計算機(jī)模擬仿真技術(shù)在航空航天中的應(yīng)用

1、計算機(jī)模擬仿真技術(shù)在航空航天中的應(yīng)用在本文開篇，我先粗略介紹一下計算機(jī)仿真模擬技術(shù)。計算機(jī)仿真是應(yīng)用電子計算機(jī)對系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能和行為以及參與系統(tǒng)控制的 人的思維過程和行為進(jìn)行動態(tài)性比較逼真的模仿。它是一種描述性技術(shù)，是一種定量 分析方法。通過建立某一過程和某一系統(tǒng)的模式，來描述該過程或該系統(tǒng)，然后用一 系列有目的、有條件的計算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)來刻畫系統(tǒng)的特征，從而得出數(shù)量指標(biāo)，為決 策者提供有關(guān)這一過程或系統(tǒng)得定量分析結(jié)果，作為決策的理論依據(jù)。（選自百度百科計算機(jī)仿真摘要）仿真是對現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的某一層次抽象屬性的模仿。人們利用這樣的模型進(jìn)行試驗(yàn)，從中得到所需的信息，然后幫助人們對現(xiàn)實(shí)世界的某一層次的問

2、題做出決策。仿真是 一個相對概念，任何逼真的仿真都只能是對真實(shí)系統(tǒng)某些屬性的逼近。仿真是有層次 的，既要針對所欲處理的客觀系統(tǒng)的問題，又要針對提出處理者的需求層次，否則很 難評價一個仿真系統(tǒng)的優(yōu)劣。（選自百度百科）計算機(jī)仿真模擬的原理是依靠計算機(jī)的迭代運(yùn)算， 所以這是一門依靠計算機(jī)技術(shù)所衍生的一門有著實(shí)際意 義的學(xué)科，它與我們的生活息息相關(guān)。計算機(jī)仿真模擬技 術(shù)在科學(xué)技術(shù)、軍事、國民經(jīng)濟(jì)、汽車、電子行業(yè)、體育、 交通運(yùn)輸、金融、管理、航空航天方面都有廣泛的應(yīng)用。 它的研究范圍小到原子，大到宇宙，可以說在現(xiàn)實(shí)生活中 應(yīng)用極為廣泛。傳統(tǒng)的仿真方法是一個迭代過程，即針對實(shí)際系統(tǒng)某一層次的特性（過程）

3、，抽象出一個模型，然后假設(shè)態(tài)勢（輸入），進(jìn)行試驗(yàn)，由試驗(yàn)者判讀輸出結(jié)果和 驗(yàn)證模型，根據(jù)判斷的情況來修改模型和有關(guān)的參數(shù)。 如此迭代地進(jìn)行，直到認(rèn)為這個模型已滿足試驗(yàn)者對 客觀系統(tǒng)的某一層次的仿真目的為止。模型對系統(tǒng)某一層次特性的抽象描述包括：系統(tǒng)的組成；各組成部分之間的靜 態(tài)、動態(tài)、邏輯關(guān)系；在某些輸入條件下系統(tǒng)的輸出響應(yīng)等。根據(jù)系統(tǒng)模型狀態(tài)變量變化的特征 ，又可把系統(tǒng)模型分為：連續(xù)系統(tǒng)模型一一狀態(tài)變量是連續(xù)變化的；離散（事件）系統(tǒng)模型 一一狀態(tài)變化在離散時間點(diǎn)（一般是不確定的）上發(fā)生變化； 混合型一一上述兩種的混合。隨著專門用于仿真的計算機(jī)一一仿真機(jī)的出現(xiàn)，計算機(jī)仿真技術(shù)日趨成熟，現(xiàn)在已經(jīng)

4、趨于完善。隨計算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，在仿真機(jī)中也出現(xiàn)了一批很有特色的仿真工作站、小巨機(jī)式的仿真機(jī)、巨型機(jī)式的仿真機(jī)。80年代初推出的一些仿真機(jī)，SYSTEM10 和SYSTEM100 就是這類仿真機(jī)的代表。為了建立一個有效的仿真系統(tǒng)，一般都要經(jīng)歷建立模型、仿真實(shí)驗(yàn)、數(shù)據(jù)處理、 分析驗(yàn)證等步驟。為了構(gòu)成一個實(shí)用的較大規(guī)模的仿真系統(tǒng)，除仿真機(jī)外，還需配有 控制和顯示設(shè)備。本文將主要從航空航天方面對計算機(jī)仿真模擬進(jìn)行探討。航空技術(shù)是從上世紀(jì)60年代前蘇聯(lián)發(fā)射第一顆人造衛(wèi)星開始，人類開始了對太空的探索。為航空航天活動的順利進(jìn)行而創(chuàng)立的一系列高級復(fù)雜的施工作業(yè)程序。它涉及人力資源配置，設(shè)備儀器搭配與安裝使

5、用等艱深的學(xué)術(shù)作業(yè)。是國家，民族，乃至整 個人類發(fā)展的高度追求。航空航天技術(shù)使人類文明進(jìn)入三維時代。航空是大氣層內(nèi)的飛行活動，航天是穿越大氣層的飛行活動。隨著人類對太空進(jìn)行的探索越加深入各種航天器應(yīng)運(yùn)而生，比如火箭、航天飛機(jī)、航天探測器、人造衛(wèi)星，未來還有可能出現(xiàn)的宇宙飛船。每種航天器都是由各種復(fù)雜而繁多的機(jī)械零件組成的，若想知道它們的工作會不會出現(xiàn)問題談何容易。只有不斷做實(shí)驗(yàn)才能得到確切的結(jié)果，但是這樣做既費(fèi)時又費(fèi) 力，還會浪費(fèi)金錢，所以人們想到了計算機(jī)。因?yàn)橛嬎銠C(jī)不但計算速度快，而且精度 特別高，對于航空航天這種既要大量計算又要十分精確的技術(shù)實(shí)在是再合適不過的 了。到后來出現(xiàn)了專門用于仿真

6、模擬的軟件，它在航空航天領(lǐng)域更是得到了十分廣泛 的應(yīng)用。仿真模擬軟件對于航空航天的促進(jìn)作用顯而易見，它縮短了航天器的制造時間，使得 連續(xù)發(fā)射成為可能。象航天飛機(jī)這樣的航天器大多不攜帶飛行動力裝置，在極高真空的 宇宙空間靠慣性自由飛行。航天器的運(yùn)動速度為八到十幾千米每秒，這個速度是由航 天運(yùn)載器提供的。航天器的軌道是事先按照航天任務(wù)來選擇和設(shè)計的。有些航天器帶 有動力裝置用以變軌或軌道保持。航天器由航天運(yùn)載器發(fā)射送入宇宙空間，長期處在高真空、強(qiáng)輻射、失重的環(huán) 境中，有的還要返回地球或在其他天體上著陸，經(jīng)歷各種復(fù)雜環(huán)境。航天器工作環(huán)境 比航空器環(huán)境條件惡劣得多，也比火箭和導(dǎo)彈工作環(huán)境復(fù)雜。發(fā)射航天

7、器需要比自身 重幾十倍到上百倍的航天運(yùn)載器，航天器入軌后，需要正常工作幾個月、幾年甚至十 幾年。因此，重量輕、體積小、高可靠、長壽命和承受復(fù)雜環(huán)境條件的能力是航天器 材料、器件和設(shè)備的基本要求，也是航天器設(shè)計的基本原則之一。對于載人航天器， 可靠性要求更為突出。（選自百度百科航天器的特點(diǎn)）正是基于對這種可靠性的要求，所以航天器在發(fā)射之前往往先要考慮到各種可能出現(xiàn)的狀況，但在如此復(fù)雜的航天器運(yùn)行時又怎樣去考慮到每個零件的狀況呢？所以 計算機(jī)仿真模擬技術(shù)得以在這種情況下大顯身手。因?yàn)楹教旌娇占夹g(shù)的快速發(fā)展，各種航天器不斷發(fā)射，尤其是美國的航天飛機(jī)更是頻 頻發(fā)射，但就在人們認(rèn)為航天技術(shù)將要得到長足發(fā)

8、展的時候，一個震驚世界的消息傳來了， 那就是挑戰(zhàn)者號航天飛機(jī)的失事， 它使人們從一個征服太空的美夢中醒來。 它讓人們重新思 考航天飛機(jī)的安全性問題。 挑戰(zhàn)者號航天飛機(jī)的事故分析在一片惋惜聲中展開了， 美國召集 了航天方面的專家， 經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)起因是助推器兩個部件之間的接頭因?yàn)榈蜏兀?變脆，破損， 噴出的燃?xì)鉄┝酥破鞯耐鈿ぃ?繼而引燃外掛燃料箱。 燃料箱裂開后， 液氫在空氣中劇烈 燃燒爆炸。后來又有哥倫比亞號航天飛機(jī)的失事， 經(jīng)過專家們的研究， 是因?yàn)轱w機(jī)返回大氣層時， 飛機(jī)的隔熱磚脫落造成的事故， 起初沒有人能夠想到就是因?yàn)檫@么一塊小小的隔熱磚會造成 如此嚴(yán)重的事故。雖然分析結(jié)果簡單明了，

9、但是分析過程確實(shí)是非常的復(fù)雜，計算機(jī)仿真模擬技術(shù)在事 故分析上得到了充分的發(fā)揮。 專家們通過對可能發(fā)生事故的原因進(jìn)行計算機(jī)模擬， 最后發(fā)現(xiàn) 在隔熱瓦脫落時模擬出來的結(jié)果與事故發(fā)生時所出現(xiàn)的情況相近，所以得出事故的原因。通常計算機(jī)模擬仿真技術(shù)的步驟是前處理，求解，后處理。以前處理最為 重要，因?yàn)榇蟛糠謼l件的加入是在前處理。這些實(shí)例體現(xiàn)了計算機(jī)在航天航空領(lǐng)域中的應(yīng)用。 相比航天飛機(jī)，火箭的應(yīng)用更加廣泛，在安全性上火箭優(yōu)于航天飛機(jī)。 19 世紀(jì) 80 年 代，瑞典工程師拉瓦爾發(fā)明了拉瓦爾噴管，使火箭發(fā)動機(jī)的設(shè)計日臻完善。 19 世紀(jì)出 現(xiàn)了幾項(xiàng)重大技術(shù)進(jìn)步：燃料容器的紙殼改為金屬殼，延長了燃燒的持續(xù)

10、時間；火藥 推進(jìn)劑的配方標(biāo)準(zhǔn)化；制造出發(fā)射臺；發(fā)現(xiàn)了自旋導(dǎo)向原理等等。 19 世紀(jì)末，火箭開 始用于非軍事目的，如用火箭攜帶救生索飛向海上遇難船只。 19 世紀(jì)末 20 世紀(jì)初， 液體火箭技術(shù)開始興起。1903年，俄國的K .E.齊奧爾科夫斯基提出了制造大型液體火箭的設(shè)想和設(shè)計原理。 1926 年， 3 月 16 日美國的火箭專家、物理學(xué)家 R. H. 戈達(dá) 德試飛了第一枚無控液體火箭。 1944 年，德國首次將有控的、用液體火箭發(fā)動機(jī)推進(jìn) 的V 2導(dǎo)彈用于戰(zhàn)爭。1931年5月，德國科學(xué)家赫爾曼奧伯特領(lǐng)導(dǎo)的宇宙航行協(xié)會試驗(yàn)成功了歐洲的第一枚液體火箭。到了1932 年，德國軍方在參觀該協(xié)會研制的

11、液體火箭發(fā)射試驗(yàn)之后，意識到火箭武器在未來戰(zhàn)爭中具有的巨大潛力，便開始組織 一批科學(xué)家和工程技術(shù)人員，集中力量秘密研制火箭武器。到40 年代初，德國在第二次世界大戰(zhàn)中期，先后研制成功了能用于實(shí)戰(zhàn)的V-1 、V-2 兩種導(dǎo)彈。其中 V-1 是一種飛航式有翼導(dǎo)彈，采用空氣噴氣發(fā)動機(jī)作動力裝置；V-2 是一種彈道式導(dǎo)彈，采用火箭發(fā)動機(jī)作動力裝置第二次世界大戰(zhàn)以后，蘇聯(lián)和美國等相繼研制出包括洲際彈道導(dǎo)彈在內(nèi)的各種火箭武器。20 世紀(jì) 50 年代以來，火箭技術(shù)得到了迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，其中尤以各類可控火箭武器（導(dǎo)彈）和空間運(yùn)載火箭發(fā)展最為迅速。從火箭 彈到反坦克導(dǎo)彈、 反飛機(jī)導(dǎo)彈和反艦導(dǎo)彈以及攻擊地面固

12、定目標(biāo)的各類戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈和戰(zhàn) 略導(dǎo)彈，均已發(fā)展到相當(dāng)完善的程度，已成為現(xiàn)代軍隊不可缺少的武器裝備。各類火箭武器正在繼續(xù)向提高命中精度、抗干擾能力、突防能力和生存能力的方向發(fā)展。 此外，反導(dǎo)彈、反衛(wèi)星等火箭武器也正在研制和發(fā)展之中，在地地彈道導(dǎo)彈基礎(chǔ)上發(fā) 展起來的運(yùn)載火箭，已廣泛用于發(fā)射衛(wèi)星、載人飛船和其他航天器等。20 世紀(jì) 80 年代初，蘇、美兩國已經(jīng)分別研制出六、七個系列的運(yùn)載火箭。其中， 美國載人登月的火箭，直徑 10 米，長 111 米，起飛質(zhì)量約 2930 噸，近地軌道運(yùn)載能 力為 127 噸。蘇聯(lián)的 “能源 ”號火箭，起飛質(zhì)量約 2000 噸，近地軌道運(yùn)載能力約為 100 噸。中國的，

13、采用了并聯(lián)助推技術(shù)，不僅提高了運(yùn)載能力，還為進(jìn)一步發(fā)展更大運(yùn)載 能力的火箭奠定基礎(chǔ)。運(yùn)載火箭正向著高可靠性、低成本、多用途和多次使用的方向 發(fā)展?？啥啻瓮涤谔蘸偷厍蛑g的航天飛機(jī)的問世就是這一發(fā)展趨勢的體現(xiàn)?；鸺夹g(shù)的飛速發(fā)展，不僅可提供更加完善的各類導(dǎo)彈和推動相關(guān)科學(xué)的發(fā)展，還將使 開發(fā)空間資源、建立空間產(chǎn)業(yè)、空間基地及星際航行等成為可能。中國于20世紀(jì)50年代開始研制火箭。1958年6月中國仿制成功前蘇聯(lián)的C-75型（SA-2 ）地空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)，仿制半固定式中高空、中近程地空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)。這 就是中國的第一枚導(dǎo)彈，是中國發(fā)展火箭的前期基礎(chǔ)。1970年4月24日，用 長征”1號三級運(yùn)載

14、火箭發(fā)射了東方紅人造衛(wèi)星。1975年11月26日，用更大推力的長征”2號運(yùn)載火箭發(fā)射了可回收的重型衛(wèi)星。1980年5月18日，向南太平洋海域成功地發(fā)射了新型火箭。1982年10月，潛艇水下發(fā)射火箭又獲成功。1984年4月8日，用第三級裝液氫液氧火箭發(fā)動機(jī)的長征”3號運(yùn)載火箭成功地發(fā)射了地球同步試驗(yàn)通信衛(wèi)星。1988年9月7日，用 長征”4號運(yùn)載火箭將氣象衛(wèi)星成功地送入太陽同步軌道。1992年8月14日，新研制的長征”2號E捆綁式大推力運(yùn)載火箭又將澳大利亞的奧賽特B1衛(wèi)星送入預(yù)定軌道。這些都表明火箭發(fā)源地的中國，在現(xiàn)代火箭技術(shù)領(lǐng)域已 跨入世界先進(jìn)行列，并已穩(wěn)步地進(jìn)入國際發(fā)射服務(wù)市場。（選自百度百

15、科火箭）火箭的組成和航天飛機(jī)相似都是由十分精密的零件組成的航天器，所以同樣需要計算 機(jī)的幫助才能完成它的升空。在未來的航空航天領(lǐng)域仿真模擬技術(shù)的應(yīng)用前景還很廣闊，例如宇宙飛船的升空，星 球的探測，月球基地的建立，新一代航天器的發(fā)射升空等等。人類還有更加大膽的猜想如 2020年開通宇宙，公路專家在報告書中指出，宇宙公路是除了太空梯之外通往宇宙既安全又便宜的另一運(yùn)輸手段。什么是宇宙公路？即以地球?yàn)槌霭l(fā)點(diǎn)，把公路延伸到太空。 迄今為止，這些公路的出入口僅限于美國的卡納維拉爾角和蘇聯(lián)的 拜科努爾等幾個地點(diǎn)，而且費(fèi)用高得驚人。如果人類想要更好地控制太空，就必須開發(fā)更便宜的、從任何地方都能起飛的運(yùn)輸手段。

16、在2025年運(yùn)行宇宙驛站，根據(jù) USNCC報告書的設(shè)定，在啟用太空梯與宇宙公路之后，人們還會在通往宇宙的路途中建立一些中繼點(diǎn)，即宇宙驛站。第一個停車驛站是地球太空港，這是像太空站那樣的建筑，人類可以乘Zeus航空航天飛機(jī)在這里降落，然后換乘宇宙聯(lián)絡(luò)船。太空港是聯(lián)絡(luò)船的停留地，也是推進(jìn)劑的補(bǔ)給 地。地球太空港真正開始活動恐怕要到2025年以后。宇宙驛站一旦應(yīng)用，那么太空港會向兩個方向伸出長長的索道，出現(xiàn)一種非常有趣的現(xiàn)象：由于潮汐力的作用，在衛(wèi)星軌道上運(yùn) 行的細(xì)長物體會產(chǎn)生向兩端托的力，因此，從向下（即向著地球的方向）一端放出物體，就 會落向地球；從向上一端放出物體，就會上升。如果從下索道發(fā)射航

17、空航天飛機(jī)，從上索道發(fā)射聯(lián)絡(luò)船，那么兩者不使用能量， 也可以轉(zhuǎn)移到人們期望的軌道上。這其實(shí)是以索道為媒介，交換雙方的能量和運(yùn)動量，完全符合物理學(xué)定律。在2030年月球上建工廠，USNCC報告書的第二要點(diǎn)就是，在月球、火星、小行星乃至宇宙空間，建立人類的據(jù)點(diǎn)，開發(fā)它的 資源。根據(jù)報告書的預(yù)測，為了在2025年重返月球，將在環(huán)繞月球的軌道上建立月球太空港，從地球太空港出發(fā)的聯(lián)絡(luò)船23天后即可到達(dá)月球太空港，人們在那里可以換乘月球登陸船。聯(lián)絡(luò)船以液氫和液氧為推進(jìn)劑，有客運(yùn)和貨運(yùn)兩種，基本設(shè)計相同，如果再裝上腳，就可以成為登月船。 為解決聯(lián)絡(luò)船從月球到地球的減速問題，可以利用空氣制動的方法，即像在大氣

18、上層掠過那樣飛行，利用空氣阻力，不使用推進(jìn)劑也能減速。 因此，在聯(lián)絡(luò)船的底部可以裝上陶瓷制的像大器皿那樣的空氣制動器。過去的無人探測和阿波羅計劃是以月球?yàn)橹鞯目茖W(xué)研究。將來的探測計劃則是從資源和居住的觀點(diǎn)調(diào)查月球，由發(fā)射的環(huán)繞月球極地軌道的探測器進(jìn)行月極地詳細(xì)調(diào)查。建設(shè)月面據(jù)點(diǎn)所需要的物資和人類生活所必須的氧氣、 水、食品等，可以逐漸利用從月面取得的資源。月面基地逐漸具備自給自足的條件后，人們可以在上面建設(shè)工廠，并將其發(fā)展為殖民區(qū)。預(yù)計月面實(shí)驗(yàn)工廠的建設(shè)將于20262027年開始，月面工廠的建設(shè)將于 2030年開始。根據(jù) USNCC報告書的設(shè)想，隨著大規(guī)模月面工 廠的建設(shè)，在地、月系統(tǒng)的太空開發(fā)中也要用到月球資源：把在月面制造的產(chǎn)品送往太空固然好，但把月巖原封