航空航天工業(yè)作為國家綜合實力的重要標志，同時也是現(xiàn)代工程技術的典范之一。在航空航天研制的全過程中， 仿真技術一直發(fā)揮著提高研制效率和質(zhì)量、減少實物試驗反復、降低研制風險和成本以及加快研制進程的重要作用。

圖片來源：網(wǎng)絡

01 航空航天工業(yè)仿真的關鍵技術

    1. 流體力學仿真

    計算流體力學是通過數(shù)值方法求解流體力學控制方程，并預測流體運動規(guī)律的學科，在航空航天中主要應用于航空發(fā)動機。由于航空發(fā)動機的進排氣、風扇、壓氣機和渦輪都是內(nèi)部流動，因此在航空發(fā)動機中主要進行的是內(nèi)流計算流體力學研究。[1]

圖片來源：網(wǎng)絡

    2.動力學仿真

    利用仿真技術，對航空航天器的運動過程進行模擬，以預測其飛行軌跡、姿態(tài)等關鍵動力學特性，從而為飛行控制和導航系統(tǒng)的設計與優(yōu)化提供堅實可靠的科學依據(jù)。

    3.結構強度仿真

    通過仿真技術，對航空航天器的結構進行模擬和分析，預測其受力、變形等性能。結構強度仿真應用計算結構力學，計算從零件到部件、組件、分系統(tǒng)以及整臺航空發(fā)動機的結構性能。

圖片來源：第十三屆中國國際航空航天博覽會

    4.燃燒仿真

    計算燃燒學是對燃燒的基本現(xiàn)象和實際過程進行計算機模擬的一門學科，為深入認識航空發(fā)動機燃燒過程和燃燒裝置的設計及研制提供了重要手段。當前，燃燒數(shù)值仿真技術進一步朝著系統(tǒng)級高保真的方向發(fā)展。

    5.材料仿真

    材料仿真是指通過模擬材料的組成、結構、性能及服役性能，研究材料從納觀、微觀、介觀到宏觀的多個尺度范圍內(nèi)存在的各類現(xiàn)象與特征，從而預測材料的結構和物化性質(zhì)，是航空航天材料設計、優(yōu)化與實踐的重要手段。

圖片來源：網(wǎng)絡

02 CAE仿真技術在航空航天中的應用

    1.飛行器設計與優(yōu)化

    在飛行器的設計過程中，CAE仿真技術扮演著至關重要的角色，它可以幫助工程師們進行飛行器外形設計、氣動性能分析、結構強度驗證等一系列重要任務。通過數(shù)值模擬和虛擬試驗，工程師們可以在計算機環(huán)境下進行快速、準確的仿真優(yōu)化，確保飛行器設計能夠達到最佳性能。

圖片來源：網(wǎng)絡

    2.飛行器飛行控制

    飛行控制是保證飛行器安全飛行的關鍵要素之一。CAE仿真技術可以幫助研發(fā)人員進行飛行控制算法的開發(fā)和測試。通過在計算機環(huán)境中建立精確的模型，模擬各種飛行環(huán)境和異常情況，幫助改進飛行控制系統(tǒng)的魯棒性和可靠性。

    3.空中交通管理

    隨著航空交通量的增加，有效的空中交通管理顯得尤為重要。仿真模擬技術可以幫助分析和優(yōu)化空中交通管制系統(tǒng)，通過建立虛擬的航空交通網(wǎng)絡，模擬各種交通流量情況，提供合理的航線規(guī)劃和交通流調(diào)度，以提高空中交通的效率和安全性。

圖片來源：網(wǎng)絡

    4.天氣和環(huán)境影響分析

    天氣和環(huán)境條件對于飛行器的安全性和性能有著重要影響。仿真模擬技術可以幫助分析氣象因素對飛行器的影響，預測惡劣天氣下的飛行性能和操作限制。同時，還可以模擬各種環(huán)境條件，如空氣密度等，以準確評估飛行器在各種環(huán)境下的性能。

03 神工坊?在航空航天領域的應用案例

    仿真技術作為航空航天工業(yè)創(chuàng)新研發(fā)的重要支撐，是實施數(shù)字化轉型的核心。未來，在高性能計算、人工智能等先進計算技術的加持下，航空航天仿真技術將朝著“快速高效、精準映射、全面覆蓋、動態(tài)預測”方向發(fā)展。^[2]

    神工坊?源自國家超級計算無錫中心（始于2016年），核心技術為歷時8年、投入數(shù)千萬元、在先進超級計算平臺上研發(fā)的，面向工程仿真的高性能計算技術——高性能數(shù)值模擬框架。

近年來，神工坊?通過與國內(nèi)頂尖高校、科研院所及行業(yè)重點企業(yè)的緊密合作，在聯(lián)合科技攻關、科技創(chuàng)新資源的整合等方面取得了豐碩的成果，為推動我國工業(yè)仿真技術的跨越式發(fā)展，以及重大裝備研制創(chuàng)新和工業(yè)設計研發(fā)數(shù)字化轉型提供了有力支撐。

參考資料：

1.曹建國. 航空發(fā)動機仿真技術研究現(xiàn)狀、挑戰(zhàn)與展望[J]. 推進技術, 2018, 39(5): 961-970.

2.曹建國. 數(shù)字化轉型下航空發(fā)動機仿真技術發(fā)展機遇及應用展望[J]. 系統(tǒng)仿真學報, 2023, 35(1): 1-10.