高性能計算現(xiàn)代化計劃助推美國高超聲速技術(shù)研究

■ 李茜 王樂 崔艷林/中國航發(fā)渦輪院

高超聲速飛行器是一個復(fù)雜系統(tǒng)，在研制過程中不僅需要考慮各個子系統(tǒng)之間的耦合影響，還需要考慮高超聲速飛行器獨有的特征對復(fù)雜彈性變形、氣動加熱等因素的影響，因而精確建模十分復(fù)雜和困難。在此背景下，高性能計算現(xiàn)代化計劃（HPCMP）在美國高超聲速飛行器的關(guān)鍵技術(shù)開發(fā)與驗證和縮短研制周期等方面發(fā)揮了舉足輕重的作用。

高超聲速飛行器及其動力裝置工作于高速、高空環(huán)境，地面試驗狀態(tài)很難反映真實的狀況，并且吸氣式飛行試驗的時間往往很短，因此高精度數(shù)值仿真技術(shù)對于高超聲速飛行器研制所起的作用尤為關(guān)鍵，有助于獲取高超聲速飛行器整個流場（包括飛行器表面）的信息（如壓力、溫度、密度和流速等），解釋一些已發(fā)現(xiàn)但由于缺乏數(shù)據(jù)支撐而未能給出合理解釋的現(xiàn)象，進(jìn)而推動高超聲速技術(shù)的發(fā)展，如圖1所示。

圖1 高超聲速技術(shù)的開發(fā)需要高精度數(shù)值仿真技術(shù)

高性能計算現(xiàn)代化計劃的背景

為了支撐精確建模技術(shù)的發(fā)展，美國國防部于20世紀(jì)90年代提出了高性能計算現(xiàn)代化計劃（HPCMP），擬通過提供超級計算能力、高速網(wǎng)絡(luò)通信和計算科學(xué)專業(yè)知識，幫助開展世界范圍的高性能計算能力研究和開發(fā)，提升復(fù)雜系統(tǒng)建模能力，保持美國在軍事裝備的領(lǐng)先優(yōu)勢。

HPCMP自啟動以來，支持了超過600個高性能計算項目，超過5000名科學(xué)家和工程師參與其中，其應(yīng)用范圍覆蓋整個科學(xué)技術(shù)和試驗驗證領(lǐng)域，并在全美各地建立起4個主要資源共享中心（MSRC）、17家小型分布式研究中心（DC）、廣域網(wǎng)服務(wù)中心和HPCMP軟件開發(fā)支持中心。迄今為止，HPCMP為美國國防部提供了一個完整的先進(jìn)計算環(huán)境，包括軟件開發(fā)和系統(tǒng)設(shè)計方面的獨特專業(yè)知識，強(qiáng)大的高性能計算系統(tǒng)和一流的廣域研究網(wǎng)絡(luò)。

在推動高超聲速技術(shù)發(fā)展方面，HPCMP有針對性地開展了多個項目，包括工程采辦工具與環(huán)境（CREATE）、高超聲速飛行器仿真（HVSI）、HPCMP應(yīng)用軟件（HASI）和高超聲速研究先導(dǎo)等項目，為美國高超聲速飛行器的設(shè)計開發(fā)夯實了理論和工具基礎(chǔ)。

CREATE項目

美國國防部在HPCMP框架下于2006年啟動了計算研究與工程采辦工具與環(huán)境（CREATE）項目，致力于開發(fā)和部署基于物理特性的高性能計算軟件，通過高保真數(shù)字模型的構(gòu)建和改進(jìn)，支撐各軍種武器裝備的設(shè)計和實現(xiàn)。

CREATE項目包括用于飛行器的CREATE-AV、用于地面車輛的CREATE-GV、用于艦艇的CREATESH、用于射頻天線的CREATE-RF和用于網(wǎng)格和構(gòu)型的CREATE-MG等5個模塊。其中，CREATE-AV使用范圍最廣、功能最強(qiáng)大，用于支撐美國數(shù)字工程戰(zhàn)略及其采辦項目。CREATE-AV能夠分析和評估飛行器設(shè)計，有助于更好地理解在試系統(tǒng)，減少風(fēng)洞試驗和飛行試驗的數(shù)量；采用完整的有限元結(jié)構(gòu)分析，支持設(shè)計和質(zhì)量管理的快速閉合；通過組件設(shè)計特征耐久性和損傷容限的工程分析，建立疲勞裂紋萌生和擴(kuò)展模型，進(jìn)行設(shè)計特征幾何迭代，直至滿足設(shè)計壽命指標(biāo)。

在CREATE-AV項目下共開發(fā)了3個軟件，分別為用于學(xué)術(shù)研究的快速概念設(shè)計軟件DaVinci、用于旋翼飛行器的高保真、全尺寸、多物理分析軟件Helios和用于固定翼飛行器的高保真、全尺寸、多物理分析軟件Kestrel。

作為固定翼飛行器飛發(fā)一體化建模仿真軟件， Kestrel針對高超聲速技術(shù)進(jìn)行了相應(yīng)設(shè)計，具體架構(gòu)如圖2所示。經(jīng)過數(shù)年的發(fā)展和完善，Kestrel現(xiàn)已用于高超聲速飛行器的研究和開發(fā)。

圖2 針對高超聲速技術(shù)設(shè)計的Kestrel架構(gòu)

2015年，美國空軍研究實驗室（AFRL）下屬的空軍科學(xué)研究辦公室（AFOSR）采用CREATE-AV確認(rèn)了高超聲速建模的需求，并明確了不同高超聲速飛行器所需Kestrel的能力和開發(fā)時間，如圖3所示。從圖中可以看出，典型的高超聲速飛行器所需的軟件能力從低到高依次為助推滑翔高超聲速導(dǎo)彈、吸氣式高超聲速巡航導(dǎo)彈和可重復(fù)使用的高超聲速飛機(jī)。

圖3 不同高超聲速飛行器所需Kestrel軟件能力

2017年3月，美國空軍裝備司令部負(fù)責(zé)裝備采辦的機(jī)構(gòu)公布了面向高對抗突防型高超聲速飛行器（HCPHV）的基于物理的設(shè)計與分析能力的項目，該項目基于情報、監(jiān)視、偵察（ISR）任務(wù)規(guī)范開展高超聲速平臺概念研究，采用Kestrel開展了高超聲速進(jìn)氣道性能研究。

HVSI項目

為了提高高超聲速飛行器研究和開發(fā)的能力，美國國防部在HPCMP下于2018年啟動了高超聲速飛行器仿真研究（HVSI）項目，旨在聯(lián)合美國國防預(yù)先研究計劃局（DARPA）、國家航空航天局（NASA）和各軍種的高超聲速研究人員，集中解決高超聲速飛行器仿真中存在的瓶頸問題，目標(biāo)包括： 支持美國空軍、陸軍和海軍30多個高超聲速項目，為這些項目提供了近5億CPU小時，相比2016財年增加了20%（2018財年達(dá)到10億CPU小時）；提供額外的公開和加密資源，加速高超聲速裝備采辦；為超過700名用戶提供CREATE-AV軟件，支持其高超聲速技術(shù)研究。

HVSI項目的重點是通過使用高性能計算軟件和硬件，加速高超聲速武器和ISR系統(tǒng)的開發(fā)，具體包括：通過整合美國國防部、能源部、NASA以及從事高超聲速研究、開發(fā)、測試和評估（RDT&E）的機(jī)構(gòu)，促進(jìn)高超聲速飛行器仿真的國家愿景的實現(xiàn)；資助上述機(jī)構(gòu)在高超聲速飛行器仿真相關(guān)領(lǐng)域的研究工作；促進(jìn)高超聲速研究領(lǐng)域里政府、學(xué)術(shù)界和行業(yè)采辦伙伴可用的生產(chǎn)質(zhì)量仿真軟件的研發(fā)；創(chuàng)建高超聲速仿真、驗證和確認(rèn)數(shù)據(jù)的國家數(shù)據(jù)庫；提供非密和加密的計算資源，實現(xiàn)高超聲速系統(tǒng)仿真能力的明顯飛躍。

HVSI項目還設(shè)立了一個技術(shù)咨詢委員會，由來自政府、工業(yè)和學(xué)術(shù)界的專家組成，負(fù)責(zé)監(jiān)督HVSI的相關(guān)工作。委員會的職責(zé)包括：協(xié)助制定路線圖，特別是在優(yōu)先發(fā)展的主題（邊界層轉(zhuǎn)捩、燒蝕、流體/熱/結(jié)構(gòu)相互作用等）；協(xié)助評估每個專題的技術(shù)成熟度（TRL），以及將TRL提高到能夠完成模型或仿真方法的水平可能需要耗費(fèi)的時間。通過以上措施，HVSI力求在未來10年中，保證每個仿真軟件（如Createt-AV Kestrel）都可以不斷升級和改進(jìn)，以滿足采辦需求。例如，HSVI選擇資助的第一個項目是高超聲速湍流模型建模，由于幾乎此前所有的湍流模型都是利用低速邊界層數(shù)據(jù)建立的，因此已有的湍流模型通常不適合高速應(yīng)用，此項目對高超聲速技術(shù)發(fā)展的重要性不言而喻。

HASI項目

為了滿足工程領(lǐng)域?qū)ΜF(xiàn)代軟件的需求，縮小研究需求與實際算法、程序與框架之間存在的差距，美國國防部在2015年啟動了HPCMP應(yīng)用軟件研究（HASI）項目。根據(jù)HPCMP計劃的年度報告顯示，HASI開展了多個面向高超聲速技術(shù)的研究項目，詳見表1。

表1 HASI開展的高超聲速技術(shù)研究項目

高超聲速研究先導(dǎo)項目

為滿足在關(guān)鍵研究和工程領(lǐng)域的需求，美國國防部在HPCMP下，從2014年開始啟動了多個先導(dǎo)項目，這些項目占用了HPCMP約30%的計算資源，其中一個項目名為“高速飛行器的非定常壓力和受熱環(huán)境”（UPTH），旨在確定全尺寸高超聲速飛行器的全耦合高保真的流熱耦合反應(yīng)，對指定的計算流體力學(xué)（CFD）和構(gòu)型軟件進(jìn)行優(yōu)化。經(jīng)過幾年的開發(fā)，該先導(dǎo)項目的技術(shù)轉(zhuǎn)移用于HiFIRE-6項目中全尺寸高超聲速飛行器的大渦仿真。

此外，還有多個高超聲速項目得到了HPCMP的支撐。美國空軍空射快速響應(yīng)武器（ARRW）的項目指標(biāo)在前期研制中曾長期處于保密狀態(tài)，而飛行軌跡和基本參數(shù)的首次亮相出現(xiàn)在美國防部的《高性能計算現(xiàn)代化計劃2019—2020財年年度亮點》報告中，由此可看出兩者的緊密關(guān)系。

結(jié)束語

高性能計算現(xiàn)代化計劃作為美國國防部在多領(lǐng)域力推的基礎(chǔ)研究項目，將賦能計算機(jī)輔助設(shè)計、虛擬原型機(jī)設(shè)計和數(shù)值仿真，以此縮短采辦周期、節(jié)省費(fèi)用，以及提升國防武器裝備的性能。相較于傳統(tǒng)的基于理論和試驗的研發(fā)模式，高性能計算背景下的計算機(jī)建模和仿真能夠探索出更多的設(shè)計方案，并持續(xù)提高費(fèi)效比。從相關(guān)資料可以看出，HPCMP計劃圍繞高超聲速技術(shù)開展了多項針對性研究項目，其中部分研究成果已經(jīng)轉(zhuǎn)移用于美國高超聲速飛行器的開發(fā)過程。美國國防部未來將以每兩年為一個周期，持續(xù)、快速升級高超聲速武器，可以肯定的是，HPCMP計劃下研發(fā)的先進(jìn)高性能計算手段將幫助該目標(biāo)得以實現(xiàn)。