运载火箭飞行力学环境虚拟试验及可视化系统设计与实现

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(北京宇航系统工程研究所，北京 100076)

运载火箭飞行力学环境虚拟试验及可视化系统设计与实现

完颜振海，梁磊，孟超，杨亮，徐嘉

(北京宇航系统工程研究所，北京100076)

运载火箭的飞行力学环境随着飞行过程不断发生变化，而当前无论是基于实物试验还是基于数值分析，环境分析大多针对特定飞行状态和工况而无法给出动态变化信息，因此开展了飞行过程动态力学环境虚拟试验及可视化技术研究;基于特征代理模型采用Fortran语言设计了场数据快速预测算法，在采样数值仿真的基础上实现了火箭在大气飞行过程中的动态气动力与气动热环境虚拟试验；采用C++开发了实时分站载荷算法，实现了火箭飞行期间的载荷环境虚拟试验;开发了与运载火箭飞行仿真配合的总线通信接口，并基于EnSight开发了动态图形显示模块，通过共享内存的进程间通信方式实现了试验结果的动态显示;结果表明，该系统可以给出火箭飞行过程中力学环境的全局和关注点信息的动态变化，环境精细化分析和直观可视化研究提供了手段。

虚拟试验；飞行仿真；力学环境；可视化技术；运载火箭

0 引言

运载火箭在执行发射任务时一般会经历从地面到外层空间的环境变化，包括低速、亚声速、跨声速、超声速和高超声速等不同的飞行速度阶段[1]。随着飞行高度、速度和姿态的变化，火箭的气动特性也在不断发生变化。对于运载火箭气动设计而言，需要预测不同条件下的气动特性，为总体、弹(轨)道、姿控和结构设计提供输入。目前火箭气动特性的获取主要依靠风洞试验和数值仿真，对于复杂外形箭体而言，无论哪一种方式都需要耗费大量的时间和成本，因此只能选取特定的飞行状态和工况，其他状态和工况则主要通过参数的拟合及插值等方式获得。在热环境方面，火箭在飞行过程中除了会受气动加热外，还受到发动机的影响，飞行过程中箭体外流场与发动机喷流场相互耦合[2]，而带复杂多发动机热喷流的气动地面试验难以开展。除气动外运载火箭还经历其他复杂和严酷的力学环境，包括由发动机推力产生的加速度环境、POGO效应引起的低频振动环境等[3]，对这些环境的分析可以用飞行载荷来计算和表示，包括轴向载荷、横向载荷等。传统箭体飞行过程中载荷分析同样集中在一些特定的飞行状态和工况，或者针对跨音速等特定飞行阶段[4]。

目前，虚拟试验技术已经越来越广泛地应用到复杂军工产品研制上，其中飞行试验环境模拟技术日益成熟，并形成了典型的环境模拟系统[5-7]。全面准确的环境分析对于航天飞行器的安全性而言非常重要[7-8]，目前面向新一代运载火箭和未来先进航天运输系统的研制需求，全飞行过程的精细化环境分析与预示越来越必要，因此需要开展运载火箭飞行力学环境虚拟试验研究。本文对运载火箭飞行力学环境虚拟试验技术进行深入研究，包括气动力、气动热及载荷3个方面，设计与实现了针对火箭动态飞行过程的3种力学环境预测程序并开发了相应的实时可视化系统，实现了运载火箭在飞行过程仿真中的虚拟力学环境的动态显示，从而为相关专业设计师提供了直观的可视化研究手段。

1 系统设计

1.1 系统设计思路

与传统力学环境分析只针对特定飞行状态和工况不同，火箭飞行过程动态力学环境虚拟试验要实现火箭飞行全过程的环境模拟与展示，需要不同时刻的飞行信息作为试验输入条件，以气动力环境虚拟试验为例，试验条件包含马赫数、雷诺数、攻角等信息，这些都可以由飞行参数计算得到。因此，要开展飞行动态环境虚拟试验，需要有支撑的仿真平台和箭体六自由度仿真模型来解算不同时刻的飞行参数，本文基于模块化的分布式飞行仿真平台[9-10]开展系统设计。包括仿真平台在内的系统运行环境如图1，系统部署在3个计算机节点上，分别用于气动力、气动热和载荷虚拟试验与结果展示。

图1 系统运行环境

1.2 系统架构设计

基于层次化和模块化的设计思想，系统的架构共分为三层，分别是用户界面层、功能逻辑层和数据系统层，如图2所示。用户界面层包含系统配置和图形显示两个模块，系统配置用于可视化环境配置、通信接口配置、数据位置设置、启动连接及启动图形显示窗口。功能逻辑层包含以下模块，用于实现与飞行仿真平台的总线通信接口模块、用于气动力环境虚拟试验的快速预测模块、气动热环境虚拟试验的快速预测模块以及载荷环境虚拟试验的快速计算模块。数据系统层包含系统API、离线的气动力和气动热数值仿真采样数据以及可视模块库，系统API用于对操作系统的调用，主要完成网络通信、图形显示与刷新、进程间通信等功能，离线的采样流场和气动热数据用于流场快速预测，可视化模板库则用于不同显示效果的定义。

图2 系统架构图

1.3 功能流程设计

根据上述运行环境和系统架构开展功能流程设计，如图3所示。系统与飞行仿真平台的连接及匹配通过总线通信接口模块来实现，通过接收来自平台的信息后将其解析转换为各力学环境预测及计算模块的输入参数。气动力快速预测、气动热快速预测及载荷实时计算采用独立的计算模块程序，并将预测结果传递给动态图形显示模块。火箭不同飞行阶段的显示效果，例如显示比例、观察视角、加载模型等，则通过图形显示窗口调用可视化模板库来实现。可视化模板库同样接收来自总线通信接口的消息，用于飞行时序的解析与模板匹配。

图3 系统模块功能流程图

2 关键模块分析与设计

2.1 总线通信接口模块

实现与分布式飞行仿真平台的良好通信是系统的关键因素，系统不仅要及时获取平台运行状态、飞行时序等控制消息，还要按照仿真步长准确收取不同时刻的飞行高度、速度、姿态、过载、推力、控制力等数据信息。飞行时序决定了力学环境虚拟试验模型，例如全箭模型、不带助推模型、芯一级模型、芯二级模型等。飞行数据消息则用于确定相应飞行条件下的虚拟试验条件。为了保证系统的分布式运行和传输数据的准确性，总线通信接口基于TCP/IP协议的高速局域网，并通过Socket编程接口开发，模块设计如图4所示。

图4 模块设计图

2.2 气动力和气动热快速预测模块

气动力和气动热环境的虚拟试验分析同样是系统关键，传统的针对实物试验特定工况的虚拟试验可以依赖长时间的数值计算，但是针对飞行全过程的在线分析难以开展。因此，本文提出一种基于离线大量采样数值仿真分析和在线代理计算的方式来解决这一矛盾。离线采样仿真数据作为气动环境虚拟试验数据库，而气动力和气动热快速预测模块则主要包含特征信息场的获取、多维变量插值和场数据预测3部分，如图5所示，其中多维变量插值的输入向量为来自仿真的飞行数据消息。

图5 模块设计图

2.3 动态图形显示模块

无论是哪种力学环境虚拟试验结果的展示都包含大量的模型和场数据信息，实现动态的刷新与显示存在较大的困难。采用模板化的方式是解决复杂模型转换与大量信息匹配的思路，为此动态图形显示模块包含了模板解析与数据融合的设计。同时为了保证与力学环境大量数据的快速实时交互，采用基于共享内存的进程间通信方式实现二者之间的数据传递。模块设计如图6所示。

图6 模块设计图

3 系统实现与应用

3.1 系统实现

总线通信接口基于以太网Socket链路TCP消息收发机制来实现，系统启动后自动读取本地存储的XML接口配置文件，解析本节点的网络通信地址(IP地址和Socket端口号)和传递数据的数据结构。试验准备阶段，系统按照解析的通信地址向平台进行注册。仿真试验开始后，仿真平台则按照约定格式不断发送数据包。仿真试验结束时，接收平台发送的结束指令信息。

气动力和气动热环境快速预测程序实现使用Fortran语言开发，采用基于本征正交分解和多维变量插值的特征代理模型方法[11]，场特征信息的提取采用本征正交分解获得基态流场，多维变量插值则通过径向基函数方法实现。为了分析发动机喷流对于火箭气动力和气动热特性的影响，在离线的场数据采样过程中采用基于Navier-Stokes方程的多组分气体模拟火箭的内外流场分布。

载荷快速计算程序使用C++语言开发，采用分站统计法，在箭体站点质量分布的基础上，根据总线获得的箭体整体和部段的受力进行计算并将载荷信息映射到各个分站上。

动态图形显示模块则基于科学计算可视化软件EnSight集成式二次开发，采用脚本语言实现数据与模板的解析、数据的匹配与融合及显示结果的输出。可视化模板则通过采用XML文件实现，文件中包含环境类型的定义、飞行阶段的定义及相应的显示样式库。

动态图形显示模块与环境虚拟试验模块之间的数据交互采用基于共享内存的进程间通信方式来实现，开发了通信代理程序，用于协调程序间消息和数据传递，保证数据写通道和读通道的逻辑关系与交互顺序。

图7 基于共享内存的进程间通信图

3.2 系统应用效果

经过系统开发、集成与测试，完成的火箭飞行过程中气动力、气动热和载荷环境虚拟试验节点系统界面分别如图8、图9、图10所示。气动力环境虚拟试验节点可以给出不同飞行时刻箭体表面的压力分布和周围的马赫数流场分布，同时也可以通过虚拟探针测试获得箭体某一位置和最大压力变化情况。

图8 运载火箭某飞行时刻气动力分布图

气动热环境虚拟试验节点可以给出不同飞行时刻箭体表面的热流和温度变化，同时也可以通过虚拟探针测试获得某一位置和最大温度变化情况。

图9 运载火箭某飞行时刻气动热分布图

载荷环境虚拟试验节点可以给出不同飞行时刻箭体不同站点位置的轴向力、剪向力、扭矩、弯矩等，对该飞行时刻最大的载荷站点值进行标亮提示，同时可以对某一类载荷最大值随飞行时间的变化进行监视。

图10 运载火箭某飞行时刻载荷分布图

4 结论

本文提出了一种运载火箭飞行力学环境动态虚拟试验方法，实现了对飞行中火箭的气动力环境、气动热环境和载荷环境动态虚拟试验。对试验及可视化系统进行了设计与实现，包括系统架构设计、功能流程设计和关键模块设计，并给出了系统实现方法和应用效果。结果表明，该方法及相应的系统能够实现对飞行器飞行力学环境的实时预测及动态显示，并可以同时给出全局和关注位置的环境信息，从而为飞行力学环境的精细化分析与直观可视化研究提供了手段。

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DesignandImplementationofVirtualTestandVisualizationSystemforLaunchVehicles’FlightMechanicalEnvironments

Wanyan Zhenhai, Liang Lei, Meng Chao, Yang Liang, Xu Jia

(Beijing Institute of Astronautical System Engineering, Beijing 100076, China)

The flight mechanical environments always change, accompanied by the flight process of the launch vehicles. The environmental analyses are usually carried out for specific situations and cannot depict dynamic information, whether by experiments or by numerical simulations. Therefore, technical research on dynamically virtual test and visualization is given for the flight environments. Based on characteristic surrogate model method, field data depiction algorithm is developed using Fortran. Virtual tests of dynamically aerodynamic and aerothermal environment then are implemented using this algorithm on the basis of sampling numerical simulations. Real-time load computations are developed by C++, and virtual tests of dynamic load are realized. Bus interface is developed for the communication to flight simulation platform, and dynamic display module is developed based on EnSight. Inter-process Communication is selected to qualify the dynamic display of flight environment. The results show that, the system can give overall and detailed information, which can provide means for refined analyses of flight environments and intuitively visual research.

virtual test; flight simulation; mechanical environment; visualization technology; launch vehicle

2017-03-25；

2017-05-15。

完颜振海(1985-)，男，河南商丘人，工学博士，高级工程师，主要从事弹箭数字化系统设计和多物理场数值仿真方向的研究。

1671-4598(2017)11-0291-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.11.074

TP311.1

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