程 博,宋 媛*,陳欣欣,錢程遠,許 健

(1.中國航天科工集團第六研究院六〇一所 試驗共享中心,內蒙古 呼和浩特 010010;2.西北工業(yè)大學,陜西 西安 710072)

試驗測試是貫穿武器裝備全壽命周期的重要環(huán)節(jié)之一,也是評估武器裝備性能的重要手段。武器裝備的快速發(fā)展與數(shù)字化轉型,對性能試驗及其所有活動涉及的數(shù)據(jù)系統(tǒng)化、規(guī)范化和全域化獲取提出了更高的要求。傳統(tǒng)的裝備試驗以產(chǎn)品型號為對象進行實物裝備性能考核,重點關注裝備的技術性能指標。隨著新軍事理論的發(fā)展和武器裝備信息化、智能化和體系化水平不斷提升,裝備試驗測試呈現(xiàn)多維一體化發(fā)展趨勢。在以人工智能、數(shù)據(jù)工程和仿真分析等為代表的新一代信息技術的引領下,武器裝備的試驗測試方式也發(fā)生著變化,虛擬試驗技術應運而生,并在航空、航天、國防和軍事等領域取得了令人矚目的成果[1]。

作為系統(tǒng)仿真理論的一個重要分支,虛擬試驗通過數(shù)值仿真方式代替所有或部分硬件,從而達到構建試驗對象的目的,同時,基于實際標準試驗流程建立虛擬試驗環(huán)境,為預期試驗項目提供支撐,旨在使虛擬試驗效果與真實環(huán)境中所取得的效果盡可能相同。面向大量歷史試驗數(shù)據(jù),虛擬試驗系統(tǒng)建立起高逼真度的非線性仿真系統(tǒng),融合物理信息實現(xiàn)仿真驗證從定性向定量的轉變[2],并且以更加直觀的虛擬可視化方式展示試驗結果,提供實物試驗與虛擬試驗的一致性比對,挖掘物理試驗中的潛在數(shù)據(jù)價值,為深度機理分析提供更加有效的手段,最終形成可控的、可復現(xiàn)的、無破壞性的和成本低的新型試驗手段。采用虛擬試驗技術可以實現(xiàn)試驗不受場地、時間和次數(shù)的限制,其試驗過程可重復與再現(xiàn),以盡早發(fā)現(xiàn)并解決設計、試驗過程中存在的潛在問題,從而達到縮短研制試驗周期、降低試驗成本和提高發(fā)動機質量的目的[3]。因此,在虛擬試驗已成為軍工試驗與測試技術主要發(fā)展方向的大背景下,為緩解固體火箭發(fā)動機傳統(tǒng)試驗模式存在的瓶頸問題,達到縮短研制周期、彌補大型試驗設施能力不足、提升數(shù)字化試驗與測試水平等目的[4],開展固體火箭發(fā)動機虛擬試驗技術研究具有重要的理論意義和社會價值。

本文對固體火箭發(fā)動機的主要試驗測試方法、虛擬試驗總體架構及其建模驗證進行了歸納與總結,期望為科研人員在進行固體火箭發(fā)動機虛擬試驗研究時提供參考和借鑒。

1 國內外研究現(xiàn)狀

1.1 國外固體火箭發(fā)動機虛擬試驗方法

歐洲空客公司利用虛擬裝配仿真技術,將飛機設計和試制周期從4年縮短到2.5年,大幅提升了研制效率[5]。美國國防部于2018年6月宣布了“數(shù)字工程戰(zhàn)略”,旨在對機器人技術、大數(shù)據(jù)技術、人工智能技術、先進計算技術和自主系統(tǒng)技術進行整合并投入工程實踐,最終在虛擬環(huán)境中構建原型進行實驗和測試。2020年5月31日,SpaceX的獵鷹9號運載火箭成功發(fā)射。SpaceX的迅速崛起得益于以虛擬樣機和3D數(shù)字模型為基礎的虛擬技術的支持。在數(shù)字化試驗方面,自20世紀70年代開始,美國在建模仿真技術方面全面發(fā)展,基于仿真的采辦策略順利推進,為了最大程度上減少實物樣機研發(fā)的時間成本并提升工作效率,美國利用高仿真度虛擬樣機支撐裝備設計、研制和作戰(zhàn)試驗。美國的洛·馬公司在F-35戰(zhàn)斗機減少研制生產(chǎn)過程中廣泛采用虛擬試驗技術,研制周期縮短了5個月,大幅降低了成本;美海軍在2019年3月的“標準-2”導彈目標攔截試驗中,讓真實的艦載AN/SPY-1雷達被“虛擬宙斯盾”系統(tǒng)控制,并使得“虛擬宙斯盾”系統(tǒng)作為真實“宙斯盾”系統(tǒng)的數(shù)字孿生落地,從此,在實戰(zhàn)測試中“虛擬宙斯盾”可以完全替代物理實物裝備。此外,美海軍司令部“數(shù)字林肯”模型也完成開發(fā),作為數(shù)字孿生的首個模型,其可以在成品交付之前利用數(shù)字空間仿真評估解決方案,實現(xiàn)對問題的早發(fā)現(xiàn)、研制周期的縮短和成本的降低等效果。同時,美國空軍在2019年9月也提出將“數(shù)字100系列”作為下一代戰(zhàn)斗機的塑造目標,并于次年6月啟動“數(shù)字運動”,期望對信息基礎設施、模型、工具、數(shù)據(jù)和架構的發(fā)展起到促進作用[6]。

在虛擬仿真方面,20世紀90年代,美國能源部國家核安全管理局提出了高級模擬和計算(Advanced Simulation and Computing,ASC)項目。ASC項目旨在開發(fā)部署具有模擬仿真功能的計算平臺來支持能源部的國防計劃。通過對復雜、多組件系統(tǒng)的仿真模擬,可以在沒有進行核試驗的情況下,分析和預測核武器的打擊能力、安全性和可靠性[7]。1997年,美國能源部資助伊利諾伊大學成立了先進火箭仿真中心(Center for Simulation of Advanced Rocket,CSAR)。CSAR的主要目標是開發(fā)一套多物理場耦合的固體火箭發(fā)動機虛擬樣機系統(tǒng),實現(xiàn)對固體火箭發(fā)動機在正常和異常工況下進行詳細、綜合、全系統(tǒng)的仿真模擬。CASR主要包括四大研究組,分別是計算科學組、結構和材料組、燃燒和含能材料組及流體力學組。同時CASR根據(jù)項目實現(xiàn)中的特定問題建立了其他專業(yè)小組。這些小組也相繼完成了立項時的目標,為后續(xù)固體火箭發(fā)動機仿真模擬研究提供了參考[8]。例如,美國在內彈道建模計算方面已經(jīng)形成了完整的體系并形成了相關的標準,相關模型已廣泛運用到發(fā)動機工程研制中,預示精度高、通用性好[6]。主要采用模式物理參數(shù)化傾向隨機擾動(Stochastically Perturbed Parameterization,SPP)法對固體火箭發(fā)動機內彈道進行預示,該方法對兩相流、侵蝕燃燒、邊界層、噴管潛入損失、噴管喉襯燒蝕進行綜合考慮,并通過對大量不同型號發(fā)動機的試驗數(shù)據(jù)進行分析整理,采用多元回歸分析法對影響發(fā)動機內彈道性能的主要參數(shù)(燃速、燃喉比等)進行修正,得到具有通用性的固體火箭發(fā)動機一維內彈道模型,使用該模型對發(fā)動機比沖進行預示,精度可達1%[9]。美國ATK公司為航天飛機運載系統(tǒng)固體助推器研發(fā)的大型固體火箭發(fā)動機虛擬試驗平臺,基于SPP方法構建了發(fā)動機性能樣機模型,內彈道性能預示置信度可達0.95,為航天飛機的成功發(fā)射提供了可靠性保障。另外,在固體火箭發(fā)動機虛擬試驗環(huán)境構建方面,對現(xiàn)有大型固體火箭發(fā)動機試車臺架進行優(yōu)化改進,并成功運用于大型分段式固體助推器地面試車臺架(T-97 Large Motor Test Facility)的研制。目前,在其重型運載火箭固體助推器虛擬試驗綜合驗證平臺上已經(jīng)實現(xiàn)了試車臺架的虛擬化,通過虛擬試驗獲得的推力曲線與實際地面試車推力曲線相比,平均推力偏差不超過3%。在高空模擬試驗方面,擴壓器是固體火箭發(fā)動機高空模擬艙的核心組成部分,其對發(fā)動機噴管出口的高溫高速燃氣進行減速增壓直至達到外界環(huán)境大氣壓強,以此來維持高空模擬艙中的低氣壓環(huán)境。由此可見,固體火箭發(fā)動機高空模擬艙環(huán)境建模的實質就是結合發(fā)動機工作特性,建立擴壓器的氣動性能模型、傳熱模型和結構強度模型。隨著現(xiàn)代計算機技術和計算流體的發(fā)展,采用數(shù)值方法模擬求解超聲速擴壓器流場規(guī)律已得到一定應用[10]。在此基礎上,結合縮比試驗器吹風試驗數(shù)據(jù)和實際地面高空模擬試車數(shù)據(jù),構建得到的固體火箭發(fā)動機高空模擬艙擴壓器模型已成功應用于固體火箭發(fā)動機虛擬高空模擬試車中,并用于擴壓器性能分析、設計和優(yōu)化[11]中?？蒲腥藛T通常在實際高空模擬試車時在擴壓器多個部位布置相應的壓強和溫度傳感器,對不同截面的氣動性能參數(shù)和傳熱數(shù)據(jù)熱進行收集,以便對擴壓器模型進行修正[12];同時采用縮比發(fā)動機和縮比擴壓器的試驗形式對模型進行驗證,取得了良好的效果。

1.2 國內固體火箭發(fā)動機虛擬試驗方法

在數(shù)字化試驗方面,采用全機三維數(shù)字化設計、裝配的中國第一架全機數(shù)字樣機——“新飛豹”,將工程更改單從常規(guī)所需的6 000～7 000張減少至僅1 082張,在時間上僅需兩年半就成功飛天,是中國數(shù)字化的開端[5]。放眼國內研究,應小昆等為實現(xiàn)裝甲車裝配工藝的三維化,以產(chǎn)品數(shù)字化模型為基礎,進一步提出了裝甲車三維裝配工藝設計與仿真及對應可視化技術;安筱鵬和肖利華認為要想將人們的生產(chǎn)生活從物理世界遷移到數(shù)字世界,必須致力于數(shù)字化技術的研究,從生活方式拓展到生產(chǎn)方式、產(chǎn)品智能乃至創(chuàng)新方式;趙繼廣等提出建設虛擬化、數(shù)字化靶場是進一步提升作戰(zhàn)試驗條件建設水平的主要技術需求,這需要加快建模與仿真技術的研究[5-6]。當前,隨著數(shù)字化技術的飛速發(fā)展,全面依托數(shù)字化技術來加快推進試驗鑒定數(shù)字化建設,是全面構建特色先進實用試驗鑒定體系的基礎。此外,軍地良好的研究基礎提供的大量經(jīng)驗也為裝備試驗鑒定領域數(shù)字化轉型指明了方向。

在虛擬仿真方面,自20世紀70年代以來,計算機仿真技術在固體發(fā)動機研究中扮演著重要角色,它能夠輔助設計和模擬固體發(fā)動機的工作過程。21世紀以來,隨著計算機硬件性能的提升和計算流體力學的不斷發(fā)展,我國對固體發(fā)動機工作過程的數(shù)值模擬也愈發(fā)精進,從零維到多維、從不可壓到可壓、從定常到非定常、從單相到多相等方面都取得了長足的發(fā)展。除了使用Fluent、STAR-CD和ABAQUS等成熟的商業(yè)仿真軟件,國內還開發(fā)了一系列設計仿真程序和軟件,并成功用于固體火箭發(fā)動機研究當中。在虛擬試驗方面,經(jīng)過多年研究,我國在多領域構建了虛擬試驗驗證平臺,主要包括火箭全程飛行虛擬試驗驗證平臺、飛機結構強度虛擬試驗平臺和魚雷虛擬試驗平臺[13]。在實際使用過程中,以上虛擬試驗驗證平臺為開展軍工產(chǎn)品關鍵系統(tǒng)的研發(fā)提供了重要保障,為虛擬試驗驗證技術的應用研究奠定了良好基礎。結合多種試驗驗證手段,虛擬試驗驗證平臺能高效開展全系統(tǒng)性能評估和試驗驗證,并取得良好的效果。采用虛擬試驗驗證技術進行全系統(tǒng)綜合性能評價也成為當前的重要發(fā)展趨勢[14]。國內諸多單位針對固體火箭發(fā)動機的虛擬試驗進行了許多相關研究。西北工業(yè)大學基于虛擬試驗驗證使能支撐框架(Virtual Test and Evaluation Enabling Architecture,VITA)開發(fā)了小型固體試驗器虛擬試驗及發(fā)動機設計仿真平臺,能夠在發(fā)動機研制初期進行方案論證、裝藥及內彈道設計和性能預測等[15]。航天科工四十一所為了滿足自身專業(yè)需求,在多個商業(yè)仿真平臺的基礎上進行深度開發(fā),創(chuàng)建了虛擬集成設計平臺,具備發(fā)動機三維全景虛擬裝配、虛擬殼體靜力試驗、虛擬氣動加熱模擬和虛擬比對等功能[5,10]。航天科工六院六○一所建立了基于消息中間件和RTX實時操作系統(tǒng)的國內首個固體火箭發(fā)動機虛擬試驗的實時支撐平臺[16]。平臺實時通信接口對各類模型和各種功能模塊進行分類封裝,以統(tǒng)一的應用程序接口向上提供實時任務調度、實時通信、實時計算和實時設備接口[17]。在固體火箭發(fā)動機虛擬試驗環(huán)境構建與模型驗證方面,針對相關型號的固體火箭發(fā)動機進行動態(tài)力加載試驗,獲取測量系統(tǒng)的動態(tài)特性參數(shù)。將試車臺架系統(tǒng)轉化為單自由度的彈簧-質量-阻尼系統(tǒng)模型,為發(fā)動機試車推力曲線還原提供模型支持。目前,通過大量的研究,國內相關固體火箭發(fā)動機試驗單位已經(jīng)掌握了試車臺架建模的有效方法。針對幾種高空模擬發(fā)動機型號開展了相關的數(shù)值仿真,結合發(fā)動機結構特性、內彈道性能和燃氣組分對多種構型的擴壓器工作性能進行了考查,并通過實際高空模擬試車數(shù)據(jù)和風洞冷流試驗數(shù)據(jù)進行驗證,結果表明數(shù)值模擬結果與試驗結果具有很好的吻合性[18]。

1.3 對比分析

航天科工六院六○一所歷經(jīng)多期重點項目支持,已經(jīng)構建了完整的固體火箭發(fā)動機虛擬試驗基礎條件,實現(xiàn)了相應的工程化應用,形成了相關試驗體系和標準規(guī)范,凸顯出虛擬試驗在解決實際問題時的優(yōu)勢。隨著新技術、新工藝和新材料的大量使用,傳統(tǒng)的試驗模式已經(jīng)難以滿足先進固體發(fā)動機的研制需求。虛擬試驗作為一種新的試驗技術手段,擁有許多傳統(tǒng)試驗所不具有的優(yōu)勢,經(jīng)對國內外研究現(xiàn)狀的對比分析可知,固體發(fā)動機虛擬試驗技術的未來研究重點可以在以下幾個方面有所突破。

(1) 固體發(fā)動機性能樣機傳統(tǒng)物理機理仿真與數(shù)據(jù)驅動模型的融合。固體發(fā)動機在虛擬試驗研究方面一直以來重點致力于傳統(tǒng)物理機理仿真虛擬技術,還沒有完全實現(xiàn)數(shù)據(jù)驅動,大量的試驗數(shù)據(jù)缺乏深度挖掘,缺少能夠取代實物發(fā)動機且可信度較高的性能樣機。支撐性能樣機的模型種類較少,尚未形成完整體系,已有的性能樣機對單一部組件預示效果較好,綜合虛擬預示能力薄弱,未來可以通過對試驗數(shù)據(jù)的深入挖掘,構建功能完整的性能樣機模型,代替實物發(fā)動機進行各項部件級的虛擬驗證試驗、整機虛擬地面試車、整機虛擬飛行試驗和包括振動在內的多種發(fā)動機環(huán)境試驗[19],從而實現(xiàn)數(shù)字化驅動,有效利用數(shù)據(jù)中的潛在價值。

(2) 固體發(fā)動機全生命周期環(huán)境可靠性評估全域數(shù)據(jù)采集。應針對試驗全周期數(shù)據(jù)獲取不互通、不全測等問題,面向新一代固體火箭發(fā)動機性能試驗應用場景,通過對發(fā)動機全生命周期性能試驗測試領域的人員、設備、物料、方法和環(huán)境等試驗全要素有效聯(lián)接,構建多層次的測試參數(shù)集合,建立綜合一體化全域參數(shù)集合,構建完整的對應固體發(fā)動機作戰(zhàn)任務剖面的虛擬環(huán)境可靠性評估模型體系,基于全域數(shù)據(jù)融合試驗模型構建,對發(fā)動機的飛行工作性能、結構可靠性和戰(zhàn)訓環(huán)境適應性進行考核,有效實現(xiàn)虛擬試驗覆蓋領域廣泛而全面的能力。

(3) 支撐固體發(fā)動機虛擬試驗的平臺體系化建設。固體火箭發(fā)動機虛擬試驗技術經(jīng)過多年的發(fā)展,已形成一定的基礎能力,將仿真試驗“孤島”整合形成具備數(shù)據(jù)交互、時序控制、流程管理和數(shù)據(jù)庫管理等多項技術支持的固體發(fā)動機工程應用的試驗驗證平臺,是未來需要重點研究的方向[20]。其中不僅涉及軟件功能集成與數(shù)據(jù)交互共享,更需要有高性能的硬件支撐大量的計算與深度的挖掘[21],因此,支撐固體發(fā)動機虛擬試驗體系化建設是未來必不可少的發(fā)展方向。

由此,基于對虛擬試驗技術領域的對比分析,圍繞裝備試驗發(fā)展需求,更應該側重于體系化、智能化虛擬試驗技術研究,以滿足新一代先進導彈固體發(fā)動機型號研制需求,完善固體發(fā)動機設計和試驗驗證一體化研制模式,系統(tǒng)地提高環(huán)境適應性評價和可靠性提升能力,支撐武器裝備動力系統(tǒng)迭代發(fā)展。

2 虛擬試驗技術存在的問題與發(fā)展趨勢分析

隨著虛擬試驗技術研究向縱深發(fā)展,國內外均構建了武器裝備虛擬試驗基礎條件并實現(xiàn)了相應工程應用驗證。國內外虛擬試驗技術差距逐漸減小,建立的相關試驗標準規(guī)范和試驗能力在解決實際工程問題時所體現(xiàn)的優(yōu)勢愈加凸顯[22]。然而,距離建設形成完備的體系化虛擬試驗能力,尚存在較大差距。

2.1 虛擬試驗模型置信度水平相對較低,缺乏通用的數(shù)字模型評價準則和方法

如何保證數(shù)字模型與實物試驗結果的一致性,系統(tǒng)地評估數(shù)字模型的準確性和可信度,是數(shù)字化試驗過程中必須解決的關鍵問題。當前建立的虛擬試驗模型仍缺乏充分的實物試驗數(shù)據(jù)驗證,未經(jīng)過迭代優(yōu)化,模型置信度處于較低水平。此外,裝備本身的復雜性及多物理因素耦合作用,進一步增加了模型置信度評估難度,不同虛擬模型的輸出相關性分析對虛擬試驗結果的影響評估不充分,且缺乏通用的虛擬模型評價準則和方法,進一步制約模型置信度評估精度的提升。

因此,應開展虛擬模型置信度水平影響因素研究,建立虛擬模型置信度評價與統(tǒng)一定義方法,形成數(shù)字模型評價準則與指標體系,規(guī)范虛擬模型校準過程與級別,建立裝備虛擬模型校準通用方法,系統(tǒng)提升虛擬試驗的模型置信度評估水平。

2.2 虛擬試驗缺乏覆蓋全流程的標準規(guī)范體系,共性技術問題亟待解決

目前,對虛擬試驗技術的研究尚處于單因素試驗參數(shù)測試和部件級數(shù)字化試驗階段,針對不同層級形成的虛擬試驗技術平臺和樣機模型存在功能重復和接口不一等問題,尚未形成虛擬試驗全流程標準化體系規(guī)范。同時,全流程虛擬試驗的全周期定義模糊、設計參數(shù)體系復雜和虛擬異構模型交互能力不足等共性技術問題有待解決。

因此,應將仿真試驗“孤島”整合形成具備環(huán)境耦合、數(shù)據(jù)交互、時序控制、流程管理、數(shù)據(jù)挖掘等多項技術支持的固體發(fā)動機工程應用的試驗驗證平臺。實現(xiàn)接口兼容、模塊通用、平臺互聯(lián)、數(shù)據(jù)共享,是需要重點研究的方向[23-24]。

2.3 虛擬試驗由模型驅動和實物驅動向數(shù)據(jù)驅動方向發(fā)展

虛擬試驗的建模方式包括模型驅動和實物驅動。其中,模型驅動基于各種設計分析理論構建產(chǎn)品性能樣機,主要面向總體設計單位在方案論證和優(yōu)化設計階段中的正向驗證;實物驅動則基于實物試驗數(shù)據(jù)構建產(chǎn)品的性能數(shù)據(jù)模型,主要面向噴管、推進劑等部組件的性能考核和可靠性分析。實際上,試驗測試單位雖然處于武器裝備全生命周期的末端環(huán)節(jié),但在試驗驗證中卻疊加了原材料加工、設計生產(chǎn)、總裝集成等各個環(huán)節(jié)的全流程影響因素,基于這些影響因素,數(shù)據(jù)集合的數(shù)據(jù)驅動建模方式更趨向于應用實際,也更能準確反映武器裝備的實際性能。

試驗樣機模型就是將基于全周期“人、機、料、法、環(huán)、測”的全域數(shù)據(jù)模型與性能樣機仿真模型相結合,再耦合環(huán)境效應模型而形成的數(shù)據(jù)驅動模型。在虛擬試驗中,應用試驗樣機模型將全周期因素剝離,并分析量化影響關系,對發(fā)動機等產(chǎn)品的真實性能進行準確評估,在未來試驗驗證和實戰(zhàn)應用中具有尤為重要的指導作用。

2.4 虛擬試驗正由重虛擬仿真向加強虛實深度融合發(fā)展

長期以來,固體發(fā)動機虛擬試驗研究重點致力于傳統(tǒng)物理機理仿真虛擬技術。一方面,支撐性能樣機的模型種類較少,尚未形成完整體系;另一方面,已有的性能樣機對單一部組件預示效果較好,綜合虛擬預示能力薄弱。其根本原因在于,虛擬試驗尚未完全實現(xiàn)數(shù)據(jù)驅動,缺乏對與性能評估相關聯(lián)的參試人員、參試設備、參試物料、試驗方法及試驗環(huán)境等多元數(shù)據(jù)要素的深度挖掘,缺少能夠取代實物發(fā)動機且可信度較高的性能樣機。

因此,應通過充分融合物理機理、環(huán)境效應和模型數(shù)據(jù),有效挖掘數(shù)據(jù)中的潛在價值,建立基于“隱關聯(lián)”數(shù)據(jù)挖掘的試驗樣機模型,推動虛擬試驗由物理仿真-代理模型向基于數(shù)據(jù)驅動的數(shù)字化試驗演進。

3 固體火箭發(fā)動機虛擬試驗建模與校核驗證

3.1 固體火箭發(fā)動機虛擬試驗建模技術

3.1.1 虛擬樣機模型

固體火箭發(fā)動機是戰(zhàn)略、戰(zhàn)術導彈及航天飛行器的主要動力系統(tǒng)之一,通過固體裝藥在燃燒室內燃燒生成高溫燃氣,經(jīng)過具有收擴形面的噴管將燃氣熱能轉化為高速噴射的動能,從而產(chǎn)生推力,推動飛行器前進。其結構組成如圖1所示。

圖1 固體火箭發(fā)動機結構組成

固體火箭發(fā)動機性能樣機由幾何樣機、內彈道與燃燒流動性能樣機、結構性能樣機組成。其中,幾何樣機為內彈道與燃燒流動樣機提供關鍵幾何構型參數(shù),同時為結構性能樣機提供簡化的有限元模型。內彈道與燃燒流動性能樣機用于考核發(fā)動機的推力、總沖、比沖等戰(zhàn)術性能指標;結構性能樣機用于考核固體火箭發(fā)動機在熱壓載荷作用下的結構可靠性,在顛振作用下的結構完整性,在沖擊跌落作用下的安全性和低易損性等。固體火箭發(fā)動機性能樣機代表了一個完整的模型體系,體系中的每個模型都可用于考核固體火箭發(fā)動機的一項或多項技術指標,是固體火箭發(fā)動機技戰(zhàn)術性能的綜合體現(xiàn)。

固體火箭發(fā)動機結構性能樣機構建以幾何樣機建模為基礎,建立發(fā)動機固體裝藥、絕熱殼體、噴管和點火裝置等部件及整機模型,為固體火箭發(fā)動機內彈道與燃燒流動性能樣機、結構性能樣機建模提供發(fā)動機幾何結構參數(shù)。虛擬試驗性能樣機組成如圖2所示。

圖2 虛擬試驗性能樣機組成

固體火箭發(fā)動機內彈道與燃燒流動性能樣機的核心為一維內彈道性能樣機,按照發(fā)動機工作過程分為上升段模型、平衡段模型和下降段模型,一維內彈道性能樣機通過環(huán)境效應模型與環(huán)境數(shù)據(jù)進行交互,并以發(fā)動機比熱比、燃燒溫度等熱力學參數(shù)作為輸入,在平臺的控制下運行,輸出發(fā)動機推力、壓強、比沖等主要性能參數(shù)。

3.1.2 虛擬環(huán)境模型

試驗環(huán)境是固體火箭發(fā)動機虛擬試驗的核心要素之一,與固體火箭發(fā)動機性能樣機共同構成固體火箭發(fā)動機虛擬樣機。由于每種固體火箭發(fā)動機都有其特定的使用環(huán)境,因此,發(fā)動機性能的優(yōu)劣與其使用環(huán)境密不可分。在固體火箭發(fā)動機實物研制階段,為了準確掌握其性能水平,需要建立與其使用環(huán)境相符的試驗環(huán)境,開展相關試驗考核。同樣,在固體火箭發(fā)動機虛擬試驗中,也需要建立與使用環(huán)境相適應的虛擬試驗環(huán)境,對發(fā)動機開展虛擬試驗考核。虛擬環(huán)境建模方案如圖3所示。

圖3 虛擬環(huán)境建模方案

首先,根據(jù)固體火箭發(fā)動機在不同試驗中的特點,構建固體火箭發(fā)動機地面點火試車環(huán)境、高空模擬試驗環(huán)境、振動試驗環(huán)境等,用于固體火箭發(fā)動機性能樣機的虛擬地面試驗考核[25]。其次,面向固體火箭發(fā)動機飛行試驗環(huán)境建模,構建固體火箭發(fā)動機虛擬試驗大氣環(huán)境,其主要涉及氣壓、溫度和密度隨高度變化的大氣型譜等,旨在為發(fā)動機虛擬飛行試驗提供環(huán)境支撐。

3.2 固體火箭發(fā)動機虛擬試驗模型校核與驗證

3.2.1 虛實一致性評估

試驗數(shù)據(jù)一致性評估方法種類繁多,其中最常用的兩種評估方式分別是基于數(shù)值計算的一致性評估與圖形分區(qū)一致性評估。利用En值判定試驗結果是測量審核結果的基本方式[26],但該方法的前提是正確評定固體發(fā)動機虛擬試驗結果與實物試驗結果的不確定度,如果無法正確評定其不確定度,則無法使用該方法,如果單次的實物試驗無法給出參考值,則可以使用多次同一型號的實物試驗結果數(shù)據(jù)的平均值作為參考值。

(1)

式中:SVIR為固體火箭發(fā)動機虛擬試驗的試驗結果;SFACT為固體火箭發(fā)動機實物試驗的試驗結果;UVIR為固體火箭發(fā)動機虛擬試驗的試驗結果不確定度(置信水平95%);UFACT為固體火箭發(fā)動機實物試驗的試驗結果不確定度(置信水平95%)。

若En≤1,則判定試驗結果為滿意,否則判定為不滿意。

與數(shù)值計算不同,圖形分區(qū)一致性評估方式可以直觀展示數(shù)據(jù)間的一致性[27],如圖4所示,橫坐標為固體火箭發(fā)動機實物試驗結果(無量綱數(shù)據(jù)),縱坐標為虛擬試驗的預示結果(無量綱數(shù)據(jù)),并且對該點賦予特征值,例如,測試時間點、推力值、壓強值、溫度等,使其產(chǎn)生關聯(lián)。找出該加載步的最大測量值(絕對值,下同,記為Ymax),以Ymax的±10%畫出上下兩條水平線,構成一個小測量帶(稱為A區(qū)),再以Ymax的±10%畫出上下兩條45°的斜線,構成小誤差值帶(稱為B區(qū)),該區(qū)域的測量點也可以認為是一致的。使用該方法,可以直觀評估所有點[28]。

圖4 圖形分區(qū)一致性評估

3.2.2 虛擬試驗置信度評估

虛擬試驗置信度是根據(jù)實物試驗和虛擬試驗之間的差異提出的概念。由于虛擬試驗過程中有眾多因素使虛擬環(huán)境、條件和實物試驗存在偏差,所以在某種虛擬條件下的虛擬試驗結果能否達到特定的虛擬試驗目的是一個關鍵問題。這就是虛擬試驗置信度提出的原因[12,29]。

按照美國國防部建模與仿真辦公室的定義,虛擬試驗模型VV&A(Verification,Validation and Accreditation) 的含義分別如下[29-30]:

① 校核(Verification):確定虛擬試驗模型是不是準確反映了虛擬試驗模型建模的概念描述和技術規(guī)范的過程。

② 驗證(Validation):從預期應用角度確定虛擬試驗模型再現(xiàn)真實世界實物試驗準確程度的過程。

③ 確認(Accreditation):權威專家或機構對虛擬試驗模型相對于預期應用來說是否可以接受的認可。

VV&A 是貫穿整個虛擬試驗的立項、設計、開發(fā)、調試、應用和維護全生命周期的一項重要活動,自始至終都是圍繞保證和提高虛擬試驗模型可信度展開的[30]。VV&A的3個過程是相互融合的,通常情況下,校核重點關注對建模全過程的檢驗,而驗證則更加側重于對虛擬試驗結果的檢驗,確認則是在校核與驗證的基礎上,由權威機構來最終確認虛擬試驗模型對于某一特定應用是否可接受及接受程度的過程[18,31]。校核和驗證技術用于保證和提高虛擬試驗模型的正確性,而確認過程則是對虛擬試驗模型可信度做出的評價。

定性指標是評估系統(tǒng)中的重要組成部分,專家打分的方式是對這些定性指標進行評價的方式之一,正確、客觀的專家分數(shù)可以準確評價虛擬試驗模型。由Dempster和Shafer共同完成的D-S證據(jù)理論可以用來綜合專家意見[31-32]。另外,灰色系統(tǒng)理論以灰色關聯(lián)空間為基礎,以灰色模型為主體,適合解決灰色系統(tǒng),即信息不完全的系統(tǒng)的問題[33]。其中,灰色模型通過生成函數(shù)的方式對數(shù)據(jù)進行處理后,擬合生成數(shù)列所符合的函數(shù)關系,預測得到拓展的生成數(shù)列,再還原得到預測的原始數(shù)列,不同的生成函數(shù)具有不同的功能和用途。在某一指標下,可以使用灰色關聯(lián)比較仿真數(shù)據(jù)與不同評價等級的標準數(shù)據(jù)間的不確定關聯(lián)度,用以獲得對其可信度的評價。

4 結束語

通過對固體火箭發(fā)動機的主要試驗測試方法、虛擬試驗基礎架構及其關鍵數(shù)據(jù)信息進行歸納與總結,為科研人員在進行固體火箭發(fā)動機虛擬試驗研究時提供參考和借鑒。圍繞“天地一致性、試戰(zhàn)一致性、試訓一致性”試驗驗證需求,面向海量歷史試驗數(shù)據(jù)和待采全域數(shù)據(jù),未來虛擬試驗技術將物理信息數(shù)據(jù)融合于高置信度的模型系統(tǒng),用試驗樣機模型從模型和數(shù)據(jù)兩個維度精確評估武器裝備性能,通過深入挖掘物理試驗中的潛在數(shù)據(jù)價值,揭示關聯(lián)因素對性能評估的影響規(guī)律,為深度機理分析提供更加有效的試驗驗證手段,形成由虛擬試驗到設計優(yōu)化再到實物試驗的設計驗證一體化模式。

通過全面推進系統(tǒng)級虛擬試驗工程應用拓展,打通數(shù)字虛體與物理實體之間的壁壘,在提升試驗的充分性的同時,極大地減少了發(fā)動機實物試驗子樣,實現(xiàn)“以數(shù)補實”“以數(shù)預實”,為武器裝備性能評估和試驗反演復現(xiàn)提供全網(wǎng)一體、全時在線、全維評估的試驗技術支撐。