计算机模拟仿真技术在航空航天中的应用

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1、计算机模拟仿真技术在航空航天中的应用在本文开篇，我先粗略介绍一下计算机仿真模拟技术。计算机仿真是应用电子计算机对系统的结构、功能和行为以及参与系统控制的 人的思维过程和行为进行动态性比较逼真的模仿。它是一种描述性技术，是一种定量 分析方法。通过建立某一过程和某一系统的模式，来描述该过程或该系统，然后用一 系列有目的、有条件的计算机仿真实验来刻画系统的特征，从而得出数量指标，为决 策者提供有关这一过程或系统得定量分析结果，作为决策的理论依据。（选自百度百科计算机仿真摘要）仿真是对现实系统的某一层次抽象属性的模仿。人们利用这样的模型进行试验， 从中得到所需的信息，然后帮助人们对现实世界的某一层次的

2、问题做出决策。仿真是 一个相对概念，任何逼真的仿真都只能是对真实系统某些属性的逼近。仿真是有层次 的，既要针对所欲处理的客观系统的问题，又要针对提出处理者的需求层次，否则很 难评价一个仿真系统的优劣。（选自百度百科）计算机仿真模拟的原理是依靠计算机的迭代运算， 所以这是一门依靠计算机技术所衍生的一门有着实际意 义的学科，它与我们的生活息息相关。计算机仿真模拟技 术在科学技术、军事、国民经济、汽车、电子行业、体育、 交通运输、金融、管理、航空航天方面都有广泛的应用。 它的研究范围小到原子，大到宇宙，可以说在现实生活中 应用极为广泛。传统的仿真方法是一个迭代过程，即针对实际系 统某一层次的特性（过

3、程），抽象出一个模型，然后假 设态势（输入），进行试验，由试验者判读输出结果和 验证模型，根据判断的情况来修改模型和有关的参数。 如此迭代地进行，直到认为这个模型已满足试验者对 客观系统的某一层次的仿真目的为止。模型对系统某一层次特性的抽象描述包括：系统的组成；各组成部分之间的静 态、动态、逻辑关系；在某些输入条件下系统的输出响应等。根据系统模型状态变 量变化的特征，又可把系统模型分为：连续系统模型 一一状态变量是连续变化的； 离散（事件）系统模型一一状态变化在离散时间点（一般是不确定的）上发生变化； 混合型上述两种的混合。随着专门用于仿真的计算机仿真机的出现，计算机仿真技术日趋成熟，现 在已

4、经趋于完善。随计算机技术的飞速发展，在仿真机中也出现了一批很有特色的仿真工作站、小巨机式的仿真机、巨型机式的仿真机。80年代初推出的一些仿真机，SYSTEM10和SYSTEM100就是这类仿真机的代表。为了建立一个有效的仿真系统，一般都要经历建立模型、仿真实验、数据处理、 分析验证等步骤。为了构成一个实用的较大规模的仿真系统，除仿真机外，还需配有 控制和显示设备。本文将主要从航空航天方面对计算机仿真模拟进行探讨。航空技术是从上世纪60年代前苏联发射第一颗人造卫星开始，人类开始了对太 空的探索。为航空航天活动的顺利进行而创立的一系列高级复杂的施工作业程序。它涉及 人力资源配置，设备仪器搭配与安装

5、使用等艰深的学术作业。是国家，民族，乃至整 个人类发展的高度追求。航空航天技术使人类文明进入三维时代。 航空是大气层内的飞行活动，航天是穿 越大气层的飞行活动。随着人类对太空进行的探索越加深入各种航天器应运而生，比如火箭、航天飞机、航天探测器、人造卫星，未来还有可能出现的宇宙飞船。每种航天器都是由各种复杂而繁多的机械零件组成的，若想知道它们的工作会不会出现问题谈何容易。只有不断做实验才能得到确切的结果，但是这样做既费时又费 力，还会浪费金钱，所以人们想到了计算机。因为计算机不但计算速度快，而且精度 特别高，对于航空航天这种既要大量计算又要十分精确的技术实在是再合适不过的 了。到后来出现了专门用

6、于仿真模拟的软件，它在航空航天领域更是得到了十分广泛 的应用。仿真模拟软件对于航空航天的促进作用显而易见，它缩短了航天器的制造时间，使得 连续发射成为可能。象航天飞机这样的航天器大多不携带飞行动力装置，在极高真空的 宇宙空间靠惯性自由飞行。航天器的运动速度为八到十几千米每秒，这个速度是由航 天运载器提供的。航天器的轨道是事先按照航天任务来选择和设计的。有些航天器带 有动力装置用以变轨或轨道保持。航天器由航天运载器发射送入宇宙空间，长期处在高真空、强辐射、失重的环 境中，有的还要返回地球或在其他天体上着陆，经历各种复杂环境。航天器工作环境 比航空器环境条件恶劣得多，也比火箭和导弹工作环境复杂。发

7、射航天器需要比自身 重几十倍到上百倍的航天运载器，航天器入轨后，需要正常工作几个月、几年甚至十 几年。因此，重量轻、体积小、高可靠、长寿命和承受复杂环境条件的能力是航天器 材料、器件和设备的基本要求，也是航天器设计的基本原则之一。对于载人航天器， 可靠性要求更为突出。（选自百度百科航天器的特点）正是基于对这种可靠性的要求，所以航天器在发射之前往往先要考虑到各种可能 出现的状况，但在如此复杂的航天器运行时又怎样去考虑到每个零件的状况呢？所以 计算机仿真模拟技术得以在这种情况下大显身手。因为航天航空技术的快速发展，各种航天器不断发射，尤其是美国的航天飞机更是频 频发射，但就在人们认为航天技术将要得

8、到长足发展的时候，一个震惊世界的消息传来了， 那就是挑战者号航天飞机的失事，它使人们从一个征服太空的美梦中醒来。它让人们重新思 考航天飞机的安全性问题。挑战者号航天飞机的事故分析在一片惋惜声中展开了，美国召集 了航天方面的专家，经过研究发现起因是助推器两个部件之间的接头因为低温，变脆，破损， 喷出的燃气烧穿了助推器的外壳，继而引燃外挂燃料箱。燃料箱裂开后，液氢在空气中剧烈 燃烧爆炸。后来又有哥伦比亚号航天飞机的失事，经过专家们的研究，是因为飞机返回大气层时， 飞机的隔热砖脱落造成的事故，起初没有人能够想到就是因为这么一块小小的隔热砖会造成 如此严重的事故。虽然分析结果简单明了，但是分析过程确实

9、是非常的复杂，计算机仿真模拟技术在事 故分析上得到了充分的发挥。专家们通过对可能发生事故的原因进行计算机模拟，最后发现 在隔热瓦脱落时模拟出来的结果与事故发生时所出现的情况相近，所以得出事故的原因。通常计算机模拟仿真技术的步骤是前处理，求解，后处理。以前处理最为 重要，因为大部分条件的加入是在前处理。这些实例体现了计算机在航天航空领域中的应用。相比航天飞机，火箭的应用更加广泛，在安全性上火箭优于航天飞机。19 世纪 80 年 代，瑞典工程师拉瓦尔发明了拉瓦尔喷管，使火箭发动机的设计日臻完善。 19 世纪出 现了几项重大技术进步：燃料容器的纸壳改为金属壳，延长了燃烧的持续时间；火药 推进剂的配方

10、标准化；制造出发射台；发现了自旋导向原理等等。 19 世纪末，火箭开 始用于非军事目的，如用火箭携带救生索飞向海上遇难船只。 19 世纪末 20 世纪初， 液体火箭技术开始兴起。1903年，俄国的K.E.齐奥尔科夫斯基提出了制造大型液体 火箭的设想和设计原理。 1926 年， 3 月 16 日美国的火箭专家、物理学家 R. H. 戈达 德试飞了第一枚无控液体火箭。 1944 年，德国首次将有控的、用液体火箭发动机推进 的V2导弹用于战争。1931年5月，德国科学家赫尔曼奥伯特领导的宇宙航行协 会试验成功了欧洲的第一枚液体火箭。到了 1932 年，德国军方在参观该协会研制的 液体火箭发射试验之后

11、，意识到火箭武器在未来战争中具有的巨大潜力，便开始组织 一批科学家和工程技术人员，集中力量秘密研制火箭武器。到 40 年代初，德国在第 二次世界大战中期，先后研制成功了能用于实战的V-1、V-2两种导弹。其中V-1是一种飞航式有翼导弹，采用空气喷气发动机作动力装置； V-2 是一种弹道式导弹，采 用火箭发动机作动力装置第二次世界大战以后， 苏联和美国等相继研制出包括洲际弹 道导弹在内的各种火箭武器。 20 世纪 50 年代以来，火箭技术得到了迅速发展和广 泛应用，其中尤以各类可控火箭武器（导弹）和空间运载火箭发展最为迅速。从火箭 弹到反坦克导弹、 反飞机导弹和反舰导弹以及攻击地面固定目标的各类

12、战术导弹和战 略导弹，均已发展到相当完善的程度，已成为现代军队不可缺少的武器装 备。各类 火箭武器正在继续向提高命中精度、抗干扰能力、突防能力和生存能力的方向发展。 此外，反导弹、反卫星等火箭武器也正在研制和发展之中，在地地弹道导弹基础上发 展起来的运载火箭，已广泛用于发射卫星、载人飞船和其他航天器等。20 世纪 80 年代初，苏、美两国已经分别研制出六、七个系列的运载火箭。其中， 美国载人登月的火箭，直径 10米，长111米，起飞质量约 2930吨，近地轨道运载能 力为127吨。苏联的“能源”号火箭，起飞质量约 2000吨，近地轨道运载能力约为 100 吨。中国的，采用了并联助推技术，不仅提

13、高了运载能力，还为进一步发展更大运载 能力的火箭奠定基础。运载火箭正向着高可靠性、低成本、多用途和多次使用的方向 发展。可多次往返于太空和地球之间的航天飞机的问世就是这一发展趋势的体现。火 箭技术的飞速发展，不仅可提供更加完善的各类导弹和推动相关科学的发展，还将使 开发空间资源、建立空间产业、空间基地及星际航行等成为可能。中国于20世纪50年代开始研制火箭。1958年6月中国仿制成功前苏联的C-75 型（SA-2 ）地空导弹武器系统，仿制半固定式中高空、中近程地空导弹武器系统。这 就是中国的第一枚导弹，是中国发展火箭的前期基础。1970年4月24日，用“长征”1号三级运载火箭发射了 东方红人造

14、卫星。1975年11月26日，用更大推力的“长征”2 号运载火箭发射了可回收的重型卫星。1980年5月18日，向南太平洋海域成功地发 射了新型火箭。1982年10月，潜艇水下发射火箭又获成功。1984年4月8日，用第 三级装液氢液氧火箭发动机的“长征”3号运载火箭成功地发射了地球同步试验通信卫星。1988年9月7日，用“长征”4号运载火箭将气象卫星成功地送入太阳同步轨道。 1992年8月14日，新研制的“长征”2号E捆绑式大推力运载火箭又将澳大利亚的奥 赛特B1卫星送入预定轨道。这些都表明火箭发源地的中国，在现代火箭技术领域已 跨入世界先进行列，并已稳步地进入国际发射服务市场。（选自百度百科火

15、箭）火箭的组成和航天飞机相似都是由十分精密的零件组成的航天器，所以同样需要计算 机的帮助才能完成它的升空。在未来的航空航天领域仿真模拟技术的应用前景还很广阔，例如宇宙飞船的升空，星 球的探测，月球基地的建立，新一代航天器的发射升空等等。人类还有更加大胆的猜想如2020年开通宇宙，公路专家在报告书中指出，宇宙公路是 除了太空梯之外通往宇宙既安全又便宜的另一运输手段。什么是宇宙公路？即以地球为出发 点，把公路延伸到太空。迄今为止，这些公路的出入口仅限于美国的卡纳维拉尔角和苏联的 拜科努尔等几个地点，而且费用高得惊人。如果人类想要更好地控制太空，就必须开发更便 宜的、从任何地方都能起飞的运输手段。在

16、2025年运行宇宙驿站，根据USNCC报告书的 设定，在启用太空梯与宇宙公路之后，人们还会在通往宇宙的路途中建立一些中继点，即宇 宙驿站。第一个停车驿站是地球太空港，这是像太空站那样的建筑，人类可以乘Zeus航空 航天飞机在这里降落，然后换乘宇宙联络船。太空港是联络船的停留地，也是推进剂的补给 地。地球太空港真正开始活动恐怕要到2025年以后。宇宙驿站一旦应用，那么太空港会向 两个方向伸出长长的索道，出现一种非常有趣的现象：由于潮汐力的作用，在卫星轨道上运 行的细长物体会产生向两端托的力，因此，从向下（即向着地球的方向）一端放出物体，就 会落向地球；从向上一端放出物体，就会上升。如果从下索道发

17、射航空航天飞机，从上索道 发射联络船，那么两者不使用能量，也可以转移到人们期望的轨道上。这其实是以索道为媒 介，交换双方的能量和运动量，完全符合物理学定律。在2030年月球上建工厂，USNCC 报告书的第二要点就是，在月球、火星、小行星乃至宇宙空间，建立人类的据点，开发它的 资源。根据报告书的预测，为了在2025年重返月球，将在环绕月球的轨道上建立月球太空 港，从地球太空港出发的联络船23天后即可到达月球太空港，人们在那里可以换乘月球 登陆船。联络船以液氢和液氧为推进剂，有客运和货运两种，基本设计相同，如果再装上脚， 就可以成为登月船。为解决联络船从月球到地球的减速问题，可以利用空气制动的方法

18、，即 像在大气上层掠过那样飞行，利用空气阻力，不使用推进剂也能减速。因此，在联络船的底 部可以装上陶瓷制的像大器皿那样的空气制动器。过去的无人探测和阿波罗计划是以月球为 主的科学研究。将来的探测计划则是从资源和居住的观点调查月球，由发射的环绕月球极地 轨道的探测器进行月极地详细调查。建设月面据点所需要的物资和人类生活所必须的氧气、 水、食品等，可以逐渐利用从月面取得的资源。月面基地逐渐具备自给自足的条件后，人们 可以在上面建设工厂，并将其发展为殖民区。预计月面实验工厂的建设将于20262027年 开始，月面工厂的建设将于2030年开始。根据USNCC报告书的设想，随着大规模月面工 厂的建设，在

19、地、月系统的太空开发中也要用到月球资源：把在月面制造的产品送往太空固 然好，但把月岩原封不动地送到太空去制作产品，也许更有用。因为月岩主要由硅酸盐组成， 处理月岩就可以取得人类呼吸和火箭推进剂必不可少的氧气。月岩也含有铁、镍、镁、钛等 金属资源。USNCC报告书认为，重返月球之后，作为资源的开采地，人类所选择的目标也 许不是火星和金星，而是小行星。小行星大部分分布在火星和木星的轨道之间，但也有一些 小行星越过火星的轨道，能运行到地球附近。在适当的时机，登上这样的小行星比登上月球 更容易：在小行星上，也许含有在月岩里没有找到的水、氧气、碳、氮等有用物资。（节选 自人类未来50年的太空探索计划）上述虽然现在只是幻想但是未来在计算机技术高速发展的今天一定会实现的。