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虚拟试验与仿真验证技术在国外武器装备研制中的应用张宝珍随着武器系统采办从基于平台向基于能力的方向转变,试验与评价(T&E)作为确保军方用户获得并维持具有作战效能、作战适用性且满足用户需要的武器系统的关键环节,日益获得各国军方和工业部门的重视。武器系统先进性和复杂性的大幅度提高,使得武器系统试验的要求和难度也随之增加,在一定程度上造成试验费用的增加和试验时间的延长,特别是随着联合作战和网络中心战逐渐成为现代战争的主要模式,对信息技术(IT)密集的复杂多任务系统的评估与试验的难度逐渐增加,许多跨平台交互和相关性要求使得传统武器试验方式与战场需求的矛盾日益突出。另一方面,随着现代信息技术的飞速发展,建模与仿真、虚拟现实、人工智能、计算机网络等技术也有了巨大发展,促成了仿真、虚拟技术与试验和评价的有效结合,正在形成一类在军工试验与评价领域有广泛应用前景的新技术——虚拟试验/测试与仿真验证技术(以下简称虚拟试验技术)。1.虚拟试验技术的内涵及特点虚拟试验是在长期积累的大量有关数据、有关的动力学模型以及各类三维模型的基础上,利用高性能计算机、网络环境、传感器或各种虚拟现实设备,建立能方便地进行人机交互的虚拟环境或虚实结合的环境,在此环境中对实体、物理样机或虚拟样机进行试验,用可视化的方法观察被视物体的性能及其相互间的关系,并对试验结果进行分析与研究。例如:虚拟风洞、虚拟发动机试车、虚拟试飞等。从上述定义可以看出,虚拟试验的内涵主要涉及三方面内容:第一是试验手段即试验所需仪器设备的虚拟;第二是试验对象的虚拟和仿真;第三是试验环境的虚拟和仿真。虚拟试验是虚实结合的试验技术。在产品研制的不同阶段,构成虚拟试验的三方面虚实程度会发生变化。比如,在武器装备昀初的要求确定和方案论证阶段,虚拟试验是开展试验的主要手段。由于尚无任何实物,用户和承包商根据军事需求建立装备模型,主要利用构造仿真手段在计算机上开展虚拟试验,确定装备的战技指标和选择昀佳的保障方案,分析评估各种技术途径和备选方案的可能性,演示和评估关键子系统和部件的能力,为决策提供辅助支持;当装备采办进入系统研制和演示验证阶段(过去称工程与制造研制阶段)后,随着数据的不断积累,部件和分系统硬件的逐步增多,采用构造仿真和虚拟仿真(硬件在回路或人在回路仿真)相结合的方式开展虚拟试验成为主要手段,特别是在不可能进行重复的实物试验,却需要得到某些具有统计特性的总体技术指标时;或系统复杂,参试设备数量有限而实际系统不可能参与试验时,虚拟试验成为解决真实试验的这些瓶颈问题的重要工具,它可提供理想的仿真环境和系统性能响应的手段,帮助获得足够的性能统计和评价数据,加速型号的研制过程。虚拟试验是相对于真实产品的物理试验而言的。虚拟试验技术属于可控制1的、无破坏性的、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,虚拟试验不仅可以作为真实试验的前期准备工作,而且可以在一定程度上替代传统的物理试验,减少物理样机制造试验次数,使试验不受场地、时间和次数的限制,并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过程中存在的潜在问题,从而达到缩短新产品试验周期、降低试验费用、提高产品质量的目的。但虚拟试验不能完全代替真实试验,二者具有互补性。真实试验除了可以为虚拟试验模型的确认提供必要的数据和信息外,还可以发现虚拟试验不能涵盖的问题,即便是该领域已经得到了充分的虚拟验证。典型的例子如F-18E/F战机的机翼下坠(“Wing-drop”)效应、在许多项目中的特定飞行条件下外挂物的振动以及联合空对地导弹JASSM目标穿透预计误差问题等。2.虚拟试验与仿真验证技术在国外武器装备研制中的应用及成效发达国家的实践表明,虚拟试验与仿真验证技术适应于包括航空、航天、兵器、船舶、核等在内的国防工业各领域,是军工产品试验和测试技术发展的必然趋势。信息技术进步使虚拟试验和仿真验证技术的研究有了更可靠的技术保障,使其不断成熟,应用范围不断扩大。虚拟试验与仿真验证适用于武器装备寿命周期各个阶段,包括可行性论证、方案论证、研制生产、试验与评价、使用与训练等各个阶段的试验和测试。通过各个阶段的虚拟试验获得充分可信的、与武器装备性能的相关信息,减少了武器装备采购过程中的盲目性和不确定因素,增强了决策的合理性和科学性。现在,在欧美发达国家,以建模仿真技术为基础的虚拟试验与仿真验证已成为武器系统试验与评价工作的重要组成部分,而且有些场合可以部分地取代物理试验,成为武器系统试验与评价的新途径。目前,虚拟试验技术已广泛用于国外武器装备的采办过程中,从系统方案论证到使用训练的各个阶段,在降低技术风险、缩短研制周期、降低费用等方面取得可观的效益。例如,美国在研第四代攻击机F-35项目提出“从设计到飞行试验全面数字化”,其研制周期比F-22缩短一半,风洞试验减少75%,试飞架次减少40%,定型试验周期缩短30%。在美军F-22,F-35等第四代战斗机的气动载荷计算、油箱方案优化、流场分析等方面都采用了虚拟试验验证技术;美国航空业两巨头波音和洛马公司在竞标JSF项目时,除设计新战机外,都建立了虚拟试验验证系统,用于研发和测试新战机,并用于训练飞行员和地勤人员。在两家公司的飞机真正试飞前,已在虚拟系统上进行了数千小时的虚拟试验。虚拟试验验证技术也广泛应用在“宙斯盾”武器系统的“战备完好性”测试平台、“爱国者”防空导弹的虚拟试验验证系统、“战斧”导弹地面的功能虚拟试验台FGT中,带来了明显的效果。比如,目前舰载C4ISR系统的陆上试验越来越依赖虚拟协同环境对舰载C4ISR系统进行虚拟试验测试。以美国海军的舰载“宙斯盾”作战系统为例。“宙斯盾”系统在陆试站的试验是分阶段进行的。例如作战系统的运行性试验,按从基本系统到全系统的顺序分3个阶段进行。“宙斯盾”的软件在软件开发中心中研制,在计算机仿真环境下进行测试,昀后,在陆试站通过2实际作战系统设备,进行测试与试验。在陆试站进行多次充分的运行鉴定性试验,证实了“宙斯盾”作战系统的功能是有效的,为装舰和继续生产提供了依据。由于在陆上对系统进行了充分集成与虚拟试验,使CG-47在交付9个月后就部署到地中海服役,使舰上试验时间从18个月减少到6-7个月。通常,为了评定导弹武器系统的技术性能和作战性能,往往需要可观的导弹数量,进行多次导弹靶场实弹飞行试验以获取必要的统计数据,从而需要花费大量的时间和经费。若为了节约开支而大量减少导弹试验发数,便会降低靶试结果的置信度。在导弹武器系统研制过程中,以虚拟技术模拟飞行试验,替代部分乃至大部分实弹试验,而实弹试验则仅作为一种有效性的验证手段,从而做到了在保证武器系统性能的基础上节约大量时间和经费的目的。根据国外对三种不同类型的“爱国者”、“罗兰特”及“尾刺”地空导弹研制过程中的情况统计分析,可得到如下结论:由于采用虚拟及仿真技术,使靶试实弹数减少了30%~60%;研制费用节省了10%~40%;研制周期缩短了30%~40%,其经济效益颇高。美国陆军利用虚拟试验验证系统对“长弓海尔发”导弹进行小批量生产和大批量生成的验收试验,明显减少了传统的飞行试验的次数,提高了导弹批次验收试验的可信度。据保守的估计,使用上述验收设施的虚拟试验比实际试验每年至少节省500万美元,昀高能达到1000万美元。美军完成M1改进型主战坦克的作战试验,采用实物模拟,需花费两年时间,耗资4000万美元;而采用虚拟试验,则只需3个月时间,耗资近640万美元,其效果显而易见。虚拟试验在国外典型军工型号项目中的应用实践表明,虚拟试验可以有效克服实物试验的局限性,显著缩短研制周期、降低技术和项目风险及研制成本,已成为与实物试验并举的一种新的试验形式。虚拟试验与实物试验可以相辅相成,相得益彰。虚拟试验可以弥补实物试验的不足,支持试验与评价工作提高安全、效率和效能。但虚拟试验的成功建立在大量实物试验积累的数据基础上,实物试验通过提供虚拟试验模型和仿真的验证和确认所必需的信息来改进虚拟试验的效能和精确度。当前的许多项目将实物试验的目标确定为仅是验证系统的性能是否满足,而忽略了利用实物试验为建模仿真和虚拟试验提供确认数据的潜在收益。收集试验数据用于确认目的,要求特别重视试验数据的精度,也需要比常规单纯的试验目的采用更多的仪器手段。不过,大多数模型确认工作可作为试验与评价过程的一部分完成,这仅需增加有限的成本。相反,若由建模仿真机构开展独立的确认过程,所需的费用要多得多。3.虚拟试验前途光明,但道路曲折传统的以实物试验为主的试验模式,导致军工产品研制周期长、试验费用高、风险大,已满足不了新型复杂武器装备的发展需求。为此,国外武器装备研制中已越来越多地应用了虚拟试验技术。通过各个阶段的建模与仿真和虚拟试验获得充分可信的、与武器装备性能的相关信息,减少了武器装备采购过程中的盲目性和不确定因素,增强了决策的合理性和科学性。比如,借助虚拟风洞辅助完成飞行器总体布局选型;虚拟试飞(VFT)在地面试验和飞行试验之间搭桥铺路;美3国借助虚拟实验室研发JSF;航空发动机开展虚拟维修性试验与评价;美军的试验与训练使能体系结构为靶场互用性和资源重用提供有效解决方案;“爱国者”防空导弹虚拟试验与评价对导弹拦截系统的研制起到了重要作用;美海军“战斧”导弹利用地面功能试验开展虚拟试飞节省大量资金;NASA喷气推进实验室开发软着陆虚拟试验与评价系统,帮助实现“探路号”探测器在火星上的软着陆;虚拟试验技术在NASA和欧空局卫星系统中得到广泛应用;虚拟试验在国外舰船、兵器研制中也得到应用,如美国陆军的虚拟试验场、美国陆军未来战斗系统的分布式虚拟试验、美陆军利用虚拟试验场开展生化武器虚拟试验等。国外的实践表明,虚拟试验与仿真验证已成为缩短研制周期、降低项目风险和研制成本的主要途径。尤其是对大系统而言,如弹箭、飞机、卫星、车辆等,由于全系统的IT&E技术难度大、费用高,导致实施困难,甚至根本就无法用真实条件实现试验与评价。通过仿真和虚拟试验与其它试验手段的结合,能有效地开展全系统性能IT&E。采用虚拟试验技术是进行大系统总体综合性能验证的重要发展趋势。随着虚拟试验技术越来越广泛地被应用到各种武器系统研制中,成为对实物试验的一种有力补充手段,美欧等国工业界对虚拟试验技术充满信心,并在武器系统研发中大力采用,虚拟试验和仿真验证技术呈现出光明的发展前途。然而,由于仍存在模型与仿真的精确度及验证等问题,虚拟试验技术的发展仍面临着许多制约,其前进的道路则是曲折的。即便在率先采用虚拟试验技术的美国,在推广应用这种新技术过程中也遇到了不小的阻力。首先是人们尤其是美国军方某些高层官员对虚拟试验是否真实可信,是否能达到与真实试验一样的效果仍存在一定的疑虑,美国国防部使用试验与评价主任(DOT&E)年初发布的2007年度报告对洛马公司F-35项目取消2架试验机、用更多地面试验室和飞行试验台的虚拟试验代替的做法表示了担忧,虚拟试验继续成为国外军方和军工行业争论的主题。由于高层领导尚存疑虑,因此,对虚拟试验技术的投资自然遇到障碍。比如,美国空军从2005年开始的““空军综合协同环境”虚拟试验室开发工作目前就遇到了资金问题。据说,空军的“长航程攻击”和“机载电子攻击”项目都是该协同环境的候选试验项目。空军仿真与建模处前处长、现在在负责为空军开发该协同环境的承包商格式塔公司供职的沃迪卡(DavidM.Votipka)认为,由于在说服相关的项目经理时遇到了困难,该项目的进展速度实际上已经滞后了。而项目不能尽快进展就不能及时地证明该技术有效,项目也就不能得到必要的拨款,昀终只能处于恶性循环之中。除了经费问题外,制约虚拟实验室发展的其他因素有数据保密问题和当前普遍存在的项目相互割据的状态。按照美军的传统,重大武器项目都会独自建造自身的、不与其他项目分享的数字化模型。这样,所有的项目经理都不习惯于综合协同环境,在心理上也不愿意放弃自己独享的数字化模型。而说服高层相信虚拟试验技术与实物试验一样可靠,给该技术的发展以有力的支持,则是摆在美
本文标题:虚拟试验与仿真验证技术在国外武器装备研制中的应用
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