Walt Silva的工作并非研發(fā)一種技術(shù)以大幅加速飛機(jī)計(jì)算建模過(guò)程。不過(guò)，美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）的研究人員做到了這一點(diǎn)。在過(guò)去的20年中，一種用于模擬飛機(jī)飛行狀況的虛擬風(fēng)洞應(yīng)用的計(jì)算機(jī)軟件——計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD），在設(shè)計(jì)和測(cè)試新飛機(jī)時(shí)變得越來(lái)越重要。但即使是超級(jí)計(jì)算機(jī)，有時(shí)也需要數(shù)周才能解決這些要求極其苛刻的復(fù)雜場(chǎng)景問(wèn)題。

“你需要一張非常大的網(wǎng)格系統(tǒng)來(lái)捕捉機(jī)翼上及機(jī)翼周?chē)l(fā)生的一切情況，例如，現(xiàn)場(chǎng)布置一百萬(wàn)個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)，而這些網(wǎng)格點(diǎn)就是你要解決的上百萬(wàn)個(gè)方程式”，Silva解釋道。即使數(shù)目如此龐大的網(wǎng)格點(diǎn)及其涉及的計(jì)算工作，其復(fù)雜性與氣動(dòng)彈性力學(xué)的復(fù)雜性相比也不能相提并論。而氣動(dòng)彈性力學(xué)正是Silva在蘭利研究中心專(zhuān)門(mén)研究的領(lǐng)域。雖然大多數(shù)空氣動(dòng)力學(xué)計(jì)算都假設(shè)存在一架剛性飛行器，而正如Silva所說(shuō)，“一切物體都具有彈性彎曲的特性”，所以，氣動(dòng)彈性力學(xué)就主要是研究空氣動(dòng)力與飛行器結(jié)構(gòu)之間的相互作用，以及這些物體之間空氣如何流動(dòng)。

▲氣動(dòng)彈性力學(xué)工程師Walt Silva檢查了在蘭利研究中心跨音速動(dòng)力學(xué)風(fēng)洞進(jìn)行測(cè)試的飛機(jī)模型。Silva構(gòu)建了ROM軟件模型，該軟件提高了飛行器計(jì)算建模的速度，減小了費(fèi)用昂貴的風(fēng)洞試驗(yàn)需求

Silva及其團(tuán)隊(duì)主要對(duì)空氣動(dòng)力如何影響結(jié)構(gòu)（空氣流動(dòng)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)振動(dòng)或彎曲的程度），以及結(jié)構(gòu)彎曲又將如何影響空氣動(dòng)力進(jìn)行模擬和計(jì)算。這兩個(gè)因素還將形成一個(gè)反饋環(huán)路，其間的相互作用通常會(huì)安全地逐步衰減。但在某些情況下，反饋環(huán)路也會(huì)增強(qiáng)， “如果反饋增強(qiáng)得不到控制，就會(huì)發(fā)生顫振，從而導(dǎo)致飛行器結(jié)構(gòu)破壞”，他表示。發(fā)現(xiàn)顫振意味著工程師必須對(duì)飛行器有關(guān)方面進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，或者對(duì)飛行器安全飛行的條件進(jìn)行重新設(shè)定。

對(duì)氣動(dòng)彈性進(jìn)行全面分析，需要對(duì)不同飛行條件下的運(yùn)行方程進(jìn)行反復(fù)計(jì)算?！凹僭O(shè)飛行器以100ft/s的速度飛行，我們需要花費(fèi)一周時(shí)間進(jìn)行氣動(dòng)彈性分析，才有可能找到以100ft/s速度飛行的飛行器的穩(wěn)定狀態(tài)條件。”然后，當(dāng)飛行器速度為200ft/s時(shí)，研究人員又需要重新進(jìn)行模擬仿真運(yùn)算?！斑@仍需要一周時(shí)間。我們發(fā)現(xiàn)，飛行器以200ft/s的速度飛行時(shí)，振蕩有所增加?！痹谶@一案例中，“我們僅僅用了兩周時(shí)間就找出了顫振失穩(wěn)的速度。即便如此，我們只是弄清楚了穩(wěn)定或不穩(wěn)定的速度情況，對(duì)于飛行器其他的全面情況，我們還是沒(méi)有掌握”， Silva表示。他認(rèn)為一定有辦法加快研究速度。他說(shuō)得完全正確，結(jié)果證明，重要發(fā)現(xiàn)來(lái)自于他在與計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)無(wú)關(guān)的領(lǐng)域所取得的經(jīng)驗(yàn)?！叭绻覐囊婚_(kāi)始就一直專(zhuān)注于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD），我不確定我還會(huì)不會(huì)想到這個(gè)點(diǎn)子?！?/p>

Silva大約在20年前首次提出了如何簡(jiǎn)化顫振建模的想法。但此想法與他當(dāng)時(shí)的實(shí)際工作不完全相關(guān)，這項(xiàng)工作在幾年里并沒(méi)有取得太大進(jìn)展；這期間，他還不得不面對(duì)那些認(rèn)為該解決方案永遠(yuǎn)不會(huì)奏效的反對(duì)者?！皠?chuàng)新就是這樣，只有你將所有細(xì)節(jié)工作都安排妥當(dāng)，才能證明創(chuàng)新是有效的”，他說(shuō)。這一想法終于在21世紀(jì)初得以實(shí)現(xiàn)， Silva最終在2008年申請(qǐng)了專(zhuān)利并于2011年獲得批準(zhǔn)?！爱?dāng)想法變得逐漸清晰時(shí)，我也有了重大的新的發(fā)現(xiàn)”，他說(shuō)。3年后， Silva的研究工作被授予NASA年度發(fā)明獎(jiǎng)優(yōu)秀獎(jiǎng)，Silva本人也獲得了NASA頒發(fā)的美國(guó)航空航天貢獻(xiàn)獎(jiǎng)。

NASA充分利用了Silva的創(chuàng)新技術(shù)，包括對(duì)終止使用的Ares Crew運(yùn)載火箭進(jìn)行前期氣動(dòng)彈性分析，以及近期對(duì)其進(jìn)行的超音速下弦配置分析；通過(guò)這些分析，快速評(píng)估了該飛行器結(jié)構(gòu)的安全性?，F(xiàn)在，在問(wèn)世20年后，該產(chǎn)品開(kāi)始推廣應(yīng)用到NASA之外的領(lǐng)域，包括波音公司及多家小型公司的商業(yè)部門(mén)中，例如，位于阿拉巴馬州的亨茨維爾CFD研究公司（CFDRC）。創(chuàng)新就是如此，“你必須對(duì)著它，研究、研究、再研究，當(dāng)你感到疲倦了、沮喪了、憤怒了和焦慮了，那么就回過(guò)頭去再研究”，Silva說(shuō)。

該軟件創(chuàng)建了結(jié)構(gòu)物體的簡(jiǎn)化版本，使用了一種被稱(chēng)為系統(tǒng)辨識(shí)的數(shù)學(xué)工具，而系統(tǒng)辨識(shí)方法往往用于結(jié)構(gòu)件或那些涉及飛行動(dòng)力學(xué)的物體?！爱?dāng)我應(yīng)用系統(tǒng)辨識(shí)方法時(shí)，我能夠獲得一些特殊信息，而這些信息能夠幫助我構(gòu)建一個(gè)簡(jiǎn)化的空氣動(dòng)力學(xué)模型”，Silva解釋說(shuō)。該模型中只有大約100個(gè)或不到100個(gè)有序的網(wǎng)格點(diǎn)，而非原有的一百萬(wàn)個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)。建模過(guò)程可能需要幾個(gè)小時(shí)，但模型會(huì)讓其余的工作完成得更便捷。“現(xiàn)在我把這個(gè)模型安裝在我的筆記本電腦上，這里，我并不需要超級(jí)計(jì)算機(jī)，然后將速度改為100ft/s，模型會(huì)在幾秒鐘內(nèi)就運(yùn)行完畢”，他說(shuō)。“再將速度改為200ft/s，然后就觀察到了顫振現(xiàn)象。以前花兩個(gè)星期完成的工作，而現(xiàn)在只需要一到兩天。

Silva將該軟件命名為“降階模型（ROM）”。他表示，ROM軟件為研究者提供的信息雖然不能與運(yùn)行一套完整的CFD模型所獲得的信息完全等同，但“該模型可以讓你捕獲90%的關(guān)鍵信息”，并且能夠確定哪些是需要進(jìn)一步開(kāi)展研究的特定區(qū)域?！叭绻铱偣灿?0個(gè)方案，而15個(gè)方案是常用的。那么，我就可以將我的資源集中用于另外幾個(gè)最具挑戰(zhàn)性的方案中”，Silva說(shuō)。

在與NASA阿姆斯特朗飛行研究中心合作開(kāi)展的X-56A MUTT研究項(xiàng)目中，亨茨維爾CFD研究公司（CFDRC）率先使用了降階建模軟件包，用其替代了多功能技術(shù)試驗(yàn)臺(tái)。“為了提高燃油效率，我們希望開(kāi)發(fā)具有超大翼展的飛行器”，CFDRC公司高級(jí)技術(shù)經(jīng)理Yi Wang解釋道。這些機(jī)翼由輕質(zhì)復(fù)合材料制成，易于彎曲，這也意味著其顫振問(wèn)題是一個(gè)棘手的問(wèn)題。“ROM軟件則讓整個(gè)工作輕松自如”，Wang說(shuō)?！皵?shù)據(jù)分析往往需要數(shù)天和數(shù)周時(shí)間，而使用了Silva提供的這個(gè)軟件，一旦ROM開(kāi)始運(yùn)行起來(lái)，我們?cè)趲追昼娭畠?nèi)就能預(yù)測(cè)出顫振?！?/p>

CFDRC公司還將該軟件用于與美國(guó)空軍簽訂的一個(gè)小型企業(yè)創(chuàng)新研究合同中；該合同項(xiàng)目是“Digital Twin”項(xiàng)目的一部分，旨在創(chuàng)建一個(gè)用于測(cè)試航天運(yùn)載器的計(jì)算機(jī)模型，而該模型實(shí)際上將通過(guò)計(jì)算機(jī)執(zhí)行與真實(shí)飛行器相同的任務(wù)。該模型將預(yù)測(cè)飛行器所承受的各種力和載荷，因此，空軍可以根據(jù)飛機(jī)在執(zhí)行特定機(jī)動(dòng)任務(wù)和飛行任務(wù)中所發(fā)生的實(shí)際磨損情況制定其維修計(jì)劃，而不是按照既定的計(jì)劃進(jìn)行預(yù)防性維護(hù)。這不僅可以降低整個(gè)機(jī)隊(duì)的維修成本，還可以確定哪些飛行器需要維修，從而提高整個(gè)機(jī)隊(duì)的安全性。

CFDRC公司為ROM軟件制定了更大的計(jì)劃。Wang介紹說(shuō)，CFDRC公司采用與ROM軟件相同的技術(shù)，并對(duì)其進(jìn)行了擴(kuò)展應(yīng)用，該軟件模型不僅能分析一個(gè)給定速度和高度下的飛行器情況，還能分析整個(gè)飛行階段飛行器所經(jīng)歷的諸多條件下的各種情況?！癝ilva在構(gòu)建這個(gè)軟件模型時(shí)，也為后續(xù)的擴(kuò)展應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)”，Wang說(shuō)，他的同事團(tuán)隊(duì)也正在開(kāi)展有關(guān)ROM軟件的后續(xù)研究工作。Silva也表示，CFDRC公司目前所做的工作也正是他發(fā)布ROM軟件時(shí)所預(yù)期的?！邦澱駟?wèn)題是ROM軟件研發(fā)的起源。按照ROM軟件的研究方法和過(guò)程，ROM軟件還會(huì)擴(kuò)展出其他應(yīng)用程序?！?/p>