航天仿真技術(shù)的現(xiàn)狀與展望

張弘博

摘要：航天仿真技術(shù)是基于系統(tǒng)仿真技術(shù)與航天工程相結(jié)合的技術(shù)性產(chǎn)物，被廣泛引用于航天工程的多個(gè)方面，比如運(yùn)載火箭的研發(fā)與設(shè)計(jì)、人造衛(wèi)星的研制、載人飛船與空間站的制造與運(yùn)行，以及飛行器的性能檢測(cè)與改進(jìn)、人造飛船的維修與對(duì)接等，無(wú)不用到航天仿真技術(shù)。在國(guó)際上，航天科技的發(fā)展水平體現(xiàn)著一國(guó)科學(xué)技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)力水平、象征著軍事國(guó)防能力，因而，航天科技的發(fā)展是國(guó)家投入最大的科技板塊之一，關(guān)系著國(guó)家安全與國(guó)家競(jìng)爭(zhēng)力。而航天科技的發(fā)展離不開又航天仿真技術(shù)，鑒于其重要性，本文將對(duì)航天仿真技術(shù)的現(xiàn)狀與未來(lái)發(fā)展進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：系統(tǒng)仿真技術(shù);航天工程;航天仿真;系統(tǒng)工程

仿真技術(shù)是一門綜合性學(xué)科，包含了控制論、系統(tǒng)論與信息技術(shù)等多個(gè)學(xué)科的知識(shí)與應(yīng)用，利用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、通過(guò)建模的方式，對(duì)某一個(gè)系統(tǒng)或者過(guò)程進(jìn)行模擬，是支撐產(chǎn)品研發(fā)與應(yīng)用的重要手段。航天工程也是一門綜合性學(xué)科，包含了系統(tǒng)工程、環(huán)控生保技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、通信、遙感技術(shù)、測(cè)試技術(shù)、力學(xué)、天文學(xué)與空間科學(xué)等眾多學(xué)科的知識(shí)和內(nèi)容。由于航天工程是一個(gè)高風(fēng)險(xiǎn)與高投入的行業(yè)，對(duì)于其研發(fā)成果或者制成產(chǎn)品，一般不能直接發(fā)射或運(yùn)行，而必須要經(jīng)過(guò)數(shù)次的模擬實(shí)驗(yàn)來(lái)證明該航天產(chǎn)品或者系統(tǒng)是可靠的，通過(guò)仿真來(lái)降低風(fēng)險(xiǎn)與潛在損失。航天放著技術(shù)得以重視與發(fā)展。

航天仿真技術(shù)的關(guān)鍵在于對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行改革與升級(jí)，提升航空發(fā)動(dòng)機(jī)的性能與效率，縮短研發(fā)與試驗(yàn)周期，從而降低航空事業(yè)發(fā)展的成本、提升發(fā)展效率。可以說(shuō)，航空工程技術(shù)是一個(gè)國(guó)家經(jīng)濟(jì)實(shí)力、軍事實(shí)力、科技實(shí)力的綜合競(jìng)爭(zhēng)力體現(xiàn)，而航天仿真技術(shù)將對(duì)航空科學(xué)技術(shù)帶來(lái)質(zhì)的變革與提升：可以實(shí)現(xiàn)對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)零件、整機(jī)和系統(tǒng)進(jìn)行高精度、高保真的數(shù)字化模擬，可提前暴露或預(yù)測(cè)航空設(shè)備的設(shè)計(jì)缺陷與可能出現(xiàn)的故障，通過(guò)事前預(yù)測(cè)、事中檢測(cè)及事故維修等大幅提升航空設(shè)備與航空系統(tǒng)的研發(fā)制造效率和質(zhì)量，降低風(fēng)險(xiǎn)和成本。

一、航空仿真技術(shù)的現(xiàn)狀

（一）研制大量的仿真軟件

根據(jù)航天事業(yè)的發(fā)展需求與大量的資金人才投入，我國(guó)航天仿真技術(shù)的發(fā)展取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，比如針對(duì)航空設(shè)備的結(jié)構(gòu)與強(qiáng)度的數(shù)值仿真軟件，測(cè)試結(jié)構(gòu)的合理性與受承載和撞擊的強(qiáng)度;燃料燃燒的仿真軟件，測(cè)試燃料是否能夠充分燃燒及燃燒改進(jìn)方法;設(shè)備材料檢測(cè)仿真軟件，檢測(cè)設(shè)備材料的導(dǎo)熱性能是否能夠滿足運(yùn)行需求、重量是否適合、抗壓耐力是否足夠強(qiáng)大;控制中心仿真數(shù)值軟件，檢測(cè)控制中心的控制力度、靈活度與操作便利性等，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)。這些仿真數(shù)值軟件涉及到航空設(shè)備的整機(jī)、零部件與系統(tǒng)，并且都通了試驗(yàn)的驗(yàn)證，可以成熟運(yùn)用。

（二）虛擬仿真技術(shù)得到大力發(fā)展

航天仿真技術(shù)的發(fā)展需要不斷地在一定環(huán)境中進(jìn)行仿真與測(cè)試，也成為虛擬仿真技術(shù)。一方面，通過(guò)不斷地仿真與試驗(yàn)，構(gòu)建了使新技術(shù)、新仿真軟件、新材料、新控制系統(tǒng)等進(jìn)行順利試驗(yàn)的仿真設(shè)計(jì)環(huán)境，為以后航天仿真技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ);另一方面，航空發(fā)動(dòng)機(jī)作為航空產(chǎn)業(yè)發(fā)展的核心，在仿真技術(shù)的推動(dòng)下，在性能、效率與質(zhì)量等方面也得到了提升，不僅僅是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)改造，還包括航空發(fā)動(dòng)機(jī)的零部件、整機(jī)與系統(tǒng)的整個(gè)生命周期所涉及到的所有業(yè)務(wù)領(lǐng)域的仿真技術(shù)，比如，航空發(fā)動(dòng)機(jī)的研制、運(yùn)營(yíng)、修為、改良等。

（三）仿真精度與置信度需要進(jìn)一步提升

流體仿真屬于新興學(xué)科，對(duì)于數(shù)字仿真的精確度要求非常高，同時(shí)由于發(fā)展時(shí)間較短，其理論基礎(chǔ)研究還比較薄弱，這就導(dǎo)致仿真精度不夠，不利于航空設(shè)備的安全與準(zhǔn)確運(yùn)作，也不利于工程的應(yīng)用;

全業(yè)務(wù)鏈的仿真技術(shù)不夠。目前，主要的仿真技術(shù)主要集中于航空產(chǎn)業(yè)鏈的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，比如航空發(fā)動(dòng)機(jī)的研制、運(yùn)營(yíng)與維修，航空設(shè)備材料的種類與強(qiáng)度等，而對(duì)于航空零部件的生產(chǎn)、組裝與運(yùn)行的仿真技術(shù)較少、較薄弱;

還有工藝、傳熱等仿真技術(shù)，由于模型不夠完善、缺乏經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)及其積累與分析，導(dǎo)致仿真精度與置信度不夠高，對(duì)于某些問(wèn)題不能精確定位并得出解決方法。

（四）缺乏從全產(chǎn)業(yè)鏈角度的全局規(guī)劃

航空科學(xué)最重要的核心部件-航空發(fā)動(dòng)機(jī)，其仿真技術(shù)軟件的來(lái)源多且分散，比如商用、軍用與民用，進(jìn)口與自主生產(chǎn)，這就導(dǎo)致航空發(fā)動(dòng)機(jī)仿真軟件的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范與協(xié)議均無(wú)法達(dá)到統(tǒng)一，這也導(dǎo)致了航空發(fā)動(dòng)機(jī)上下游環(huán)節(jié)所涉及的仿真軟件無(wú)法統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。

即使在材料、工藝、燃料與燃燒、強(qiáng)度與導(dǎo)熱等搜集與積累的大量的模型與數(shù)據(jù)，也無(wú)法進(jìn)行統(tǒng)一仿真與分析，從而形成數(shù)據(jù)的孤島，數(shù)據(jù)間的交互也顯得無(wú)能為力。數(shù)據(jù)的無(wú)法高效利用也會(huì)導(dǎo)致航空計(jì)算機(jī)及其他零部件仿真軟件的發(fā)展有所滯后，難以掌握核心發(fā)展軟件技術(shù)。

二、航空仿真技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)展望

（一）提高仿真可信度

置信度不夠的問(wèn)題之所以存在，沒有建立起客觀的評(píng)價(jià)體系是一種原因，因此，未來(lái)有可能會(huì)建立第三方仿真評(píng)估的工作模式，將仿真試驗(yàn)與實(shí)際設(shè)備試驗(yàn)結(jié)合起來(lái)進(jìn)行性能鑒定與體系評(píng)估，就可以在很大程度上避免由于仿真數(shù)據(jù)、模型、工具與方法等不正確而造成的誤差，提高航空仿真技術(shù)的準(zhǔn)確度與置信度。

同時(shí)，將航空仿真試驗(yàn)應(yīng)用于航空設(shè)備整體、零部件與系統(tǒng)的整個(gè)業(yè)務(wù)鏈條，提升整體仿真的置信度。

（二）自主研發(fā)得以強(qiáng)化

以上分析均說(shuō)明了航空仿真技術(shù)對(duì)于國(guó)防建設(shè)、國(guó)家安全、高新技術(shù)與航空事業(yè)發(fā)展的重要性，但無(wú)可否認(rèn)的是，在專業(yè)技術(shù)方面，我國(guó)還落后于發(fā)達(dá)的工業(yè)國(guó)家（尤其是美國(guó)，其發(fā)達(dá)的航天技術(shù)是其航空設(shè)備價(jià)格全球首家高昂、國(guó)防建設(shè)與軍事能力強(qiáng)大的原因之一），而通過(guò)技術(shù)交流與指導(dǎo)、對(duì)購(gòu)買的專業(yè)高端設(shè)備進(jìn)行研究消化等方式是無(wú)法獲取核心技術(shù)的，只有實(shí)現(xiàn)核心技術(shù)研發(fā)自主化，才能掌握最先進(jìn)、最核心的技術(shù)，成為工業(yè)強(qiáng)國(guó)與技術(shù)強(qiáng)國(guó)，才能在國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)中占據(jù)主動(dòng)地位，獲取更大的經(jīng)濟(jì)利益。

三、總結(jié)

本文對(duì)航空仿真技術(shù)的現(xiàn)狀與展望進(jìn)行了研究。航空仿真技術(shù)是一門綜合性學(xué)科，主要應(yīng)用于航空領(lǐng)域尤其時(shí)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的改良發(fā)展，關(guān)系到國(guó)防建設(shè)與軍事能力提升。目前，我國(guó)航空發(fā)展技術(shù)發(fā)展取得長(zhǎng)足結(jié)果，如研制大量的仿真軟件、虛擬仿真技術(shù)得到大力發(fā)展，同時(shí)也存在不足之處，如仿真精度與置信度不夠、缺乏從全產(chǎn)業(yè)鏈角度的全局規(guī)劃等。并認(rèn)為提升提高仿真可信度與自主研發(fā)得以強(qiáng)化是未來(lái)航空仿真技術(shù)的發(fā)展方向。

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