuler le véhicule sous-marin sans pilote à grand déplacement Snakehead (LDUUV) en 2023 en raison du « désalignement des efforts de conception et d’approvisionnement de Snakehead LDUUV avec les interfaces d’hébergement sous-marines, ce qui entraîne une disponibilité limitée de l’hôte pour mener à bien les opérations Snakehead »(7). Cette décision est intervenue après que la Marine a dépensé 200 millions de dollars sur 14 ans pour développer le Snakehead. La conception et la mise en service de systèmes autonomes sont difficiles, mais l’échec de l’intégration de Snakehead avec des interfaces bien documentées disponibles sur la plate-forme hôte de classe Virginia suggère que ConOps n’a pas été suffisamment pris en compte lors des premières phases de conception.

La marine a choisi d’annuler tôt le Seawolf, Snakehead et divers modules de mission LCS plutôt que de lutter pour toujours avec des conceptions irréalisables. Bien qu’il soit sans doute préférable d’annuler que de permettre à un programme en difficulté de se poursuivre, la Marine devrait éviter ces erreurs avec le SSN (X) en premier lieu en tirant parti de l’ingénierie numérique dès le début du développement du concept tout au long de son cycle de vie.

Le sous-marin

Le sous-marin de classe Virginia USS Delaware (SSN-791) en commémoration de sa mise en service deux ans après que COVID-19 a empêché une cérémonie officielle à quai. La conception de la classe Virginia offre des leçons positives et des défis négatifs pour le SSN(X). Marine des États-Unis.

ingénierie numérique

Pour des raisons programmatiques, organisationnelles et techniques, l’approche héritée de la conception de la plate-forme de la Marine se matérialise dans l’utilisation de prototypes physiques. La Marine construit des prototypes physiques pour tester les opérations opérationnelles centrées sur la plate-forme, et l’intégration avec d’autres systèmes semble être d’une importance secondaire. Le prototypage physique est certes nécessaire pour une conception matérielle efficace, mais isolément il ne fournit pas d’informations critiques, telles que celles requises pour remplir le concept d’opérations maritimes distribuées, par exemple, qui nécessite l’intégration de capteurs et de tireurs dans le temps et l’espace. . Le prototypage physique prend du temps et coûte cher, et il identifie généralement les problèmes d’intégration trop tard dans le cycle de développement d’un programme, voire pas du tout. D’autre part, l’intérêt croissant du Pentagone pour les capteurs distribués et les « réseaux tueurs » nécessite de prototyper comment une plate-forme s’intégrera dans un réseau de plusieurs plates-formes dans des scénarios de combat réalistes, ce qui est beaucoup plus complexe.

L’ingénierie des systèmes héritée basée sur des documents génère des artefacts de conception largement statiques tels que des dessins, des documents de spécification et des plans de test. Tout système d’acquisition de défense peut nécessiter plus de 70 documents de conception différents pour répondre aux exigences réglementaires, statutaires ou relatives aux composants. Ces bibliothèques de documents deviennent des rangées d’étagères qui nécessitent des changements de page fastidieux chaque fois qu’une décision de conception est prise, créant de sérieux défis pour les équipes de produits intégrées.

Modèles numériques

En revanche, l’ingénierie numérique utilise des modèles et des données faisant autorité pour coordonner et intégrer toutes les disciplines et phases de travail pour le cycle de vie d’une plate-forme ou d’un système. (8) Le fait d’avoir un modèle numérique central garantit que toute équipe de conception accédant au modèle accède toujours à ce que les intégrateurs appellent la « source unique de vérité ». Les modèles numériques peuvent simuler la physique et les conditions du monde réel, ou ils peuvent être des modèles fonctionnels conçus pour explorer les configurations possibles du système.

Cette approche basée sur des modèles permet aux ingénieurs et aux professionnels de l’approvisionnement d’évaluer les conceptions dans l’espace numérique avec un haut degré de fidélité avant de construire des prototypes physiques coûteux. L’utilisation de ces modèles tout au long de la vie d’un programme crée ce que l’ancien sous-secrétaire de l’Air Force Will Roper appelait un « fil numérique » de modèles et de données. À mesure que la complexité des systèmes de défense augmente, les interactions entre les sous-systèmes sont plus difficiles à comprendre sans modèles numériques détaillés ou prototypes physiques coûteux.

Une contribution clé au succès du programme de sous-marins de la classe Virginia a été sa représentation complète dans un logiciel de conception numérique assistée par ordinateur (CAO). Les programmes de CAO utilisés pour concevoir le Virginia excellaient dans la création de modèles géométriques utiles pour la disposition de la tuyauterie, l’analyse de la maintenance et les aspects de conception liés à la disposition des objets physiques. Cependant, la CAO n’est qu’un des outils de la transformation numérique et n’est généralement utilisée que lorsque les exigences du système ont été codifiées et que leur ébauche commence à se dessiner. Les modèles numériques peuvent être utilisés à n’importe quel niveau d’abstraction,(9)

Mais le fait qu’un constructeur naval développe un modèle CAO propriétaire d’une coque de sous-marin, comme l’exige le contrat de construction navale, ne génère pas automatiquement un « retour sur investissement numérique » pour les programmes de diagraphie associés. Gardez à l’esprit que pratiquement tous les capteurs, armes, dispositifs de communication et programmes spéciaux ont leur propre processus d’acquisition et que leur documentation est gérée à des niveaux de classification indépendants de la conception de la coque du sous-marin. Et bon nombre de ces programmes sont créés par des fournisseurs concurrents qui prennent des mesures actives pour limiter la mise à disposition de leurs modèles numériques propriétaires aux concurrents. Seul, le modèle CAO est très utile,

Le processus de conception de Virginia comprenait un nombre limité de studios commerciaux. Au lieu de cela, le missile Sentinel de l’armée de l’air a examiné 6 milliards de configurations de conception différentes avec un modèle numérique. (10) Ces modèles ont permis à la Force aérienne de faire passer rapidement le programme de la phase de conception à la phase de construction, tout en continuant à se concentrer sur l’abordabilité. Une fois qu’une équipe a construit un modèle numérique détaillé, passer de plusieurs configurations de test à des milliards est simplement une question de ressources informatiques disponibles.

L’un des principaux avantages de l’examen de nombreuses configurations de ressources pour une conception numérique intégrée est la possibilité d’identifier des capacités de performances réalistes. Le Congressional Research Service et le Government Accountability Office évaluent fréquemment si la Marine respecte leurs propres mesures de performance établies en interne, telles que la fiabilité, la disponibilité et la maintenabilité (RAM).

Cependant, la pensée systémique ne s’applique pas toujours aux estimations des mesures de performance de la Marine. Au lieu de cela, les programmes appliquent souvent des techniques d’estimation paramétriques ou analogiques basées sur des programmes similaires antérieurs. Ces techniques échouent souvent lorsqu’elles sont appliquées à de nouveaux problèmes, tels que le déploiement d’un UUV à partir d’une nouvelle conception de sous-marin. Par exemple, si la marine devait utiliser les caractéristiques RAM des systèmes aériens sans pilote existants comme base pour les mesures de la RAM UUV, la dominance et les ConOps entre les systèmes aériens et sous-marins pourraient invalider l’analyse. Une conception numérique compétente peut éviter ces conflits grâce à une analyse rigoureuse des capacités de performance réalistes.

Un autre avantage clé des modèles numériques est la possibilité d’apporter des modifications à un système de manière transparente. Les pratiques traditionnelles de gestion de programme exigent que le gouvernement élabore des exigences techniques détaillées après avoir évalué les ConOps potentiels. Ces exigences sont transmises à l’industrie, où un travail de conception détaillée est effectué. Une grande partie de ce travail est effectué en CAO. (11) Les défis technologiques importants rencontrés au cours du processus de conception peuvent entraîner des dépassements de coûts et des retards, car les concepteurs et le gouvernement doivent résoudre le problème. Les modèles numériques permettent un travail de conception plus détaillé dans les premières étapes du développement des exigences. Ils permettent également de revérifier les modèles ConOps une fois les modèles détaillés terminés.

Bien faits, les modèles numériques durent toute la vie du système, pas seulement une phase d’acquisition. Au fur et à mesure que le système mûrit, les modèles suivent le rythme et permettent une vérification continue des conceptions et des exigences, une caractéristique essentielle. Au fur et à mesure que les cas d’utilisation de la plate-forme changent ou que des données du monde réel sont collectées, ces informations sont réinjectées dans le modèle. Et chaque modèle mature contribue à l’écosystème numérique au profit des programmes futurs.

Intégrez les jeux de guerre à la conception technique

Historiquement, la Marine s’est appuyée sur les jeux de guerre pour développer les futures opérations de combat et la conception technique afin d’évaluer les futurs besoins en systèmes, mais trop souvent, ces activités sont menées de manière isolée. Par exemple, le détachement de recherche acoustique du lac Pend Oreille dans l’Idaho offre un environnement idéal pour les essais acoustiques de prototypes physiques. Cependant, les coûts associés, les longs délais de développement et les limites géographiques de l’infrastructure de test physique signifient que seuls quelques prototypes sont abordables. De plus, l’infrastructure de test n’est pas située dans des centres de jeux de guerre comme le Naval War College à Newport, Rhode Island, ou le Undersea Warfare Development Center à New London, Connecticut.

La Marine effectue des tests d’intégration de prototypes avec des unités de la flotte telles que la Cinquième Flotte Unmanned Task Force (CTF-59), qui expérimente une large gamme de nouveaux systèmes, et des escadrons et sous-marins de développement de surface. Ces expériences fournissent des informations utiles, mais elles se produisent trop tard dans le cycle de développement pour affecter considérablement les exigences du système. Lorsqu’une unité expérimentale de la flotte acquiert un prototype, la Marine achète déjà plusieurs exemplaires et des contrats pour d’autres sont en cours de discussion.

Stockage

Le processus de conception actuel nécessite une vaste collection de documents papier dans des dossiers qui doivent être mis à jour manuellement à chaque modification de conception, même mineure. Au fil du temps, la paperasse d’une seule classe de navires pourrait remplir un entrepôt. Un modèle numérique pourrait exister sur un seul disque. Alamy / Paramount

Wargames fournit un processus moins coûteux et facilement reproductible pour tester les ConOps et les besoins futurs du système. Bien que les jeux de guerre excellent à certains endroits, ils manquent souvent des modèles physiques détaillés nécessaires pour développer des documents d’exigences système. Par conséquent, la valeur du wargame est verrouillée dans la livraison basée sur des documents que l’équipe produit. (12)

L’ingénierie numérique offre des moyens abordables de briser cette approche cloisonnée. Les modèles numériques peuvent fusionner les efforts intenses associés au prototypage et la flexibilité du wargaming dans des environnements LVC hybrides, qui incluent un mélange du monde naturel (en direct), un environnement simulé (virtuel) et une interface opérateur via laquelle les acteurs peuvent utiliser un mélange de joueurs réels et synthétiques (constructifs). L’intégration de modèles numériques dans les environnements LVC permet à la fois une modélisation détaillée du monde physique et une évaluation répétée de ces systèmes par des wargamers et des ingénieurs, à un coût inférieur à celui des prototypes physiques. Les tests dans cet environnement signifient que les modifications des exigences techniques peuvent être évaluées par rapport à la capacité d’un système à répondre aux exigences ConOp. Les exigences créées à partir de systèmes numériques peuvent être transmises aux entrepreneurs pour la construction avec une plus grande confiance dans le fait que le système livré répondra aux besoins de la flotte.

Correction de barre

En mer, il est plus facile d’éviter une collision en effectuant de petites corrections de route à l’avance que de grandes corrections in extremis. De même, il est plus facile et moins coûteux d’apporter des ajustements aux opérations de contrôle d’un système au début des exigences et du processus de conception que plus tard, une fois que le système ou la plate-forme est en production. La Marine en est aux premiers stades de la conception et de l’acquisition de plusieurs systèmes d’armes qui seront les pierres angulaires de la future Marine. Les programmes SSN(X), Next Generation Destroyer (DDG[X]) et Next Generation Air Dominance Fighter (NGAD) nécessiteront tous des ConOps bien définis avant que la Marine n’acquière des systèmes qui, espère-t-elle, seront en service jusqu’à la fin du siècle.

La marine a appris de dures leçons sur la conception et l’acquisition de sous-marins avec le programme Seawolf, qui a porté ses fruits dans le cadre du programme Virginia réussi. Au cours des années qui ont suivi, la Marine a continué d’apprendre d’importantes leçons sur le développement de ConOps pour l’acquisition de nouvelles plates-formes. Les erreurs récentes peuvent être évitées en utilisant des méthodes d’ingénierie numérique pour prototyper et revoir les conceptions de nouvelles plates-formes et leur intégration avec les systèmes existants et prévus. Le fait de ne pas obtenir les exigences opérationnelles et techniques juste avant la conception détaillée pourrait conduire à un autre programme d’acquisition en difficulté qui ne parviendrait pas à atteindre ses objectifs de capacité, d’adéquation ou d’interopérabilité.

1. Service de recherche du Congrès, Navy Virginia (SSN-774) Class Attack Submarine Procurement: Background and Issues for Congress, 28 avril 2022.
2. Bureau du sous-secrétaire à la Défense pour la recherche et l’ingénierie, « Mission Engineering Guide », novembre 2020.
3. Bureau du sous-secrétaire à la Défense pour la recherche et l’ingénierie, Instruction 5000.88 du DoD : Ingénierie des systèmes de défense, 18 novembre 2020.
4. General Accounting Office, « Status of SSN-21 Design and Lead Ship Construction Program », 17 novembre 1992.
5. Secrétaire à la Défense, Programmes de la Marine pour l’exercice 2015 : navire de combat littoral et modules de mission associés.
6. Government Accountability Office, Littoral Combat Ship: Actions Needed to Address Important Operational Challenges and Implement Planned Sustainment Approach, février 2022.
7. Justin Katz, « La marine prévoit de couler un grand programme de drones sous-marins », Breaking Defense, 19 avril 2022.
8. Stratégie de transformation de l’ingénierie des systèmes numériques du Département de la Marine, de la Marine et du Corps des Marines, juin 2020.
9. Conseil international d’ingénierie des systèmes, Systems Engineering Vision 2035, 2021.
10. Shaun Waterman, « GBSD utilisant le jumelage numérique à chaque étape du cycle de vie du programme », Air Force Magazine, 8 avril 2022.
11. Government Accountability Office, Columbia Class Submarine: Immature Technologies Present Risks to Achieving Cost, Schedule, and Performance Goals, décembre 2017, 16.
12. Ministère de la Défense, Publication conjointe 5-0 : Planification conjointe, A-1.

source , Elsnorkel et USNI