航天仿真技術的現狀與展望

張弘博

摘要：航天仿真技術是基于系統仿真技術與航天工程相結合的技術性產物，被廣泛引用于航天工程的多個方面，比如運載火箭的研發與設計、人造衛星的研制、載人飛船與空間站的制造與運行，以及飛行器的性能檢測與改進、人造飛船的維修與對接等，無不用到航天仿真技術。在國際上，航天科技的發展水平體現著一國科學技術競爭力水平、象征著軍事國防能力，因而，航天科技的發展是國家投入最大的科技板塊之一，關系著國家安全與國家競爭力。而航天科技的發展離不開又航天仿真技術，鑒于其重要性，本文將對航天仿真技術的現狀與未來發展進行分析。

關鍵詞：系統仿真技術;航天工程;航天仿真;系統工程

仿真技術是一門綜合性學科，包含了控制論、系統論與信息技術等多個學科的知識與應用，利用計算機系統、通過建模的方式，對某一個系統或者過程進行模擬，是支撐產品研發與應用的重要手段。航天工程也是一門綜合性學科，包含了系統工程、環控生保技術、自動控制技術、通信、遙感技術、測試技術、力學、天文學與空間科學等眾多學科的知識和內容。由于航天工程是一個高風險與高投入的行業，對于其研發成果或者制成產品，一般不能直接發射或運行，而必須要經過數次的模擬實驗來證明該航天產品或者系統是可靠的，通過仿真來降低風險與潛在損失。航天放著技術得以重視與發展。

航天仿真技術的關鍵在于對航空發動機進行改革與升級，提升航空發動機的性能與效率，縮短研發與試驗周期，從而降低航空事業發展的成本、提升發展效率。可以說，航空工程技術是一個國家經濟實力、軍事實力、科技實力的綜合競爭力體現，而航天仿真技術將對航空科學技術帶來質的變革與提升：可以實現對航空發動機零件、整機和系統進行高精度、高保真的數字化模擬，可提前暴露或預測航空設備的設計缺陷與可能出現的故障，通過事前預測、事中檢測及事故維修等大幅提升航空設備與航空系統的研發制造效率和質量，降低風險和成本。

一、航空仿真技術的現狀

（一）研制大量的仿真軟件

根據航天事業的發展需求與大量的資金人才投入，我國航天仿真技術的發展取得了長足的進步，比如針對航空設備的結構與強度的數值仿真軟件，測試結構的合理性與受承載和撞擊的強度;燃料燃燒的仿真軟件，測試燃料是否能夠充分燃燒及燃燒改進方法;設備材料檢測仿真軟件，檢測設備材料的導熱性能是否能夠滿足運行需求、重量是否適合、抗壓耐力是否足夠強大;控制中心仿真數值軟件，檢測控制中心的控制力度、靈活度與操作便利性等，根據檢測結果對控制系統進行改進。這些仿真數值軟件涉及到航空設備的整機、零部件與系統，并且都通了試驗的驗證，可以成熟運用。

（二）虛擬仿真技術得到大力發展

航天仿真技術的發展需要不斷地在一定環境中進行仿真與測試，也成為虛擬仿真技術。一方面，通過不斷地仿真與試驗，構建了使新技術、新仿真軟件、新材料、新控制系統等進行順利試驗的仿真設計環境，為以后航天仿真技術的發展奠定了基礎;另一方面，航空發動機作為航空產業發展的核心，在仿真技術的推動下，在性能、效率與質量等方面也得到了提升，不僅僅是航空發動機的結構改造，還包括航空發動機的零部件、整機與系統的整個生命周期所涉及到的所有業務領域的仿真技術，比如，航空發動機的研制、運營、修為、改良等。

（三）仿真精度與置信度需要進一步提升

流體仿真屬于新興學科，對于數字仿真的精確度要求非常高，同時由于發展時間較短，其理論基礎研究還比較薄弱，這就導致仿真精度不夠，不利于航空設備的安全與準確運作，也不利于工程的應用;

全業務鏈的仿真技術不夠。目前，主要的仿真技術主要集中于航空產業鏈的關鍵環節，比如航空發動機的研制、運營與維修，航空設備材料的種類與強度等，而對于航空零部件的生產、組裝與運行的仿真技術較少、較薄弱;

還有工藝、傳熱等仿真技術，由于模型不夠完善、缺乏經驗數據及其積累與分析，導致仿真精度與置信度不夠高，對于某些問題不能精確定位并得出解決方法。

（四）缺乏從全產業鏈角度的全局規劃

航空科學最重要的核心部件-航空發動機，其仿真技術軟件的來源多且分散，比如商用、軍用與民用，進口與自主生產，這就導致航空發動機仿真軟件的標準、規范與協議均無法達到統一，這也導致了航空發動機上下游環節所涉及的仿真軟件無法統一標準。

即使在材料、工藝、燃料與燃燒、強度與導熱等搜集與積累的大量的模型與數據，也無法進行統一仿真與分析，從而形成數據的孤島，數據間的交互也顯得無能為力。數據的無法高效利用也會導致航空計算機及其他零部件仿真軟件的發展有所滯后，難以掌握核心發展軟件技術。

二、航空仿真技術的發展趨勢展望

（一）提高仿真可信度

置信度不夠的問題之所以存在，沒有建立起客觀的評價體系是一種原因，因此，未來有可能會建立第三方仿真評估的工作模式，將仿真試驗與實際設備試驗結合起來進行性能鑒定與體系評估，就可以在很大程度上避免由于仿真數據、模型、工具與方法等不正確而造成的誤差，提高航空仿真技術的準確度與置信度。

同時，將航空仿真試驗應用于航空設備整體、零部件與系統的整個業務鏈條，提升整體仿真的置信度。

（二）自主研發得以強化

以上分析均說明了航空仿真技術對于國防建設、國家安全、高新技術與航空事業發展的重要性，但無可否認的是，在專業技術方面，我國還落后于發達的工業國家（尤其是美國，其發達的航天技術是其航空設備價格全球首家高昂、國防建設與軍事能力強大的原因之一），而通過技術交流與指導、對購買的專業高端設備進行研究消化等方式是無法獲取核心技術的，只有實現核心技術研發自主化，才能掌握最先進、最核心的技術，成為工業強國與技術強國，才能在國際競爭中占據主動地位，獲取更大的經濟利益。

三、總結

本文對航空仿真技術的現狀與展望進行了研究。航空仿真技術是一門綜合性學科，主要應用于航空領域尤其時航空發動機的改良發展，關系到國防建設與軍事能力提升。目前，我國航空發展技術發展取得長足結果，如研制大量的仿真軟件、虛擬仿真技術得到大力發展，同時也存在不足之處，如仿真精度與置信度不夠、缺乏從全產業鏈角度的全局規劃等。并認為提升提高仿真可信度與自主研發得以強化是未來航空仿真技術的發展方向。

參考文獻：

[1]胡峰，孫國基.航天仿真技術的現狀與展望[J].系統仿真學報，2016 （11）.

[2]曹建國.航天仿真綜述[J].計算機仿真，2015 （23）.