運載火箭飛行力學環境虛擬試驗及可視化系統設計與實現

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(北京宇航系統工程研究所，北京 100076)

運載火箭飛行力學環境虛擬試驗及可視化系統設計與實現

完顏振海，梁磊，孟超，楊亮，徐嘉

(北京宇航系統工程研究所，北京100076)

運載火箭的飛行力學環境隨著飛行過程不斷發生變化，而當前無論是基于實物試驗還是基于數值分析，環境分析大多針對特定飛行狀態和工況而無法給出動態變化信息，因此開展了飛行過程動態力學環境虛擬試驗及可視化技術研究;基于特征代理模型采用Fortran語言設計了場數據快速預測算法，在采樣數值仿真的基礎上實現了火箭在大氣飛行過程中的動態氣動力與氣動熱環境虛擬試驗；采用C++開發了實時分站載荷算法，實現了火箭飛行期間的載荷環境虛擬試驗;開發了與運載火箭飛行仿真配合的總線通信接口，并基于EnSight開發了動態圖形顯示模塊，通過共享內存的進程間通信方式實現了試驗結果的動態顯示;結果表明，該系統可以給出火箭飛行過程中力學環境的全局和關注點信息的動態變化，環境精細化分析和直觀可視化研究提供了手段。

虛擬試驗；飛行仿真；力學環境；可視化技術；運載火箭

0 引言

運載火箭在執行發射任務時一般會經歷從地面到外層空間的環境變化，包括低速、亞聲速、跨聲速、超聲速和高超聲速等不同的飛行速度階段[1]。隨著飛行高度、速度和姿態的變化，火箭的氣動特性也在不斷發生變化。對于運載火箭氣動設計而言，需要預測不同條件下的氣動特性，為總體、彈(軌)道、姿控和結構設計提供輸入。目前火箭氣動特性的獲取主要依靠風洞試驗和數值仿真，對于復雜外形箭體而言，無論哪一種方式都需要耗費大量的時間和成本，因此只能選取特定的飛行狀態和工況，其他狀態和工況則主要通過參數的擬合及插值等方式獲得。在熱環境方面，火箭在飛行過程中除了會受氣動加熱外，還受到發動機的影響，飛行過程中箭體外流場與發動機噴流場相互耦合[2]，而帶復雜多發動機熱噴流的氣動地面試驗難以開展。除氣動外運載火箭還經歷其他復雜和嚴酷的力學環境，包括由發動機推力產生的加速度環境、POGO效應引起的低頻振動環境等[3]，對這些環境的分析可以用飛行載荷來計算和表示，包括軸向載荷、橫向載荷等。傳統箭體飛行過程中載荷分析同樣集中在一些特定的飛行狀態和工況，或者針對跨音速等特定飛行階段[4]。

目前，虛擬試驗技術已經越來越廣泛地應用到復雜軍工產品研制上，其中飛行試驗環境模擬技術日益成熟，并形成了典型的環境模擬系統[5-7]。全面準確的環境分析對于航天飛行器的安全性而言非常重要[7-8]，目前面向新一代運載火箭和未來先進航天運輸系統的研制需求，全飛行過程的精細化環境分析與預示越來越必要，因此需要開展運載火箭飛行力學環境虛擬試驗研究。本文對運載火箭飛行力學環境虛擬試驗技術進行深入研究，包括氣動力、氣動熱及載荷3個方面，設計與實現了針對火箭動態飛行過程的3種力學環境預測程序并開發了相應的實時可視化系統，實現了運載火箭在飛行過程仿真中的虛擬力學環境的動態顯示，從而為相關專業設計師提供了直觀的可視化研究手段。

1 系統設計

1.1 系統設計思路

與傳統力學環境分析只針對特定飛行狀態和工況不同，火箭飛行過程動態力學環境虛擬試驗要實現火箭飛行全過程的環境模擬與展示，需要不同時刻的飛行信息作為試驗輸入條件，以氣動力環境虛擬試驗為例，試驗條件包含馬赫數、雷諾數、攻角等信息，這些都可以由飛行參數計算得到。因此，要開展飛行動態環境虛擬試驗，需要有支撐的仿真平臺和箭體六自由度仿真模型來解算不同時刻的飛行參數，本文基于模塊化的分布式飛行仿真平臺[9-10]開展系統設計。包括仿真平臺在內的系統運行環境如圖1，系統部署在3個計算機節點上，分別用于氣動力、氣動熱和載荷虛擬試驗與結果展示。

圖1 系統運行環境

1.2 系統架構設計

基于層次化和模塊化的設計思想，系統的架構共分為三層，分別是用戶界面層、功能邏輯層和數據系統層，如圖2所示。用戶界面層包含系統配置和圖形顯示兩個模塊，系統配置用于可視化環境配置、通信接口配置、數據位置設置、啟動連接及啟動圖形顯示窗口。功能邏輯層包含以下模塊，用于實現與飛行仿真平臺的總線通信接口模塊、用于氣動力環境虛擬試驗的快速預測模塊、氣動熱環境虛擬試驗的快速預測模塊以及載荷環境虛擬試驗的快速計算模塊。數據系統層包含系統API、離線的氣動力和氣動熱數值仿真采樣數據以及可視模塊庫，系統API用于對操作系統的調用，主要完成網絡通信、圖形顯示與刷新、進程間通信等功能，離線的采樣流場和氣動熱數據用于流場快速預測，可視化模板庫則用于不同顯示效果的定義。

圖2 系統架構圖

1.3 功能流程設計

根據上述運行環境和系統架構開展功能流程設計，如圖3所示。系統與飛行仿真平臺的連接及匹配通過總線通信接口模塊來實現，通過接收來自平臺的信息后將其解析轉換為各力學環境預測及計算模塊的輸入參數。氣動力快速預測、氣動熱快速預測及載荷實時計算采用獨立的計算模塊程序，并將預測結果傳遞給動態圖形顯示模塊。火箭不同飛行階段的顯示效果，例如顯示比例、觀察視角、加載模型等，則通過圖形顯示窗口調用可視化模板庫來實現。可視化模板庫同樣接收來自總線通信接口的消息，用于飛行時序的解析與模板匹配。

圖3 系統模塊功能流程圖

2 關鍵模塊分析與設計

2.1 總線通信接口模塊

實現與分布式飛行仿真平臺的良好通信是系統的關鍵因素，系統不僅要及時獲取平臺運行狀態、飛行時序等控制消息，還要按照仿真步長準確收取不同時刻的飛行高度、速度、姿態、過載、推力、控制力等數據信息。飛行時序決定了力學環境虛擬試驗模型，例如全箭模型、不帶助推模型、芯一級模型、芯二級模型等。飛行數據消息則用于確定相應飛行條件下的虛擬試驗條件。為了保證系統的分布式運行和傳輸數據的準確性，總線通信接口基于TCP/IP協議的高速局域網，并通過Socket編程接口開發，模塊設計如圖4所示。

圖4 模塊設計圖

2.2 氣動力和氣動熱快速預測模塊

氣動力和氣動熱環境的虛擬試驗分析同樣是系統關鍵，傳統的針對實物試驗特定工況的虛擬試驗可以依賴長時間的數值計算，但是針對飛行全過程的在線分析難以開展。因此，本文提出一種基于離線大量采樣數值仿真分析和在線代理計算的方式來解決這一矛盾。離線采樣仿真數據作為氣動環境虛擬試驗數據庫，而氣動力和氣動熱快速預測模塊則主要包含特征信息場的獲取、多維變量插值和場數據預測3部分，如圖5所示，其中多維變量插值的輸入向量為來自仿真的飛行數據消息。

圖5 模塊設計圖

2.3 動態圖形顯示模塊

無論是哪種力學環境虛擬試驗結果的展示都包含大量的模型和場數據信息，實現動態的刷新與顯示存在較大的困難。采用模板化的方式是解決復雜模型轉換與大量信息匹配的思路，為此動態圖形顯示模塊包含了模板解析與數據融合的設計。同時為了保證與力學環境大量數據的快速實時交互，采用基于共享內存的進程間通信方式實現二者之間的數據傳遞。模塊設計如圖6所示。

圖6 模塊設計圖

3 系統實現與應用

3.1 系統實現

總線通信接口基于以太網Socket鏈路TCP消息收發機制來實現，系統啟動后自動讀取本地存儲的XML接口配置文件，解析本節點的網絡通信地址(IP地址和Socket端口號)和傳遞數據的數據結構。試驗準備階段，系統按照解析的通信地址向平臺進行注冊。仿真試驗開始后，仿真平臺則按照約定格式不斷發送數據包。仿真試驗結束時，接收平臺發送的結束指令信息。

氣動力和氣動熱環境快速預測程序實現使用Fortran語言開發，采用基于本征正交分解和多維變量插值的特征代理模型方法[11]，場特征信息的提取采用本征正交分解獲得基態流場，多維變量插值則通過徑向基函數方法實現。為了分析發動機噴流對于火箭氣動力和氣動熱特性的影響，在離線的場數據采樣過程中采用基于Navier-Stokes方程的多組分氣體模擬火箭的內外流場分布。

載荷快速計算程序使用C++語言開發，采用分站統計法，在箭體站點質量分布的基礎上，根據總線獲得的箭體整體和部段的受力進行計算并將載荷信息映射到各個分站上。

動態圖形顯示模塊則基于科學計算可視化軟件EnSight集成式二次開發，采用腳本語言實現數據與模板的解析、數據的匹配與融合及顯示結果的輸出。可視化模板則通過采用XML文件實現，文件中包含環境類型的定義、飛行階段的定義及相應的顯示樣式庫。

動態圖形顯示模塊與環境虛擬試驗模塊之間的數據交互采用基于共享內存的進程間通信方式來實現，開發了通信代理程序，用于協調程序間消息和數據傳遞，保證數據寫通道和讀通道的邏輯關系與交互順序。

圖7 基于共享內存的進程間通信圖

3.2 系統應用效果

經過系統開發、集成與測試，完成的火箭飛行過程中氣動力、氣動熱和載荷環境虛擬試驗節點系統界面分別如圖8、圖9、圖10所示。氣動力環境虛擬試驗節點可以給出不同飛行時刻箭體表面的壓力分布和周圍的馬赫數流場分布，同時也可以通過虛擬探針測試獲得箭體某一位置和最大壓力變化情況。

圖8 運載火箭某飛行時刻氣動力分布圖

氣動熱環境虛擬試驗節點可以給出不同飛行時刻箭體表面的熱流和溫度變化，同時也可以通過虛擬探針測試獲得某一位置和最大溫度變化情況。

圖9 運載火箭某飛行時刻氣動熱分布圖

載荷環境虛擬試驗節點可以給出不同飛行時刻箭體不同站點位置的軸向力、剪向力、扭矩、彎矩等，對該飛行時刻最大的載荷站點值進行標亮提示，同時可以對某一類載荷最大值隨飛行時間的變化進行監視。

圖10 運載火箭某飛行時刻載荷分布圖

4 結論

本文提出了一種運載火箭飛行力學環境動態虛擬試驗方法，實現了對飛行中火箭的氣動力環境、氣動熱環境和載荷環境動態虛擬試驗。對試驗及可視化系統進行了設計與實現，包括系統架構設計、功能流程設計和關鍵模塊設計，并給出了系統實現方法和應用效果。結果表明，該方法及相應的系統能夠實現對飛行器飛行力學環境的實時預測及動態顯示，并可以同時給出全局和關注位置的環境信息，從而為飛行力學環境的精細化分析與直觀可視化研究提供了手段。

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DesignandImplementationofVirtualTestandVisualizationSystemforLaunchVehicles’FlightMechanicalEnvironments

Wanyan Zhenhai, Liang Lei, Meng Chao, Yang Liang, Xu Jia

(Beijing Institute of Astronautical System Engineering, Beijing 100076, China)

The flight mechanical environments always change, accompanied by the flight process of the launch vehicles. The environmental analyses are usually carried out for specific situations and cannot depict dynamic information, whether by experiments or by numerical simulations. Therefore, technical research on dynamically virtual test and visualization is given for the flight environments. Based on characteristic surrogate model method, field data depiction algorithm is developed using Fortran. Virtual tests of dynamically aerodynamic and aerothermal environment then are implemented using this algorithm on the basis of sampling numerical simulations. Real-time load computations are developed by C++, and virtual tests of dynamic load are realized. Bus interface is developed for the communication to flight simulation platform, and dynamic display module is developed based on EnSight. Inter-process Communication is selected to qualify the dynamic display of flight environment. The results show that, the system can give overall and detailed information, which can provide means for refined analyses of flight environments and intuitively visual research.

virtual test; flight simulation; mechanical environment; visualization technology; launch vehicle

2017-03-25；

2017-05-15。

完顏振海(1985-)，男，河南商丘人，工學博士，高級工程師，主要從事彈箭數字化系統設計和多物理場數值仿真方向的研究。

1671-4598(2017)11-0291-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.11.074

TP311.1

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