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对航天器虚拟仿真技术发展的思考
时间:2019-10-27    评论:0
    来源:中国工程科技论坛航天工程与仿真技术
    作者:包为民
    单位:中国航天科技集团公司
    
    摘要:航天虚拟仿真技术是指系统仿真技术与航天工程技术的结合,为航天器、航天运输系统和导弹武器系统的综合性能效能评估、体系对抗、指控及作战训练、故障诊断、运行管理等提供数学或半实物的验证手段和模拟平台。航天器仿真技术主要包括分系统仿真与建模技术、多物理场耦合的总体仿真技术以及高效协同的仿真技术。本文系统总结了航天器仿真技术发展,基于对航天器仿真技术的剖析,论述了航天器仿真技术体系的需求与构想,阐述了航天器仿真技术涉及的关键技术,并对现代信息技术在航天器仿真技术中的应用进行了展望。

    一、概 述

    航天仿真技术是指系统仿真技术与航天工程技术的结合,为航天器、航天运输系统和导弹武器系统的综合性能效能评估、体系对抗、指控及作战训练、故障诊断、运行管理等提供数学或半实物的验证手段和模拟平台。航天仿真技术分为航天工程体系仿真和航天器系统仿真两大类。其中,航天工程体系仿真是分析、验证航天工程体系综合性能及效能的一种重要手段,目前该项技术总体上还处于起步阶段,但在某些领域如攻防对抗、多武器平台仿真中已经取得了一些阶段性成果,并在武器系统定型中得到了初步的应用。仿真模型的准确度和颗粒度是体系仿真面临的主要问题,基于现有技术水平要建立非常精确的模型,难度是非常大的。而航天器系统仿真根据其发展历程可以分为三种类型:第一种是已经比较成熟的系统级仿真,广泛应用于型号和研制过程中,主要用来考核验证系统设计的准确性,航天控制系统半实物仿真和数学仿真均属此类;第二种是近10年迅速发展的多系统多自由度的联合仿真,其主要作用是进行系统间匹配行为的验证,例如我国的“天宫一号”与“神舟八号”的交会对接任务就需要通过该种仿真进行系统匹配和正确性验证;第三种是仍处于探索阶段的全系统多物理场仿真,其主要作用是对全系统综合性能效能进行验证与评估,可以用于导弹的总体性能的仿真,但目前理论方法和应用技术都有很多问题需要解决,在型号阶段运用较少。

    二、航天器仿真技术体系的需求与构想

    航天工程体系仿真需要攻克的难题主要是模拟真实战场和空间环境,为航天器、导弹武器的定型和实战化提供支撑。由于缺乏全面系统的规划和基础研究支持,所以出现工程仿真技术孤岛和关键技术攻关得不到持续支持的问题。

    同时我国仿真技术的研究与航天工程型号研制的结合不够紧密,缺乏协同发展、全过程支撑。目前某些发达国家,如美国航天器仿真技术的应用已覆盖概念设计、详细设计、制造、使用等全过程。另外,传统的试验手段和能力已经不能满足航天器的发展对仿真技术的需求,仿真技术亟待创新,这些都是面临的主要问题。当前,需要研究的具体内容有:如何解决全过程、多因素、强耦合航天器的仿真技术;如何在飞行子样受限的情况下,依靠仿真手段验证设计包络的真实性;如何进行充分的地面仿真试验,降低航天器飞行验证的风险,同时通过飞行数据修正仿真模型,提高系统仿真的置信度。

    (1)航天器性能仿真技术的作用

    在航天器设计方案论证阶段,航天器性能仿真技术主要作用是根据总体任务要求,分解各系统的指标要求,各系统根据指标要求建立数学 /仿真模型,并且开展系统级验证。同时,总体根据各系统间的耦合模型建立飞行器总体级、多学科仿真验证模型,重点开展各分系统间的耦合性能验证,验证总体指标分解的正确性,并评估飞行器性能是否满足任务要求。在工程研制阶段,根据各分系统半实物仿真试验的结果,构建总体层面的实物仿真验证平台,并围绕飞行包络内的特定任务,开展总体层面的全系统紧耦合的仿真试验,一方面可以检验各系统间的匹配性和性能指标的合理性,另一方面也可以验证总体性能指标的可实现性。如图 1所示。


图 1 航天器性能仿真技术的作用

    (2)航天器仿真技术体系的需求与构想

    航天器仿真技术主要包括分系统仿真与建模技术、多物理场耦合的总体仿真技术以及高效协同的仿真技术。其中,分系统仿真与建模主要包括气动力仿真建模、动力系统仿真建模、结构系统仿真建模、控制系统仿真建模和大气环境仿真建模等。多物理场耦合仿真主要考虑了总体 /气动布局 /控制间耦合、气动力 /热耦合、气动力 /热 /结构耦合和力 /热 /结构 /控制(伺服)耦合等。高效协同的仿真技术由快速、并行计算技术,分布、异构协同计算技术,及耦合加载技术三部分组成。在总结 50年航天仿真技术发展的基础上,运用航天器仿真技术,以高性能计算集群为基础,构建航天器工程仿真体系,实现航天器多系统、多物理场耦合、分布式、异构集成协同仿真平台,如图 2所示。通过这种仿真平台可以把各个分系统的仿真模型集成在一起进行仿真,实现航天产品的全系统仿真、航天器运行出现故障时的远距离仿真等,支撑工程实现问题的远程快速决策。


图 2 航天器多系统、分布式协同仿真平台

    (3)航天器仿真试验体系的需求与构想

    从方法学的角度来看,航天器仿真试验需要进行四个方面的研究:一是研究分层逐级验证与总体集成协同验证相结合的方法,即分系统的验证及其与总体的结合;二是采用机理模型和专家经验相结合的方法,确定试验状态,验证航天器设计的飞行包络;三是通过智能优化和云仿真技术,依托高性能计算及网络技术的支撑,建立高效的仿真试验调度方法;最后是通过研究多物理场耦合加载试验方法,对试验手段进行创新。

    以总体性能半实物仿真实验系统的构建为例,首先需要解决分布式计算及调度管理问题,需要采用大型高性能计算系统的计算资源,同时还要进行调度管理协同软件的开发;其次是总体仿真模型问题,如规划总体性能仿真平台,建立多学科耦合仿真模型;第三要考虑仿真模拟设备的问题,主要包括多自由度运动模拟装置、目标及环境模拟装置、多物理场耦合模拟、测控信道模拟等;最后是实物产品的开发,主要由星 /箭系统、测发控系统、测控系统、信息支撑等构成。

    三、航天器仿真涉及的关键技术

    在航天器仿真技术发展的过程中,涉及若干关键技术需要解决,主要包括多物理场耦合复杂系统建模技术、虚拟飞行试验设计、验证技术,仿真模型校核、辨识及修正,航天器仿真共性支撑技术等。

    (1)多物理场耦合复杂系统建模技术

    多物理场耦合复杂系统建模研究需要重点开展具有以下耦合特性的航天器建模技术的研究:即总体、气动和控制耦合,气动力 /热耦合,气动力 /热 /结构耦合,力 /热 /结构 /控制(伺服)耦合,还有多体运动、复杂结构的仿真技术。面对这种复杂的多物理场耦合关系,需要通过建模来刻画和描述飞行器实际飞行状态,提高仿真验证的准确度。多物理场耦合关系如图 3所示。


 图3 航天器多物理场耦合系统

    (2)虚拟飞行试验设计、验证技术

    基于航天器仿真试验平台进行航天器飞行包络的数学及半实物仿真试验,即航天器虚拟飞行试验。虚拟飞行试验可对飞行器性能、技术指标和综合效能进行评估,同时虚拟飞行试验通过多学科、多物理场耦合建模和高效能仿真等技术,实现多维度、全系统、全剖面、全流程的飞行模拟仿真,并通过偏差状态组合、故障模式注入仿真,对系统的鲁棒性、健壮性进行综合评估,最大限度地在飞行前验证设计的正确性,并挖掘系统的潜在风险。构建层次化的虚拟飞行试验应用体系,将大子样虚拟试验与小子样地面试验和飞行试验等相结合,实现仿真试验、地面实物试验、飞行试验的逐级验证和修正,提高虚拟仿真实验的真实性,最终形成虚实结合的航天器总体性能验证和评估体系,如图 4所示。


 图4 航天器总体性能验证和评估体系

    (3)仿真模型校核、辨识及修正

    仿真模型校核、辨识及修正也是航天器仿真需要解决的关键技术之一。要解决这个问题,首先需要对仿真模型进行物理及数学层次的验模,确保模型符合航天器的主要物理特征;其次通过对实物产品地面试验数据的分析,进一步验证 /修正仿真模型的正确性;最后根据实际飞行试验数据进行分析对比,开展模型参数辨识,评估仿真模型的正确性,并进一步完善和修正仿真模型。通过这些手段,可以将地面仿真的数据和飞行数据一起作为武器评估的一个重要依据,从而减少飞行试验的风险。

    (4)航天器仿真共性支撑技术

    航天器仿真共性支撑技术主要包括异构软件协同技术、仿真环境支撑技术和虚拟环境技术三部分。其中,异构软件协同技术主要研究多学科协同建模的方法、异构软件和模型的协同技术,建立协同仿真模型集成框架,实现多学科异构仿真模型统一的多机并发协同仿真;仿真环境支撑技术主要研究基于分布式计算环境、高性能计算环境、半实物仿真环境的多学科、一体化、分布式、协同仿真模型的运行支撑平台;虚拟环境技术是指对自然环境和人为对抗环境的仿真建模,模拟环境效应的虚拟现实、可视化技术等。

    此外,现代信息技术的迅猛发展也为航天器仿真提供了新的机遇和挑战,例如基于数值算法和并行技术的高效仿真建模方法、GPU与 CPU异构的高性能计算加速技术、云计算的系统仿真优化技术等方法,如图 5所示。它们为航天器仿真技术的迅速发展提供了可能,需要进一步的开发和探索。


图 5 现代信息技术在航天器仿真中的应用

    四、结 论

    当前,航天事业的发展对仿真技术提出了新的迫切需求,发展航天器仿真技术是提升航天系统工程设计、验证能力的最有效手段之一;现代信息技术的进步为航天仿真技术发展奠定了坚实的技术基础,但是新一代航天器仿真技术的发展仍面临众多基础问题与技术挑战。突破航天仿真的核心技术,实现仿真技术与航天系统工程的有机结合,必将推动未来航天装备建设的大发展。

    包为民 1982年 8月毕业于西北电讯工程学院,现任中国航天科技集团公司科技委主任,国家某重点工程技术总负责人,兼任总装备部科技委委员,是我国航天运载器总体及控制领域的学术带头人,973首席专家,国防科技工业有突出贡献中青年专家。先后获国家科技进步奖特等奖、一等奖,国防科技进步奖一等奖、二等奖,获国防科技工业杰出人才奖。2005年当选为中国科学院院士。

标签:航天
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