李偉忠，劉 揚(yáng)，水娟娜

（中國人民解放軍海軍駐上海地區(qū)航天系統(tǒng)軍事代表室，上海 201109）

0 引言

隨著技術(shù)的發(fā)展，導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的作戰(zhàn)空域更廣，作戰(zhàn)環(huán)境更復(fù)雜，充分驗(yàn)證武器系統(tǒng)性能的難度越來越大，因此必須探索滿足未來導(dǎo)彈武器系統(tǒng)研制需求的新試驗(yàn)手段，對傳統(tǒng)的試驗(yàn)體系進(jìn)行補(bǔ)充和完善。虛擬試驗(yàn)所代表的驗(yàn)證手段日益成熟，其驗(yàn)證技術(shù)的理念和方法也得到初步認(rèn)可，并取得了階段性的技術(shù)與應(yīng)用成果。虛擬試驗(yàn)驗(yàn)證技術(shù)的發(fā)展方向是規(guī)范化、集成化和體系化。本文對虛擬試驗(yàn)技術(shù)在導(dǎo)彈武器系統(tǒng)研制中的應(yīng)用進(jìn)行了綜述。

1 虛擬試驗(yàn)需求

1.1 作戰(zhàn)效能考核需求

目前靶場的導(dǎo)彈武器系統(tǒng)試驗(yàn)主要以考核導(dǎo)彈的戰(zhàn)術(shù)技術(shù)性能為主，針對武器系統(tǒng)作戰(zhàn)效能的試驗(yàn)相對較少，特別是在敵我雙方對抗條件下的試驗(yàn)只局限于單機(jī)的攻防仿真。為全面了解導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的作戰(zhàn)性能，須綜合考慮敵我雙方對抗和人的參與，需要從整個作戰(zhàn)系統(tǒng)的層次上設(shè)計(jì)試驗(yàn)評估方案。但由于條件約束致使許多試驗(yàn)無法實(shí)施，外場試驗(yàn)費(fèi)用又極其昂貴，依靠現(xiàn)有的試驗(yàn)鑒定手段無法對導(dǎo)彈武器系統(tǒng)作戰(zhàn)效能做出科學(xué)合理的評估。這就對采用仿真與半實(shí)物結(jié)合等試驗(yàn)手段模擬實(shí)戰(zhàn)條件下虛擬飛行試驗(yàn)產(chǎn)生了需求，以彌補(bǔ)實(shí)戰(zhàn)飛行試驗(yàn)的不足。

1.2 降本增效需求

因?qū)椩陲w行試驗(yàn)過程中具有消耗性和不可回收性，故對新技術(shù)方案和新環(huán)境條件的驗(yàn)證導(dǎo)致研制和試驗(yàn)成本的大幅增加。采用虛擬試驗(yàn)驗(yàn)證技術(shù)可有效降低研制風(fēng)險，降低設(shè)計(jì)和試驗(yàn)成本，在保證研發(fā)質(zhì)量的前提下縮短研制周期。特別是熱、力學(xué)環(huán)境條件下的產(chǎn)品設(shè)計(jì)（如紅外導(dǎo)引頭頭罩）常需通過多次反復(fù)的樣機(jī)設(shè)計(jì)、加工和性能試驗(yàn)驗(yàn)證。虛擬試驗(yàn)技術(shù)的應(yīng)用可使設(shè)計(jì)者在產(chǎn)品開發(fā)中快速設(shè)計(jì)和優(yōu)選方案，通過對功能與性能的大量反復(fù)的虛擬試驗(yàn)驗(yàn)證可及時發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)缺陷與潛在問題，不斷迅速修正設(shè)計(jì)，最大限度地保證產(chǎn)品的設(shè)計(jì)質(zhì)量和可靠性，從而顯著減少昂貴而費(fèi)時的物理樣機(jī)制造及靶場試驗(yàn)，縮短研制周期，提高產(chǎn)品生命力。

采用數(shù)值計(jì)算方法對結(jié)構(gòu)進(jìn)行動態(tài)特性分析，可將虛擬試驗(yàn)用于產(chǎn)品研究，也是一種較成熟的理論模型方法。當(dāng)虛擬試驗(yàn)接近實(shí)際的試驗(yàn)條件時，虛擬試驗(yàn)結(jié)果有較高的可靠性。

1.3 試驗(yàn)條件覆蓋性需求

導(dǎo)彈在貯存、運(yùn)輸和使用時面臨的環(huán)境十分復(fù)雜和嚴(yán)酷，如地面大氣環(huán)境（高溫、低溫、潮濕、鹽霧、淋雨等）、力學(xué)環(huán)境（振動、沖擊、過載、氣動熱等）、空間軌道環(huán)境（真空放電，真空冷熱浸，輻射等）、再入環(huán)境（高熱、著陸沖擊等），這些環(huán)境因素都可能導(dǎo)致導(dǎo)彈的零部件和組件、整機(jī)、分系統(tǒng)出現(xiàn)故障和損壞，這使用戶和生產(chǎn)者關(guān)注產(chǎn)品在上述環(huán)境中的性能、可靠性和安全性，以保證產(chǎn)品能滿意地工作，這就必須進(jìn)行環(huán)境試驗(yàn)。單依賴大量開展物理試驗(yàn)應(yīng)對新型導(dǎo)彈設(shè)計(jì)中的性能需求已不能滿足導(dǎo)彈武器系統(tǒng)發(fā)展的需要，尤其對破壞性試驗(yàn)，在控制試驗(yàn)次數(shù)的同時不發(fā)生欠試驗(yàn)或過試驗(yàn)，已成為導(dǎo)彈設(shè)計(jì)中的重要課題。另外，對超出物理試驗(yàn)范圍的試驗(yàn)，因其難度大、成本高，甚至部分極限載荷工況在地面條件無法精確模擬，更需要借助經(jīng)驗(yàn)證的可靠的分析工具，輔以必要的物理試驗(yàn)，采用虛擬試驗(yàn)技術(shù)進(jìn)行考核驗(yàn)證，如考慮舵機(jī)負(fù)載條件和全彈飛行振動耦合條件下的穩(wěn)定控制系統(tǒng)響應(yīng)分析。

虛擬試驗(yàn)是開展導(dǎo)彈型號研制過程中試驗(yàn)驗(yàn)證的一條有效途徑，它克服了由于試驗(yàn)或飛行條件限制和試驗(yàn)設(shè)備不足造成的困難，可獲得較完整的虛擬試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

2 虛擬試驗(yàn)技術(shù)發(fā)展方向

建立虛擬試驗(yàn)系統(tǒng)的目的是在導(dǎo)彈武器系統(tǒng)產(chǎn)品研制生產(chǎn)前進(jìn)行系統(tǒng)級／部件級的考慮環(huán)境條件下工作性能的全面檢驗(yàn)，對系統(tǒng)級部件抗飛行環(huán)境的能力進(jìn)行預(yù)示，為詳細(xì)設(shè)計(jì)改正提供依據(jù)。導(dǎo)彈武器系統(tǒng)虛擬試驗(yàn)的核心技術(shù)是準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型建立和利用數(shù)學(xué)模型準(zhǔn)確分析響應(yīng)特性，需要通過一定的試驗(yàn)標(biāo)定或驗(yàn)證，模型修正后還需再次的驗(yàn)證。實(shí)際上，導(dǎo)彈武器系統(tǒng)會處于或承受成千上萬種工作載荷，即使試驗(yàn)了數(shù)百次，仍有可能漏掉對某些部件有較大影響的工況，這種交替驗(yàn)證的虛擬試驗(yàn)技術(shù)仍需要建立一個中長期規(guī)劃，諸多關(guān)鍵技術(shù)還需突破，如多層次的虛擬試驗(yàn)建模、破壞層次建模、合成環(huán)境建模、噪聲模型和數(shù)據(jù)庫，以及最優(yōu)綜合評估策略等。

2.1 建立系統(tǒng)級試驗(yàn)評價手段

通過虛擬試驗(yàn)驗(yàn)證統(tǒng)一技術(shù)平臺建立，提高武器裝備整機(jī)系統(tǒng)在真實(shí)、模擬或虛擬條件下的綜合試驗(yàn)與評估能力，研究軍工產(chǎn)品在空間模擬或虛擬環(huán)境、空中飛行環(huán)境和地面綜合環(huán)境條件下的試驗(yàn)驗(yàn)證技術(shù)，形成導(dǎo)彈、火箭、衛(wèi)星等的虛擬試驗(yàn)驗(yàn)證技術(shù)應(yīng)用平臺，強(qiáng)化綜合試驗(yàn)技術(shù)基礎(chǔ)提升軍工產(chǎn)品全生命周期驗(yàn)證與評價能力。

典型導(dǎo)彈作戰(zhàn)效能評價試驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示。通過對整個作戰(zhàn)環(huán)境以及武器系統(tǒng)進(jìn)行仿真，結(jié)合外場飛行試驗(yàn)對作戰(zhàn)效能進(jìn)行評估。在此試驗(yàn)系統(tǒng)中運(yùn)用了虛擬試驗(yàn)與實(shí)物試驗(yàn)結(jié)合的方法，突破虛擬試驗(yàn)驗(yàn)證的環(huán)境構(gòu)建，被測對象與綜合環(huán)境的協(xié)調(diào)控制，虛擬試驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)的建模與驗(yàn)?zāi)＜夹g(shù)，虛擬試驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)的測試、校準(zhǔn)、分析與評估技術(shù)和虛擬試驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)的集成技術(shù)，完善軍工產(chǎn)品從研究發(fā)展到試驗(yàn)與評價的集成體系。美國F35飛機(jī)研制中，設(shè)計(jì)至飛行的試驗(yàn)采用了數(shù)字化技術(shù)，使其研制周期較F22飛機(jī)縮短了約50%，試飛、飛行架次減少了40%。F35飛機(jī)原計(jì)劃需要13架用于試飛，因采用了虛擬試驗(yàn)，真正試飛飛機(jī)是11架，且研制定型時間縮短了30%。目前，國內(nèi)也已經(jīng)開展了相關(guān)虛擬靶場和產(chǎn)品性能評估技術(shù)的研究［1－2］。

圖1 導(dǎo)彈作戰(zhàn)效能評價系統(tǒng)Fig.1 Evaluation system of missile operational effectiveness

2.2 預(yù)示和修正真實(shí)試驗(yàn)

虛擬試驗(yàn)是在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中，利用數(shù)字化模型代替實(shí)物原型，進(jìn)行產(chǎn)品性能的試驗(yàn)分析。虛擬試驗(yàn)環(huán)境是實(shí)體建模、環(huán)境建模、數(shù)字仿真、性能分析、試驗(yàn)人員的集合。因虛擬試驗(yàn)系統(tǒng)不受環(huán)境和空間規(guī)模限制，利于在設(shè)計(jì)階段對設(shè)計(jì)產(chǎn)品開展驗(yàn)證和評價。

目前，對虛擬試驗(yàn)技術(shù)在模擬飛行振動環(huán)境試驗(yàn)、模擬飛行熱環(huán)境試驗(yàn)、模擬飛行載荷環(huán)境和模擬復(fù)雜大氣環(huán)境（陣風(fēng)、雷擊）等應(yīng)用開展了研究。虛擬試驗(yàn)可實(shí)現(xiàn)對試驗(yàn)過程的記錄、重復(fù)與再現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)者、產(chǎn)品用戶在設(shè)計(jì)階段信息的互反饋，使設(shè)計(jì)者盡早發(fā)現(xiàn)并解決設(shè)計(jì)、試驗(yàn)過程中存在的潛在問題，對真實(shí)試驗(yàn)方法、結(jié)果等進(jìn)行修正，從而縮短新產(chǎn)品試驗(yàn)周期，降低試驗(yàn)費(fèi)用，提高產(chǎn)品質(zhì)量。

2.3 替代實(shí)物試驗(yàn)

導(dǎo)彈武器系統(tǒng)是一個復(fù)雜的大系統(tǒng)，其研制是一個高投入、高技術(shù)、知識密集的系統(tǒng)工程。彈體外形到制導(dǎo)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)面臨多個技術(shù)難題，為驗(yàn)證新的關(guān)鍵技術(shù)和試驗(yàn)項(xiàng)目能否達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，采用實(shí)際地面或飛行試驗(yàn)驗(yàn)證的代價非常大。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)特別是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展，復(fù)雜系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、試驗(yàn)和運(yùn)行的概念和方法有了新的突破，以高效、優(yōu)化、低成本、低風(fēng)險為目標(biāo)，將虛擬試驗(yàn)技術(shù)等先進(jìn)驗(yàn)證手段用于系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、試驗(yàn)與測試，已成為當(dāng)今武器研制的發(fā)展方向。虛擬試驗(yàn)技術(shù)屬于可控制、無破壞性、耗費(fèi)小并允許多次重復(fù)的試驗(yàn)手段。在復(fù)雜產(chǎn)品的研制過程中，虛擬試驗(yàn)不僅可作為真實(shí)試驗(yàn)的前期準(zhǔn)備工作，而且能一定程度替代傳統(tǒng)的物理試驗(yàn)，減少物理樣機(jī)制造試驗(yàn)次數(shù)，減少試驗(yàn)受場地、時間和次數(shù)的限制因素，通過虛擬試驗(yàn)可不需進(jìn)行實(shí)物測試就能準(zhǔn)確了解產(chǎn)品性能，降低實(shí)物制作和測試設(shè)備的成本。

3 虛擬試驗(yàn)典型應(yīng)用

近年來，美國波音公司建立了協(xié)同虛擬試驗(yàn)（CVT）平臺GENOA和積木式的虛擬試驗(yàn)方法，采用虛擬試驗(yàn)技術(shù)對X-37航天器設(shè)計(jì)壽命性能進(jìn)行了評估。GENOA是一多層次、多尺度復(fù)合材料結(jié)構(gòu)破壞分析仿真軟件，可對結(jié)構(gòu)進(jìn)行漸進(jìn)式損傷破壞過程模擬。在國內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了對虛擬振動環(huán)境試驗(yàn)的仿真，以及某導(dǎo)彈虛擬振動試驗(yàn)，應(yīng)用NASTEAN的隨機(jī)振動模塊，通過動力學(xué)模型建立、隨機(jī)振動仿真試驗(yàn)、試驗(yàn)與仿真分析結(jié)構(gòu)比較等步驟，進(jìn)一步驗(yàn)證了虛擬振動環(huán)境試驗(yàn)方法的可行性。

3.1 艦空導(dǎo)彈虛擬靶場

艦空導(dǎo)彈虛擬試驗(yàn)靶場是一個分布式的一體化復(fù)雜虛擬試驗(yàn)系統(tǒng)，可在虛擬的仿真環(huán)境中對艦空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的性能進(jìn)行有效的測試和評估，并根據(jù)結(jié)果給出武器系統(tǒng)的作戰(zhàn)效能。艦空導(dǎo)彈虛擬試驗(yàn)靶場支持武器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、試驗(yàn)、訓(xùn)練的全過程，主要由一體化信息系統(tǒng)、合成環(huán)境（含干擾對抗半實(shí)物仿真）、虛擬測試系統(tǒng)、仿真引擎等組成，如圖2所示。

圖2 虛擬靶場構(gòu)成Fig.2 Constitute of virtual firing range

開發(fā)的虛擬試驗(yàn)系統(tǒng)將參試產(chǎn)品轉(zhuǎn)化為虛擬樣機(jī)，通過虛擬樣機(jī)置于與實(shí)際環(huán)境高度逼近的虛擬環(huán)境中進(jìn)行各種性能試驗(yàn)，以不斷評價系統(tǒng)性能。整個試驗(yàn)過程與試驗(yàn)結(jié)果通過虛擬現(xiàn)實(shí)場景進(jìn)行人機(jī)交互，設(shè)計(jì)人員可不斷改變試驗(yàn)條件和內(nèi)容，并根據(jù)可視化的試驗(yàn)結(jié)果評價參試產(chǎn)品。

3.2 虛擬振動環(huán)境試驗(yàn)系統(tǒng)

隨著計(jì)算機(jī)、數(shù)字仿真、數(shù)字信號處理和結(jié)構(gòu)動力學(xué)分析等技術(shù)的發(fā)展，虛擬振動環(huán)境試驗(yàn)已成為一新型的試驗(yàn)仿真技術(shù)［3－5］。由于航天產(chǎn)品的精密性、昂貴性，以及振動試驗(yàn)的風(fēng)險性，部分高難度振動試驗(yàn)難以進(jìn)行。另外，增加一次振動輸入對產(chǎn)品就有不利的影響。因此，在制定和實(shí)施振動試驗(yàn)任務(wù)前，利用仿真技術(shù)完成振動試驗(yàn)和預(yù)試驗(yàn)分析有其實(shí)際應(yīng)用價值。它不僅能有助于事先了解受試產(chǎn)品在振動試驗(yàn)中的響應(yīng)特性，而且可讓試驗(yàn)設(shè)計(jì)人員對選用的試驗(yàn)設(shè)備、儀器和試驗(yàn)工裝能完成該試驗(yàn)條件下的振動試驗(yàn)，以及對振動控制點(diǎn)的選擇、試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置的合理性做到心中有數(shù)。另外，還可虛擬實(shí)現(xiàn)無法進(jìn)行地面模擬的空間動力學(xué)環(huán)境。

用PATRAN等軟件作為研究工具，通過對試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行虛擬試驗(yàn)，分析其動態(tài)力學(xué)特性，并與動態(tài)特性實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果對比，不斷完善有限元模型，對試驗(yàn)產(chǎn)品建立數(shù)值分析模型，并應(yīng)用商業(yè)軟件中的隨機(jī)振動模塊開發(fā)導(dǎo)彈虛擬振動環(huán)境試驗(yàn)的仿真（如圖3所示）。典型的虛擬試驗(yàn)過程為：建立導(dǎo)彈的動力學(xué)分析模型，通過模態(tài)試驗(yàn)進(jìn)行修正，按振動試驗(yàn)條件輸入功率譜進(jìn)行隨機(jī)振動分析，通過導(dǎo)彈虛擬振動環(huán)境試驗(yàn)的閉環(huán)控制，獲得各控制點(diǎn)的功率譜密度曲線和均方根值。該方法可作為振動試驗(yàn)前的預(yù)試驗(yàn)分析，能有效優(yōu)化試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)，預(yù)示產(chǎn)品的響應(yīng)特性和保證地面試驗(yàn)效果。

圖3 虛擬振動環(huán)境試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.3 Virtual vibration evvironment test system

3.3 虛擬風(fēng)洞試驗(yàn)

風(fēng)洞試驗(yàn)是導(dǎo)彈研制中的一個不可或缺的組成部分，但研制過程中會遇到模型制作、試驗(yàn)計(jì)劃和風(fēng)洞阻擋效應(yīng)等問題。隨著CFD技術(shù)的日益成熟，適于各種馬赫數(shù)和外形的數(shù)字化工具越來越多，計(jì)算精度也越來越高，在部分飛機(jī)、汽車設(shè)計(jì)領(lǐng)域已逐漸采用一系列的成熟軟件替代傳統(tǒng)縮比模型的風(fēng)洞試驗(yàn)，其益處是真實(shí)反映了飛行器的飛行狀態(tài)，節(jié)省了模型制作的周期和費(fèi)用，同時可對氣動噪聲等多種氣動行為進(jìn)行測量和考察，拓展了風(fēng)洞試驗(yàn)的領(lǐng)域。飛機(jī)翼面渦流如圖4所示。

圖4 飛機(jī)翼面渦流顯示Fig.4 Eddycurrent of plane wing surface

4 結(jié)束語

通過建立虛擬試驗(yàn)系統(tǒng)，可進(jìn)行系統(tǒng)級／部件級的考慮環(huán)境條件下的導(dǎo)彈工作性能的全面檢驗(yàn)，對系統(tǒng)級部件抗飛行環(huán)境的能力進(jìn)行預(yù)示，可為詳細(xì)設(shè)計(jì)改正提供依據(jù)和方向，提早發(fā)現(xiàn)不合理的試驗(yàn)設(shè)備和配置方案，減少試驗(yàn)失敗率，降低試驗(yàn)成本，并能一定程度彌補(bǔ)實(shí)物試驗(yàn)不足。

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