仿真技術(shù)，為航空制造插上數(shù)字翅膀

    仿真技術(shù)是以相似原理、信息技術(shù)、系統(tǒng)技術(shù)及其應(yīng)用領(lǐng)域中有關(guān)專業(yè)技術(shù)為基礎(chǔ)，以計(jì)算機(jī)和各種物理效應(yīng)設(shè)備為工具，利用系統(tǒng)模型對(duì)實(shí)際的或設(shè)想的系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)研究的一門綜合性技術(shù)，它綜合集成了計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、圖形圖像技術(shù)、多媒體技術(shù)、軟件工程技術(shù)、信息處理技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)等多個(gè)高新技術(shù)領(lǐng)域知識(shí)。

航空仿真技術(shù)

    仿真技術(shù)的研究和應(yīng)用在航空領(lǐng)域內(nèi)開展的較早而且發(fā)展也較快。早在50年代，在航空自動(dòng)控制技術(shù)方面首先采用仿真技術(shù)，面向方程建模和應(yīng)用模擬計(jì)算機(jī)的數(shù)學(xué)仿真獲得了普通的推廣，同時(shí)，采用三軸模擬轉(zhuǎn)臺(tái)的自動(dòng)飛行飛機(jī)控制系統(tǒng)的半實(shí)物仿真試驗(yàn)研制和應(yīng)用中。飛行模擬器分為兩大類：一類是工程飛行模擬器，主要提供工程技術(shù)人員在型號(hào)研制中開發(fā)和使用；另一類是訓(xùn)練飛行模擬器，主要供定型飛機(jī)的飛行人員訓(xùn)練使用。

訓(xùn)練模擬飛行器

    科學(xué)家、工程師及操作人員可以通過利用各種仿真器在不同虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境下對(duì)所研究的工程系統(tǒng)、先進(jìn)結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)思想及控制方法進(jìn)行仿真試驗(yàn)，從而取代繁重而昂貴的實(shí)際試驗(yàn)并能取得直接試驗(yàn)不可能取得的數(shù)據(jù)和結(jié)果。因此它對(duì)于大型復(fù)雜的工程系統(tǒng)工程和管理系統(tǒng)工程的概念驗(yàn)證、方案論證、預(yù)設(shè)計(jì)檢驗(yàn)、試驗(yàn)分析、系統(tǒng)幻真實(shí)際探索、甚至開發(fā)小靈境技術(shù)的應(yīng)用等具有極為關(guān)鍵的關(guān)鍵指導(dǎo)作用。實(shí)事上，仿真就是用數(shù)字模型代替或部分代替實(shí)際系統(tǒng)，通過所編寫的系統(tǒng)仿真程序在計(jì)算機(jī)運(yùn)行試驗(yàn)并取得試驗(yàn)結(jié)果以驗(yàn)證方案并指導(dǎo)設(shè)計(jì)與生產(chǎn)。因此，仿真技術(shù)的實(shí)用性在于可置信度，而關(guān)鍵取決于仿真建模的準(zhǔn)確性。所以每種仿真都包括3個(gè)主要過程即建模、驗(yàn)?zāi)７治�。而整個(gè)仿真技術(shù)又分為3種類型：

    仿真技術(shù)類型

    通過建立的數(shù)字模型及所編寫的執(zhí)行程序在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行反復(fù)運(yùn)行試驗(yàn)，而無需為模擬產(chǎn)生真實(shí)環(huán)境配備的各種物理效應(yīng)設(shè)備亦即只用計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)和評(píng)價(jià)真實(shí)條件下所探討的事物特性。數(shù)字仿真可在實(shí)時(shí)、準(zhǔn)實(shí)時(shí)或超實(shí)時(shí)條件下運(yùn)行，尤其適于系統(tǒng)的研究開發(fā)、方案論證和設(shè)計(jì)階段。

數(shù)字化仿真技術(shù)

    它通過將研究系統(tǒng)的部分實(shí)物（如各種傳感器、機(jī)載計(jì)算機(jī)、操縱及其伺服機(jī)構(gòu)等）接人到仿真回路進(jìn)行試驗(yàn)，因此除計(jì)算機(jī)外還要求配備相應(yīng)形成傳感器測(cè)量環(huán)境的各種設(shè)備，而飛行器動(dòng)力學(xué)等被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性仍需通過建立的數(shù)字模型在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行，在整個(gè)樣機(jī)尚未全制出就可利用仿真回路對(duì)所研制的部分實(shí)物進(jìn)行評(píng)定，根據(jù)仿真試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行修改、優(yōu)化或定型這種仿真試驗(yàn)要求必需實(shí)時(shí)運(yùn)行。

半實(shí)物仿真

    即人/機(jī)系統(tǒng)的仿真，它將操作員作為一個(gè)環(huán)節(jié)包含于仿真回路中并進(jìn)行操作，為了產(chǎn)生真實(shí)感覺，這種仿真試驗(yàn)要求配置能形成人感覺環(huán)境的各種物理效應(yīng)設(shè)備。通過這種試驗(yàn)?zāi)軐?duì)飛行器性能、回路操作人員的技能和素質(zhì)以及整個(gè)人/機(jī)界面作出評(píng)價(jià)。它也要求實(shí)時(shí)運(yùn)行。

虛擬現(xiàn)實(shí)

    21世紀(jì)的仿真技術(shù)已廣泛用于國(guó)防領(lǐng)域的武器研究、作戰(zhàn)指揮、軍事訓(xùn)練以及民用領(lǐng)域的能源、工業(yè)生產(chǎn)與制造、農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)、氣象預(yù)測(cè)等各個(gè)方面，航空仿真應(yīng)用就是其中發(fā)展快、應(yīng)用廣的典型。

    隨著航空事業(yè)的發(fā)展，現(xiàn)代飛行器上正采用越來越多的高新技術(shù)，從而使其性能不斷地提高，結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)更加復(fù)雜化，這就為研制工作帶來更大難度，航空仿真技術(shù)正在充分利用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)，伴隨著計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)輔助制造、計(jì)算機(jī)輔助試驗(yàn)等技術(shù)而同時(shí)發(fā)展起來并成為改進(jìn)飛行器設(shè)計(jì)、優(yōu)化結(jié)構(gòu)中的最得力最經(jīng)濟(jì)最有效的一種試驗(yàn)手段和工具，航空仿真技術(shù)不僅能用于新型號(hào)飛行器的方案論證、任務(wù)規(guī)劃、工程設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造、學(xué)科研究、戰(zhàn)術(shù)研究而且還可用于故障診斷、飛行訓(xùn)練、維護(hù)與管理等。

    虛擬樣機(jī)是一種基于仿真的設(shè)計(jì)，包括集合外形、傳動(dòng)和聯(lián)結(jié)關(guān)系、物理特性和動(dòng)力學(xué)特性的建模與仿真，即通過計(jì)算機(jī)“制造”出來的一架樣機(jī)，即通過計(jì)算機(jī)“制造”出全機(jī)數(shù)百萬個(gè)零件并將其裝配、組合、調(diào)試。在整個(gè)過程中，人們可以評(píng)估其設(shè)計(jì)特性，并進(jìn)行修改使之協(xié)調(diào)、完善和優(yōu)化。波音777飛機(jī)采用虛擬技術(shù)獲得了無圖紙?jiān)O(shè)計(jì)和生產(chǎn)的成功使的由300萬個(gè)零件組成的這架飛機(jī)設(shè)計(jì)沒有一張圖紙，沒有一架物理樣機(jī)，這是一場(chǎng)革命。采用虛擬技術(shù)建立的虛擬樣機(jī)，不僅易于改變和優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，使產(chǎn)品設(shè)計(jì)滿足高質(zhì)量、低成本、短周期的要求，而且提高了產(chǎn)品的更新?lián)Q代速度和市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力。

虛擬樣機(jī)

    虛擬制造是實(shí)際制造過程在計(jì)算機(jī)上的實(shí)質(zhì)體現(xiàn)，既采用計(jì)算機(jī)仿真與虛擬技術(shù)，通過仿真模型在計(jì)算機(jī)上仿真生產(chǎn)的全過程，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的工藝規(guī)范，加工制造、裝配和調(diào)試并且預(yù)估產(chǎn)品的功能、性能和可加工性等方面存在的問題。虛擬制造由虛擬的物理系統(tǒng)（即虛擬的機(jī)床、工夾具、加工體、機(jī)器人等）、虛擬的信息系統(tǒng)（即虛擬的計(jì)算、調(diào)度、管理、數(shù)據(jù)、報(bào)表）和虛擬的控制系統(tǒng)（即虛擬的各種控制器、控制計(jì)算機(jī)）所組成，虛擬制造從本質(zhì)上講就是利用計(jì)算機(jī)生產(chǎn)出虛擬產(chǎn)品。

虛擬制造

    在未來的戰(zhàn)爭(zhēng)中，空戰(zhàn)將是最具有實(shí)質(zhì)性的，海灣戰(zhàn)爭(zhēng)、科索沃戰(zhàn)爭(zhēng)就說明了這一點(diǎn)。殲擊機(jī)的空戰(zhàn)過程可劃分為超視距、視距內(nèi)和近距作戰(zhàn)，作戰(zhàn)距離越近，其機(jī)動(dòng)性越大。現(xiàn)代空戰(zhàn)作戰(zhàn)過程是由機(jī)動(dòng)飛行的載機(jī)實(shí)施對(duì)機(jī)動(dòng)飛行的目標(biāo)的搜索、探測(cè)和跟蹤，瞄準(zhǔn)后發(fā)射機(jī)動(dòng)飛行的導(dǎo)彈去攻擊目標(biāo)，即所謂“三機(jī)動(dòng)”---機(jī)動(dòng)飛行的載機(jī)發(fā)射機(jī)動(dòng)飛行的導(dǎo)彈去攻擊機(jī)動(dòng)飛行的目標(biāo)。利用建模與仿真將此“三機(jī)動(dòng)”的過程進(jìn)行逼真地描述和演示即為虛擬空戰(zhàn)。

虛擬空戰(zhàn)

    隨著商用化的離散制造仿真軟件的出現(xiàn)，歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家將生產(chǎn)線仿真軟件廣泛用于航空航天等行業(yè)，在航空領(lǐng)域，以波音、空客為代表的航空公司對(duì)生產(chǎn)線仿真技術(shù)的研究及應(yīng)用已發(fā)展成熟。20世紀(jì)波音公司就對(duì)生產(chǎn)線建模仿真進(jìn)行了大量的研究，并得到成功應(yīng)用。1994年，Harold對(duì)飛機(jī)裝配過程建立了模型，仿真優(yōu)化了人員配置等問題，隨后在2000年，波音公司Heike等對(duì)飛機(jī)混合裝配過程進(jìn)行了建模仿真，分析了裝配工作站循環(huán)時(shí)間與現(xiàn)場(chǎng)資源、成本的關(guān)系、空客公司為了評(píng)估車間的產(chǎn)能，對(duì)A340-600、A340及A330飛機(jī)機(jī)翼裝配線的工藝流程進(jìn)行了仿真優(yōu)化。2007年，空客公司在A380的研制過程中，對(duì)其飛機(jī)機(jī)翼翼盒結(jié)構(gòu)第一階段裝配進(jìn)行了工藝流程仿真分析，并找出了物流系統(tǒng)及裝配工藝流程的瓶頸問題。此外，羅·羅公司在航空發(fā)動(dòng)機(jī)裝配線方面，利用生產(chǎn)線仿真技術(shù)進(jìn)行仿真優(yōu)化。

生產(chǎn)線仿真技術(shù)

    通常各大飛機(jī)公司和各兵種都是采用兩結(jié)合的方法：即從各仿真器或計(jì)算機(jī)公司購(gòu)買現(xiàn)成的仿真器硬件和計(jì)算機(jī)硬件設(shè)備，而由自己研制專用的仿真器控制系統(tǒng)軟件，采用這種方法研制成的仿真器都比較實(shí)用的。典型而比較先進(jìn)的仿真器有全任務(wù)飛行仿真器、野戰(zhàn)訓(xùn)練仿真器、直升機(jī)仿真器，多機(jī)空戰(zhàn)仿真器等。為了產(chǎn)生逼真的飛行環(huán)境仿真效果，各仿真器公司都在投入大量人力、物力研究和改進(jìn)座艙及其視景系統(tǒng)。目前比較常用的有注視區(qū)視景系統(tǒng)、激光投影視景系統(tǒng)、頭盔視景系統(tǒng)等。代表當(dāng)今最先進(jìn)的座艙視景系統(tǒng)是美國(guó)空軍的超級(jí)座艙計(jì)劃。該計(jì)劃共分為3個(gè)階段：第一階段從1990年初開始研究1號(hào)超級(jí)座艙，主要是頭盔瞄準(zhǔn)火力控制及全向、夜視頭盔投影式平視儀；第二階段從1993年初試驗(yàn)2號(hào)超級(jí)座艙，主要增加了三維全景顯示，并綜合了頭、眼和話音控制；第3階段，從1996年開始試驗(yàn)3號(hào)超級(jí)座艙，主要是進(jìn)一步增加觸敏控制及反饋、增加人工智能專家系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)電子助手以及監(jiān)視駕駛員安全并提高效率的系統(tǒng)。3個(gè)階段完成之后就可以實(shí)現(xiàn)以駕駛員為中心充分利用其視覺、聽覺和觸覺。

仿真座艙

    除美國(guó)外，其他國(guó)家在仿真與建模技術(shù)在航空仿真技術(shù)上也都取得了一些具有國(guó)際先進(jìn)水平的成果。比如英國(guó)在計(jì)算流體力學(xué)與復(fù)雜通信網(wǎng)絡(luò)建模方面、改進(jìn)模型可靠性數(shù)據(jù)等方面居于國(guó)際領(lǐng)先地位，還有一些仿真器公司如雷迪飛森公司等也都生產(chǎn)出一批較先進(jìn)的仿真器設(shè)備；加拿大在動(dòng)態(tài)訓(xùn)練方面居世界領(lǐng)先地位。如其LXH直升機(jī)作戰(zhàn)任務(wù)仿真器具有很高技術(shù)水平。它的CAE工業(yè)有限公司新近獲得美國(guó)辛格公司的5個(gè)仿真分公司中的4個(gè)；法國(guó)及湯姆遜-CSF公司在航空仿真器制造方面也具有很強(qiáng)能力，如研制出幻影2000全任務(wù)飛行仿真器等；德國(guó)在利用仿真技術(shù)研究自動(dòng)化空對(duì)空作戰(zhàn)所使用的綜合火力自動(dòng)導(dǎo)向裝置，用來支持歐洲戰(zhàn)斗機(jī)計(jì)劃等；俄國(guó)廣泛使用仿真與建模技術(shù)進(jìn)行軍事演習(xí)和武器研究，在軍事演習(xí)與知識(shí)庫建立方面也居世界先進(jìn)水平。

虛擬仿真技術(shù)

飛機(jī)仿真器

人在回路仿真系統(tǒng)

    2、建立一個(gè)完美的仿真系統(tǒng)是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，特別是對(duì)于“人或?qū)嵨镌诨芈分小钡姆抡嫦到y(tǒng)，最困難的問題是建立實(shí)物和環(huán)境的仿真設(shè)施，例如：為了紅外制導(dǎo)和光電制導(dǎo)的導(dǎo)彈進(jìn)行半實(shí)物仿真，必須建立紅光仿真系統(tǒng)和光電仿真系統(tǒng)；為研究飛機(jī)性能或訓(xùn)練駕駛員而建立的飛行仿真器則必須有視景和駕駛員操作環(huán)境的模擬設(shè)備等。這些設(shè)備本身很復(fù)雜，且專用性強(qiáng)，需花大力氣才能完成。

飛行仿真器

    從進(jìn)入計(jì)算機(jī)數(shù)字化仿真階段以來，仿真技術(shù)在解決科學(xué)研究、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)控制和訓(xùn)練等方面都發(fā)揮了重要的作用，在新世紀(jì)，全數(shù)字的仿真技術(shù)必將得到更長(zhǎng)足的進(jìn)步。