虛擬試驗在導彈武器系統(tǒng)研制中的應用

李偉忠，劉 揚，水娟娜

（中國人民解放軍海軍駐上海地區(qū)航天系統(tǒng)軍事代表室，上海 201109）

0 引言

隨著技術的發(fā)展，導彈武器系統(tǒng)的作戰(zhàn)空域更廣，作戰(zhàn)環(huán)境更復雜，充分驗證武器系統(tǒng)性能的難度越來越大，因此必須探索滿足未來導彈武器系統(tǒng)研制需求的新試驗手段，對傳統(tǒng)的試驗體系進行補充和完善。虛擬試驗所代表的驗證手段日益成熟，其驗證技術的理念和方法也得到初步認可，并取得了階段性的技術與應用成果。虛擬試驗驗證技術的發(fā)展方向是規(guī)范化、集成化和體系化。本文對虛擬試驗技術在導彈武器系統(tǒng)研制中的應用進行了綜述。

1 虛擬試驗需求

1.1 作戰(zhàn)效能考核需求

目前靶場的導彈武器系統(tǒng)試驗主要以考核導彈的戰(zhàn)術技術性能為主，針對武器系統(tǒng)作戰(zhàn)效能的試驗相對較少，特別是在敵我雙方對抗條件下的試驗只局限于單機的攻防仿真。為全面了解導彈武器系統(tǒng)的作戰(zhàn)性能，須綜合考慮敵我雙方對抗和人的參與，需要從整個作戰(zhàn)系統(tǒng)的層次上設計試驗評估方案。但由于條件約束致使許多試驗無法實施，外場試驗費用又極其昂貴，依靠現(xiàn)有的試驗鑒定手段無法對導彈武器系統(tǒng)作戰(zhàn)效能做出科學合理的評估。這就對采用仿真與半實物結合等試驗手段模擬實戰(zhàn)條件下虛擬飛行試驗產生了需求，以彌補實戰(zhàn)飛行試驗的不足。

1.2 降本增效需求

因導彈在飛行試驗過程中具有消耗性和不可回收性，故對新技術方案和新環(huán)境條件的驗證導致研制和試驗成本的大幅增加。采用虛擬試驗驗證技術可有效降低研制風險，降低設計和試驗成本，在保證研發(fā)質量的前提下縮短研制周期。特別是熱、力學環(huán)境條件下的產品設計（如紅外導引頭頭罩）常需通過多次反復的樣機設計、加工和性能試驗驗證。虛擬試驗技術的應用可使設計者在產品開發(fā)中快速設計和優(yōu)選方案，通過對功能與性能的大量反復的虛擬試驗驗證可及時發(fā)現(xiàn)產品設計缺陷與潛在問題，不斷迅速修正設計，最大限度地保證產品的設計質量和可靠性，從而顯著減少昂貴而費時的物理樣機制造及靶場試驗，縮短研制周期，提高產品生命力。

采用數(shù)值計算方法對結構進行動態(tài)特性分析，可將虛擬試驗用于產品研究，也是一種較成熟的理論模型方法。當虛擬試驗接近實際的試驗條件時，虛擬試驗結果有較高的可靠性。

1.3 試驗條件覆蓋性需求

導彈在貯存、運輸和使用時面臨的環(huán)境十分復雜和嚴酷，如地面大氣環(huán)境（高溫、低溫、潮濕、鹽霧、淋雨等）、力學環(huán)境（振動、沖擊、過載、氣動熱等）、空間軌道環(huán)境（真空放電，真空冷熱浸，輻射等）、再入環(huán)境（高熱、著陸沖擊等），這些環(huán)境因素都可能導致導彈的零部件和組件、整機、分系統(tǒng)出現(xiàn)故障和損壞，這使用戶和生產者關注產品在上述環(huán)境中的性能、可靠性和安全性，以保證產品能滿意地工作，這就必須進行環(huán)境試驗。單依賴大量開展物理試驗應對新型導彈設計中的性能需求已不能滿足導彈武器系統(tǒng)發(fā)展的需要，尤其對破壞性試驗，在控制試驗次數(shù)的同時不發(fā)生欠試驗或過試驗，已成為導彈設計中的重要課題。另外，對超出物理試驗范圍的試驗，因其難度大、成本高，甚至部分極限載荷工況在地面條件無法精確模擬，更需要借助經驗證的可靠的分析工具，輔以必要的物理試驗，采用虛擬試驗技術進行考核驗證，如考慮舵機負載條件和全彈飛行振動耦合條件下的穩(wěn)定控制系統(tǒng)響應分析。

虛擬試驗是開展導彈型號研制過程中試驗驗證的一條有效途徑，它克服了由于試驗或飛行條件限制和試驗設備不足造成的困難，可獲得較完整的虛擬試驗數(shù)據。

2 虛擬試驗技術發(fā)展方向

建立虛擬試驗系統(tǒng)的目的是在導彈武器系統(tǒng)產品研制生產前進行系統(tǒng)級／部件級的考慮環(huán)境條件下工作性能的全面檢驗，對系統(tǒng)級部件抗飛行環(huán)境的能力進行預示，為詳細設計改正提供依據。導彈武器系統(tǒng)虛擬試驗的核心技術是準確的數(shù)學模型建立和利用數(shù)學模型準確分析響應特性，需要通過一定的試驗標定或驗證，模型修正后還需再次的驗證。實際上，導彈武器系統(tǒng)會處于或承受成千上萬種工作載荷，即使試驗了數(shù)百次，仍有可能漏掉對某些部件有較大影響的工況，這種交替驗證的虛擬試驗技術仍需要建立一個中長期規(guī)劃，諸多關鍵技術還需突破，如多層次的虛擬試驗建模、破壞層次建模、合成環(huán)境建模、噪聲模型和數(shù)據庫，以及最優(yōu)綜合評估策略等。

2.1 建立系統(tǒng)級試驗評價手段

通過虛擬試驗驗證統(tǒng)一技術平臺建立，提高武器裝備整機系統(tǒng)在真實、模擬或虛擬條件下的綜合試驗與評估能力，研究軍工產品在空間模擬或虛擬環(huán)境、空中飛行環(huán)境和地面綜合環(huán)境條件下的試驗驗證技術，形成導彈、火箭、衛(wèi)星等的虛擬試驗驗證技術應用平臺，強化綜合試驗技術基礎提升軍工產品全生命周期驗證與評價能力。

典型導彈作戰(zhàn)效能評價試驗系統(tǒng)如圖1所示。通過對整個作戰(zhàn)環(huán)境以及武器系統(tǒng)進行仿真，結合外場飛行試驗對作戰(zhàn)效能進行評估。在此試驗系統(tǒng)中運用了虛擬試驗與實物試驗結合的方法，突破虛擬試驗驗證的環(huán)境構建，被測對象與綜合環(huán)境的協(xié)調控制，虛擬試驗驗證系統(tǒng)的建模與驗模技術，虛擬試驗驗證系統(tǒng)的測試、校準、分析與評估技術和虛擬試驗驗證系統(tǒng)的集成技術，完善軍工產品從研究發(fā)展到試驗與評價的集成體系。美國F35飛機研制中，設計至飛行的試驗采用了數(shù)字化技術，使其研制周期較F22飛機縮短了約50%，試飛、飛行架次減少了40%。F35飛機原計劃需要13架用于試飛，因采用了虛擬試驗，真正試飛飛機是11架，且研制定型時間縮短了30%。目前，國內也已經開展了相關虛擬靶場和產品性能評估技術的研究［1－2］。

圖1 導彈作戰(zhàn)效能評價系統(tǒng)Fig.1 Evaluation system of missile operational effectiveness

2.2 預示和修正真實試驗

虛擬試驗是在虛擬現(xiàn)實環(huán)境中，利用數(shù)字化模型代替實物原型，進行產品性能的試驗分析。虛擬試驗環(huán)境是實體建模、環(huán)境建模、數(shù)字仿真、性能分析、試驗人員的集合。因虛擬試驗系統(tǒng)不受環(huán)境和空間規(guī)模限制，利于在設計階段對設計產品開展驗證和評價。

目前，對虛擬試驗技術在模擬飛行振動環(huán)境試驗、模擬飛行熱環(huán)境試驗、模擬飛行載荷環(huán)境和模擬復雜大氣環(huán)境（陣風、雷擊）等應用開展了研究。虛擬試驗可實現(xiàn)對試驗過程的記錄、重復與再現(xiàn)，實現(xiàn)設計者、產品用戶在設計階段信息的互反饋，使設計者盡早發(fā)現(xiàn)并解決設計、試驗過程中存在的潛在問題，對真實試驗方法、結果等進行修正，從而縮短新產品試驗周期，降低試驗費用，提高產品質量。

2.3 替代實物試驗

導彈武器系統(tǒng)是一個復雜的大系統(tǒng)，其研制是一個高投入、高技術、知識密集的系統(tǒng)工程。彈體外形到制導控制系統(tǒng)的設計與試驗面臨多個技術難題，為驗證新的關鍵技術和試驗項目能否達到預期目標，采用實際地面或飛行試驗驗證的代價非常大。

隨著計算機技術特別是虛擬現(xiàn)實技術的發(fā)展，復雜系統(tǒng)的設計、試驗和運行的概念和方法有了新的突破，以高效、優(yōu)化、低成本、低風險為目標，將虛擬試驗技術等先進驗證手段用于系統(tǒng)的設計、試驗與測試，已成為當今武器研制的發(fā)展方向。虛擬試驗技術屬于可控制、無破壞性、耗費小并允許多次重復的試驗手段。在復雜產品的研制過程中，虛擬試驗不僅可作為真實試驗的前期準備工作，而且能一定程度替代傳統(tǒng)的物理試驗，減少物理樣機制造試驗次數(shù)，減少試驗受場地、時間和次數(shù)的限制因素，通過虛擬試驗可不需進行實物測試就能準確了解產品性能，降低實物制作和測試設備的成本。

3 虛擬試驗典型應用

近年來，美國波音公司建立了協(xié)同虛擬試驗（CVT）平臺GENOA和積木式的虛擬試驗方法，采用虛擬試驗技術對X-37航天器設計壽命性能進行了評估。GENOA是一多層次、多尺度復合材料結構破壞分析仿真軟件，可對結構進行漸進式損傷破壞過程模擬。在國內，實現(xiàn)了對虛擬振動環(huán)境試驗的仿真，以及某導彈虛擬振動試驗，應用NASTEAN的隨機振動模塊，通過動力學模型建立、隨機振動仿真試驗、試驗與仿真分析結構比較等步驟，進一步驗證了虛擬振動環(huán)境試驗方法的可行性。

3.1 艦空導彈虛擬靶場

艦空導彈虛擬試驗靶場是一個分布式的一體化復雜虛擬試驗系統(tǒng)，可在虛擬的仿真環(huán)境中對艦空導彈武器系統(tǒng)的性能進行有效的測試和評估，并根據結果給出武器系統(tǒng)的作戰(zhàn)效能。艦空導彈虛擬試驗靶場支持武器系統(tǒng)的設計、試驗、訓練的全過程，主要由一體化信息系統(tǒng)、合成環(huán)境（含干擾對抗半實物仿真）、虛擬測試系統(tǒng)、仿真引擎等組成，如圖2所示。

圖2 虛擬靶場構成Fig.2 Constitute of virtual firing range

開發(fā)的虛擬試驗系統(tǒng)將參試產品轉化為虛擬樣機，通過虛擬樣機置于與實際環(huán)境高度逼近的虛擬環(huán)境中進行各種性能試驗，以不斷評價系統(tǒng)性能。整個試驗過程與試驗結果通過虛擬現(xiàn)實場景進行人機交互，設計人員可不斷改變試驗條件和內容，并根據可視化的試驗結果評價參試產品。

3.2 虛擬振動環(huán)境試驗系統(tǒng)

隨著計算機、數(shù)字仿真、數(shù)字信號處理和結構動力學分析等技術的發(fā)展，虛擬振動環(huán)境試驗已成為一新型的試驗仿真技術［3－5］。由于航天產品的精密性、昂貴性，以及振動試驗的風險性，部分高難度振動試驗難以進行。另外，增加一次振動輸入對產品就有不利的影響。因此，在制定和實施振動試驗任務前，利用仿真技術完成振動試驗和預試驗分析有其實際應用價值。它不僅能有助于事先了解受試產品在振動試驗中的響應特性，而且可讓試驗設計人員對選用的試驗設備、儀器和試驗工裝能完成該試驗條件下的振動試驗，以及對振動控制點的選擇、試驗參數(shù)設置的合理性做到心中有數(shù)。另外，還可虛擬實現(xiàn)無法進行地面模擬的空間動力學環(huán)境。

用PATRAN等軟件作為研究工具，通過對試驗系統(tǒng)進行虛擬試驗，分析其動態(tài)力學特性，并與動態(tài)特性實際試驗結果對比，不斷完善有限元模型，對試驗產品建立數(shù)值分析模型，并應用商業(yè)軟件中的隨機振動模塊開發(fā)導彈虛擬振動環(huán)境試驗的仿真（如圖3所示）。典型的虛擬試驗過程為：建立導彈的動力學分析模型，通過模態(tài)試驗進行修正，按振動試驗條件輸入功率譜進行隨機振動分析，通過導彈虛擬振動環(huán)境試驗的閉環(huán)控制，獲得各控制點的功率譜密度曲線和均方根值。該方法可作為振動試驗前的預試驗分析，能有效優(yōu)化試驗方案設計，預示產品的響應特性和保證地面試驗效果。

圖3 虛擬振動環(huán)境試驗系統(tǒng)Fig.3 Virtual vibration evvironment test system

3.3 虛擬風洞試驗

風洞試驗是導彈研制中的一個不可或缺的組成部分，但研制過程中會遇到模型制作、試驗計劃和風洞阻擋效應等問題。隨著CFD技術的日益成熟，適于各種馬赫數(shù)和外形的數(shù)字化工具越來越多，計算精度也越來越高，在部分飛機、汽車設計領域已逐漸采用一系列的成熟軟件替代傳統(tǒng)縮比模型的風洞試驗，其益處是真實反映了飛行器的飛行狀態(tài)，節(jié)省了模型制作的周期和費用，同時可對氣動噪聲等多種氣動行為進行測量和考察，拓展了風洞試驗的領域。飛機翼面渦流如圖4所示。

圖4 飛機翼面渦流顯示Fig.4 Eddycurrent of plane wing surface

4 結束語

通過建立虛擬試驗系統(tǒng)，可進行系統(tǒng)級／部件級的考慮環(huán)境條件下的導彈工作性能的全面檢驗，對系統(tǒng)級部件抗飛行環(huán)境的能力進行預示，可為詳細設計改正提供依據和方向，提早發(fā)現(xiàn)不合理的試驗設備和配置方案，減少試驗失敗率，降低試驗成本，并能一定程度彌補實物試驗不足。

［1］ 馬衛(wèi)兵，趙 雯，朱一凡.地空導彈虛擬靶場合成環(huán)境概念參考模型研究［J］.計算機仿真，2003，20（11）：15-18.

［2］ 胡朝暉，羅繼勛，王 邑，等.紅外制導空空導彈抗干擾性能試驗及評估研究［J］.紅外與激光工程，2008，37（6）：478-481.

［3］ 范伯鈞，劉 煒.虛擬振動環(huán)境試驗在導彈研制中的應用［J］.現(xiàn)代防御技術，2007，35（6）：51-54.

［4］ 李當當，李傳日.電子產品虛擬試驗評估技術綜述［J］.裝備環(huán)境工程，2009，6（4）：64-67.

［5］ 孫俠生，段世慧.飛機結構虛擬試驗與認證方法的發(fā)展趨勢［J］.計算機測量與控制，2009，17（5）：813-816.