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中國(guó)航天科技集團(tuán)公司,北京 100037

1 概述

航天仿真技術(shù)是指仿真技術(shù)與航天工程技術(shù)的結(jié)合，為航天器、航天運(yùn)輸系統(tǒng)和導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分析、性能評(píng)估、體系對(duì)抗、指揮控制及訓(xùn)練、故障診斷、運(yùn)行管理等提供數(shù)學(xué)或半實(shí)物的模擬驗(yàn)證手段和平臺(tái)。航天仿真技術(shù)可分為航天工程仿真和航天器系統(tǒng)仿真兩大類。其中，航天工程仿真是在總體層面對(duì)航天器的設(shè)計(jì)進(jìn)行分析、驗(yàn)證，是對(duì)航天器綜合性能及效能進(jìn)行評(píng)估的一種重要手段，目前該項(xiàng)技術(shù)總體上還處于初級(jí)階段。但在某些領(lǐng)域如攻防對(duì)抗體系、多武器平臺(tái)仿真中已經(jīng)取得了一些階段性成果，并在裝備系統(tǒng)定型中得到了初步的應(yīng)用。其面臨的主要問題是仿真模型的準(zhǔn)確度和顆粒度相互矛盾，以及飛行剖面精確綜合建模,特別是總體級(jí)的全系統(tǒng)多物理場(chǎng)仿真，可實(shí)現(xiàn)全系統(tǒng)綜合性能效能的驗(yàn)證與評(píng)估，但目前理論方法和應(yīng)用技術(shù)都有很多問題需要解決，在航天工程的應(yīng)用仍處于探索階段。航天器系統(tǒng)仿真可以分為2類：1)已經(jīng)比較成熟的單個(gè)系統(tǒng)級(jí)仿真，廣泛應(yīng)用于型號(hào)和研制過程中，主要用來(lái)考核驗(yàn)證系統(tǒng)設(shè)計(jì)的正確性，如：航天器控制系統(tǒng)半實(shí)物仿真和數(shù)學(xué)仿真均屬此類；2)近十年迅速發(fā)展的2個(gè)飛行器的系統(tǒng)級(jí)多自由度的聯(lián)合系統(tǒng)仿真，實(shí)現(xiàn)了大系統(tǒng)間匹配行為的驗(yàn)證，例如：我國(guó)的“天宮一號(hào)”與“神舟八號(hào)”的交會(huì)對(duì)接任務(wù)就是通過該種仿真進(jìn)行系統(tǒng)匹配和正確性驗(yàn)證。

2 航天器仿真技術(shù)體系的需求與構(gòu)想

航天器仿真就是在模擬真實(shí)工作條件和空間自然環(huán)境下對(duì)其設(shè)計(jì)方案的正確性、協(xié)調(diào)性進(jìn)行分析和驗(yàn)證，為航天器、導(dǎo)彈武器的設(shè)計(jì)分析、定型和運(yùn)行提供支撐。目前發(fā)達(dá)國(guó)家仿真技術(shù)已實(shí)現(xiàn)了對(duì)產(chǎn)品生命周期的支撐，如美國(guó)航天器仿真技術(shù)的應(yīng)用已覆蓋概念設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)、制造、使用等全過程。另外，傳統(tǒng)的仿真手段和能力已經(jīng)不能滿足新型航天器的需求，仿真技術(shù)亟待創(chuàng)新。當(dāng)前，我們需要研究的具體內(nèi)容有：如何解決全過程、多因素、強(qiáng)耦合航天器的仿真技術(shù)；由于受飛行子樣的限制，設(shè)計(jì)包絡(luò)仍是依靠仿真手段進(jìn)行驗(yàn)證的；為了降低航天器飛行驗(yàn)證的風(fēng)險(xiǎn)，必須在地面試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，利用地面試驗(yàn)的數(shù)據(jù)和飛行數(shù)據(jù)進(jìn)一步修正仿真模型，開展充分的航天器仿真試驗(yàn)，提高系統(tǒng)仿真的置信度。

(1)航天器性能仿真技術(shù)的作用

在航天器設(shè)計(jì)方案論證階段，航天器性能仿真技術(shù)的主要作用是根據(jù)總體任務(wù)要求，分解各系統(tǒng)的指標(biāo)要求，各系統(tǒng)根據(jù)指標(biāo)要求建立數(shù)學(xué)/仿真模型，并且開展系統(tǒng)級(jí)驗(yàn)證；同時(shí)，總體根據(jù)各系統(tǒng)間的耦合模型建立飛行器總體級(jí)、多學(xué)科仿真驗(yàn)證模型，重點(diǎn)開展各分系統(tǒng)間的耦合性能驗(yàn)證，驗(yàn)證總體指標(biāo)分解的正確性，并評(píng)估飛行器性能是否滿足方案階段任務(wù)書要求。在工程研制(初樣、試樣)階段，根據(jù)各分系統(tǒng)半實(shí)物仿真試驗(yàn)的結(jié)果，構(gòu)建總體層面的半實(shí)物仿真驗(yàn)證平臺(tái)，并圍繞飛行包絡(luò)內(nèi)的特定任務(wù)，開展總體層面的全系統(tǒng)緊耦合仿真試驗(yàn)，1)可以檢驗(yàn)各系統(tǒng)間的匹配性和性能指標(biāo)的合理性，2)也可以驗(yàn)證總體性能指標(biāo)的可達(dá)性?？傊抡婕夹g(shù)已滲透到航天器研制的各個(gè)階段，已成航天器設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)的主要手段，發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。如圖1給出了仿真技術(shù)在航天工程研制各階段應(yīng)用的示意圖。

圖1 航天器研制與仿真技術(shù)

(2)航天器仿真技術(shù)體系的需求與構(gòu)想

航天器仿真技術(shù)體系主要包括分系統(tǒng)仿真與建模技術(shù)、多物理場(chǎng)耦合的總體仿真技術(shù)以及高效協(xié)同的仿真技術(shù)等。其中，分系統(tǒng)仿真主要考慮氣動(dòng)力仿真建模、大氣環(huán)境仿真建模、空間環(huán)境仿真建模、動(dòng)力系統(tǒng)仿真建模、結(jié)構(gòu)系統(tǒng)仿真建模、控制系統(tǒng)單機(jī)仿真建模和飛行器動(dòng)力學(xué)仿真建模等；多物理場(chǎng)耦合的總體仿真主要考慮了總體/氣動(dòng)布局/控制間耦合、氣動(dòng)力/熱耦合、氣動(dòng)力/熱/結(jié)構(gòu)耦合和力/熱/結(jié)構(gòu)/控制(伺服)耦合等；高效協(xié)同的仿真技術(shù)涉及快速、并行計(jì)算技術(shù)，分布、異構(gòu)協(xié)同計(jì)算技術(shù)及耦合加載技術(shù)3部分。在總結(jié)50年航天仿真發(fā)展技術(shù)的基礎(chǔ)上，運(yùn)用航天器仿真技術(shù)，以高性能計(jì)算集群為基礎(chǔ)，構(gòu)建航天器工程仿真體系，實(shí)現(xiàn)航天器多系統(tǒng)、多物理場(chǎng)耦合、分布式、異構(gòu)集成協(xié)同仿真是未來(lái)航天仿真技術(shù)發(fā)展的重要方向，如圖2所示。通過這種仿真平臺(tái)可以把各個(gè)分系統(tǒng)的仿真模型集成在一起進(jìn)行航天器總體級(jí)的仿真，實(shí)現(xiàn)航天器全系統(tǒng)仿真、綜合性能評(píng)估、故障遠(yuǎn)距離仿真及對(duì)策驗(yàn)證、運(yùn)行遠(yuǎn)距離服務(wù)與支撐等。

圖2 航天器多系統(tǒng)、分布式協(xié)同仿真平臺(tái)

(3)航天器仿真試驗(yàn)體系的需求與構(gòu)想

從方法學(xué)的角度來(lái)看，航天器仿真試驗(yàn)需要進(jìn)行4個(gè)方面的研究：1)研究分層逐級(jí)驗(yàn)證與總體集成協(xié)同驗(yàn)證相結(jié)合的方法，即分系統(tǒng)的驗(yàn)證及其與總體的結(jié)合；2)采用機(jī)理模型和專家經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合的方法，確定試驗(yàn)狀態(tài)，驗(yàn)證航天器設(shè)計(jì)的飛行包絡(luò)；3)通過智能優(yōu)化和云仿真技術(shù)，依托高性能計(jì)算及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的支撐，建立高效的仿真試驗(yàn)調(diào)度方法；4)通過研究多物理場(chǎng)耦合加載試驗(yàn)方法，對(duì)試驗(yàn)手段進(jìn)行創(chuàng)新。

以總體性能半實(shí)物仿真試驗(yàn)系統(tǒng)的構(gòu)建為例，首先需要解決分布式計(jì)算及調(diào)度管理問題，需要采用大型高性能計(jì)算系統(tǒng)的計(jì)算資源，同時(shí)還要進(jìn)行調(diào)度管理協(xié)同軟件的開發(fā)；其次是總體仿真模型問題，如規(guī)劃總體性能仿真平臺(tái)，建立多學(xué)科耦合仿真模型；然后要考慮仿真模擬設(shè)備的問題，主要包括多自由度運(yùn)動(dòng)模擬裝置、目標(biāo)及環(huán)境模擬裝置、多物理場(chǎng)耦合模擬、測(cè)控信道模擬等；最后是實(shí)物產(chǎn)品的開發(fā)，主要由星/箭/導(dǎo)彈的系統(tǒng)、測(cè)發(fā)控系統(tǒng)、測(cè)控系統(tǒng)和信息支撐等構(gòu)成多學(xué)科多物理場(chǎng)耦合的總體性能半實(shí)物仿真系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)全過程、全系統(tǒng)的分布式高效協(xié)同的仿真試驗(yàn)。

3 航天器仿真涉及的關(guān)鍵技術(shù)

在航天器仿真技術(shù)發(fā)展的過程中，涉及到若干關(guān)鍵技術(shù)需要解決，主要包括多物理場(chǎng)耦合復(fù)雜系統(tǒng)建模技術(shù)、虛擬飛行試驗(yàn)設(shè)計(jì)、驗(yàn)證技術(shù)仿真模型校核、辨識(shí)及修正航天器仿真共性支撐技術(shù)等。

(1)多物理場(chǎng)耦合復(fù)雜系統(tǒng)建模技術(shù)

多物理場(chǎng)耦合復(fù)雜系統(tǒng)建模就是要研究航天器在真實(shí)工作環(huán)境下的物理模型問題，即：總體、氣動(dòng)和控制耦合，氣動(dòng)力/熱耦合，氣動(dòng)力/熱/結(jié)構(gòu)耦合，力/熱/結(jié)構(gòu)/控制(伺服)耦合，還有多體運(yùn)動(dòng)、復(fù)雜結(jié)構(gòu)等建模問題。面對(duì)這種復(fù)雜的多物理耦合關(guān)系，通過建模來(lái)刻畫或描述飛行器實(shí)際飛行狀態(tài)的物理行為，提高仿真驗(yàn)證的準(zhǔn)確度。多物理場(chǎng)耦合關(guān)系示意如圖3。

(2)虛擬飛行試驗(yàn)設(shè)計(jì)、驗(yàn)證技術(shù)

基于航天器仿真試驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行航天器飛行包絡(luò)的數(shù)學(xué)及半實(shí)物仿真試驗(yàn)，即航天器虛擬飛行試驗(yàn)。虛擬飛行試驗(yàn)可對(duì)飛行器性能、技術(shù)指標(biāo)和綜合效能進(jìn)行評(píng)估，同時(shí)虛擬飛行試驗(yàn)通過多學(xué)科、多物理場(chǎng)耦合建模和高效能仿真等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)多維度、全系統(tǒng)、全剖面、全流程的飛行模擬仿真，并通過偏差狀態(tài)組合、故障模式注入仿真，對(duì)系統(tǒng)的魯棒性、健壯性進(jìn)行綜合評(píng)估，最大限度地在飛行前驗(yàn)證設(shè)計(jì)的正確性，并挖掘系統(tǒng)的潛在風(fēng)險(xiǎn)。構(gòu)建層次化的虛擬飛行試驗(yàn)應(yīng)用體系，將大子樣虛擬試驗(yàn)與小子樣地面試驗(yàn)和飛行試驗(yàn)等結(jié)合，實(shí)現(xiàn)仿真試驗(yàn)、地面實(shí)物試驗(yàn)、飛行試驗(yàn)的逐級(jí)驗(yàn)證和修正，提高虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的真實(shí)性，最終形成虛實(shí)結(jié)合的航天器總體性能驗(yàn)證和評(píng)估體系，如圖4所示。

圖3 航天器多物理場(chǎng)耦合系統(tǒng)

圖4 航天器總體性能驗(yàn)證和評(píng)估體系

(3)仿真模型校核、辨識(shí)及修正

仿真模型校核、辨識(shí)及修正也是航天器仿真需要解決的關(guān)鍵技術(shù)之一。要解決這個(gè)問題，首先需要對(duì)仿真模型進(jìn)行物理及數(shù)學(xué)層次的驗(yàn)?zāi)?，確保模型符合航天器的主要物理特征；其次通過對(duì)實(shí)物產(chǎn)品地面試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，進(jìn)一步驗(yàn)證/修正仿真模型；最后根據(jù)實(shí)際飛行試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析對(duì)比，開展模型參數(shù)辨識(shí)，評(píng)估仿真模型的正確性，并進(jìn)一步完善和修正仿真模型。通過這些手段，可以將地面仿真的數(shù)據(jù)和飛行數(shù)據(jù)作為武器評(píng)估的一個(gè)重要依據(jù)，從而減少飛行試驗(yàn)的風(fēng)險(xiǎn)。

(4)航天器仿真共性支撐技術(shù)

航天器仿真共性支撐技術(shù)主要包括異構(gòu)軟件協(xié)同技術(shù)、仿真環(huán)境支撐技術(shù)和虛擬環(huán)境技術(shù)3部分。其中，異構(gòu)軟件協(xié)同技術(shù)主要研究多學(xué)科協(xié)同建模與仿真的方法，通過異構(gòu)軟件和模型的協(xié)同技術(shù)，建立協(xié)同仿真模型集成框架，實(shí)現(xiàn)多學(xué)科異構(gòu)仿真模型的多機(jī)并發(fā)協(xié)同仿真；仿真環(huán)境支撐技術(shù)主要研究基于分布式計(jì)算環(huán)境、高性能計(jì)算環(huán)境、半實(shí)物仿真環(huán)境的多學(xué)科、一體化、分布式、協(xié)同仿真模型的運(yùn)行支撐平臺(tái)；虛擬環(huán)境技術(shù)是指對(duì)自然環(huán)境和人為對(duì)抗環(huán)境的仿真建模，模擬環(huán)境效應(yīng)的虛擬現(xiàn)實(shí)、可視化技術(shù)等。

此外，現(xiàn)代信息技術(shù)的迅猛發(fā)展也為航天器仿真提供了新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)，例如基于數(shù)值算法和并行技術(shù)的高效仿真建模方法，CPU與GPU異構(gòu)的高性能計(jì)算加速技術(shù)，云計(jì)算的系統(tǒng)仿真優(yōu)化技術(shù)等方法，如圖5所示，為航天器仿真技術(shù)的迅速發(fā)展提供了可能。

圖5 現(xiàn)代信息技術(shù)在航天器仿真中的應(yīng)用

4 結(jié)論

當(dāng)前，航天事業(yè)的發(fā)展對(duì)仿真技術(shù)提出了新的迫切需求，發(fā)展航天器仿真技術(shù)是提升航天工程系統(tǒng)設(shè)計(jì)、驗(yàn)證能力的最有效手段之一?，F(xiàn)代信息技術(shù)的進(jìn)步為航天仿真技術(shù)發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)，但是新一代航天器仿真技術(shù)的發(fā)展仍面臨眾多基礎(chǔ)問題與技術(shù)挑戰(zhàn)。突破航天仿真的核心技術(shù)，實(shí)現(xiàn)仿真技術(shù)與航天系統(tǒng)工程的有機(jī)結(jié)合，必將推動(dòng)未來(lái)航天裝備建設(shè)的跨躍式發(fā)展。