楊思鋒，段 娜，張登攀，朱子環(huán)，李 斌

(北京航天試驗(yàn)技術(shù)研究所，北京 100074)

0 引言

液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)由于試驗(yàn)費(fèi)用大、研制周期長(zhǎng)、事故破壞面大等特點(diǎn)，一直存在試驗(yàn)樣本少、極限工況參數(shù)測(cè)不全、測(cè)不到等問(wèn)題，影響了發(fā)動(dòng)機(jī)性能的有效評(píng)估，制約了發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品的快速高可靠性交付。國(guó)外航天單位廣泛采用虛擬試驗(yàn)與仿真驗(yàn)證技術(shù)，應(yīng)用到試驗(yàn)的各個(gè)階段，預(yù)測(cè)評(píng)估物理試驗(yàn)性能特征，也可以模擬極限工況和故障模式，在一定程度上簡(jiǎn)化、減少、甚至替代傳統(tǒng)的物理試驗(yàn)。

虛擬試驗(yàn)是系統(tǒng)仿真理論的一支，指的是采用數(shù)值模擬手段代替部分或全部硬件來(lái)建立虛擬的試驗(yàn)對(duì)象，在各種虛擬試驗(yàn)環(huán)境中試驗(yàn)者按照真實(shí)標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)流程完成各種預(yù)定的試驗(yàn)項(xiàng)目，使所取得的試驗(yàn)效果接近或等價(jià)于在真實(shí)環(huán)境中所取得的效果。虛擬試驗(yàn)系統(tǒng)通過(guò)高逼真度的仿真模型的建立和歷史試驗(yàn)數(shù)據(jù)的深度利用，使一些復(fù)雜系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)的仿真驗(yàn)證從定性向定量轉(zhuǎn)變，并以物理現(xiàn)象的形式展現(xiàn)系統(tǒng)模型仿真結(jié)果，更加直觀地表現(xiàn)物理試驗(yàn)與仿真結(jié)果的對(duì)比，為復(fù)雜物理現(xiàn)象的機(jī)理分析提供有效手段。

因此，為了滿足現(xiàn)代液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)研制需求，彌補(bǔ)真實(shí)試驗(yàn)與單純數(shù)值計(jì)算的不足，液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域越來(lái)越多的研究單位采用虛擬試驗(yàn)及驗(yàn)證技術(shù)，并以工程平臺(tái)的形式進(jìn)行了推廣應(yīng)用，對(duì)輔助真實(shí)試驗(yàn)，優(yōu)化試驗(yàn)流程管理和資源配置，縮短研制周期、降低研制成本和風(fēng)險(xiǎn)有顯著意義。

1 國(guó)內(nèi)外研究應(yīng)用綜述

1.1 國(guó)外方面

1.1.1 噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的IVTB

集成虛擬試驗(yàn)平臺(tái)IVTB (integrated virtual test bed)于2002年研發(fā)完成，部署在噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室，其目的是支持第二代可重復(fù)性運(yùn)載器項(xiàng)目的功能性表征和驗(yàn)證。IVTB可以被用來(lái)進(jìn)行運(yùn)載器及其部件的地面試驗(yàn)，任務(wù)設(shè)想試驗(yàn)。X—34RLV的推進(jìn)系統(tǒng)為它的初次試驗(yàn)，整個(gè)系統(tǒng)是由若干子系統(tǒng)組成，相互獨(dú)立又相互聯(lián)系，采用模塊化模型作為其仿真基礎(chǔ)，預(yù)測(cè)各種不同操作模式下的動(dòng)態(tài)特性，分析傳感器測(cè)量對(duì)試驗(yàn)精度的影響。IVTB是系統(tǒng)集成和試驗(yàn)設(shè)施。對(duì)第二代可重復(fù)性運(yùn)載器項(xiàng)目來(lái)說(shuō)，IVTB提供了類(lèi)似飛行的實(shí)時(shí)和非實(shí)時(shí)環(huán)境去模擬集成操作和客戶端評(píng)估、定義運(yùn)載器框架下的操作(見(jiàn)圖1)。

圖1 實(shí)際試驗(yàn)與虛擬試驗(yàn)中的客戶端系統(tǒng)(物理客戶端和仿真客戶端)Fig.1 Client system of actual test and virtual test(physical client & simulation client)

如圖1所示，實(shí)際試驗(yàn)和虛擬試驗(yàn)中的客戶端系統(tǒng)和子系統(tǒng)健康管理構(gòu)架中，子系統(tǒng)都將產(chǎn)生大量連續(xù)的物理參數(shù)(例如:溫度、壓力、流量)。虛擬試驗(yàn)系統(tǒng)客戶端不是實(shí)時(shí)系統(tǒng)，而是要提前于真實(shí)試驗(yàn)，反饋各種故障傳感器數(shù)據(jù)流對(duì)硬件系統(tǒng)的影響。每一個(gè)假設(shè)的執(zhí)行過(guò)程是把一個(gè)子系統(tǒng)輸出的物理量，在下一個(gè)步長(zhǎng)提供給另一子系統(tǒng)作為輸入量。總之，IVTB豐富了試驗(yàn)臺(tái)集成仿真和分析能力，使系統(tǒng)能夠檢測(cè)異常狀態(tài)，確定異常原因及其影響，預(yù)測(cè)未來(lái)的異常趨勢(shì)，并給使用者(可以是操作者、用戶或管理者)提供一個(gè)綜合的系統(tǒng)信息。

1.1.2 肯尼迪空間中心的VTB

2003年，美國(guó)NASA的肯尼迪空間中心進(jìn)行了虛擬試驗(yàn)平臺(tái)VTB的開(kāi)發(fā)研制，主要是開(kāi)發(fā)一種計(jì)算機(jī)的協(xié)作環(huán)境，這樣仿真模型就可以集合到一個(gè)無(wú)縫模式中。這個(gè)協(xié)作的計(jì)算機(jī)環(huán)境重點(diǎn)是操作模型，主框架是仿真、數(shù)據(jù)庫(kù)、管理系統(tǒng)的集成。

其設(shè)計(jì)的VTB主要技術(shù)特征有:

1)基于網(wǎng)絡(luò)。VTB必須可以使用網(wǎng)絡(luò)資源，可以保證其分布特性，滿足不同區(qū)域應(yīng)用的需求。

2)即插即用。模型應(yīng)該能夠隨時(shí)被使用，不用復(fù)雜的連接與重寫(xiě)。

3)不同模型無(wú)縫集成。VTB應(yīng)該能夠支持模型增長(zhǎng)，模型又是有所不同的，例如:①基于物理和化學(xué)現(xiàn)象的非線性第一原則模型;②分析穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)輸入/輸出數(shù)據(jù)的線性回歸模型;③專家預(yù)測(cè)的模糊數(shù)學(xué)模型;④神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型;⑤離散事件模型。

4)多模型。不同部件的不同過(guò)程需要用多模型描述。

5)假設(shè)引擎。假設(shè)可以表征一些特殊情況。

6)可擴(kuò)展知識(shí)存儲(chǔ)。數(shù)據(jù)庫(kù)和知識(shí)庫(kù)要有處理大量數(shù)據(jù)、聲音、圖片、音頻等的能力，另外，還要有在不同形式的知識(shí)集成能力。

7)靈活的建模環(huán)境。為了滿足VTB的建模需求，必須可以允許建立請(qǐng)求和各種假設(shè)。

8)實(shí)時(shí)環(huán)境。實(shí)時(shí)仿真和決策需要實(shí)時(shí)環(huán)境，尤其是需要實(shí)時(shí)基線和快速反饋。

9)安全層。架構(gòu)、密碼、IP地址和軟件模塊的設(shè)計(jì)都要提供不同等級(jí)的安全要求。

10)集成圖形環(huán)境。虛擬試驗(yàn)結(jié)果需要智能化的可視化表征。用戶應(yīng)該可以用不同媒介和方式查看結(jié)果?？梢暬h(huán)境通過(guò)虛擬請(qǐng)求語(yǔ)言(VQLs)集成。

11)控制應(yīng)用邏輯的獨(dú)立性/架構(gòu)。VTB架構(gòu)里的各個(gè)知識(shí)塊是獨(dú)立的。這樣各個(gè)軟件模塊的維護(hù)和評(píng)估可以容易實(shí)施。

1.1.3 馬歇爾空間飛行中心的ROCETS

馬歇爾空間飛行中心MSFC聯(lián)合普惠公司、劉易斯研究中心、斯坦尼斯空間中心共同開(kāi)發(fā)、校驗(yàn)和應(yīng)用的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)仿真系統(tǒng)(ROCETS)。1989年開(kāi)始應(yīng)用至今，是最早將模塊化建模思想應(yīng)用到液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域。ROCETS采用模塊化建模仿真思想，將發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)中依照工作原理的不同劃分出幾大類(lèi)模型模板，并依據(jù)系統(tǒng)組成生成系統(tǒng)模型。這樣使程序不再局限于特定的發(fā)動(dòng)機(jī)形式，具有很強(qiáng)的適應(yīng)性、靈活性和通用性。系統(tǒng)庫(kù)有上百系統(tǒng)、組件、運(yùn)行過(guò)程模型，每個(gè)模型都通過(guò)百次以上飛行或試驗(yàn)臺(tái)熱試數(shù)據(jù)校驗(yàn)和修正過(guò)。其建立了瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)兩類(lèi)模型，可進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)的靜、動(dòng)態(tài)過(guò)程的仿真，應(yīng)用案例很多，包括普惠公司研制的上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)RL10系列、SSC試驗(yàn)臺(tái)、X—34主推進(jìn)系統(tǒng)、核熱推進(jìn)等等。

此外ROCETS系統(tǒng)的另一個(gè)顯著特點(diǎn)就是并不局限于發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的仿真，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的適應(yīng)性修改還可用于其他領(lǐng)域。當(dāng)前ROCETS系統(tǒng)的改進(jìn)版本已經(jīng)比較廣泛的應(yīng)用到了NASA的液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)以及增壓輸送系統(tǒng)的研制中。

1.1.4 格林研究中心的PITEX和NPSS

推進(jìn)系統(tǒng)IVHM技術(shù)試驗(yàn)(propulsion IVHM technology experiment,PITEX)隸屬于SLI項(xiàng)目(空間發(fā)射主動(dòng)性項(xiàng)目)，由格林研究中心主要研發(fā)。其系統(tǒng)框架包括遙測(cè)遠(yuǎn)程輸入系統(tǒng)、監(jiān)視系統(tǒng)、實(shí)時(shí)交互、仿真系統(tǒng)、結(jié)果輸出系統(tǒng)和地面過(guò)程單元。同時(shí)，為開(kāi)發(fā)和測(cè)試診斷系統(tǒng)，虛擬推進(jìn)系統(tǒng)提供仿真數(shù)據(jù)支持。

為了校核和驗(yàn)證診斷軟件，在推進(jìn)系統(tǒng)并沒(méi)有真的進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)試驗(yàn)的情況下，虛擬推進(jìn)系統(tǒng)作為一個(gè)支持部件，提供了X—34主推進(jìn)系統(tǒng)的物理原型的仿真數(shù)據(jù)。仿真模型提供X—34主推進(jìn)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)狀態(tài)的仿真，可以仿真許多非穩(wěn)態(tài)假設(shè)(包括:閥門(mén)黏著或打開(kāi)、閥門(mén)自發(fā)關(guān)閉或打開(kāi)、減壓器失效、傳感器失效等)。這一部件包括在不同操作模式下的各種物理模型的行為預(yù)測(cè)(例如:推進(jìn)劑調(diào)節(jié)和泄出)。這些模式產(chǎn)生了不同的參數(shù)和樣本率的輸出文件。在虛擬推進(jìn)系統(tǒng)部件里有著各種類(lèi)似飛行狀態(tài)的數(shù)據(jù)集。這些輸出數(shù)據(jù)與傳感器進(jìn)行對(duì)應(yīng)，并應(yīng)用隨機(jī)噪聲對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，插入離散信號(hào)(例如:命令和開(kāi)關(guān)指示)。最后的數(shù)據(jù)集以二進(jìn)制文件格式存儲(chǔ)，并且包含記錄文件內(nèi)容和時(shí)間的頭信息。

1.1.5 斯坦尼斯中心的RPTA和IVHM

斯坦尼斯中心SSC開(kāi)發(fā)和特制了試驗(yàn)設(shè)備的流體系統(tǒng)分析工具——火箭推進(jìn)試驗(yàn)分析系統(tǒng)(rocket propulsion test analysis,RPTA)，目的是在試驗(yàn)生命周期中提供可理解的推進(jìn)系統(tǒng)熱動(dòng)力建模和試驗(yàn)仿真。這些工具被用來(lái)預(yù)測(cè)推進(jìn)系統(tǒng)的行為，該技術(shù)轉(zhuǎn)化為有活力的試驗(yàn)?zāi)芰Α＜稍O(shè)施仿真分析可以從本質(zhì)上為試驗(yàn)臺(tái)節(jié)約成本，合理安排各項(xiàng)進(jìn)度，提高效率，同時(shí)完成知識(shí)獲取和累積，為未來(lái)試驗(yàn)工程的生命周期管理提供分析工具。SSC的RPTA在模型和CFD能力的發(fā)展，保障了高精度的試驗(yàn)工程推進(jìn)系統(tǒng)需求分析，以及在工程生命周期的早期開(kāi)展相關(guān)試驗(yàn)設(shè)施設(shè)計(jì)和操作。

同時(shí)，NASA斯坦尼斯航天中心(Stennis Space Center)、NASA埃姆斯研究中心(Ames Research Center)和普惠公司(Pratt & Whitney Rocketdyne)以A—1試驗(yàn)臺(tái)和J—2X發(fā)動(dòng)機(jī)為中心實(shí)施IVHM的核心功能(見(jiàn)圖2)，包括異常檢測(cè)和基于故障模式與影響分析(FMEA)方法的要因分析，最終由用戶界面來(lái)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)臺(tái)與發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的工作狀況。演示系統(tǒng)在J—2X發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試過(guò)程中驗(yàn)證了IVHM 系統(tǒng)的有效性。同時(shí)，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與實(shí)施方法采用模塊化的方法，允許系統(tǒng)性地增加新的程序模塊來(lái)擴(kuò)展IVHM的功能。IVHM在該項(xiàng)目中被用于斯坦尼斯航天中心的試驗(yàn)臺(tái)，在A—1試驗(yàn)臺(tái)的IVHM系統(tǒng)包括底層傳感器和頂層健康管理系統(tǒng)。以燃料供應(yīng)系統(tǒng)為例，IVHM監(jiān)控推進(jìn)劑、氧化劑加注以及工藝系統(tǒng)的吹洗的壓力狀態(tài)，傳感器向智能處理層提供處理過(guò)的數(shù)據(jù)信息，由IVHM來(lái)評(píng)估傳感器的情況，并通過(guò)智能算法處理諸如壓力過(guò)高、泄露、壓力消失、破裂、腐蝕、剝落、漂移、磨損、噪聲等異常過(guò)程狀態(tài)，進(jìn)一步?jīng)Q定系統(tǒng)的管理決策。

圖2 試驗(yàn)臺(tái)應(yīng)用案例Fig.2 Application case of test bed

2.1.6 俄羅斯科學(xué)試驗(yàn)中心的ЛОГОС и ЛЭГАК—ДК

俄羅斯火箭宇航科學(xué)試驗(yàn)中心等國(guó)家企業(yè)實(shí)施了“用于新型火箭宇航系統(tǒng)試驗(yàn)的基于超級(jí)計(jì)算機(jī)的信息技術(shù)”研究項(xiàng)目。其目的是研制與實(shí)施基于超級(jí)計(jì)算機(jī)的虛擬設(shè)計(jì)和計(jì)算機(jī)建模，以便制造和試驗(yàn)新型火箭航天器，并提高其可靠性、質(zhì)量和技術(shù)經(jīng)濟(jì)性。建設(shè)了超級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，研發(fā)了ЛОГОС и ЛЭГАК—ДК軟件。

建造新型火箭航天系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)模型包括火箭航天器部件的虛擬模型。重點(diǎn)是:

1)液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)部件虛擬模型；

2)“試驗(yàn)臺(tái)—發(fā)動(dòng)機(jī)”系統(tǒng)虛擬模型；

3)運(yùn)載火箭虛擬模型。

與之前采用商用軟件相比，應(yīng)用此軟件在超級(jí)計(jì)算機(jī)上對(duì)火箭擾流過(guò)程進(jìn)行建?？梢垣@取更多的氣動(dòng)信息量和預(yù)測(cè)能力，可以優(yōu)化試驗(yàn)規(guī)劃階段的試驗(yàn)過(guò)程，從而大幅減少真實(shí)試驗(yàn)高空模擬試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)РД0146數(shù)量。借助模型庫(kù)對(duì)“發(fā)動(dòng)機(jī)—試驗(yàn)臺(tái)”系統(tǒng)中承載最大的部件的臨界狀態(tài)進(jìn)行建模，可以確定所允許的參數(shù)極限，從而完善事故自動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)的算法，進(jìn)而火箭航天器提高試驗(yàn)安全性。

1.1.7 德國(guó)DLR中心的GESSP

德國(guó)空間技術(shù)研究院推進(jìn)分部DLR中心在20世紀(jì)90年代發(fā)展了一種用于液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)分析的標(biāo)準(zhǔn)組件方法，即從預(yù)先定義的標(biāo)準(zhǔn)組件庫(kù)中選擇組件模型搭建一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)的仿真模型。該建模方法已成功用于模擬采用低溫推進(jìn)劑的航天飛機(jī)主發(fā)動(dòng)機(jī)(SSME)，使用液氧煤油的RD—120發(fā)動(dòng)機(jī)以及一個(gè)三組元發(fā)動(dòng)機(jī)。該研究院的Hagen—D.Sabnick等發(fā)展了模擬低溫推進(jìn)劑火箭發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程的數(shù)學(xué)模型。利用這個(gè)模型可以近似地描述這一類(lèi)發(fā)動(dòng)機(jī)的有關(guān)啟動(dòng)和關(guān)機(jī)過(guò)程的動(dòng)態(tài)性能。使用上述方法對(duì)氫管道的預(yù)冷充填過(guò)程，氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)過(guò)程，液氧供給管路的關(guān)閉過(guò)程中的低溫推進(jìn)劑流動(dòng)特性，閥門(mén)開(kāi)關(guān)時(shí)序，渦輪泵特性等進(jìn)行了計(jì)算和分析。所得結(jié)果能較好地反映各個(gè)過(guò)程的重要特征，但在數(shù)值精度上與試驗(yàn)數(shù)據(jù)仍有差距。

1.1.8 日本Kakuda空間推進(jìn)中心的REDS

日本Kakuda空間推進(jìn)中心開(kāi)發(fā)了用于仿真LE—7A發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)關(guān)機(jī)瞬變過(guò)程的REDS程序(rocket engine dynamic simulator)，該程序采用了有限單元交錯(cuò)網(wǎng)格方法對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)組部件進(jìn)行仿真，已經(jīng)成功應(yīng)用于日本氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品研制，并推廣應(yīng)用到了其他發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)的研制與試驗(yàn)。

1.1.9 法國(guó)宇航局的CARINS

法國(guó)宇航局的CARINS液體火箭推進(jìn)系統(tǒng)瞬態(tài)特性仿真軟件，其特點(diǎn)是可用于預(yù)測(cè)液體火箭推進(jìn)系統(tǒng)時(shí)域頻域特性(啟動(dòng)和關(guān)機(jī)特性、充填過(guò)程、工作點(diǎn)變化等過(guò)程)，界面友好、擁有模型庫(kù)和模型自動(dòng)生成器AMG，可擴(kuò)展、具有通用性和系統(tǒng)組織能力。

CARINS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括三方面:其一就是界面友好的圖形化用戶接口；其二就是模型庫(kù)，它們是依據(jù)能量和力學(xué)原理以數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)的形式加以體現(xiàn)；其三就是模型自動(dòng)生成器(AMG)。工程人員可以在CARINS的GUI界面上構(gòu)建他所需要仿真的系統(tǒng)，并在該界面上對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行賦值或者確定屬性等操作。在完成建模后，計(jì)算機(jī)代數(shù)系統(tǒng)CAS就會(huì)對(duì)方案進(jìn)行分析，以確定一組優(yōu)化方程，然后自動(dòng)生成該系統(tǒng)的基于Fortran語(yǔ)言的仿真系統(tǒng)。仿真的最后一步就是自動(dòng)生成該仿真系統(tǒng)的優(yōu)化后代碼，然后該代碼和常微分求解器鏈接對(duì)整個(gè)系統(tǒng)求解。已比較完整的應(yīng)用到了Ariane4第三級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)HM7B的動(dòng)態(tài)仿真上，該發(fā)動(dòng)機(jī)目前也已應(yīng)用到了Ariane5 ESC—A上。利用CARINS得到的仿真結(jié)果同熱試數(shù)據(jù)相當(dāng)接近。另外，從CARINS的仿真原理上來(lái)看，它的應(yīng)用范圍并不局限于發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，而是可以進(jìn)行擴(kuò)展，具有通用性和系統(tǒng)組織能力。

此外，法國(guó)IMAGINE公司開(kāi)發(fā)的高級(jí)工程系統(tǒng)仿真建模環(huán)境AMESim是一個(gè)綜合性仿真平臺(tái)，具有標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化和圖形化的二次開(kāi)發(fā)平臺(tái)AMESet，具有適合各個(gè)層次用戶使用的多種建模方式，具有與其他軟件(Matlab、Adams等)連接的接口，并且實(shí)現(xiàn)了多學(xué)科領(lǐng)域的建模與仿真，為火箭發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)建模與仿真提供了一個(gè)開(kāi)放平臺(tái)，適用范圍廣。

綜上，國(guó)外主流液發(fā)研制試驗(yàn)機(jī)構(gòu)、其虛擬試驗(yàn)與仿真平臺(tái)產(chǎn)品和功能描述如表1所示。

表1 國(guó)外平臺(tái)研究現(xiàn)狀對(duì)比分析

1.2 國(guó)內(nèi)方面

各國(guó)都將虛擬試驗(yàn)技術(shù)視為國(guó)防體系的核心技術(shù)之一，國(guó)內(nèi)尚處于起步階段，相關(guān)的研究和應(yīng)用還很少，和國(guó)外先進(jìn)的技術(shù)比較還相當(dāng)不成熟，因此，在我國(guó)液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域開(kāi)展虛擬試驗(yàn)技術(shù)的研究還是一個(gè)全新的課題。

1.2.1 航天一院的VITA

基于VITA的綜合試驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)項(xiàng)目，開(kāi)發(fā)了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的綜合試驗(yàn)框架VITA，VITA主要完成兩方面的工作，一是以復(fù)雜軍工產(chǎn)品為研究對(duì)象開(kāi)展 “虛實(shí)結(jié)合”的試驗(yàn)驗(yàn)證共性需求，突破了中間件技術(shù)、試驗(yàn)對(duì)象模型生成技術(shù)、合成環(huán)境模擬技術(shù)、試驗(yàn)資源管理技術(shù)和試驗(yàn)過(guò)程可視化技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)，形成一個(gè)支持多種試驗(yàn)領(lǐng)域虛擬試驗(yàn)的計(jì)算機(jī)物理架構(gòu)環(huán)境；另一方面針對(duì)研究對(duì)象的試驗(yàn)應(yīng)用提出了基于其基本計(jì)算機(jī)物理構(gòu)架環(huán)境的聯(lián)合仿真試驗(yàn)，例如動(dòng)力系統(tǒng)與控制系統(tǒng)的聯(lián)合仿真，既保證時(shí)序的統(tǒng)一一致、又保證動(dòng)力性能參數(shù)的有效控制傳遞。同時(shí)實(shí)現(xiàn)真實(shí)試驗(yàn)與仿真數(shù)據(jù)的比對(duì)。

1.2.2 國(guó)防科大的LRETMMS

國(guó)防科大的發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)過(guò)程模塊化建模與仿真軟件(LRETMMS)針對(duì)新一代發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)特性進(jìn)行了仿真建模。提出了一種可以表征元件模塊和模塊連接信息的矩陣,以及組件模塊聯(lián)合仿真計(jì)算。軟件采用C++語(yǔ)言編寫(xiě)而成，可以應(yīng)用到大型氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)和液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)仿真。采用了起源于德國(guó)的模塊化仿真方法，自開(kāi)發(fā)成功以來(lái)已經(jīng)在我國(guó)液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)研制中發(fā)揮了重要作用。LRETMMS軟件采用圖3所示的結(jié)構(gòu)，其模型庫(kù)由事先劃分好的21個(gè)組件模型組成，沒(méi)有模型自動(dòng)生成和頁(yè)面前置添加功能。因此該軟件在針對(duì)不同類(lèi)型液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行仿真時(shí)需要改進(jìn)其模型庫(kù)。

圖3 LRETMMS軟件架構(gòu)Fig.3 Software architecture of LRETMMS

1.2.3 北京航天試驗(yàn)技術(shù)研究所的GSim

北京航天試驗(yàn)技術(shù)研究所在模塊化仿真方向開(kāi)發(fā)了液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的通用仿真軟件GSim。軟件系統(tǒng)由六大部分組成，如圖4所示。模型添加單元和代碼生成單元是本軟件的核心部分，可以實(shí)現(xiàn)模型單元的動(dòng)態(tài)添加和可視化界面內(nèi)的代碼調(diào)試，大大降低了發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)仿真人員對(duì)計(jì)算機(jī)編程的基礎(chǔ)儲(chǔ)備和工作量。已經(jīng)應(yīng)用本仿真軟件及元件的模型類(lèi)庫(kù)對(duì)液氧煤油補(bǔ)燃循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)、姿軌控動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行了仿真研究，仿真得到的參數(shù)變化趨勢(shì)和過(guò)渡時(shí)間與試車(chē)結(jié)果是基本一致的。

圖4 軟件結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Sketch map of software architecture

2 技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)虛擬試驗(yàn)與仿真驗(yàn)證技術(shù)的應(yīng)用分析，可以從成熟案例中總結(jié)推斷出未來(lái)本領(lǐng)域技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

1)系統(tǒng)模型模塊化與可擴(kuò)充性，仿真模型的應(yīng)用性與模塊的完備性都亟需高耦合性和獨(dú)立性的模型建立。模型自動(dòng)生成器增強(qiáng)了軟件的應(yīng)用范圍，且仿真模型為多模型狀態(tài)，一維模型中增加流場(chǎng)等耦合仿真等。

2)更高標(biāo)準(zhǔn)的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性。高準(zhǔn)確性的仿真模型是虛擬試驗(yàn)開(kāi)展基礎(chǔ)，更高準(zhǔn)確度保證更大應(yīng)用價(jià)值。實(shí)時(shí)性是保證仿真與實(shí)物同步執(zhí)行取得更好的應(yīng)用效果的必要條件。

3)虛擬試驗(yàn)平臺(tái)的集成性和智能化。液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)虛擬試驗(yàn)研究?jī)?nèi)容涉及多個(gè)領(lǐng)域，如仿真模型、數(shù)據(jù)庫(kù)、可視化、人機(jī)交互、工作流、信息化等，滿足各項(xiàng)功能模塊之間數(shù)據(jù)傳遞的需求。無(wú)論是對(duì)數(shù)據(jù)、模型、知識(shí)的集成管理與應(yīng)用，還是對(duì)設(shè)計(jì)、仿真、分析功能技術(shù)的應(yīng)用都需要高效綜合應(yīng)用環(huán)境并融入智能算法，支撐快速高可靠的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)國(guó)內(nèi)外虛擬試驗(yàn)仿真平臺(tái)調(diào)研，總體研究應(yīng)用情況總結(jié)如下:

1)國(guó)外的液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)仿真工作覆蓋面廣、可信度高，從系統(tǒng)級(jí)到部件級(jí)的全工作過(guò)程都可以實(shí)時(shí)精準(zhǔn)模擬，所有模型都經(jīng)過(guò)了真實(shí)試車(chē)或飛行數(shù)據(jù)的校驗(yàn)和修正，這是整個(gè)虛擬試驗(yàn)技術(shù)的核心和基礎(chǔ)。

2)國(guó)外的虛擬試驗(yàn)平臺(tái)多由試驗(yàn)研究機(jī)構(gòu)和設(shè)計(jì)單位共同實(shí)施，由發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)單位提供產(chǎn)品模型，應(yīng)用平臺(tái)首先應(yīng)用在試驗(yàn)臺(tái)設(shè)備上，研制校準(zhǔn)成熟后再推廣應(yīng)用到飛行器上，同時(shí)，其平臺(tái)產(chǎn)品應(yīng)用度高，仿真產(chǎn)品能夠與真實(shí)試驗(yàn)并行執(zhí)行，實(shí)現(xiàn)了在線異常數(shù)據(jù)診斷、本因分析與措施建議。

3)每個(gè)研究機(jī)構(gòu)都有自己知識(shí)產(chǎn)權(quán)的仿真平臺(tái)，且其仿真技術(shù)已經(jīng)作為其一項(xiàng)重要試驗(yàn)?zāi)芰M(jìn)行建設(shè)，其軟件產(chǎn)品均具有可擴(kuò)展、可移植等特點(diǎn)。

鑒于液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)虛擬試驗(yàn)與仿真驗(yàn)證技術(shù)在國(guó)外相關(guān)領(lǐng)域的成功應(yīng)用與技術(shù)引領(lǐng)需求，我國(guó)在現(xiàn)有工作的基礎(chǔ)上要適時(shí)開(kāi)展:

1)更精細(xì)的模型校準(zhǔn)工作，對(duì)自主研發(fā)的發(fā)動(dòng)機(jī)和試驗(yàn)臺(tái)各關(guān)鍵部件機(jī)理更深入研究，需要大量實(shí)物試驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)提供支持。

2)加強(qiáng)數(shù)據(jù)有效性評(píng)估，并建設(shè)新型測(cè)試手段，用更多更準(zhǔn)確的測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)關(guān)鍵數(shù)學(xué)模型參數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)。

3)與物理試驗(yàn)臺(tái)一比一對(duì)應(yīng)的虛擬試驗(yàn)平臺(tái)重點(diǎn)建設(shè)其無(wú)縫接口環(huán)境、通用模型和共享數(shù)據(jù)平臺(tái)。