張波

摘要：近20年來，美國航空工業(yè)界十分關(guān)注美國國家航空航天局（NASA）應(yīng)該維持怎樣的風(fēng)洞群。按照時(shí)間順序?qū)ο嚓P(guān)討論的研究梳理出三種測試需求的預(yù)測方法?；谟脩粜枨笳{(diào)查的需求預(yù)測方法最為直接，但是其客觀性和準(zhǔn)確性容易受到受訪對象自身立場和經(jīng)驗(yàn)水平的制約;基于模擬仿真的預(yù)測方法有望將不確定性因素納入考慮，得到比平均值更有意義的區(qū)間估計(jì)，基于功能替代的預(yù)測方法實(shí)現(xiàn)了功能與需求的對接，有利于統(tǒng)籌和調(diào)度風(fēng)洞的使用.后兩種預(yù)測方法都需要扎實(shí)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：風(fēng)洞;測試需求;預(yù)測方法;航空工業(yè);模擬仿真

中圖分類號：V216.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼A

風(fēng)洞試驗(yàn)是氣動(dòng)特性數(shù)據(jù)的重要來源，風(fēng)洞群是航空航天工業(yè)的重要基礎(chǔ)設(shè)施，由于其昂貴的造價(jià)和運(yùn)營成本，使得建設(shè)部門必須謹(jǐn)慎地在使用需求與建設(shè)規(guī)模之間尋求平衡。這就需要對風(fēng)洞試驗(yàn)需求進(jìn)行比較準(zhǔn)確的預(yù)測。美國國家航空航天局（NASA）在這方面開展了一些研究，相關(guān)做法和經(jīng)驗(yàn)對于國內(nèi)航空工業(yè)而言，具有十分重要的借鑒意義。

冷戰(zhàn)結(jié)束后，美國航空工業(yè)新型號數(shù)量越來越少。據(jù)蘭德公司的統(tǒng)計(jì)[1]，從20世紀(jì)50年代到80年代，美國航空工業(yè)實(shí)現(xiàn)首飛的新機(jī)型從55種迅速減少為不到10種。與此同時(shí)，美國在航空科研方面的投入也大幅度降低。從1998年起，NASA每年的航空科研經(jīng)費(fèi)投入總額呈現(xiàn)出長期下降趨勢[2]。上述變化導(dǎo)致NASA風(fēng)洞的年使用時(shí)數(shù)也呈現(xiàn)出明顯的遞減趨勢。NASA 2010年的研究表明[3]，從2003年到2011年，參與航空測試計(jì)劃（Aeronautics Test Program，ATP）風(fēng)洞的年使用時(shí)數(shù)（UserOccupancy Hours，UOHs）從大約28000h減少到大約9000h，降幅高達(dá)68%。面臨著封存、關(guān)閉冗余科研設(shè)施的巨大壓力[4]，NASA需要認(rèn)真地思考，未來對它們還有多少實(shí)際需求，現(xiàn)有的設(shè)施能否滿足需要，以及應(yīng)該怎樣進(jìn)行補(bǔ)充或調(diào)整。在這方面，美國的相關(guān)研究經(jīng)歷了從統(tǒng)計(jì)到預(yù)測、從局部到整體的發(fā)展過程。

1 基于用戶需求調(diào)查的風(fēng)洞使用需求預(yù)測

2006年，美國正式頒布了《國家航空研發(fā)政策》[5]。該政策制定了指導(dǎo)美國2020年前航空科技研發(fā)的原則和目標(biāo)，明確了政府各部門在其中的職責(zé)和任務(wù)，并要求NASA、國防部、聯(lián)邦航空局（FAA）等部門在國家科技委員會(huì)（NSTC）的協(xié)調(diào)下共同制訂《國家航空研發(fā)與相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)劃》。

NSTC下屬的航空科學(xué)和技術(shù)子委會(huì)（ASTS）專門負(fù)責(zé)組織制定上述《國家航空研發(fā)與相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)劃》。為配合ASTS開展工作，美國航空航天協(xié)會(huì)（AIAA）下屬的地面測試技術(shù)委員會(huì)（GTTC）專門成立了工業(yè)航空測試設(shè)施工作組，就大型地面試驗(yàn)設(shè)施（主要是風(fēng)洞）戰(zhàn)略發(fā)展問題聽取工業(yè)界的意見，以便于為NASA和國防部等運(yùn)營大型地面試驗(yàn)設(shè)施的機(jī)構(gòu)制訂相關(guān)戰(zhàn)略計(jì)劃提供參考。

工作組的成員本身來自美國各大航空制造企業(yè)，他們大多數(shù)都是部門主管，并且在產(chǎn)品研發(fā)、測試等領(lǐng)域積累了非常豐富的經(jīng)驗(yàn)，這使得他們可以從所在企業(yè)的產(chǎn)品和技術(shù)發(fā)展的兩個(gè)角度，比較權(quán)威和專業(yè)地提出未來的風(fēng)洞測試需求。工作組在梳理既往風(fēng)洞使用情況的基礎(chǔ)之上，結(jié)合企業(yè)未來的產(chǎn)品和技術(shù)發(fā)展需求，預(yù)測了未來5年（2008-2013）的風(fēng)洞使用需求[6]。由于風(fēng)洞測試需求具有十分顯著的波動(dòng)性，工作組的預(yù)測值采用了5年平均值的形式，結(jié)果見表1。

不難看出，工作組的預(yù)測方法是一種基于用戶需求調(diào)查的統(tǒng)計(jì)方法。這種方法的優(yōu)點(diǎn)主要是直截了當(dāng)，但是其可信度取決于許多主觀因素，如受訪者是否全面掌握了相關(guān)信息，在做出基于上述信息的判斷時(shí)是否秉承了客觀公正的立場，以及個(gè)人經(jīng)驗(yàn)與客觀實(shí)際的符合程度等。由于上述主觀因素的存在，預(yù)測結(jié)果的可信度無法得到有效地佐證。

此外，即使可以排除上述各種主觀因素的不利影響，由于受訪者基于經(jīng)驗(yàn)的預(yù)測過程不是透明的，一旦外部情況發(fā)生變化，就需要費(fèi)時(shí)、費(fèi)力地重新召集相關(guān)專家重新預(yù)測，不便于根據(jù)情勢變化及時(shí)更新預(yù)測結(jié)果。

2 基于模擬仿真的風(fēng)洞使用需求預(yù)測

蘭德公司提出的基于蒙特卡羅模擬仿真的風(fēng)洞使用需求預(yù)測模型[7，8]可以較好地克服前述方法的不足?；诟怕视?jì)算的仿真模型能夠充分地將風(fēng)洞使用需求預(yù)測過程中所面臨的兩大類不確定因素納人考慮范圍，并且其預(yù)測的結(jié)果是更有意義的、設(shè)定置信度下的區(qū)間估計(jì)。

風(fēng)洞使用需求預(yù)測面臨來自管理層和技術(shù)層的兩大類不確定因素。來自管理層的不確定因素主要有：一是重大項(xiàng)目最終實(shí)施的可能性，以及項(xiàng)目啟動(dòng)的確切時(shí)間;二是這些項(xiàng)目具體包含的內(nèi)容（不同的項(xiàng)目通常需要不同的風(fēng)洞設(shè)施）。技術(shù)層不確定因素主要表現(xiàn)為測試時(shí)間受到技術(shù)方案的影響。

蘭德公司將上述兩類不確定因素分別加以考慮。對于管理層的不確定因素，通過政府、軍方和主承包商的高層領(lǐng)導(dǎo)預(yù)判未來重大型號項(xiàng)目的開展情況來量化。例如，通過調(diào)研上述高層人物，可以預(yù)計(jì)未來10年中需要風(fēng)洞試驗(yàn)的型號項(xiàng)目和科研活動(dòng)的啟動(dòng)時(shí)間和實(shí)施概率。對于技術(shù)層的不確定因素，可以通過專業(yè)技術(shù)人員的技術(shù)分析和相關(guān)研發(fā)活動(dòng)的歷史統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來量化。美國航空航天協(xié)會(huì)（AIAA）發(fā)布的092-2-2003號標(biāo)準(zhǔn)中列出了各類風(fēng)洞測試時(shí)間的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)[9]，見表2。

蘭德公司認(rèn)為，這種將風(fēng)洞測試需求分析的不確定性劃分為“管理層不確定性”和“技術(shù)層不確定性”的做法有以下好處：

（1）有利于高層管理人員和具體的技術(shù)人員分別對不確定性的概率做出估計(jì)。

（2）有利于按照不同的周期來對兩種不確定性的大小進(jìn)行更新。其中，“管理層不確定性”每年一次;“技術(shù)層不確定性”每5年一次。

（3）可以通過改變“管理層不確定性”來做測試需求的敏感性分析，為高層決策人員提供決策支持。

值得說明的是，AIAA提供的風(fēng)洞測試時(shí)間統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)中只有部分?jǐn)?shù)據(jù)被按照“低速”和“高速”分別給出，其他數(shù)據(jù)對此未加區(qū)分。對于這些沒有針對速度細(xì)分的數(shù)據(jù)，蘭德公司采取了“低速”與“高速”平分的做法，并且“高速”試驗(yàn)的時(shí)間還進(jìn)一步等分為“跨聲速”和“超聲速”的試驗(yàn)時(shí)間。見表3，對于一個(gè)發(fā)展/驗(yàn)證階段的超聲速戰(zhàn)斗機(jī)項(xiàng)目而言，它對風(fēng)洞測試的總需求等于（250，3500）+[（300，1000）+（800，1000）+（500，1500）+（2500，5000）+（500，2000）+（500，1000）]/2=（2800，9250），其中超聲速和跨聲速的測試需求各占一半。

在確定了重大項(xiàng)目是否以及何時(shí)實(shí)施，以及各種不同類型的項(xiàng)目對風(fēng)洞試驗(yàn)需求的統(tǒng)計(jì)模型后，可以得到表3所示的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為蒙特卡羅仿真模擬提供輸入條件。模擬仿真的結(jié)果如圖1所示（模擬次數(shù)設(shè)為50000次）?？梢钥闯?，各年測試時(shí)間的95%置信區(qū)間上限通常都會(huì)明顯地高于平均值?？梢?，如果完全按照平均值來確定建設(shè)規(guī)模將有可能面臨規(guī)模不足的困境。

可以看出，與基于用戶需求調(diào)查的預(yù)測方法相比，基于模擬仿真預(yù)測方法大大減少了對專家經(jīng)驗(yàn)的依賴，預(yù)測的依據(jù)和過程都比較透明，在客觀性和科學(xué)性上優(yōu)勢十分明顯。此外，由于它能夠給出指定置信度下的區(qū)間估計(jì)，可以為建設(shè)規(guī)模的風(fēng)險(xiǎn)分析提供有力的支持。

但是，基于模擬仿真的預(yù)測方法工作量較大。一方面它需要設(shè)施運(yùn)行管理單位事先地做好相關(guān)使用數(shù)據(jù)的記錄、整理和積累工作;另一方面也需要在預(yù)測過程中對于上述大量基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行細(xì)致深人的統(tǒng)計(jì)分析，建立起相應(yīng)的統(tǒng)計(jì)模型。

3 基于功能替代的風(fēng)洞使用器求預(yù)測

在減少冗余，縮減風(fēng)洞設(shè)施規(guī)模的努力中，蘭德公司發(fā)現(xiàn)了基于設(shè)施來預(yù)測未來需求的弊端，提出了基于功能替代的風(fēng)洞使用需求預(yù)測模型[10]。蘭德公司指出，以往在風(fēng)洞測試需求的預(yù)測中忽視了許多風(fēng)洞在功能上有所重疊并可相互替代的事實(shí)，容易導(dǎo)致產(chǎn)生各種風(fēng)洞都必須保留的假象。為此，應(yīng)當(dāng)在基于設(shè)施提出需求預(yù)測的基礎(chǔ)之上，對這些需求按照測試功能重新匯總，得到基于功能的需求測試。蘭德公司搭建了風(fēng)洞未來需求框架（Future NeedsFramework，F(xiàn)NF），將NASA基于設(shè)施的需求預(yù)測轉(zhuǎn)換為基于功能的需求預(yù)測。

FNF模型包含兩大基本的模塊：設(shè)施/功能映射表和設(shè)施功能用量表。其中，設(shè)施/功能映射表按照不同的風(fēng)洞測試目的（功能）對NASA現(xiàn)有的各種風(fēng)洞設(shè)施進(jìn)行了梳理，表4展示了蘭德公司對NASA亞聲速風(fēng)洞的梳理情況。

設(shè)施功能用量表是在設(shè)施/功能映射表的基礎(chǔ)之上建立的，它反映了各風(fēng)洞中各種測試的用時(shí)比例，表5展示了NASA亞聲速風(fēng)洞的設(shè)施功能用量。蘭德公司認(rèn)為該表中各種測試的用時(shí)比例并非一成不變，它需要根據(jù)實(shí)際使用情況的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行定期更新。

借助于設(shè)施功能用量表，可以將基于設(shè)施的需求預(yù)測轉(zhuǎn)換為基于能力的需求預(yù)測。例如，假設(shè)某年格倫冰瓣同、蘭利3.6m常壓實(shí)驗(yàn)室、蘭利4.3m×6.7m常壓風(fēng)洞三個(gè)風(fēng)洞的需求預(yù)測分別為1000h、1500h和2000h，那么可以推算出該年對大型常壓類風(fēng)洞測試需求的總量為1000×10%+1500×100%+2000×80%=3200h。

將來自不同機(jī)構(gòu)或方法的基于設(shè)施的需求預(yù)測通過FNF模型轉(zhuǎn)換為基于能力的風(fēng)洞使用需求預(yù)測后，可以得到不同的結(jié)果，由此可以分析得到不同能力需求預(yù)測的最小值、平均值和最大值，見表6。

按照測試功能的分類，將不同風(fēng)洞的可用測試時(shí)間和上述預(yù)測的結(jié)果疊加到一起，可以清晰地看出各類風(fēng)洞測試的可用測試時(shí)間是否滿足未來的測試需求，為滿足這些需求需要哪些風(fēng)洞，以及各風(fēng)洞的過剩能力。如圖2所示，可以看出NASA的亞聲速風(fēng)洞可以滿足自身未來所有的使用需求，而且除了大型常壓風(fēng)洞試驗(yàn)有可能需要使用蘭利的4.3m×6.7m常壓風(fēng)洞和3.6m常壓實(shí)驗(yàn)室兩個(gè)風(fēng)洞以外，其余的試驗(yàn)都可通過一個(gè)風(fēng)洞予以保障。此外，格倫2.7m×4.6m常壓推進(jìn)風(fēng)洞的剩余能力較多，推進(jìn)集成和氣流模擬試驗(yàn)所需的測試時(shí)間（最多大約600h）僅僅占其可用測試時(shí)間（將近3600h）的17%。對于它過剩的能力，最好的用途是用于開展近場聲學(xué)方面的試驗(yàn)，從而緩解蘭利4.3m×6.7m常壓風(fēng)洞可能面臨的巨大壓力。

蘭德公司提出的FNF模型打破了基于設(shè)施預(yù)測需求的傳統(tǒng)思路，可以為統(tǒng)籌設(shè)施建設(shè)、科學(xué)調(diào)度設(shè)施使用提供一定的支持。不過，這種方法在把基于設(shè)施的使用需求轉(zhuǎn)換為基于能力的使用需求時(shí)，完全依賴歷史統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來做概率性劃分的做法需要大量歷史統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的支持，對于新技術(shù)需求驅(qū)動(dòng)下建設(shè)的新設(shè)施，這種方法并不適用。

4 結(jié)束語

能力建設(shè)需求預(yù)測是保障航空科技工業(yè)發(fā)展的重要工作。科學(xué)的能力建設(shè)需求預(yù)測是提高能力建設(shè)效率，優(yōu)化能力組成，充分發(fā)揮現(xiàn)有能力效能的重要手段，應(yīng)當(dāng)?shù)玫礁叨鹊闹匾暋?/p>

在上述三種需求預(yù)測的方法中，基于用戶需求調(diào)查的需求預(yù)測力祛最為直接，并且依然是一種常用的方法。但是，這種方法的客觀性和準(zhǔn)確性容易受到受訪對象的立場和經(jīng)驗(yàn)水平的制約。另外，當(dāng)涉及到的受訪對象數(shù)量較多時(shí)，這種方法實(shí)施的難度較大。此外，對于需要定期更新的需求預(yù)測而言，容易發(fā)生受訪對象更替而引入“系統(tǒng)誤差”的問題。

利用概率模型將多種不確定性因素納入需求預(yù)測模型，可以降低對專家和管理層意見的依賴程度，可以給出更有意義的區(qū)間估計(jì)，因此預(yù)測的透明度、客觀性和科學(xué)性都明顯地優(yōu)于基于用戶需求調(diào)查的預(yù)測方法，值得深人的研究和推廣。這種方法需要大量的歷史統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來構(gòu)建概率模型，因此，需要建立完善的統(tǒng)計(jì)制度，開展大量的日常統(tǒng)計(jì)和分析工作。

航空科研設(shè)施建設(shè)，使用的成本高、規(guī)模過于龐大將會(huì)給國家和企業(yè)帶來沉重的負(fù)擔(dān)，不利于行業(yè)的持續(xù)發(fā)展。在能力規(guī)劃建設(shè)的過程中，要做好統(tǒng)籌規(guī)劃和建設(shè)工作，盡可能地避免能力冗余和過度的重疊。為此，應(yīng)當(dāng)建立起以功能分類為基礎(chǔ)的設(shè)施使用預(yù)測和統(tǒng)計(jì)工作，以此來分析建設(shè)需求。

參考文獻(xiàn)

[1]Ant6nP，GrittonE，MesicR，etal.Wind tunnel andpropulsion testfacilities：An assessment ofNASA's capabilities to serve nationalneeds[M].SantaMonica，California：RANDCorporation，2004.

[2]Committee on the Assessment ofNASALaboratory Capabilities.Capabilities for the future：An assessment of NASA laboratoriesforbasicresearch[M].Washington D.C.：TheNationalAcademesPress，2010.

[3]Marshall T.An overview of the NASA aeronautics testprogram strategic plan[DB/OL].（2017-12-20）.http：//ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntts.nasa.gov/20100019560.pdf.

[4]Melanson M，Chang M，Baker W.Wind tunnel testing's future：avision of the next generation of wind tunnel test requirements andfacilities[C]//48th AIAA Aerospace Sciences MeetingIncluding New Horizons Forum and Aerospace Exposition，Orlando，F(xiàn)lorida，2010.

[5]National Science and Technology Council.National aeronauticsresearch and development policy[DB/OL].（2018-8-30）.http：//www.nasa.gov/pdf/293693main national aeronautics rd-policy_dec 2006.pdf

[6]AIAA Ground Test Technical Committee.Infrastructurerecommendations for implementation of executive order 13419national aeronautics research and development[R].A]AAGround Test Technical Committee，2008.

[7]Ohlandt C，Ant6n P，Kallimani J，et al.Monte Carlo model ofnational wind-tunnel demand[C]//49th AIAA AerospaceSciences Meeting including the New Horizons Forum andAerospace，Orlando，F(xiàn)lorida，2011.

[8]Kallimani J，Ohlandt C，Osburg J.Long-term estimates of U.S.natinnai wind tunnel demand for NASA Aernnimitics TestProgram《ATP）using a probabilistic model[C]//50th AIAAAerospace Science Meeting]ncluding the New HorizonsForum and Aerospace Exposition，Nashville，Tennessee，2012.

[9]A1AA.Standard 092-3-2003 Wind tunnel testing part2二practitioner's volume[S].Reston，VA：AIAA，2003.

[10]Kallimani J，Ohlandt C，Anton P，et al.Future test needs of U.S.national wind tunnels for NASAs aeronautics test program：anapproach for mapping ground test facility usage projectionsinto capability projections[C]//49th AlAA AerospaceSciences Meeting including the New Horizons Forum andAerospace，Orlando，F(xiàn)lorida Exposition，2011.