空軍利用CREATE－AV中的Kestrel能力，研究了一個(gè)對數(shù)字線索飛行模型應(yīng)用統(tǒng)計(jì)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(fù)雜機(jī)動(dòng)、推進(jìn)裝置影響、移動(dòng)控制面、氣彈影響、多體相對運(yùn)動(dòng)以及引入真實(shí)內(nèi)循環(huán)和外循環(huán)控制率的能力。Kestrel擁有一個(gè)模塊化架構(gòu)，可以綜合流體／結(jié)構(gòu)相互作用、推進(jìn)裝置集成和武器集成，給數(shù)字線索帶來：多學(xué)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(xì)設(shè)計(jì)過程中處理系統(tǒng)集成的能力，以及充分利用高性能計(jì)算設(shè)施的可擴(kuò)展性。

將經(jīng)確認(rèn)的試驗(yàn)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(gè)固定馬赫數(shù)和高度，使用Kestrel在不同角度和速度下進(jìn)行橫滾、俯仰和偏航機(jī)動(dòng)，確�！盎貧w空間”（即一般飛行中的角度和速度）有適當(dāng)?shù)母采w范圍。機(jī)動(dòng)加入一個(gè)唧聲（chirp）信號(hào)（變化頻率和變化高度的正弦曲線），機(jī)動(dòng)過程引起一系列空氣動(dòng)力學(xué)特性。之后，使用系統(tǒng)辨識(shí)軟件SIDPAC對輸入角度、速度和輸出載荷進(jìn)行建模，從輸入和輸出數(shù)據(jù)構(gòu)建在試系統(tǒng)的一個(gè)數(shù)學(xué)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(jī)動(dòng)計(jì)算的輸出是一個(gè)降階響應(yīng)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(jì)算流體動(dòng)力學(xué)計(jì)算飛行器周圍流場來確定載荷高效。這些模型讓氣動(dòng)力系數(shù)數(shù)據(jù)和氣動(dòng)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(jì)算機(jī)對空氣動(dòng)力學(xué)進(jìn)行預(yù)測已成功通過許多飛行器得到確認(rèn)。

通過飛行器外模線生成降階響應(yīng)面提供了一個(gè)應(yīng)用試驗(yàn)設(shè)計(jì)（DOE）減少風(fēng)洞試驗(yàn)總時(shí)間的機(jī)遇。嘗試應(yīng)用DOE來優(yōu)化一個(gè)傳統(tǒng)的單獨(dú)風(fēng)洞試驗(yàn)難以成功，因?yàn)楫?dāng)前的風(fēng)洞不利于快速改變參數(shù)來優(yōu)化數(shù)據(jù)集的隨機(jī)性。單因子輪換試驗(yàn)方法讓當(dāng)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(fēng)洞試驗(yàn)層面思考，可能會(huì)有更有成效的DOE使用方法，即對數(shù)字線索飛行模型應(yīng)用統(tǒng)計(jì)工程。響應(yīng)面的不確定性需要使用統(tǒng)計(jì)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(fēng)洞試驗(yàn)的主要關(guān)注點(diǎn)，從而成為風(fēng)險(xiǎn)降低的關(guān)鍵區(qū)域而不用去定義整個(gè)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(jì)算的動(dòng)力系數(shù)，可用于分析通過額外計(jì)算、風(fēng)洞試驗(yàn)或飛行試驗(yàn)，響應(yīng)面上的波動(dòng)可消減多少。會(huì)存在一個(gè)必須進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)或飛行試驗(yàn)的臨界點(diǎn)，這樣，就可以盡量減少不確定性建模和／或試驗(yàn)。

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(xiàng)目的現(xiàn)有數(shù)據(jù)庫確認(rèn)了該方法。將F－22的外形曲線輸入Kestrel，計(jì)算不同馬赫數(shù)和高度下的計(jì)算結(jié)果，定義整體空氣動(dòng)力學(xué)性能和S＆C。計(jì)算結(jié)果直接與原始的綜合風(fēng)洞數(shù)據(jù)庫進(jìn)行比較，成功驗(yàn)證和確認(rèn)了Kestrel對空氣動(dòng)力學(xué)性能進(jìn)行建模的能力。在關(guān)鍵設(shè)計(jì)評(píng)審之前的某些風(fēng)洞試驗(yàn)，有90％需要改變控制系統(tǒng)外形（如襟翼／擾流片設(shè)置等）。以往這些控制面設(shè)置通常人工完成，而空軍使用Kestrel內(nèi)建的可移動(dòng)控制系統(tǒng)能力發(fā)展了一個(gè)建模能力，在不同飛行條件下自動(dòng)調(diào)整飛行器，實(shí)現(xiàn)了在更少的計(jì)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(píng)估了減少風(fēng)洞試驗(yàn)對成本和時(shí)間的潛在影響，范圍包括空氣動(dòng)力學(xué)性能、S＆C和氣動(dòng)載荷試驗(yàn)，約占全部風(fēng)洞試驗(yàn)的65％。對一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的22000小時(shí)風(fēng)洞試驗(yàn)，氣動(dòng)力學(xué)／載荷試驗(yàn)大約15000小時(shí)，使用數(shù)字線索可以減少60％，即9000小時(shí)。如果風(fēng)洞試驗(yàn)超過48個(gè)月，那么數(shù)字線索方法可以減少20個(gè)月的時(shí)間，而相關(guān)的成本減少則是兩倍——減少的風(fēng)洞試驗(yàn)成本和縮短的項(xiàng)目周期帶來的更低的項(xiàng)目規(guī)劃成本。對于一個(gè)1000億美元的采辦項(xiàng)目，在關(guān)鍵設(shè)計(jì)評(píng)審前應(yīng)用數(shù)字線索方法有可能減少10億美元量級(jí)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(shí)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

使用Kestrel來建立飛行器性能和S＆C相同的計(jì)算，還可以在飛行器上通過使用空氣動(dòng)力的空間和時(shí)間分布的本征正交分解，對空氣動(dòng)力載荷進(jìn)行節(jié)點(diǎn)分析。Kestrel包括一個(gè)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(gè)結(jié)構(gòu)載荷的基于模型的前期評(píng)價(jià)，與風(fēng)洞中使用壓敏漆的先進(jìn)試驗(yàn)技術(shù)結(jié)合，可以為詳細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(dòng)力學(xué)性能，結(jié)構(gòu)載荷可被有效更新，以支撐敏捷設(shè)計(jì)和重量管理。此外，動(dòng)力系數(shù)還可幫助理解一個(gè)缺陷向下傳遞到下一個(gè)研制步驟的概率。

在使用Kestrel和系統(tǒng)辨識(shí)為優(yōu)化的試驗(yàn)活動(dòng)生成性能和S＆C而進(jìn)行的計(jì)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(shè)計(jì)一個(gè)最少試驗(yàn)活動(dòng)的方法制定初始策略。響應(yīng)面方法也為研制試驗(yàn)和使用試驗(yàn)的集成提供一個(gè)寶貴支撐，并且處理聯(lián)網(wǎng)和互操作性問題。響應(yīng)面中采集的飛行器特性可以直接轉(zhuǎn)換到一個(gè)人在環(huán)路模擬器的性能數(shù)學(xué)引擎。即使在研制的最早階段，這個(gè)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(xiàng)目中更早地進(jìn)行集成的研制試驗(yàn)／使用試驗(yàn)。如果將早期航電和通信包的實(shí)驗(yàn)用板或數(shù)字模型放入人在環(huán)路模擬器，系統(tǒng)演進(jìn)的性能就可作為一個(gè)分布式任務(wù)仿真中的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)。來自這個(gè)集成方法的反饋可用在非常早期階段，面向一個(gè)可互操作的系統(tǒng)擁有最大性能而改進(jìn)設(shè)計(jì)。由于當(dāng)前絕大部分使用試驗(yàn)（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(yàn)鑒定主計(jì)劃邁進(jìn)以提升試驗(yàn)鑒定質(zhì)量和性能并縮減成本和進(jìn)度

四、結(jié)束語

美國國防部推進(jìn)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(dòng)提升為基于模型、由數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的集成化實(shí)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(shè)計(jì)、高效制造與精準(zhǔn)保障，使美軍超越快速變化的威脅和技術(shù)進(jìn)步，更快地向作戰(zhàn)部隊(duì)交付先進(jìn)能力，同時(shí)更具經(jīng)濟(jì)可承受性和持續(xù)保障性，支撐美國第三個(gè)“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

運(yùn) 營：李沅栩