航空航天论文―计算机在航空航天领域的应用

计算机软硬件技术在航空航天领域中的应用王永洲1（西安航空学院计算机学院，陕西西安710077）摘要：计算机技术的内容非常广泛，可粗分为计算机系统技术、计算机器件技术、计算机部件技术和计算机组装技术等几个方面。本文结合当今航空制造业的现状，叙述计算机技术在航空制造业的发展状况，并着重对计算机软件技术在航空航天领域中的应用进行分析并且对数字化设计技术，集成技术，数控加工技术，虚拟制造技术等方面进行阐述。关键字：航空制造；计算机技术；计算机软件；航空航天计算机技术尤其是计算机软件技术在近现代化航空航天发展中的作用中发挥着独特的作用，随着现在信息工程的迅猛发展，航空工业也发生了巨大的变化，与传统的制造技术相比，现代航空制造业具备数字化、无余量、无纸化、集成化、国际化、高精度、高度协同等新特点。可以说在航空制造业的每一个角落都有计算机的身影，现代信息技术正以其独特的方式推动航空工业的发展。1计算机软件技术应用从飞机的设计开始，软件就已经发挥了它重要的作用：1.1飞机设计飞行器设计需要的软件主要分为绘图、网格划分、流体力学分析、力学分析、多体力学分析、系统控制这几方面。软件为飞机外形的设计提供了极大的方便，同时，飞机设计时需要的各种复杂的物理、数学方面的计算也必须有软件来完成。软件的介入，使飞行器的设计更加的方便、准确，减少了不必要的人力物力的耗费，也避免的不必要的了误差、失误。1.2飞机零件制造显然，零件图纸的绘制需要绘图软件的辅助，绘图软件既可以减少图纸的误差，有方便了工作人员的操作。另一方面，大型零件制造机器的控制也需要软件，软件控制的机器更好操作，不需要专门培养大批专业的技术人员，也减少了大型机械对操纵人员人身安全的潜在威胁。1.3计算机模拟试飞飞机飞上蓝天之前，一定需要试飞，当今软件技术的发展，使试飞不仅仅是单纯的让一名飞行员驾驶飞机，计算机模拟技术也可以起到试飞的作用，通过抽象的模拟，计算机还可以很好的模拟出飞行时飞机状况，突发事件时飞机的各个系统环境的改变。计算机模拟，相当于给飞机生产、知道之前凭空增加一道保障，既可以减少飞机制造是的财力消耗，又是对试飞飞行员生命的一种保护。1.4飞机驾驶驾驶飞机同样少不了软件技术，期中最重要的是飞机的导航系统。20世纪30年代，开始收稿日期：2016-12-23作者简介：王永洲（1995年—），男，河北邢台人，本科，西安航空学院计算机学院计算机科学与技术专业软件工程方向发展仪表导航，通过人工来计算计算机的位置；到后来的无线电导航、如今的GPS导航。在视线之外的万米高空，人们通过软件来确定飞机的位置，控制着各个航线，保障人民的安全。1.5飞机内部飞机内部的服务设施又怎么可能没有软件的参与呢？无论是飞机上的小电视，还是广播、电控门，都充斥着软件技术，哪怕在天上，人们也需要软件来改善自己的生活质量。计算机软件航空模型分析系统2计算机软件在航空事业中的作用2.1航空发动机发动机的设计同样少不了软件来参与三维建模，发动机的控制器更是需要软件来感知环境温度、环境压力、飞行高度等等因素，软件还起到“传达”驾驶员操作意图，转换飞行模式（例如巡航、加速、减速等）。软件可以说是发动机大脑的重要组成部分。2.2设计制造显然所有航空方面的设计制造也离不开软件的参与，软件使绘图、计算等方面工作更加方便准确。2.3卫星太空中的卫星有条不紊的绕着我们转着，而讲卫星与人类联系起来的正是软件。软件通过各种方式分析处理从卫星那里得到的信息，将微信采集到的信息穿的给人类，又将人类的“指示”传递给卫星，没有软件，卫星不可能起到如今的作用。2.4地面监控火箭我们对火箭发射最深刻的印象就是“点火”了，除了点火，地面的工作人员操纵火箭全部都是通过软件来实现的。工作人员通过软件来实现火箭的发射、层层分离甚至最后的回收。NSFIS导弹智能制导控制系统流程3计算机软件在军用、民用3.1飞机设计、测试和制造中的应用飞机的设计是一个复杂的系统工程，它包括外形设计、内部结构设计以及武器、雷达、通讯和动力相关系统的整合等。有了相关三维建模软件的帮助，飞机设计师们可以更加直观精确地设计飞机外形，并可以方便地整合和修改。同时在用于研究新飞机的空气动力学特性的风洞实验中，相关软件可以精确地控制风洞中的气流流速和方向，还可以精确的测量出实验飞机的相关数据并进行整合处理、自动分析，帮助设计师们更加高效地找出最佳的气动外形。相关软件还可以帮助设计师们解决飞机设计工程中复杂繁多的计算问题，甚至模拟飞机的试飞过程，找出飞机在实际试飞时可能出现的问题并帮助技术人员进行处理，从而最大限度地保障试飞员的安全。在飞机制造过程中，相关软件可以指挥设备对机身材料进行精确切割、焊接和组装，一些用于飞机的精密仪器的加工更是离不开软件的支持。特别是在发动机叶片的制造中，只用通过软件的精确控制，才能造出尺寸误差在极小范围内的结构复杂的合格产品，发动机才能在高温高压的工作环境中保持性能稳定。3.2控制软件的应用飞行控制系统的发展经历了4个阶段：20世纪初～40年代，由简单的自动稳定器发展成自动驾驶仪。40～50年代，由自动驾驶仪发展成飞行自动控制系统。60年代出现自适应飞行自动控制系统。70～80年代以后,飞行自动控制系统发展成主动控制系统，继而发展成航空综合系统。可以说，包含各种传感器、处理器和电子设备飞行控制系统能够实现或简单或复杂的预期功能，都依赖于其内部控制计算机内嵌入的相关软件。比如在民航客机上已经广泛应用的自动驾驶系统，通过接收卫星反馈的信息，客机上的计算机软件能够自动计算实时风向、飞机的高度、坐标位置、飞行速度和航向等信息，并结合相关信息控制飞机发动机的功率以及操纵机翼和尾翼等飞机部件，从而自动修正航向，进而实现无人操纵状态下的平稳精确飞行。类似的自动驾驶系统也已经在远程轰炸机和无人机平台上广泛应用。另一方面，对于现代战斗机，飞行控制软件更是成为了决定其在战场上胜负的关键因素。先进的飞行控制软件可以快速处理飞行员的操作信息，对发动机、机翼和尾翼状态进行调整，从而战斗机的飞行状态进行快速精确改变，使飞机在空中格斗中处于有利态势，极大的提高战场生存率。例如，一旦飞行员发现被敌方空空导弹或地空导弹锁定，他可以在飞控软件的协助下，操纵飞机做出大角度俯冲、急速横滚等规避动作来规避导弹的袭击。3.3军用飞机中火控系统相关软件的应用战斗机的火控系统大体上包括机载雷达、探测器、显示器和火控计算机（又被称为指挥仪）等部分，它是决定现代战斗机战斗力的关键系统之一。机载雷达是通过发射和接收电磁波来实现探测目标的电子设备。在军用装备和作战理论飞速发展的今天，空对空作战早已进入了超视距作战的阶段。在超视距作战中，雷达可以说就是飞机和飞行员的眼睛，性能优异的雷达可以帮助飞行员更早的发现目标，并对目标类型进行精确识别并进行跟踪，帮助飞行员从容对敌。探测器则是用来感知高度、风向和温度等对机载武器的使用有影响的因素的设备。火控计算机是火控系统最核心的部分，其中嵌入的软件能够将雷达发现的目标与数据库中存储的目标信息进行比对，进而识别目标类型，并将相关信息以可视化的形式传送的显示器上供飞行员读取。同时火控计算机在其内部软件的操纵下能够实现对一个或多个目标进行跟踪，并且辅助飞行员对目标进行锁定瞄准，接受飞行员的指令，发射各种机载武器并且对这些武器进行精确引导来对目标进行攻击。在攻击过后，相关软件系统还可以通过分析雷达所捕捉到的目标数据，来判断目标是否生存，并把信息传递给飞行员，飞行员再决定是否继续攻击。可以这么来说，火控系统就是飞行员的“枪”，一把枪能否发挥最大作用，并不是由子弹的威力来决定的，而是与这把枪能否出枪快、打的准、打得远密切相关。更加优异的软件可以提高使火控系统能够更快的锁定目标和进行攻击，使战斗机可以先发制敌。同时由于发射前进行了较为准确的瞄准，制导武器的制导系统的工作条件大大改善，提高了制导武器对机动目标的反应能力，减少了制导系统的失误率。现在，世界上的航空大国都在加紧开发效率更高的火控系统控制软件。我们国家也要重视相关研发工作，以便在未来空战中能够占据有利地位。4数字化设计技术以飞机装配工艺为例，过去采用样板、模线、样件等模拟量传递方式，效率，准确度，产品质量都比较低。而现在基于计算机的先进装配协调方法采用了数字量传递的方式，效率，准确度都有很大提高。然而无论是哪种装配，协调工艺都决定于其设计。因此要提高装配，协调工艺必须从设计入手。数字化设计技术以CAD/CAM技术、计算机技术、网络数据库技术和信息集成技术发展等为基础，主要内容有产品数字化定义、虚拟装配和并行技术等。产品数字化定义是应用计算机来描述和定义产品的研制，它的目的是对在产品全生命周期的数字化过程中所包含的信息进行定义和描述，以及这些信息之间的相互关联。产品数字化装配是指对已进行数字化定义的产品零部件通过计算机实体进行虚拟装配，确定航空部件的配合是否符合尺寸，配合要求是否存在超差等等。使在设计过程中的可能不合理因素减到最少，从而减少在制造过程中的更改与返工。由于采用了数字化设计技术，使波音777研制周期缩短了一半，降低了25%的成本，减少了75%的出错与返工率，产品质量得到了大幅度提高。并在波音777飞机开发与制造过程中的成功应用，使数字化设计技术的重要性得到充分认识。飞机数字化设计5集成技术由于航空产品有研制周期长，结构复杂，制造精度要求高，产品使用期长，售后情况复杂，研发生产合作国际化等特点，因此集成技术显得尤为重要。作为集成制造技术的重要组成部分，计算机集成制造技术通过计算机技术将CAD、数控编程、数控加工等原本各自独立的环节整合为一个有机整体，以达到提高产品质量，缩短制造过程，减少生产成本的目的。现代集成技术包含有信息集成、过程集成和企业间集成。通过现代集成技术可实现数字化、网络化、全球化制造。完成波音777研发生产后波音公司，开始实施DCAC/MRM（飞机结构设计与控制/制造资源管理），以达到从用户订单、设计制造、最终到交付使用的统一信息和过程管理的目的。现代集成技术可以解决以前单一数据源方面存在的问题，统一管理产品数据、生产管理过程数据。确定信息的完整性、唯一性、协调性、有效性、无冗余和安全性。将资源管理、设计、制造、销售、服务等5个过程的信息整合为一体。6数控加工技术先进的数控加工技术是当代航空制造业中一个重要的组成部分，也是柔性制造技术的基础。随着我国近年来大量新机研制项目的开发，大量的业务都需要国际间合作，各航空企业所保有的数控机床总量已大幅度增加，通过数控机床加工的零件数量明显增多。在航空制造所涉及的零部件主要特点是结构复杂、零件数量多，表面形状复杂。因此加工技术难度很大，在此需求背景下，对航空行业的数控加工技术水平有很高要求。为实现这一要求，以特征技术为基础的针对飞机零部件和发动机机构件的CAD/CAPP/CAM集成系统技术，分布式的DNC技术，CAP智能化技术，网络数据库以及相应的数据管理技术，车间生产组织、管理调度技术有了很大的提高。7虚拟制造技术虚拟制造的实质是通过相关软件在计算机中的制造，可在计算机中演示完整的制造过程。通过虚拟制造可以验证制造过程的安全性，并且可以进一步优化生产方案。从而保证设备与操作人员的安全，降低产品的生产成本，缩短生产工期，提高生产效率。8计算机技术在常规成形领域中的应用作为最早于计算机技术相结合的行业，计算机技术明显地推动着航空制造工业各方面的改变。计算机技术在航空部件制造的三大传统工艺（钣金、机械加工、铆装）中的广泛应用，航空制造技术水平有很大进步。飞机钣金件往往具有结构体积大，质量轻的特点，而且大部分飞机结构中的钣金部分是保证飞机气动外形的重要组成，其加工水平直接决定了飞机的气动性能。然而以蒙皮加工为例，传统的蒙皮拉形机往往以人工操作为主，加工质量取决于操作员的熟练度与技术水平，导致产品质量不稳定。不过随着大量采用数控技术的蒙皮拉形机的投入使用，产品质量得到稳定保障。在传统的机械加工方面，大量地对先进数控设备进行采用，使飞机零部件中的复杂表面加工，如发动机