導(dǎo)彈氣動設(shè)計與數(shù)據(jù)支撐系統(tǒng)（ADDS）

◎上海機(jī)電工程研究所 阮文華 劉小波 司馬珂 張志軍

在產(chǎn)品研制過程中，氣動設(shè)計存在環(huán)節(jié)多、效率低、易出錯等典型問題。導(dǎo)彈氣動設(shè)計與數(shù)據(jù)支撐系統(tǒng)（ADDS）應(yīng)用大數(shù)據(jù)、分布式計算等新一代信息技術(shù)，將導(dǎo)彈氣動設(shè)計的全流程實現(xiàn)信息化、標(biāo)準(zhǔn)化、快速化和程序化，大幅縮短氣動設(shè)計周期、節(jié)約研制經(jīng)費，提高設(shè)計師生產(chǎn)率水平，促進(jìn)產(chǎn)品研制效率的提升，提高科研生產(chǎn)數(shù)字化研制創(chuàng)新水平，進(jìn)一步加強(qiáng)型號研制質(zhì)量的保障能力。

一、項目概述

氣動設(shè)計是導(dǎo)彈總體設(shè)計中重要的基礎(chǔ)組成部分，氣動設(shè)計的效率直接影響導(dǎo)彈總體方案論證的效率，氣動設(shè)計質(zhì)量直接影響導(dǎo)彈總體方案的成敗。氣動設(shè)計涉及專業(yè)知識深、變量和數(shù)據(jù)處理復(fù)雜，對設(shè)計師專業(yè)能力要求很高；設(shè)計師設(shè)計習(xí)慣和認(rèn)知能力的差異導(dǎo)致數(shù)據(jù)格式和使用方法迥異，不利于保證設(shè)計質(zhì)量和下游使用；傳統(tǒng)師帶徒的培養(yǎng)方式周期長，設(shè)計經(jīng)驗難以固化；基于CFD 計算和風(fēng)洞試驗的氣動設(shè)計迭代周期長，難以滿足多型號并舉和研制進(jìn)度加速的需求。

針對戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈型號研制數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級需求，應(yīng)用大數(shù)據(jù)、分布式計算等新一代信息技術(shù)，構(gòu)建了導(dǎo)彈氣動設(shè)計與數(shù)據(jù)支撐系統(tǒng)（ADDS），以解決產(chǎn)品研制過程中氣動設(shè)計環(huán)節(jié)多、效率低、易出錯等典型問題，提高科研生產(chǎn)數(shù)字化研制創(chuàng)新水平，促進(jìn)產(chǎn)品研制效率的提升，進(jìn)一步加強(qiáng)型號研制質(zhì)量的保障能力。

二、需求痛點分析

(一)氣動設(shè)計效率低、試驗成本高

導(dǎo)彈氣動外形設(shè)計及數(shù)據(jù)配套是導(dǎo)彈設(shè)計的基礎(chǔ)，氣動外形設(shè)計的優(yōu)劣和數(shù)學(xué)模型的精度直接影響導(dǎo)彈總體性能。導(dǎo)彈氣動外形設(shè)計過程包括總體指標(biāo)論證、CFD 計算選型、風(fēng)洞試驗設(shè)計、CFD 配套計算、風(fēng)洞試驗配套試驗、氣動性能評估分析、氣動數(shù)學(xué)模型構(gòu)建等內(nèi)容，設(shè)計過程通常包括多輪的迭代過程（圖 1）。

圖1 導(dǎo)彈氣動外形設(shè)計過程

氣動性能設(shè)計驗證和數(shù)據(jù)配套的主要手段包括CFD 計算和風(fēng)洞試驗。

CFD 計算是氣動外形設(shè)計的主要手段，常規(guī)導(dǎo)彈氣動設(shè)計涉及彈頭、彈身、彈翼、尾舵、電纜罩以及所有彈體表面突起物的外形設(shè)計，在CFD 計算中需要對每一個部件都進(jìn)行設(shè)計優(yōu)化，并對不同的舵偏狀態(tài)進(jìn)行排列組合計算，每一次計算都包括三維建模、網(wǎng)格生成、流場解算等復(fù)雜步驟。因此，設(shè)計迭代計算需要花費大量的時間，耗費大量的人力和計算力。通常一套常規(guī)的CFD 配套計算過程包含100 組外形、每一組外形需要計算150 個狀態(tài)，計算狀態(tài)數(shù)達(dá)到1.5 萬個，傳統(tǒng)的計算方法每一個計算狀態(tài)需消耗約6 小時，那么總的計算時間需要花費約9 萬個小時的計算時，計算時間成本非常巨大。

風(fēng)洞試驗是驗證設(shè)計的另一主要手段，也是配套數(shù)據(jù)的最可信來源。但風(fēng)洞試驗成本高昂、周期冗長。常規(guī)試驗周期達(dá)到數(shù)月之久，試驗成本以百萬計。

導(dǎo)彈氣動外形在設(shè)計和試驗過程中面臨嚴(yán)重的效率問題和成本問題，嚴(yán)重影響型號研制進(jìn)度和企業(yè)生產(chǎn)效益，而其根本解決途徑在于：第一，提升CFD 計算的效率，在概念設(shè)計階段充分搜索設(shè)計空間從而避免方案反復(fù)；第二，提升氣動性能分析能力，從而合理優(yōu)化風(fēng)洞試驗狀態(tài)，降低氣動設(shè)計對風(fēng)洞試驗的依賴。

(二)氣動性性能評估能力不足

導(dǎo)彈氣動性能是評估導(dǎo)彈總體指標(biāo)重要基礎(chǔ)參數(shù)。以往，氣動專業(yè)要借助彈道或者控制專業(yè)才能完成全空域的氣動性能分析與評估。但隨著型號研制周期越來越短，這種做法效率低下，已經(jīng)不適合要求。

氣動性能評估包括對全彈的操作性、穩(wěn)定性、舵效、升阻比、過載能力、鉸鏈力矩等內(nèi)容進(jìn)行分析評估。傳統(tǒng)的做法是每個設(shè)計師自已通過商業(yè)軟件將不同的氣動特性曲線編制成圖表進(jìn)行分析。這種工作模式嚴(yán)重依賴設(shè)計師的水平，效率低下而且還極容易出錯。

因此，氣動專業(yè)需要一個快速、準(zhǔn)確的導(dǎo)彈彈體氣動性能評估系統(tǒng)，對過載能力、穩(wěn)定性、操縱性等氣動特性進(jìn)行分析評估。

(三)氣動插值模型效率和智能性不足

CFD 計算和風(fēng)洞試驗得到的氣動數(shù)據(jù)需要通過合適的插值模型供下游使用。

氣動力數(shù)學(xué)模型需具備兩個條件：一是插值的高效率，第二個是氣動模型本身的精度。第一個條件的原因在于下游彈道及控制專業(yè)在使用氣動力數(shù)據(jù)包時會涉及到大規(guī)模的調(diào)用，插值算法的執(zhí)行效率決定了下游專業(yè)的計算效率；第二個是氣動模型本身的精度，包括數(shù)據(jù)精度和插值魯棒性，該精度直接影響導(dǎo)彈設(shè)計的精度。

為節(jié)省試驗成本，氣動模型的樣本點就必須要有取舍和側(cè)重，從而產(chǎn)生一種特性的二維數(shù)據(jù)表結(jié)構(gòu)，該表中有的地方有數(shù)據(jù)，而另外一些地方則沒有數(shù)據(jù)。氣動數(shù)學(xué)模型需要具備識別空缺并具備處理這些空缺的能力，并在邊界附近要具有較高的氣動插值精度和魯棒性。

在模型搭建完成后需要對這些樣本點進(jìn)行校驗。因此，氣動數(shù)學(xué)模型編制的軟件必須要具備檢錯功能。除此之外，軟件還應(yīng)該具備數(shù)據(jù)追溯可查，窗口顯示、錯誤提示等功能。

三、項目建設(shè)方案

本項目的總體目標(biāo)是：導(dǎo)彈氣動設(shè)計的全流程實現(xiàn)信息化、標(biāo)準(zhǔn)化、快速化和程序化，系統(tǒng)簡單易用，高效、準(zhǔn)確、快速，大幅縮短氣動設(shè)計周期、節(jié)約研制經(jīng)費，提高設(shè)計師生產(chǎn)率水平。

本項目的主要目標(biāo)包括：

1、實現(xiàn)具有較高自動化水平的CFD 軟件調(diào)度與管理。可以集成多種解算器；只需輸入幾何外形，計算狀態(tài)，系統(tǒng)具備無人值守模式，可自動拆分、運算、調(diào)度，最后收集結(jié)果。

2、通過方便實用的腳本語言，封裝底層對海量的中間數(shù)據(jù)進(jìn)行操作，使用戶聚焦于數(shù)據(jù)處理邏輯，實現(xiàn)腳本化操作以及數(shù)據(jù)分析的二次開發(fā)。通過腳本庫的管理，可以累積設(shè)計師的經(jīng)驗，方便后續(xù)繼承使用。

3、快速準(zhǔn)確給出全空域下彈體的操穩(wěn)特性、過載特性、調(diào)整比、舵偏分布等指標(biāo)，方便后續(xù)分析。

4、提供多種接口方式的氣動數(shù)據(jù)接口，滿足不同用戶的使用需求，同時提供的預(yù)編譯源文件可以直接嵌入用戶工程中，方便用戶程序直接訪問氣動數(shù)據(jù)。

通過建設(shè)，預(yù)期導(dǎo)彈研制中CFD計算效率相比傳統(tǒng)方法提高50%以上，耗時周期縮短一半以上；縮減30%以上風(fēng)洞試驗車次，降低試驗費用30%以上；普通設(shè)計師經(jīng)過一周的培訓(xùn)即可掌握導(dǎo)彈常規(guī)氣動設(shè)計。

(一)技術(shù)路徑

ADDS 的設(shè)計和研發(fā)始終堅持走獨立自主道路。堅持使用、吸收、完善的發(fā)展方式實施八部特色的氣動信息化系統(tǒng)建設(shè)。系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，模塊強(qiáng)內(nèi)聚，弱耦合，模塊間和內(nèi)部使用腳本化語言驅(qū)動。

開發(fā)過程中面向用戶需求，緊扣導(dǎo)彈氣動外形設(shè)計業(yè)務(wù)特征，總結(jié)固化型號研制經(jīng)驗，以產(chǎn)品思維和市場化思路開展軟件研制，兼顧行業(yè)通用和可擴(kuò)展性。

(二)項目總體方案

ADDS 基于現(xiàn)代軟件工程理念結(jié)合用戶需求進(jìn)行設(shè)計。系統(tǒng)采用獨立模塊化組裝，各模塊可獨立運行，模塊間通過腳本與數(shù)據(jù)驅(qū)動，模塊內(nèi)部涉及用戶操作部分采用腳本驅(qū)動，模塊提供用戶熟悉的圖形界面進(jìn)行交互等。

(三)具體建設(shè)成果

1、快速高精度CFD 計算調(diào)度與管理模塊（C FDC）

快速高精度CFD 計算調(diào)度與管理模塊CFDC。CFDC 具備多種解算器調(diào)用接口；具備CFD 計算任務(wù)的組織和參數(shù)化驅(qū)動，大幅提升設(shè)計迭代效率。該模塊具備CFD 幾何文件質(zhì)量檢測，部件組裝，任務(wù)批量分解，計算進(jìn)程實時分配與調(diào)度，計算數(shù)據(jù)實時采集等功能。主要特點包括：

計算用幾何表面檢查及修復(fù)；支持彈體部件表面法向量檢查及修復(fù)；幾何部件腳本化組裝；支持任意布局形式的氣動外形組裝。彈體任意部件可任意替換；部件幾何模型通用格式轉(zhuǎn)換；支持彈體部件平移、縮放、旋轉(zhuǎn)等操作；提供映射函數(shù)腳本，支持計算表與幾何模型之間的舵偏映射；支持并發(fā)多狀態(tài)計算用網(wǎng)格的自動生成，若失敗，系統(tǒng)嘗試自動調(diào)整網(wǎng)格設(shè)置參數(shù)繼續(xù)生成網(wǎng)格。

配套計算表自動生成。只需輸入簡單數(shù)行數(shù)據(jù)，包括攻角、馬赫數(shù)、滾轉(zhuǎn)角、舵偏組合等大規(guī)模組合狀態(tài)，即可自動生成幾千個計算狀態(tài)，節(jié)省大量的用戶操作時間。

CFD 計算管理。自動負(fù)載平衡，計算任務(wù)自動分配，多線程多進(jìn)程實時管理；監(jiān)控進(jìn)程運行狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)異常自動處理，調(diào)整參數(shù)繼續(xù)計算；全彈計算結(jié)果自動收集，可進(jìn)行部件氣動力及鉸鏈力矩提?。▓D2、3）。

圖2 快速CFD計算與調(diào)度管理模塊

圖3 運行實例

2、基于腳本的氣動數(shù)據(jù)融合與處理模塊（A DP）

基于腳本的氣動數(shù)據(jù)融合與處理模塊采用腳本模式，封裝處理細(xì)節(jié)，上接CFD/風(fēng)洞試驗/工程計算等數(shù)據(jù)源，下接氣動數(shù)據(jù)發(fā)布接口，用戶可快速完成氣動數(shù)據(jù)的處理。主要特點包括：

氣動數(shù)據(jù)錄入通過不同數(shù)據(jù)模板和腳本就可支持不同類型的CFD 及風(fēng)洞試驗數(shù)據(jù)的錄入。支持不同風(fēng)洞單位、不同風(fēng)洞設(shè)備數(shù)據(jù)的解析，包括全彈測力、鉸鏈力矩、CTS 試驗、兩級分離試驗等數(shù)據(jù)。

腳本化操作。采用不超過10 個腳本函數(shù)，實現(xiàn)了氣動處理中絕大多數(shù)數(shù)據(jù)處理過程；重載四則運算符，使二維氣動數(shù)據(jù)塊處理和運算簡化為普通表達(dá)式，方便用戶掌握和處理數(shù)據(jù)。

腳本庫。服務(wù)器分用戶和類別進(jìn)行處理腳本的集中管理，一方面沉淀了設(shè)計師的經(jīng)驗和智慧，另一方面也方便后續(xù)者繼承使用前人的成果。

提供帶提示詞條的腳本編輯框，直觀的用戶圖形界面。

3、快速準(zhǔn)確的氣動性能評估與分析模塊（A PA）

本模塊可以快速獲取彈體靜態(tài)氣動特效，包括操縱性、穩(wěn)定性、調(diào)整比、配平特性、過載能力等，實現(xiàn)氣動專業(yè)內(nèi)部對彈體氣動特性的高效評估能力。主要特點包括：

全空域氣動特性評估，包括操縱性、穩(wěn)定性、過載能力、調(diào)整比等；可限定多種約束條件，包括攻角、過載、舵偏角、鉸鏈力矩等。

過載計算。能夠在三通道完全平衡狀態(tài)下計算彈體過載，更加逼近真實飛行工況。

簡單易用功能強(qiáng)大的用戶界面，能夠進(jìn)行快速飛行包線遍歷分析（圖4）。

4、分布式多接口的氣動數(shù)據(jù)展示與發(fā)布模塊（ADE）

通用氣動數(shù)據(jù)接口ADE 是戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈氣動數(shù)據(jù)格式化輸出形式。該接口可直接被嵌入到總體、彈道及控制相關(guān)專業(yè)程序當(dāng)中，提供高效、穩(wěn)定、安全的氣動數(shù)據(jù)輸出。ADE 屏蔽氣動數(shù)據(jù)使用原理和細(xì)節(jié)，采用工程模式管理數(shù)據(jù)，方便用戶使用和切換數(shù)據(jù)集合。主要特點包括：

高效，快速的插值內(nèi)核，腳本化的數(shù)據(jù)組織形態(tài)，具有自動適應(yīng)（擴(kuò)展）能力。

格式化輸入/輸出接口。接口對用戶輸入?yún)?shù)進(jìn)行合理性檢測，通過后按要求輸出相應(yīng)的氣動力及力矩；當(dāng)用戶輸入工況超出邊界之后會自動發(fā)出越界提示，提醒用戶合理規(guī)劃彈道。

非規(guī)則數(shù)據(jù)塊處理。支持攻角、Ma 數(shù)等正則類型數(shù)據(jù)（如階梯形或者凹型結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)）的自動填補(bǔ)。

數(shù)據(jù)映射。ADE 腳本支撐對于軸對稱及面對稱外形，支持氣動數(shù)據(jù)的象限映射，象限映射可大幅節(jié)省風(fēng)洞試驗及計算狀態(tài)。

本地/在線調(diào)用。提供本地和服務(wù)器端訪問模式，本地訪問速度快，在線訪問數(shù)據(jù)種類多，且可保證所有用戶數(shù)據(jù)的實時更新。

多種程序接口。提供包括C/C++，F(xiàn)ortran，Matlab 等程序預(yù)編譯文件，方便用戶使用。ADE 提供用戶圖形界面（見圖5）。

圖4 氣動性能評估與分析模塊

四、型號應(yīng)用效果

2019 年，在某型號氣動設(shè)計工作中，通過應(yīng)用ADDS 將原需數(shù)周至數(shù)月的氣動專業(yè)的設(shè)計周期縮短為不足兩天；在風(fēng)洞試驗的過程中，通過CFDC 的計算結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)的比對，發(fā)現(xiàn)了風(fēng)洞試驗數(shù)據(jù)的異常，現(xiàn)場指導(dǎo)了風(fēng)洞試驗狀態(tài)的優(yōu)化，直接經(jīng)濟(jì)收益50 余萬元；在某采用全新氣動外形的型號競標(biāo)中，通過應(yīng)ADDS 系統(tǒng)實現(xiàn)氣動設(shè)計周期壓縮70%，保證了競標(biāo)進(jìn)度，風(fēng)洞試驗狀態(tài)也大幅縮減，節(jié)約試驗經(jīng)費100 萬元以上。表1 給出了導(dǎo)彈氣動設(shè)計中ADDS投入應(yīng)用后的降本增效預(yù)估值。

通過導(dǎo)彈氣動設(shè)計與數(shù)據(jù)支撐系統(tǒng)，八部常規(guī)氣動設(shè)計效率得到大幅度提升，大幅度壓縮了設(shè)計周期，節(jié)約了大量試驗經(jīng)費，整體設(shè)計水平達(dá)到國內(nèi)領(lǐng)先水平。

表1 ADDS 系統(tǒng)提效降本降幅一覽預(yù)估表（典型值）

圖5 高效高精度氣動數(shù)據(jù)引擎ADE

五、成功經(jīng)驗與發(fā)展策劃

在未來發(fā)展中，將繼續(xù)堅持獨立自主開發(fā)線路，一方面聚焦側(cè)向噴流、高超、分離等CFD 計算前沿難點，研究通用方法，取得突破后以軟件的形式固化下來；另一方面，大力推進(jìn)本系統(tǒng)的產(chǎn)品化工作，積極對接市場需求，形成滿足全國用戶需求的軟件產(chǎn)品，加強(qiáng)市場推廣，形成創(chuàng)收盈利能力，實現(xiàn)信息化建設(shè)成果的高效益、可持續(xù)發(fā)展。