简化飞机建模 将数周的分析浓缩成几分钟

Walt Silva的工作并非研发一种技术以大幅加速飞机计算建模过程。不过，美国国家航空航天局（NASA）的研究人员做到了这一点。在过去的20年中，一种用于模拟飞机飞行状况的虚拟风洞应用的计算机软件——计算流体动力学（CFD），在设计和测试新飞机时变得越来越重要。但即使是超级计算机，有时也需要数周才能解决这些要求极其苛刻的复杂场景问题。

“你需要一张非常大的网格系统来捕捉机翼上及机翼周围发生的一切情况，例如，现场布置一百万个网格点，而这些网格点就是你要解决的上百万个方程式”，Silva解释道。即使数目如此庞大的网格点及其涉及的计算工作，其复杂性与气动弹性力学的复杂性相比也不能相提并论。而气动弹性力学正是Silva在兰利研究中心专门研究的领域。虽然大多数空气动力学计算都假设存在一架刚性飞行器，而正如Silva所说，“一切物体都具有弹性弯曲的特性”，所以，气动弹性力学就主要是研究空气动力与飞行器结构之间的相互作用，以及这些物体之间空气如何流动。

▲气动弹性力学工程师Walt Silva检查了在兰利研究中心跨音速动力学风洞进行测试的飞机模型。Silva构建了ROM软件模型，该软件提高了飞行器计算建模的速度，减小了费用昂贵的风洞试验需求

Silva及其团队主要对空气动力如何影响结构（空气流动导致结构振动或弯曲的程度），以及结构弯曲又将如何影响空气动力进行模拟和计算。这两个因素还将形成一个反馈环路，其间的相互作用通常会安全地逐步衰减。但在某些情况下，反馈环路也会增强， “如果反馈增强得不到控制，就会发生颤振，从而导致飞行器结构破坏”，他表示。发现颤振意味着工程师必须对飞行器有关方面进行重新设计，或者对飞行器安全飞行的条件进行重新设定。

对气动弹性进行全面分析，需要对不同飞行条件下的运行方程进行反复计算。“假设飞行器以100ft/s的速度飞行，我们需要花费一周时间进行气动弹性分析，才有可能找到以100ft/s速度飞行的飞行器的稳定状态条件。”然后，当飞行器速度为200ft/s时，研究人员又需要重新进行模拟仿真运算。“这仍需要一周时间。我们发现，飞行器以200ft/s的速度飞行时，振荡有所增加。”在这一案例中，“我们仅仅用了两周时间就找出了颤振失稳的速度。即便如此，我们只是弄清楚了稳定或不稳定的速度情况，对于飞行器其他的全面情况，我们还是没有掌握”， Silva表示。他认为一定有办法加快研究速度。他说得完全正确，结果证明，重要发现来自于他在与计算流体动力学无关的领域所取得的经验。“如果我从一开始就一直专注于计算流体动力学（CFD），我不确定我还会不会想到这个点子。”

Silva大约在20年前首次提出了如何简化颤振建模的想法。但此想法与他当时的实际工作不完全相关，这项工作在几年里并没有取得太大进展；这期间，他还不得不面对那些认为该解决方案永远不会奏效的反对者。“创新就是这样，只有你将所有细节工作都安排妥当，才能证明创新是有效的”，他说。这一想法终于在21世纪初得以实现， Silva最终在2008年申请了专利并于2011年获得批准。“当想法变得逐渐清晰时，我也有了重大的新的发现”，他说。3年后， Silva的研究工作被授予NASA年度发明奖优秀奖，Silva本人也获得了NASA颁发的美国航空航天贡献奖。

NASA充分利用了Silva的创新技术，包括对终止使用的Ares Crew运载火箭进行前期气动弹性分析，以及近期对其进行的超音速下弦配置分析；通过这些分析，快速评估了该飞行器结构的安全性。现在，在问世20年后，该产品开始推广应用到NASA之外的领域，包括波音公司及多家小型公司的商业部门中，例如，位于阿拉巴马州的亨茨维尔CFD研究公司（CFDRC）。创新就是如此，“你必须对着它，研究、研究、再研究，当你感到疲倦了、沮丧了、愤怒了和焦虑了，那么就回过头去再研究”，Silva说。

该软件创建了结构物体的简化版本，使用了一种被称为系统辨识的数学工具，而系统辨识方法往往用于结构件或那些涉及飞行动力学的物体。“当我应用系统辨识方法时，我能够获得一些特殊信息，而这些信息能够帮助我构建一个简化的空气动力学模型”，Silva解释说。该模型中只有大约100个或不到100个有序的网格点，而非原有的一百万个网格点。建模过程可能需要几个小时，但模型会让其余的工作完成得更便捷。“现在我把这个模型安装在我的笔记本电脑上，这里，我并不需要超级计算机，然后将速度改为100ft/s，模型会在几秒钟内就运行完毕”，他说。“再将速度改为200ft/s，然后就观察到了颤振现象。以前花两个星期完成的工作，而现在只需要一到两天。

Silva将该软件命名为“降阶模型（ROM）”。他表示，ROM软件为研究者提供的信息虽然不能与运行一套完整的CFD模型所获得的信息完全等同，但“该模型可以让你捕获90%的关键信息”，并且能够确定哪些是需要进一步开展研究的特定区域。“如果我总共有20个方案，而15个方案是常用的。那么，我就可以将我的资源集中用于另外几个最具挑战性的方案中”，Silva说。

在与NASA阿姆斯特朗飞行研究中心合作开展的X-56A MUTT研究项目中，亨茨维尔CFD研究公司（CFDRC）率先使用了降阶建模软件包，用其替代了多功能技术试验台。“为了提高燃油效率，我们希望开发具有超大翼展的飞行器”，CFDRC公司高级技术经理Yi Wang解释道。这些机翼由轻质复合材料制成，易于弯曲，这也意味着其颤振问题是一个棘手的问题。“ROM软件则让整个工作轻松自如”，Wang说。“数据分析往往需要数天和数周时间，而使用了Silva提供的这个软件，一旦ROM开始运行起来，我们在几分钟之内就能预测出颤振。”

CFDRC公司还将该软件用于与美国空军签订的一个小型企业创新研究合同中；该合同项目是“Digital Twin”项目的一部分，旨在创建一个用于测试航天运载器的计算机模型，而该模型实际上将通过计算机执行与真实飞行器相同的任务。该模型将预测飞行器所承受的各种力和载荷，因此，空军可以根据飞机在执行特定机动任务和飞行任务中所发生的实际磨损情况制定其维修计划，而不是按照既定的计划进行预防性维护。这不仅可以降低整个机队的维修成本，还可以确定哪些飞行器需要维修，从而提高整个机队的安全性。

CFDRC公司为ROM软件制定了更大的计划。Wang介绍说，CFDRC公司采用与ROM软件相同的技术，并对其进行了扩展应用，该软件模型不仅能分析一个给定速度和高度下的飞行器情况，还能分析整个飞行阶段飞行器所经历的诸多条件下的各种情况。“Silva在构建这个软件模型时，也为后续的扩展应用奠定了坚实的基础”，Wang说，他的同事团队也正在开展有关ROM软件的后续研究工作。Silva也表示，CFDRC公司目前所做的工作也正是他发布ROM软件时所预期的。“颤振问题是ROM软件研发的起源。按照ROM软件的研究方法和过程，ROM软件还会扩展出其他应用程序。”