חודרים את ההגנות של האויב בזכות חישובים נומריים
במעבדה מיוחדת בתעש מערכות מספקים למערכת הביטחון שירותי חישובים בליסטיים המבוססים על מחשוב מקבילי. הצצה מיוחדת לפעילות המעבדה, שהוגדרה כמוקד ידע לאומי
עמי רוחקס דומבה
| 05/07/2018
צילום: דו"צ
בתעש מערכות פועלת מעבדת חישובים נומריים מיוחדת במינה שמוגדרת כמוקד ידע לאומי. המעבדה מספקת למערכת הביטחון כולל צה"ל, משרד הביטחון ותעשיות ביטחון ישראליות מקבילות שירותי חישובים בליסטיים מבוססים על מחשוב מקבילי. המעבדה אחראית בין היתר על החישובים בבסיס הפיתוח של פגז ה'כלנית' וה'חצב', מערכת 'חץ דורבן', מיגונים בפני קסאמים וראשי ביות לחלק ניכר מהחימושים בברושור של התעשיות הישראליות.
"אנחנו עובדים תחת המו"פ וההנדסה של חטיבת התמרון בתעש מערכות", אומר גורם בכיר בחברה. "התחום מחולק לשטחים שונים ביניהם כימיה, מכניקה ואנחנו - הנדסה חישובית. המהות שלנו היא לספק יכולות ממוחשבות לצורך מידול תהליכים פיזיקליים בתחום הבליסטיקה".
המטרה: פחות ניסויים
המעבדה נסמכת על חדר שרתים שנבנה בשנים האחרונות בתעש הכולל אלפי מעבדים שמספקים תשתית מחשוב מקבילי. השרתים מחוברים ביניהם בתשתית תקשורת מהירה ויחד מאפשרים לעשות מודלים כמו מחזור בליסטי לתחמושת קנה, חישוב נקודת היירוט של חץ דורבן ומעטפת חדירת בטון מזוין של רש"ק אווירי.
"בעבר היו עושים הרבה ניסויים. זה יקר, מסוכן וחושף יותר מידי פרטים לאויב. בעשור האחרון עובדים אחרת. כל מוצר שמתוכנן מתחיל באנליזות וסימולציה אצלנו. לוקחים את הרעיון, אם זה פגז או פצצה, ממדלים את המכלול למאות מיליוני אלמנטים קטנים שכל אחד מחושב בנפרד ואז מחשבים הכול יחד לכדי תוצאה אחת משוקללת. בצורה כזו מקבלים את הביצועים של המוצר ומה צריך לשפר טרם הניסוי האמיתי", מסבירים בתעש מערכות.
"הפיתוחים שלנו מתחלקים לצרכי היצוא של החברה ודרישות של מערכת הביטחון. משרד הביטחון תומך בנו בכספי תלמ"י בשני ערוצים, אחד מסווג ואחד לא מסווג. הלא מסווג כולל כניסה לטכנולוגיות חדשות כמו לימוד מכונה ותחזוקת תשתיות מחשוב קיימות.
"יש תחומים מסווגים שלא ניתן לבצע ניסויים בקנה מידה אמיתי כדי לא לחשוף כלום לצד השני. לצורך כך, פיתחנו יכולת לבצע ניסויים בקנה מידה מוקטן, ואז מתבססים על הדמיה ממוחשבת למוצר האמיתי. אנחנו יכולים לבצע ניסוי מוקטן המדמה אמל"ח מתקדם, בירי מתותח 40 מ"מ. זירת הניסוי שפיתחנו מאפשרת לנו להוציא את נתוני האמת שצריך כדי לפתח מוצר כזה".
על מנת למדל את התנהגות הפצצה או הפגז יש צורך בתוכנות ייעודיות. חלקן נרכשות בחו"ל, אלו שניתן לרכוש, וחלקן מפותחות בתעש מערכות. "הסימולציה ממדלת את התהליך הפיזיקלי. אפקטי פיצוץ, חדירה לבונקר, אווירודינמיקה של פגזים. אלו תוכנות מיוחדות שנכתבו עבור מחשוב מקבילי. אנחנו ממדלים גם התנהגות חומרים. יש לנו מהנדסי חומרים בחברה וגם מעבדה לחוזק חומרים ואפקטי פיצוץ של חומר הודף. האפשרות למדל חומרים קריטית למידול הכולל של התהליך הבליסטי", אומרים בתעש מערכות.
"בניסוי, התהליכים מאוד מהירים. חדירה של מטען חלול למטרה לוקחת 100-200 מיקרו-שניה. חדירה של רש"ק אווירי למטרה לא עמוקה לוקחת 5-6 מילי-שניות. אתה מצלם כניסה ויציאה, אבל עדיין אין לך מידע מה קורה בתהליך הפיזיקלי. הסימולציה מאפשרת חישובי בליסטיקה פנימית, חיצונית וסיומית. בכל מקרה אי אפשר בלי ניסויים בכלל, אבל החישובים מאפשרים לצמצם אותם.
"כדי לבצע את החישובים מחלקים את התווך לאוסף אלמנטים קטנים וכל אלמנט אפשר לחשב (אלמנט נקרא גם תיבה). אחר כך לוקחים את כל האלמנטים ועושים חישוב מאוחד. כדי למדל נכון את ההתנהגות הפיזיקלית של מכלול , כולל עומס דינמי, צריך לפעמים מיליוני אלמנטים כאלו. ככל שהאלמנט יותר קטן, התוצאה יותר מדויקת. זה תלוי ביכולת החישוב. עד היום, הגענו למודלים של עד מאה חמישים מיליוני אלמנטים למידול מכלול. חישובים כאלו מאפשרים לנו לחשב ברמה הפיזיקלית את המסה, תנע והאנרגיה עם משוואת מצב".
היכולות החישוביות מאפשרות למדינת ישראל לבצע משוב חוזר לאמל"ח שנכשל או חרג ממעטפת הביצועים שלו. בהיבט זה תעש מערכות עובדת יחד עם יחידת נאסא של צה"ל. אותן יכולות מאפשרות גם לחברות אחרות להשתמש בידע הצבור בתעש מערכות. בחברה מסבירים כי יש תחומים ייחודיים בהם חיל האוויר דוחף תעשיות אחרות לפתח את המוצרים אצלה בגלל היכולות החישוביות.
"כאשר מדובר ברש"ק אווירי, אתה רוצה שהוא ישרוד מטרה מסוימת. אם זה קיר מזוין, גג של האנגר או כל מטרה אחרת שרוצים לחדור, צריך שהמעטפת של האמל"ח תשרוד. ככל שהמעטפת של החימוש דקה יותר, יש יותר מקום לחומר הודף, והפוך. היחסים האלו נקבעים באמצעות חישובי אופטימיזציה. אנחנו גם עובדים עם חומרים מיוחדים שמפותחים בשיתוף האקדמיה", מסבירים בתעש מערכות. "היבט נוסף הוא מכירות בחו"ל. יש לקוחות שרוצים בהליך המכירה התאמות של המוצר לתרחיש מסוים. לפעמים רוצים חומר הודף אחר, לפעמים סוג יותר זול. ללקוח יש את השיקולים שלו, וכאן צריך תמיכה של יכולת חישובית".
חישובים פיזיקליים מטריציונים
אחת מהיכולות ששינתה את דרך פיתוח האמל"ח בתעש היא יכולת חישובים פיזיקליים מטריציונים [Multiphysics]. מדובר ביכולת לחשב במקביל מספר רב של תופעות פיזיקליות המשפיעות על התנהגות החימוש. היכולת הזו אפשרה את הפיתוח של פגז הכלנית והחצב. "המולטיפיזיקס אפשר לנו לפתח את הפגזים כלנית וחצב. זה פגז שמגיע למטרה במהירות של שלושה מאך, בערך 900 מטרים/שניה. הוא צריך להישאר שלם בחדירה ולהתפוצץ בפנים. כמעט בלתי אפשרי לעשות זאת בלי היכולת הזו", אומרים בתעש מערכות.
אם בעבר היה צורך לחשב על השפעה פיזיקלית בנפרד ואז לחשב הכל יחד כמכלול ולנסות לבודד את ההשפעה המסוימת שרוצים לתקן, היום אפשר לחשב את אותה בעיה במקביל. "זו יכולת לחשב את כלל ההשפעות על הקליע בזמן ירי", מסביר הגורם הבכיר. "אחד התחומים שהתקדמו בגלל היכולת החישובית הזו הוא חישובי חדירה של רש"ק. חישובי חוזק בטון הם קריטיים בתהליך הפיתוח. אם תכננת רש"ק לחוזק מסוים, והאויב הוסיף שכבה של עוד 10 ס"מ בטון, החימוש לא יחדור והמשימה תכשל. עם מולטיפיזיקס אפשר לשערך בדיוק את התנהגות הרש"ק ולהגיע למצב שאתה חודר כמעט הכל. גם אם האויב עשה שינויים קטנים במבנה שלא ידעת עליהם.
"בזמנו שהקסאם הוגדר כאיום, פיתחנו הגנה מפניו. אלו גגות מיוחדים שמתקינים על מבני ציבור. היכולת החישובית שפיתחנו כאן אפשר לעשות זאת. המצאנו גם מערכת ירי לקסאמים כדי לבדוק את החישובים. תחום חישובים נוסף הוא ירי קליע קינטי. מדובר בקליע שיוצא מהקנה במהירות חמישה מאך עם מנעלים המאפשרים לו לנוע בקנה בקוטר גדול ממנו. המנעלים משתחררים בעת יציאת הקליע מהקנה וצריך לחשב את השחרור שלהם כך שלא יפריעו למעופו. החישובים כוללים תהליכי זרימה, תנועה של המנעלים, חישוב לחצים, חישובי חוזק דינמי ועוד.
"פיתוח מערכת ה'חץ דורבן' מתבסס גם הוא על המולטיפיזיקס. שערוך נקודת המפגש עם האיום מגדיר את הצלחת היירוט. שאתה מפתח יכולות כאלו, הן אסטרטגיות. אם הצד השני ידע מה שאתה עושה, ביום הדיון לא תוכל לחדור או ליירט. האויב יכול גם לנסות לסכל את הליך הפיתוח באמצעות פגיעה באספקת חומרים או מערכות ולכן הסיווג הגבוה".
אתגר נוסף הוא לאבחן בתחילת הפיתוח את החומרים מולם מתמודד החימוש. בתעש מערכות מסבירים כי לרוב, הלקוח מגדיר מה האתגרים של החימוש. "לכל לקוח יש את המודיעין שלו, והוא מבקש מאתנו להתמודד עם תרחישים שהוא מכיר. בנוסף, אנחנו מכירים את החומרים שיש בשוק. מרבית המיגונים מורכבים מחומרים שיש בטבע ובסביבתו של האויב. למשל, איך מחזקים בטון? אנחנו יודעים שאחת השיטות היא להכניס סיבי מתכת. יש מאמרים גלויים שניתן ללמוד מהם ואפשר גם ללכת למפעלי בטון בארץ ולשאול. הידע הזה מאפשר לנו להעריך מה יש לצד השני ולתכנן את הרש"ק בהתאם", מסכם הגורם הבכיר.
במעבדה מיוחדת בתעש מערכות מספקים למערכת הביטחון שירותי חישובים בליסטיים המבוססים על מחשוב מקבילי. הצצה מיוחדת לפעילות המעבדה, שהוגדרה כמוקד ידע לאומי
צילום: דו"צ
בתעש מערכות פועלת מעבדת חישובים נומריים מיוחדת במינה שמוגדרת כמוקד ידע לאומי. המעבדה מספקת למערכת הביטחון כולל צה"ל, משרד הביטחון ותעשיות ביטחון ישראליות מקבילות שירותי חישובים בליסטיים מבוססים על מחשוב מקבילי. המעבדה אחראית בין היתר על החישובים בבסיס הפיתוח של פגז ה'כלנית' וה'חצב', מערכת 'חץ דורבן', מיגונים בפני קסאמים וראשי ביות לחלק ניכר מהחימושים בברושור של התעשיות הישראליות.
"אנחנו עובדים תחת המו"פ וההנדסה של חטיבת התמרון בתעש מערכות", אומר גורם בכיר בחברה. "התחום מחולק לשטחים שונים ביניהם כימיה, מכניקה ואנחנו - הנדסה חישובית. המהות שלנו היא לספק יכולות ממוחשבות לצורך מידול תהליכים פיזיקליים בתחום הבליסטיקה".
המטרה: פחות ניסויים
המעבדה נסמכת על חדר שרתים שנבנה בשנים האחרונות בתעש הכולל אלפי מעבדים שמספקים תשתית מחשוב מקבילי. השרתים מחוברים ביניהם בתשתית תקשורת מהירה ויחד מאפשרים לעשות מודלים כמו מחזור בליסטי לתחמושת קנה, חישוב נקודת היירוט של חץ דורבן ומעטפת חדירת בטון מזוין של רש"ק אווירי.
"בעבר היו עושים הרבה ניסויים. זה יקר, מסוכן וחושף יותר מידי פרטים לאויב. בעשור האחרון עובדים אחרת. כל מוצר שמתוכנן מתחיל באנליזות וסימולציה אצלנו. לוקחים את הרעיון, אם זה פגז או פצצה, ממדלים את המכלול למאות מיליוני אלמנטים קטנים שכל אחד מחושב בנפרד ואז מחשבים הכול יחד לכדי תוצאה אחת משוקללת. בצורה כזו מקבלים את הביצועים של המוצר ומה צריך לשפר טרם הניסוי האמיתי", מסבירים בתעש מערכות.
"הפיתוחים שלנו מתחלקים לצרכי היצוא של החברה ודרישות של מערכת הביטחון. משרד הביטחון תומך בנו בכספי תלמ"י בשני ערוצים, אחד מסווג ואחד לא מסווג. הלא מסווג כולל כניסה לטכנולוגיות חדשות כמו לימוד מכונה ותחזוקת תשתיות מחשוב קיימות.
"יש תחומים מסווגים שלא ניתן לבצע ניסויים בקנה מידה אמיתי כדי לא לחשוף כלום לצד השני. לצורך כך, פיתחנו יכולת לבצע ניסויים בקנה מידה מוקטן, ואז מתבססים על הדמיה ממוחשבת למוצר האמיתי. אנחנו יכולים לבצע ניסוי מוקטן המדמה אמל"ח מתקדם, בירי מתותח 40 מ"מ. זירת הניסוי שפיתחנו מאפשרת לנו להוציא את נתוני האמת שצריך כדי לפתח מוצר כזה".
על מנת למדל את התנהגות הפצצה או הפגז יש צורך בתוכנות ייעודיות. חלקן נרכשות בחו"ל, אלו שניתן לרכוש, וחלקן מפותחות בתעש מערכות. "הסימולציה ממדלת את התהליך הפיזיקלי. אפקטי פיצוץ, חדירה לבונקר, אווירודינמיקה של פגזים. אלו תוכנות מיוחדות שנכתבו עבור מחשוב מקבילי. אנחנו ממדלים גם התנהגות חומרים. יש לנו מהנדסי חומרים בחברה וגם מעבדה לחוזק חומרים ואפקטי פיצוץ של חומר הודף. האפשרות למדל חומרים קריטית למידול הכולל של התהליך הבליסטי", אומרים בתעש מערכות.
"בניסוי, התהליכים מאוד מהירים. חדירה של מטען חלול למטרה לוקחת 100-200 מיקרו-שניה. חדירה של רש"ק אווירי למטרה לא עמוקה לוקחת 5-6 מילי-שניות. אתה מצלם כניסה ויציאה, אבל עדיין אין לך מידע מה קורה בתהליך הפיזיקלי. הסימולציה מאפשרת חישובי בליסטיקה פנימית, חיצונית וסיומית. בכל מקרה אי אפשר בלי ניסויים בכלל, אבל החישובים מאפשרים לצמצם אותם.
"כדי לבצע את החישובים מחלקים את התווך לאוסף אלמנטים קטנים וכל אלמנט אפשר לחשב (אלמנט נקרא גם תיבה). אחר כך לוקחים את כל האלמנטים ועושים חישוב מאוחד. כדי למדל נכון את ההתנהגות הפיזיקלית של מכלול , כולל עומס דינמי, צריך לפעמים מיליוני אלמנטים כאלו. ככל שהאלמנט יותר קטן, התוצאה יותר מדויקת. זה תלוי ביכולת החישוב. עד היום, הגענו למודלים של עד מאה חמישים מיליוני אלמנטים למידול מכלול. חישובים כאלו מאפשרים לנו לחשב ברמה הפיזיקלית את המסה, תנע והאנרגיה עם משוואת מצב".
היכולות החישוביות מאפשרות למדינת ישראל לבצע משוב חוזר לאמל"ח שנכשל או חרג ממעטפת הביצועים שלו. בהיבט זה תעש מערכות עובדת יחד עם יחידת נאסא של צה"ל. אותן יכולות מאפשרות גם לחברות אחרות להשתמש בידע הצבור בתעש מערכות. בחברה מסבירים כי יש תחומים ייחודיים בהם חיל האוויר דוחף תעשיות אחרות לפתח את המוצרים אצלה בגלל היכולות החישוביות.
"כאשר מדובר ברש"ק אווירי, אתה רוצה שהוא ישרוד מטרה מסוימת. אם זה קיר מזוין, גג של האנגר או כל מטרה אחרת שרוצים לחדור, צריך שהמעטפת של האמל"ח תשרוד. ככל שהמעטפת של החימוש דקה יותר, יש יותר מקום לחומר הודף, והפוך. היחסים האלו נקבעים באמצעות חישובי אופטימיזציה. אנחנו גם עובדים עם חומרים מיוחדים שמפותחים בשיתוף האקדמיה", מסבירים בתעש מערכות. "היבט נוסף הוא מכירות בחו"ל. יש לקוחות שרוצים בהליך המכירה התאמות של המוצר לתרחיש מסוים. לפעמים רוצים חומר הודף אחר, לפעמים סוג יותר זול. ללקוח יש את השיקולים שלו, וכאן צריך תמיכה של יכולת חישובית".
חישובים פיזיקליים מטריציונים
אחת מהיכולות ששינתה את דרך פיתוח האמל"ח בתעש היא יכולת חישובים פיזיקליים מטריציונים [Multiphysics]. מדובר ביכולת לחשב במקביל מספר רב של תופעות פיזיקליות המשפיעות על התנהגות החימוש. היכולת הזו אפשרה את הפיתוח של פגז הכלנית והחצב. "המולטיפיזיקס אפשר לנו לפתח את הפגזים כלנית וחצב. זה פגז שמגיע למטרה במהירות של שלושה מאך, בערך 900 מטרים/שניה. הוא צריך להישאר שלם בחדירה ולהתפוצץ בפנים. כמעט בלתי אפשרי לעשות זאת בלי היכולת הזו", אומרים בתעש מערכות.
אם בעבר היה צורך לחשב על השפעה פיזיקלית בנפרד ואז לחשב הכל יחד כמכלול ולנסות לבודד את ההשפעה המסוימת שרוצים לתקן, היום אפשר לחשב את אותה בעיה במקביל. "זו יכולת לחשב את כלל ההשפעות על הקליע בזמן ירי", מסביר הגורם הבכיר. "אחד התחומים שהתקדמו בגלל היכולת החישובית הזו הוא חישובי חדירה של רש"ק. חישובי חוזק בטון הם קריטיים בתהליך הפיתוח. אם תכננת רש"ק לחוזק מסוים, והאויב הוסיף שכבה של עוד 10 ס"מ בטון, החימוש לא יחדור והמשימה תכשל. עם מולטיפיזיקס אפשר לשערך בדיוק את התנהגות הרש"ק ולהגיע למצב שאתה חודר כמעט הכל. גם אם האויב עשה שינויים קטנים במבנה שלא ידעת עליהם.
"בזמנו שהקסאם הוגדר כאיום, פיתחנו הגנה מפניו. אלו גגות מיוחדים שמתקינים על מבני ציבור. היכולת החישובית שפיתחנו כאן אפשר לעשות זאת. המצאנו גם מערכת ירי לקסאמים כדי לבדוק את החישובים. תחום חישובים נוסף הוא ירי קליע קינטי. מדובר בקליע שיוצא מהקנה במהירות חמישה מאך עם מנעלים המאפשרים לו לנוע בקנה בקוטר גדול ממנו. המנעלים משתחררים בעת יציאת הקליע מהקנה וצריך לחשב את השחרור שלהם כך שלא יפריעו למעופו. החישובים כוללים תהליכי זרימה, תנועה של המנעלים, חישוב לחצים, חישובי חוזק דינמי ועוד.
"פיתוח מערכת ה'חץ דורבן' מתבסס גם הוא על המולטיפיזיקס. שערוך נקודת המפגש עם האיום מגדיר את הצלחת היירוט. שאתה מפתח יכולות כאלו, הן אסטרטגיות. אם הצד השני ידע מה שאתה עושה, ביום הדיון לא תוכל לחדור או ליירט. האויב יכול גם לנסות לסכל את הליך הפיתוח באמצעות פגיעה באספקת חומרים או מערכות ולכן הסיווג הגבוה".
אתגר נוסף הוא לאבחן בתחילת הפיתוח את החומרים מולם מתמודד החימוש. בתעש מערכות מסבירים כי לרוב, הלקוח מגדיר מה האתגרים של החימוש. "לכל לקוח יש את המודיעין שלו, והוא מבקש מאתנו להתמודד עם תרחישים שהוא מכיר. בנוסף, אנחנו מכירים את החומרים שיש בשוק. מרבית המיגונים מורכבים מחומרים שיש בטבע ובסביבתו של האויב. למשל, איך מחזקים בטון? אנחנו יודעים שאחת השיטות היא להכניס סיבי מתכת. יש מאמרים גלויים שניתן ללמוד מהם ואפשר גם ללכת למפעלי בטון בארץ ולשאול. הידע הזה מאפשר לנו להעריך מה יש לצד השני ולתכנן את הרש"ק בהתאם", מסכם הגורם הבכיר.
