虚拟试验在导弹武器系统研制中的应用

2014-12-31李伟忠水娟娜

上海航天 2014年4期

李伟忠，刘扬，水娟娜

（中国人民解放军海军驻上海地区航天系统军事代表室，上海 201109）

0 引言

随着技术的发展，导弹武器系统的作战空域更广，作战环境更复杂，充分验证武器系统性能的难度越来越大，因此必须探索满足未来导弹武器系统研制需求的新试验手段，对传统的试验体系进行补充和完善。虚拟试验所代表的验证手段日益成熟，其验证技术的理念和方法也得到初步认可，并取得了阶段性的技术与应用成果。虚拟试验验证技术的发展方向是规范化、集成化和体系化。本文对虚拟试验技术在导弹武器系统研制中的应用进行了综述。

1 虚拟试验需求

1.1 作战效能考核需求

目前靶场的导弹武器系统试验主要以考核导弹的战术技术性能为主，针对武器系统作战效能的试验相对较少，特别是在敌我双方对抗条件下的试验只局限于单机的攻防仿真。为全面了解导弹武器系统的作战性能，须综合考虑敌我双方对抗和人的参与，需要从整个作战系统的层次上设计试验评估方案。但由于条件约束致使许多试验无法实施，外场试验费用又极其昂贵，依靠现有的试验鉴定手段无法对导弹武器系统作战效能做出科学合理的评估。这就对采用仿真与半实物结合等试验手段模拟实战条件下虚拟飞行试验产生了需求，以弥补实战飞行试验的不足。

1.2 降本增效需求

因导弹在飞行试验过程中具有消耗性和不可回收性，故对新技术方案和新环境条件的验证导致研制和试验成本的大幅增加。采用虚拟试验验证技术可有效降低研制风险，降低设计和试验成本，在保证研发质量的前提下缩短研制周期。特别是热、力学环境条件下的产品设计（如红外导引头头罩）常需通过多次反复的样机设计、加工和性能试验验证。虚拟试验技术的应用可使设计者在产品开发中快速设计和优选方案，通过对功能与性能的大量反复的虚拟试验验证可及时发现产品设计缺陷与潜在问题，不断迅速修正设计，最大限度地保证产品的设计质量和可靠性，从而显著减少昂贵而费时的物理样机制造及靶场试验，缩短研制周期，提高产品生命力。

采用数值计算方法对结构进行动态特性分析，可将虚拟试验用于产品研究，也是一种较成熟的理论模型方法。当虚拟试验接近实际的试验条件时，虚拟试验结果有较高的可靠性。

1.3 试验条件覆盖性需求

导弹在贮存、运输和使用时面临的环境十分复杂和严酷，如地面大气环境（高温、低温、潮湿、盐雾、淋雨等）、力学环境（振动、冲击、过载、气动热等）、空间轨道环境（真空放电，真空冷热浸，辐射等）、再入环境（高热、着陆冲击等），这些环境因素都可能导致导弹的零部件和组件、整机、分系统出现故障和损坏，这使用户和生产者关注产品在上述环境中的性能、可靠性和安全性，以保证产品能满意地工作，这就必须进行环境试验。单依赖大量开展物理试验应对新型导弹设计中的性能需求已不能满足导弹武器系统发展的需要，尤其对破坏性试验，在控制试验次数的同时不发生欠试验或过试验，已成为导弹设计中的重要课题。另外，对超出物理试验范围的试验，因其难度大、成本高，甚至部分极限载荷工况在地面条件无法精确模拟，更需要借助经验证的可靠的分析工具，辅以必要的物理试验，采用虚拟试验技术进行考核验证，如考虑舵机负载条件和全弹飞行振动耦合条件下的稳定控制系统响应分析。

虚拟试验是开展导弹型号研制过程中试验验证的一条有效途径，它克服了由于试验或飞行条件限制和试验设备不足造成的困难，可获得较完整的虚拟试验数据。

2 虚拟试验技术发展方向

建立虚拟试验系统的目的是在导弹武器系统产品研制生产前进行系统级／部件级的考虑环境条件下工作性能的全面检验，对系统级部件抗飞行环境的能力进行预示，为详细设计改正提供依据。导弹武器系统虚拟试验的核心技术是准确的数学模型建立和利用数学模型准确分析响应特性，需要通过一定的试验标定或验证，模型修正后还需再次的验证。实际上，导弹武器系统会处于或承受成千上万种工作载荷，即使试验了数百次，仍有可能漏掉对某些部件有较大影响的工况，这种交替验证的虚拟试验技术仍需要建立一个中长期规划，诸多关键技术还需突破，如多层次的虚拟试验建模、破坏层次建模、合成环境建模、噪声模型和数据库，以及最优综合评估策略等。

2.1 建立系统级试验评价手段

通过虚拟试验验证统一技术平台建立，提高武器装备整机系统在真实、模拟或虚拟条件下的综合试验与评估能力，研究军工产品在空间模拟或虚拟环境、空中飞行环境和地面综合环境条件下的试验验证技术，形成导弹、火箭、卫星等的虚拟试验验证技术应用平台，强化综合试验技术基础提升军工产品全生命周期验证与评价能力。

典型导弹作战效能评价试验系统如图1所示。通过对整个作战环境以及武器系统进行仿真，结合外场飞行试验对作战效能进行评估。在此试验系统中运用了虚拟试验与实物试验结合的方法，突破虚拟试验验证的环境构建，被测对象与综合环境的协调控制，虚拟试验验证系统的建模与验模技术，虚拟试验验证系统的测试、校准、分析与评估技术和虚拟试验验证系统的集成技术，完善军工产品从研究发展到试验与评价的集成体系。美国F35飞机研制中，设计至飞行的试验采用了数字化技术，使其研制周期较F22飞机缩短了约50%，试飞、飞行架次减少了40%。F35飞机原计划需要13架用于试飞，因采用了虚拟试验，真正试飞飞机是11架，且研制定型时间缩短了30%。目前，国内也已经开展了相关虚拟靶场和产品性能评估技术的研究［1－2］。

图1 导弹作战效能评价系统Fig.1 Evaluation system of missile operational effectiveness

2.2 预示和修正真实试验

虚拟试验是在虚拟现实环境中，利用数字化模型代替实物原型，进行产品性能的试验分析。虚拟试验环境是实体建模、环境建模、数字仿真、性能分析、试验人员的集合。因虚拟试验系统不受环境和空间规模限制，利于在设计阶段对设计产品开展验证和评价。

目前，对虚拟试验技术在模拟飞行振动环境试验、模拟飞行热环境试验、模拟飞行载荷环境和模拟复杂大气环境（阵风、雷击）等应用开展了研究。虚拟试验可实现对试验过程的记录、重复与再现，实现设计者、产品用户在设计阶段信息的互反馈，使设计者尽早发现并解决设计、试验过程中存在的潜在问题，对真实试验方法、结果等进行修正，从而缩短新产品试验周期，降低试验费用，提高产品质量。

2.3 替代实物试验

导弹武器系统是一个复杂的大系统，其研制是一个高投入、高技术、知识密集的系统工程。弹体外形到制导控制系统的设计与试验面临多个技术难题，为验证新的关键技术和试验项目能否达到预期目标，采用实际地面或飞行试验验证的代价非常大。

随着计算机技术特别是虚拟现实技术的发展，复杂系统的设计、试验和运行的概念和方法有了新的突破，以高效、优化、低成本、低风险为目标，将虚拟试验技术等先进验证手段用于系统的设计、试验与测试，已成为当今武器研制的发展方向。虚拟试验技术属于可控制、无破坏性、耗费小并允许多次重复的试验手段。在复杂产品的研制过程中，虚拟试验不仅可作为真实试验的前期准备工作，而且能一定程度替代传统的物理试验，减少物理样机制造试验次数，减少试验受场地、时间和次数的限制因素，通过虚拟试验可不需进行实物测试就能准确了解产品性能，降低实物制作和测试设备的成本。

3 虚拟试验典型应用

近年来，美国波音公司建立了协同虚拟试验（CVT）平台GENOA和积木式的虚拟试验方法，采用虚拟试验技术对X-37航天器设计寿命性能进行了评估。GENOA是一多层次、多尺度复合材料结构破坏分析仿真软件，可对结构进行渐进式损伤破坏过程模拟。在国内，实现了对虚拟振动环境试验的仿真，以及某导弹虚拟振动试验，应用NASTEAN的随机振动模块，通过动力学模型建立、随机振动仿真试验、试验与仿真分析结构比较等步骤，进一步验证了虚拟振动环境试验方法的可行性。

3.1 舰空导弹虚拟靶场

舰空导弹虚拟试验靶场是一个分布式的一体化复杂虚拟试验系统，可在虚拟的仿真环境中对舰空导弹武器系统的性能进行有效的测试和评估，并根据结果给出武器系统的作战效能。舰空导弹虚拟试验靶场支持武器系统的设计、试验、训练的全过程，主要由一体化信息系统、合成环境（含干扰对抗半实物仿真）、虚拟测试系统、仿真引擎等组成，如图2所示。

图2 虚拟靶场构成Fig.2 Constitute of virtual firing range

开发的虚拟试验系统将参试产品转化为虚拟样机，通过虚拟样机置于与实际环境高度逼近的虚拟环境中进行各种性能试验，以不断评价系统性能。整个试验过程与试验结果通过虚拟现实场景进行人机交互，设计人员可不断改变试验条件和内容，并根据可视化的试验结果评价参试产品。

3.2 虚拟振动环境试验系统

随着计算机、数字仿真、数字信号处理和结构动力学分析等技术的发展，虚拟振动环境试验已成为一新型的试验仿真技术［3－5］。由于航天产品的精密性、昂贵性，以及振动试验的风险性，部分高难度振动试验难以进行。另外，增加一次振动输入对产品就有不利的影响。因此，在制定和实施振动试验任务前，利用仿真技术完成振动试验和预试验分析有其实际应用价值。它不仅能有助于事先了解受试产品在振动试验中的响应特性，而且可让试验设计人员对选用的试验设备、仪器和试验工装能完成该试验条件下的振动试验，以及对振动控制点的选择、试验参数设置的合理性做到心中有数。另外，还可虚拟实现无法进行地面模拟的空间动力学环境。

用PATRAN等软件作为研究工具，通过对试验系统进行虚拟试验，分析其动态力学特性，并与动态特性实际试验结果对比，不断完善有限元模型，对试验产品建立数值分析模型，并应用商业软件中的随机振动模块开发导弹虚拟振动环境试验的仿真（如图3所示）。典型的虚拟试验过程为：建立导弹的动力学分析模型，通过模态试验进行修正，按振动试验条件输入功率谱进行随机振动分析，通过导弹虚拟振动环境试验的闭环控制，获得各控制点的功率谱密度曲线和均方根值。该方法可作为振动试验前的预试验分析，能有效优化试验方案设计，预示产品的响应特性和保证地面试验效果。

图3 虚拟振动环境试验系统Fig.3 Virtual vibration evvironment test system

3.3 虚拟风洞试验

风洞试验是导弹研制中的一个不可或缺的组成部分，但研制过程中会遇到模型制作、试验计划和风洞阻挡效应等问题。随着CFD技术的日益成熟，适于各种马赫数和外形的数字化工具越来越多，计算精度也越来越高，在部分飞机、汽车设计领域已逐渐采用一系列的成熟软件替代传统缩比模型的风洞试验，其益处是真实反映了飞行器的飞行状态，节省了模型制作的周期和费用，同时可对气动噪声等多种气动行为进行测量和考察，拓展了风洞试验的领域。飞机翼面涡流如图4所示。