空軍利用CREATE－AV中的Kestrel能力，研究了一個對數(shù)字線索飛行模型應用統(tǒng)計工程的方法。Kestrel是高逼真度的基于物理特性的模型，全面仿真從亞聲速到超聲速飛行的固定翼飛行器，包括復雜機動、推進裝置影響、移動控制面、氣彈影響、多體相對運動以及引入真實內(nèi)循環(huán)和外循環(huán)控制率的能力。Kestrel擁有一個模塊化架構(gòu)，可以綜合流體／結(jié)構(gòu)相互作用、推進裝置集成和武器集成，給數(shù)字線索帶來：多學科、多物理、多逼真度能力，快速和高效生成降階模型的能力，在詳細設計過程中處理系統(tǒng)集成的能力，以及充分利用高性能計算設施的可擴展性。

將經(jīng)確認的試驗數(shù)據(jù)庫和模型V＆V數(shù)字化保存為SOR將加速數(shù)字化真相源生成

研究中，在一個固定馬赫數(shù)和高度，使用Kestrel在不同角度和速度下進行橫滾、俯仰和偏航機動，確�！盎貧w空間”（即一般飛行中的角度和速度）有適當?shù)母采w范圍。機動加入一個唧聲（chirp）信號（變化頻率和變化高度的正弦曲線），機動過程引起一系列空氣動力學特性。之后，使用系統(tǒng)辨識軟件SIDPAC對輸入角度、速度和輸出載荷進行建模，從輸入和輸出數(shù)據(jù)構(gòu)建在試系統(tǒng)的一個數(shù)學模型，表征系統(tǒng)的不確定性和測量噪聲。這一過程大致如圖3所示。唧聲機動計算的輸出是一個降階響應面，可以立即用作交戰(zhàn)模型和／或飛行模擬器的飛行模型，比計算流體動力學計算飛行器周圍流場來確定載荷高效。這些模型讓氣動力系數(shù)數(shù)據(jù)和氣動力載荷數(shù)據(jù)可被提取出來用于和已知值對比。使用Kestrel、SIDPAC和高性能計算機對空氣動力學進行預測已成功通過許多飛行器得到確認。

通過飛行器外模線生成降階響應面提供了一個應用試驗設計（DOE）減少風洞試驗總時間的機遇。嘗試應用DOE來優(yōu)化一個傳統(tǒng)的單獨風洞試驗難以成功，因為當前的風洞不利于快速改變參數(shù)來優(yōu)化數(shù)據(jù)集的隨機性。單因子輪換試驗方法讓當今航空研制流程的數(shù)據(jù)庫變得巨大，不過，如果從全部風洞試驗層面思考，可能會有更有成效的DOE使用方法，即對數(shù)字線索飛行模型應用統(tǒng)計工程。響應面的不確定性需要使用統(tǒng)計工程方法量化，那些仍展現(xiàn)高度不確定性的區(qū)域?qū)⒊蔀轱L洞試驗的主要關注點，從而成為風險降低的關鍵區(qū)域而不用去定義整個參數(shù)空間。DOE方法確保最佳數(shù)據(jù)集得到采用，通過DOE流程計算的動力系數(shù)，可用于分析通過額外計算、風洞試驗或飛行試驗，響應面上的波動可消減多少。會存在一個必須進行風洞試驗或飛行試驗的臨界點，這樣，就可以盡量減少不確定性建模和／或試驗。

生成綜合的基于模型的代理需要建模效率、可縮比性和優(yōu)化的不確定性量化手段

空軍在數(shù)字線索研究中使用F－22項目的現(xiàn)有數(shù)據(jù)庫確認了該方法。將F－22的外形曲線輸入Kestrel，計算不同馬赫數(shù)和高度下的計算結(jié)果，定義整體空氣動力學性能和S＆C。計算結(jié)果直接與原始的綜合風洞數(shù)據(jù)庫進行比較，成功驗證和確認了Kestrel對空氣動力學性能進行建模的能力。在關鍵設計評審之前的某些風洞試驗，有90％需要改變控制系統(tǒng)外形（如襟翼／擾流片設置等）。以往這些控制面設置通常人工完成，而空軍使用Kestrel內(nèi)建的可移動控制系統(tǒng)能力發(fā)展了一個建模能力，在不同飛行條件下自動調(diào)整飛行器，實現(xiàn)了在更少的計算量需求下，定義控制權(quán)限和控制系統(tǒng)增益。

基于數(shù)字線索方法，空軍評估了減少風洞試驗對成本和時間的潛在影響，范圍包括空氣動力學性能、S＆C和氣動載荷試驗，約占全部風洞試驗的65％。對一個標準的22000小時風洞試驗，氣動力學／載荷試驗大約15000小時，使用數(shù)字線索可以減少60％，即9000小時。如果風洞試驗超過48個月，那么數(shù)字線索方法可以減少20個月的時間，而相關的成本減少則是兩倍——減少的風洞試驗成本和縮短的項目周期帶來的更低的項目規(guī)劃成本。對于一個1000億美元的采辦項目，在關鍵設計評審前應用數(shù)字線索方法有可能減少10億美元量級的研制成本。

三步式流程融合高逼真度基于物理特性的模型和真實試驗數(shù)據(jù)

使用Kestrel來建立飛行器性能和S＆C相同的計算，還可以在飛行器上通過使用空氣動力的空間和時間分布的本征正交分解，對空氣動力載荷進行節(jié)點分析。Kestrel包括一個支撐結(jié)構(gòu)元件分析的完整的有限元結(jié)構(gòu)分析能力。將這個結(jié)構(gòu)載荷的基于模型的前期評價，與風洞中使用壓敏漆的先進試驗技術(shù)結(jié)合，可以為詳細結(jié)構(gòu)設計提供對結(jié)構(gòu)載荷的深刻理解。而且，隨著外形曲線在研制流程中潛在變化以提升空氣動力學性能，結(jié)構(gòu)載荷可被有效更新，以支撐敏捷設計和重量管理。此外，動力系數(shù)還可幫助理解一個缺陷向下傳遞到下一個研制步驟的概率。

在使用Kestrel和系統(tǒng)辨識為優(yōu)化的試驗活動生成性能和S＆C而進行的計算，可以在需求分析階段就執(zhí)行，用于考慮感興趣系統(tǒng)的測試性，并且為設計一個最少試驗活動的方法制定初始策略。響應面方法也為研制試驗和使用試驗的集成提供一個寶貴支撐，并且處理聯(lián)網(wǎng)和互操作性問題。響應面中采集的飛行器特性可以直接轉(zhuǎn)換到一個人在環(huán)路模擬器的性能數(shù)學引擎。即使在研制的最早階段，這個人在環(huán)路模擬器也可開始處理某些使用集成問題，從而可在項目中更早地進行集成的研制試驗／使用試驗。如果將早期航電和通信包的實驗用板或數(shù)字模型放入人在環(huán)路模擬器，系統(tǒng)演進的性能就可作為一個分布式任務仿真中的節(jié)點進行評價。來自這個集成方法的反饋可用在非常早期階段，面向一個可互操作的系統(tǒng)擁有最大性能而改進設計。由于當前絕大部分使用試驗（特定術(shù)語）的接口問題和互操作性在研制流程的很晚才處理，使用這樣一種創(chuàng)新的方法對減少研制周期的積極影響將是巨大的。

向數(shù)字化的試驗鑒定主計劃邁進以提升試驗鑒定質(zhì)量和性能并縮減成本和進度

四、結(jié)束語

美國國防部推進數(shù)字工程，打造數(shù)字工程生態(tài)系統(tǒng)，將使現(xiàn)有采辦流程和工程活動提升為基于模型、由數(shù)據(jù)驅(qū)動的集成化實踐，極大提升生命周期各階段分析能力和決策水平，支持武器系統(tǒng)的快速規(guī)劃、敏捷設計、高效制造與精準保障，使美軍超越快速變化的威脅和技術(shù)進步，更快地向作戰(zhàn)部隊交付先進能力，同時更具經(jīng)濟可承受性和持續(xù)保障性，支撐美國第三個“抵消戰(zhàn)略”。

（中國航空工業(yè)發(fā)展研究中心  劉亞威）

本篇供稿：系統(tǒng)工程研究所

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