基于AICS的固體火箭發(fā)動機(jī)性能和結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)①

何允欽，梁國柱，沈旭昆

(1．北京航空航天大學(xué)宇航學(xué)院，北京 100191;2．北京航空航天大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院，北京 100191)

0 引言

自20世紀(jì)80年代開始，計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)已在固體火箭發(fā)動機(jī)的研制中大量運(yùn)用［1］。近年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展及人們對其期望值的不斷提高，固體火箭發(fā)動機(jī)領(lǐng)域的各種設(shè)計(jì)軟件已由最初的僅用于發(fā)動機(jī)局部性能或部件設(shè)計(jì)的算法程序，演變?yōu)槿缃衲芡瓿烧麄€(gè)發(fā)動機(jī)全系統(tǒng)仿真的大型軟件系統(tǒng)［2］。發(fā)展趨勢的本質(zhì)是算法由相對孤立走向大規(guī)模集成。算法的大規(guī)模集成在增強(qiáng)設(shè)計(jì)能力的同時(shí)，也帶來了3個(gè)新問題，即算法的可重用性，算法集成的靈活性、適應(yīng)性和可定制性，及“信息孤島”問題。算法集成與協(xié)作系統(tǒng)(Algorithm Integration and Collaboration System，AICS)［3］作為算法集成基礎(chǔ)軟件平臺為這些問題的解決提供一般途徑。

本文將以AICS為基礎(chǔ)，構(gòu)造固體火箭發(fā)動機(jī)性能和結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)，并將其應(yīng)用于某戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈發(fā)動機(jī)性能和結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)。

1 問題分析

計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)被大量用于固體火箭發(fā)動機(jī)的研制。截至目前，國內(nèi)外的各高校和研究機(jī)構(gòu)已開發(fā)了大量軟件系統(tǒng)［4－7］，并在工程中獲得了成功應(yīng)用。然而，隨著算法集成規(guī)模的不斷擴(kuò)大，計(jì)算任務(wù)復(fù)雜度的急劇提升，3個(gè)重要的問題由此產(chǎn)生［8］。

1．1 算法的可重用性問題

固體火箭發(fā)動機(jī)領(lǐng)域包含大量算法，涉及火箭發(fā)動機(jī)原理、材料力學(xué)、流體力學(xué)等眾多學(xué)科知識。算法程序的開發(fā)成本較高，科研人員需要花費(fèi)大量時(shí)間和精力來學(xué)習(xí)理論知識，進(jìn)行程序編制、程序調(diào)試，并反復(fù)驗(yàn)證才能完成。

實(shí)際工程中，設(shè)計(jì)人員一般會根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)要求，將相關(guān)算法程序集成在一起來完成計(jì)算任務(wù)。不同計(jì)算任務(wù)一般會用到不同的算法，但相同算法也常常被用于不同計(jì)算任務(wù)。算法的可重用性是固體火箭發(fā)動機(jī)工程領(lǐng)域本身所具有的特點(diǎn)。更進(jìn)一步，算法程序的重用有3個(gè)優(yōu)點(diǎn):

(1)算法程序開發(fā)成本高、周期長，重用能大大減少工作量，縮短研制周期和節(jié)約研制經(jīng)費(fèi);

(2)重用能使設(shè)計(jì)人員“站在巨人的肩膀上”提升設(shè)計(jì)水平;

(3)重用能使算法程序在不同計(jì)算任務(wù)中得到充分驗(yàn)證，從而確保其正確性和穩(wěn)定性。

然而，在目前存在的眾多固體火箭發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)軟件中，算法程序一般只針對特定工程計(jì)算任務(wù)來開發(fā)實(shí)現(xiàn)，不同算法之間一般采用硬編碼或?qū)Ｓ门渲梅绞竭M(jìn)行集成，導(dǎo)致不同算法程序完全“凍結(jié)”為一體，失去了算法程序原本的模塊化特征，從而不能直接在不同計(jì)算任務(wù)間重復(fù)使用。

1．2 算法集成的靈活性、適應(yīng)性和可定制性問題

工程實(shí)踐被很多復(fù)雜因素制約，因而常常是多變的。隨著設(shè)計(jì)策略的改變、各種因素的權(quán)衡，計(jì)算任務(wù)要求也會不斷地變更和調(diào)整。

在固體火箭發(fā)動機(jī)領(lǐng)域，處理計(jì)算任務(wù)的流程可表示為圖1。不難理解，處理計(jì)算任務(wù)的各個(gè)環(huán)節(jié)都緊密依賴于計(jì)算任務(wù)要求、限制條件和設(shè)計(jì)人員歷史經(jīng)驗(yàn)。在實(shí)際工程場景中，計(jì)算任務(wù)要求和限制條件的變動會進(jìn)而導(dǎo)致算法選取的變動、算法集成方式的變動、計(jì)算初始條件的變動等，甚至不同設(shè)計(jì)人員由于各自不同的歷史經(jīng)驗(yàn)也可能對相同計(jì)算任務(wù)采取不同的策略。任務(wù)要求、限制條件、設(shè)計(jì)人員都是工程實(shí)踐中的易變因素。因此，軟件系統(tǒng)必須具有足夠的靈活性、適應(yīng)性和可定制性，才能滿足復(fù)雜多變的計(jì)算任務(wù)要求和不同設(shè)計(jì)人員的需要。

圖1 處理計(jì)算任務(wù)的流程Fig．1 Flow chart of processing computational tasks

然而，目前各種固體火箭發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)大都只是為完成特定工程計(jì)算任務(wù)而開發(fā)的。在軟件的開發(fā)實(shí)現(xiàn)中，算法的集成方式、初始條件的設(shè)定等易隨工作場景變化的邏輯通常采用硬編碼方式固化在軟件系統(tǒng)中或較專用的配置方式來設(shè)定，這致使在實(shí)際計(jì)算任務(wù)中設(shè)計(jì)人員很難根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整或變更。

1．3 信息孤島問題

最初，計(jì)算機(jī)只被用于完成孤立、相對簡單的工程計(jì)算任務(wù)，如發(fā)動機(jī)部件設(shè)計(jì)，噴管內(nèi)流場仿真等。隨著計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的飛速發(fā)展，美國伊利諾伊大學(xué)已經(jīng)開發(fā)了同時(shí)考慮燃燒、流動、傳熱和結(jié)構(gòu)等多因素耦合(多物理場)的超大規(guī)模固體火箭發(fā)動機(jī)全系統(tǒng)仿真軟件［2］。本質(zhì)上，此類軟件能準(zhǔn)確模擬真實(shí)工況的超大規(guī)模軟件系統(tǒng)是諸多不同學(xué)科專業(yè)的、更小的算法程序的集成。因此，算法的充分、有效集成是完成此類大規(guī)模計(jì)算軟件的關(guān)鍵。

目前，國內(nèi)的各種固體火箭發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)大多只面向局部性能結(jié)構(gòu)，且在開發(fā)實(shí)現(xiàn)時(shí)沒有事先考慮軟件系統(tǒng)之間的可集成性，使得不同軟件系統(tǒng)不能或很難被集成起來進(jìn)一步完成更大規(guī)模的復(fù)雜計(jì)算任務(wù)。這就是國內(nèi)固體火箭發(fā)動機(jī)領(lǐng)域中廣泛存在的“信息孤島”現(xiàn)狀。

2 AICS的算法集成原理

AICS是以“算法集成與協(xié)作”理論模型［3］為基礎(chǔ)的算法集成軟件平臺，其目的是為數(shù)值計(jì)算密集型工程領(lǐng)域提供統(tǒng)一的算法集成基礎(chǔ)，使設(shè)計(jì)人員能簡便、靈活、高效地處理繁雜易變的設(shè)計(jì)任務(wù)。為了能在工程設(shè)計(jì)任務(wù)中高效、靈活地運(yùn)用AICS的算法集成功能，需理解其背后的理論模型，以及相關(guān)軟件功能機(jī)制。

2．1 算法輪循計(jì)算

傳統(tǒng)固體火箭發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)軟件大都是以“自頂向下，逐步細(xì)化”的算法設(shè)計(jì)思想開發(fā)完成的，即將計(jì)算任務(wù)分解為按一定邏輯順序計(jì)算的小算法(從1到n)，如果小算法仍較復(fù)雜，則進(jìn)一步分解(從1到m)，直到算法足夠簡單能直接解決，如圖2所示。

圖2 傳統(tǒng)算法設(shè)計(jì)思想Fig．2 Traditional idea of algorithmic designs

特別在將算法編制成程序時(shí)，原本分解開的小算法按照固定計(jì)算流程通過硬編碼或?qū)Ｓ门渲梅绞接直弧皟鼋Y(jié)”為一體，失去了算法原本的“模塊化”特征。更糟糕的是當(dāng)設(shè)計(jì)任務(wù)發(fā)生改變需要在原有算法集成關(guān)系上增加、替換算法或重新調(diào)整算法之間的計(jì)算順序時(shí)，常需要對整個(gè)程序進(jìn)行改動，造成“牽一發(fā)而動全身”的粘連效應(yīng)。

進(jìn)行算法集成時(shí)，需要同時(shí)協(xié)調(diào)好算法之間的數(shù)據(jù)傳遞關(guān)系和算法之間的計(jì)算流程。文獻(xiàn)［3］通過深入研究算法集成的內(nèi)在規(guī)律，發(fā)現(xiàn)算法在進(jìn)行集成時(shí)，算法之間的計(jì)算順序依賴于算法之間的參數(shù)數(shù)據(jù)傳遞關(guān)系。本質(zhì)上，在進(jìn)行算法集成時(shí)，僅需設(shè)定好各算法之間的參數(shù)數(shù)據(jù)傳遞關(guān)系，然后反復(fù)不斷地驅(qū)動，獲得足夠輸入?yún)?shù)數(shù)據(jù)的算法進(jìn)行計(jì)算，則整個(gè)計(jì)算流程完全可以自發(fā)地形成。文獻(xiàn)［3］稱這種自發(fā)形成的計(jì)算流程為算法輪循計(jì)算。

為便于理解，下面通過例子來進(jìn)行介紹。假設(shè)在某個(gè)工程設(shè)計(jì)任務(wù)中，需要綜合使用A、B、C、D 4個(gè)算法來完成設(shè)計(jì)計(jì)算，且計(jì)算過程中A和B的計(jì)算結(jié)果需要分別傳遞給C，C的計(jì)算結(jié)果需要傳遞給D，如圖3所示。

圖3 算法集成案例Fig．3 Algorithm integration sample

面對該設(shè)計(jì)任務(wù)時(shí)，傳統(tǒng)算法集成方法通常是按照某個(gè)事先設(shè)定的計(jì)算流程(如A→B→C→D)，并采用硬編碼方式對算法進(jìn)行集成，將它們完全“凍結(jié)”為一體，來完成計(jì)算。

而采用“算法輪循計(jì)算”模型時(shí)，僅需按圖3所示先設(shè)定好各個(gè)算法之間的數(shù)據(jù)傳遞關(guān)系，然后反復(fù)驅(qū)動具有足夠輸入?yún)?shù)數(shù)據(jù)的算法進(jìn)行計(jì)算即可。整個(gè)計(jì)算過程如下:

(1)計(jì)算剛開始時(shí)，A、B同時(shí)具有足夠的輸入數(shù)據(jù)，而C、D還需要等待其他算法的輸出結(jié)果作為輸入數(shù)據(jù)，因而算法輪循計(jì)算機(jī)制驅(qū)動A、B進(jìn)行計(jì)算(并行或串行)，A、B完成計(jì)算后將計(jì)算結(jié)果傳遞給C;

(2)A、B完成計(jì)算后，輪循機(jī)制繼續(xù)驅(qū)動具有足夠輸入數(shù)據(jù)的算法進(jìn)行計(jì)算，此時(shí)C已得到了A、B的輸出結(jié)果，具有了足夠的輸入數(shù)據(jù)，而D仍需等待C的輸出結(jié)果，因此算法輪循計(jì)算機(jī)制驅(qū)動C進(jìn)行計(jì)算，C完成計(jì)算后，將其結(jié)果數(shù)據(jù)輸出給D;

(3)最后，D具有了足夠的輸入數(shù)據(jù)，被算法輪循計(jì)算機(jī)制驅(qū)動進(jìn)行計(jì)算，D完成計(jì)算后，則A、B、C、D都完成了計(jì)算，整個(gè)計(jì)算結(jié)束。

采用輪循計(jì)算模式進(jìn)行算法集成的優(yōu)點(diǎn):

(1)大大地簡化了算法之間的集成關(guān)系，算法之間不再依賴于計(jì)算流程，而是依賴于參數(shù)傳遞;

(2)充分發(fā)揮并行計(jì)算的優(yōu)勢，采用輪循計(jì)算的方式進(jìn)行算法集成，算法能否開始進(jìn)行計(jì)算只由它是否具有足夠的輸入?yún)?shù)數(shù)據(jù)來決定，多個(gè)同時(shí)具有足夠輸入數(shù)據(jù)的算法在算法輪循計(jì)算機(jī)制的驅(qū)動下自發(fā)地就可進(jìn)行并行計(jì)算;

(3)加強(qiáng)了算法的可重用性，算法只需要關(guān)心自身的輸入、輸出參數(shù)數(shù)據(jù)，而不用再關(guān)心算法之間的先后計(jì)算順序了，算法之間邊界被輸入、輸出數(shù)據(jù)清晰地劃定了，算法的“模塊化”特征得以完整保留，因而可在不同計(jì)算任務(wù)間重復(fù)利用;

(4)算法集成的靈活性增強(qiáng)了，在設(shè)計(jì)任務(wù)中，設(shè)計(jì)人員只需要選擇任務(wù)要求所需要的若干個(gè)算法，并設(shè)定好它們之間的參數(shù)傳遞關(guān)系即可完成算法集成，且當(dāng)設(shè)計(jì)要求發(fā)生變更時(shí)，設(shè)計(jì)人員也可很容易地替換算法，或在原有算法集成關(guān)系中加入新的算法;

(5)算法的可維護(hù)性增強(qiáng)了，算法之間的邊界被清晰劃定后，算法之間可彼此相對獨(dú)立了進(jìn)行開發(fā)、測試、修改、維護(hù)和升級，也為進(jìn)一步創(chuàng)建固體火箭發(fā)動機(jī)性能和結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)算法模塊庫建立了基礎(chǔ)。

關(guān)于輪循計(jì)算更詳細(xì)的內(nèi)容請參考文獻(xiàn)［3］。

2．2 算法集成關(guān)系層次化

基于算法輪循計(jì)算，設(shè)計(jì)人員雖然只需要設(shè)定好各算法間的數(shù)據(jù)傳遞關(guān)系，即可完成算法集成。但當(dāng)計(jì)算任務(wù)較復(fù)雜，參與集成的算法數(shù)量規(guī)模較大時(shí)，如果不對其進(jìn)行歸納和組織，則整個(gè)算法集成關(guān)系就會急劇復(fù)雜起來，而變得難以理解和維護(hù)(修改、調(diào)整和演進(jìn))［3］。

進(jìn)行固體火箭發(fā)動機(jī)性能和結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)人員需要完成熱力計(jì)算、總體參數(shù)優(yōu)化、設(shè)計(jì)指標(biāo)分配、內(nèi)彈道性能計(jì)算、燃燒室設(shè)計(jì)、裝藥設(shè)計(jì)、噴管設(shè)計(jì)、點(diǎn)火器設(shè)計(jì)等。其中，燃燒室設(shè)計(jì)、裝藥設(shè)計(jì)、噴管設(shè)計(jì)、點(diǎn)火器設(shè)計(jì)等部件本身也是由子部件構(gòu)成，并且子部件往往都具有多種材料或結(jié)構(gòu)形式可供選擇，而且在設(shè)計(jì)過程中還需要進(jìn)行強(qiáng)度校核、熱防護(hù)設(shè)計(jì)等，因此又需要對設(shè)計(jì)算法作進(jìn)一步的分解。例如，燃燒室設(shè)計(jì)分為燃燒室殼體設(shè)計(jì)、前裙設(shè)計(jì)、后裙設(shè)計(jì)、燃燒室與點(diǎn)火器的連接件設(shè)計(jì)、燃燒室與噴管的連接件設(shè)計(jì)、外部耳片設(shè)計(jì)等，而燃燒室殼體設(shè)計(jì)更進(jìn)一步又具有“金屬材料橢球形封頭燃燒室殼體”、“金屬材料碟形封頭燃燒室殼體”、“纖維材料橢球形封頭燃燒室殼體”、“纖維材料碟形封頭燃燒室殼體”等多種不同的材料或結(jié)構(gòu)形式可供選擇［9］。圖4為固體火箭發(fā)動機(jī)性能和結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)的概念邏輯圖［7］。

圖4 固體火箭發(fā)動機(jī)性能和結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)的概念邏輯Fig．4 Performance and structure design of solid rocket engine by concept logic

基于算法輪循計(jì)算進(jìn)行固體火箭發(fā)動機(jī)性能和結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)人員將圖4中涉及的各個(gè)算法選取出來，并設(shè)定好各算法間的輸入、輸出數(shù)據(jù)傳遞關(guān)系，就可得到圖5所示的算法集成關(guān)系。不難看出，圖5中所有算法都處于同一層次上，算法集成關(guān)系顯得比較繁亂和難以理解。值得指出的是，圖5中每條線段都代表2個(gè)算法間的多個(gè)輸入、輸出數(shù)據(jù)的傳遞。例如，算法“熱力計(jì)算”的特征速度、定熵指數(shù)等輸出數(shù)據(jù)需要傳遞給算法“總體參數(shù)優(yōu)化”作為輸入。由于篇幅問題，算法間的參數(shù)數(shù)據(jù)傳遞細(xì)節(jié)沒有在圖5中標(biāo)識出來。

圖5 未層次化的算法集成關(guān)系Fig．5 Algorithm integration without hierarchy

自然界和人類社會中，復(fù)雜系統(tǒng)都呈現(xiàn)出層次化的有序結(jié)構(gòu)。類似地，AICS的“算法集成與協(xié)作”模型也采用層次化方法對算法集成關(guān)系進(jìn)行歸納和組織。本質(zhì)上，層次化就是將那些具有非常緊密關(guān)系、合起來具有共同實(shí)際意義的若干算法歸納為一個(gè)邏輯“整體”。該邏輯整體在AICS的“算法集成與協(xié)作”模型中被稱為“復(fù)合式算法”。

例如，將圖5中的燃燒室設(shè)計(jì)相關(guān)的算法(燃燒室殼體設(shè)計(jì)、前裙設(shè)計(jì)、后裙設(shè)計(jì)、燃燒室與點(diǎn)火器的連接件設(shè)計(jì)、燃燒室與噴管的連接件設(shè)計(jì)、耳片設(shè)計(jì))歸納成復(fù)合式算法“燃燒室設(shè)計(jì)”;將噴管設(shè)計(jì)相關(guān)的算法(噴管型面設(shè)計(jì)、噴管流場計(jì)算、噴管性能損失計(jì)算、噴管結(jié)構(gòu)方案、噴管溫度場計(jì)算、喉部燒蝕計(jì)算)歸納成復(fù)合式算法“噴管設(shè)計(jì)”;同理，還可歸納出復(fù)合式算法“點(diǎn)火器設(shè)計(jì)”和“裝藥設(shè)計(jì)”。如此，就得到圖6的層次化算法集成關(guān)系。

層次化后，算法集成關(guān)系的最頂層次只包含熱力計(jì)算、總體參數(shù)優(yōu)化、設(shè)計(jì)指標(biāo)分配、內(nèi)彈道性能計(jì)算、燃燒室設(shè)計(jì)、噴管設(shè)計(jì)、點(diǎn)火器設(shè)計(jì)、裝藥設(shè)計(jì)8個(gè)對象(圖6中黑體標(biāo)粗)，而不再像圖5所示一次性地暴露出所有復(fù)雜細(xì)節(jié)。圖6中，設(shè)計(jì)人員可根據(jù)需要隨時(shí)切換到較低層次的復(fù)合式算法(如燃燒室設(shè)計(jì)等)查看其內(nèi)部組成，并對算法集成關(guān)系進(jìn)行維護(hù)。如此，設(shè)計(jì)人員不但可清晰地從全局上對算法集成關(guān)系進(jìn)行理解和掌控，而且可很容易地切換到各個(gè)細(xì)節(jié)層次進(jìn)行查看和維護(hù)。

關(guān)于層次化更詳細(xì)的討論請參考文獻(xiàn)［3］。

圖6 層次化之后的算法集成關(guān)系Fig．6 Algorithm integration with hierarchy

2．3 算法模塊庫

算法模塊庫是AICS的核心功能機(jī)制和處理計(jì)算任務(wù)的關(guān)鍵基礎(chǔ)。基于AICS進(jìn)行固體火箭發(fā)動機(jī)性能和結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)主要包括“開發(fā)算法模塊”和“算法集成”2個(gè)步驟，如圖7所示。

圖7 基于AICS處理設(shè)計(jì)任務(wù)Fig．7 Processing design tasks based on AICS

(1)開發(fā)算法模塊。固體火箭發(fā)動機(jī)專業(yè)軟件開發(fā)人員遵照AICS的算法模塊規(guī)范，將熱力計(jì)算、總體參數(shù)優(yōu)化、燃燒室殼體設(shè)計(jì)、噴管型面設(shè)計(jì)等固體火箭發(fā)動機(jī)性能和結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)算法開發(fā)成相應(yīng)算法模塊，并添加到AICS算法模塊庫。

(2)算法集成。設(shè)計(jì)人員根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)要求，從算法模塊庫中選取所需算法模塊，利用AICS提供的算法集成機(jī)制進(jìn)行算法集成。

開發(fā)算法模塊相對較容易，因?yàn)锳ICS為算法模塊的開發(fā)提供應(yīng)用程序框架［10］和模板代碼生成器。大部分情況下，開發(fā)人員只需將模板代碼掛接上用Fortran、C等程序語言編制的算法程序即可完成算法模塊的開發(fā)。當(dāng)算法模塊被添加到算法模塊庫后，會羅列于AICS的算法模塊面板(圖8)上供設(shè)計(jì)人員選取使用。

圖8 算法模塊面板截圖Fig．8 Screenshots of algorithm palette

3 固體火箭發(fā)動機(jī)性能和結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)構(gòu)造

本質(zhì)上，基于AICS構(gòu)造固體火箭發(fā)動機(jī)性能和結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)就是將相關(guān)的各算法進(jìn)行切分，開發(fā)成AICS算法模塊，并添加到AICS的算法模塊庫(圖7)。為避免“信息孤島”問題，并實(shí)現(xiàn)算法模塊最大程度的、靈活的“重用”，同時(shí)又保持算法模塊本身的完整獨(dú)立，切分算法模塊時(shí)，“粒度”不能過大、也不能過小。本章先介紹算法模塊的切分原則，然后再進(jìn)一步介紹固體火箭發(fā)動機(jī)性能和結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)算法模塊的切分。

3．1 算法模塊的切分原則

切分算法模塊須要遵從“算法模塊完整獨(dú)立、最小計(jì)算職能”原則，即一個(gè)算法模塊應(yīng)盡可能地只完成單個(gè)計(jì)算職能，除非多個(gè)計(jì)算職能緊密相關(guān)且只能共同使用，而不便被拆分開。如此切分算法模塊的優(yōu)點(diǎn)有:

(1)算法模塊具有簡單、清晰的物理意義，便于單獨(dú)開發(fā)、修改、測試、升級和替換;

(2)進(jìn)行算法集成時(shí)靈活度更大、適應(yīng)性更強(qiáng)，因?yàn)閺?fù)雜計(jì)算職能的算法模塊可由簡單計(jì)算職能的算法模塊組合而成，反之卻不行。

總之，在保證“算法模塊完整獨(dú)立”的前提下，算法模塊的“粒度”越小越好。算法模塊“粒度”越小，算法集成時(shí)的靈活度就越大、適應(yīng)性就越強(qiáng)，算法的“重用性”也就越好。

3．2 固體火箭發(fā)動機(jī)性能和結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)算法模塊的切分

固體火箭發(fā)動機(jī)性能和結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)從概念邏輯上劃分為熱力計(jì)算、總體參數(shù)優(yōu)化、設(shè)計(jì)指標(biāo)分配、內(nèi)彈道性能計(jì)算、燃燒室設(shè)計(jì)、裝藥設(shè)計(jì)、噴管設(shè)計(jì)、點(diǎn)火器設(shè)計(jì)(見圖4)。按照“算法模塊完整獨(dú)立、最小計(jì)算職能”的切分原則，其中的熱力計(jì)算、總體參數(shù)優(yōu)化、設(shè)計(jì)指標(biāo)分配、內(nèi)彈道性能計(jì)算可分別由單獨(dú)的算法模塊來實(shí)現(xiàn)。而燃燒室設(shè)計(jì)、裝藥設(shè)計(jì)、噴管設(shè)計(jì)、點(diǎn)火器設(shè)計(jì)則需進(jìn)一步分解為更小粒度的算法模塊。

根據(jù)燃燒室的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和功能要求，可將燃燒室設(shè)計(jì)分為燃燒室殼體設(shè)計(jì)(包括圓筒段和前后封頭)、前裙設(shè)計(jì)、后裙設(shè)計(jì)、燃燒室與點(diǎn)火器的連接件設(shè)計(jì)、燃燒室與噴管的連接件設(shè)計(jì)、外部零件設(shè)計(jì)6個(gè)子部件設(shè)計(jì)。在進(jìn)行子部件設(shè)計(jì)時(shí)，材料和結(jié)構(gòu)形式的不同，也會導(dǎo)致具體設(shè)計(jì)算法的不同，此外，還需對燃燒室進(jìn)行強(qiáng)度校核。因此，根據(jù)算法模塊最小計(jì)算職能原則和目前針對的小型戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈發(fā)動機(jī)對象，又可對子部件設(shè)計(jì)的算法模塊作進(jìn)一步切分:

(1)燃燒室殼體設(shè)計(jì)切分為“金屬材料橢球形封頭燃燒室殼體設(shè)計(jì)”、“金屬材料碟形封頭燃燒室殼體設(shè)計(jì)”、“纖維材料橢球形封頭燃燒室殼體設(shè)計(jì)”、“纖維材料碟形封頭燃燒室殼體設(shè)計(jì)”4個(gè)算法模塊;

(2)前裙可采用3種不同的結(jié)構(gòu)形式，分別切分成3個(gè)不同算法模塊;

(3)后裙與前裙類似，也切分成3個(gè)算法模塊;

(4)燃燒室與點(diǎn)火器連接可采用普通三角螺紋連接、鋸齒螺紋連接2種結(jié)構(gòu)形式，切分成“普通三角螺紋連接”、“鋸齒螺紋連接”2個(gè)算法模塊;

(5)燃燒室和噴管連接可采用5種形式，切分成“小開口普通三角螺紋聯(lián)結(jié)”、“大開口鋸齒螺紋聯(lián)結(jié)”、“大開口銷釘聯(lián)結(jié)”、“大開口卡環(huán)聯(lián)結(jié)”、“法蘭螺栓聯(lián)結(jié)”5個(gè)算法模塊;

(6)外部零件設(shè)計(jì)目前只包括1個(gè)算法模塊“外部耳片設(shè)計(jì)”;

(7)強(qiáng)度校核算法模塊“燃燒室應(yīng)力分布和強(qiáng)度校核計(jì)算”。

用于燃燒室設(shè)計(jì)的算法模塊在AICS算法模塊面板上的分布如圖8(a)所示。與燃燒室設(shè)計(jì)類似，按照噴管的錐形、雙圓弧和長尾結(jié)構(gòu)形式和算法模塊最小計(jì)算職能原則，可將噴管設(shè)計(jì)切分成如圖8(b)所示的若干算法模塊。裝藥設(shè)計(jì)、點(diǎn)火器設(shè)計(jì)情況類似，由于篇幅問題，不再細(xì)述。

將切分出的各算法開發(fā)成算法模塊，并添加到AICS的算法模塊庫，就可處理固體火箭發(fā)動機(jī)性能和結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)計(jì)算任務(wù)。本質(zhì)上，構(gòu)造了一個(gè)基于AICS固體火箭發(fā)動機(jī)性能和結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)。

4 某小型戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈發(fā)動機(jī)性能和結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)

為考查基于AICS的固體火箭發(fā)動機(jī)性能和結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)在工程實(shí)踐中能否滿足算法的重用性，算法集成的靈活性、適應(yīng)性和可定制性并有效避免“信息孤島”問題，就使用其來進(jìn)行某小型戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈發(fā)動機(jī)性能和結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)。

通過前面的介紹(見2．2和3．2節(jié))，固體火箭發(fā)動機(jī)從結(jié)構(gòu)上由燃燒室、裝藥、噴管、點(diǎn)火器等部件構(gòu)成。其中，燃燒室、裝藥、噴管、點(diǎn)火器在設(shè)計(jì)時(shí)又分別由多種材料和結(jié)構(gòu)形式的更低一級的子部件構(gòu)成，如燃燒室的前裙、殼體、后裙、與點(diǎn)火器和噴管的連接件等都具有多種材料或結(jié)構(gòu)形式(見圖8)。如果不考慮工程實(shí)踐中各種現(xiàn)實(shí)因素的制約，僅根據(jù)組合學(xué)原理來計(jì)算可設(shè)計(jì)出的發(fā)動機(jī)種類數(shù)量，可得到如下發(fā)動機(jī)種類數(shù)量計(jì)算公式:

式(1)中等號右側(cè)的每個(gè)變量都代表相應(yīng)的發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)部件的材料或結(jié)構(gòu)形式種類的數(shù)量，各變量的描述和取值見表1。

表1 變量列表Table 1 List of variables

其中，發(fā)動機(jī)種類數(shù)量total是由式(1)計(jì)算得出。可看到，可設(shè)計(jì)出的發(fā)動機(jī)種類多達(dá)近2萬種之多。數(shù)量巨大的發(fā)動機(jī)種類在工程實(shí)踐中為設(shè)計(jì)人員提供了“更多的選擇”空間，同時(shí)也對算法的重用性，算法集成的靈活性、適應(yīng)性和可定制性提出了較高要求。因?yàn)樵O(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)過程中會反復(fù)不斷地調(diào)整或改變設(shè)計(jì)策略，而每次設(shè)計(jì)策略的調(diào)整和改變都可能意味著選用不同材料或結(jié)構(gòu)形式的部件，也可能是選擇不同求解策略的算法模塊。最終，每次設(shè)計(jì)策略的改變都會體現(xiàn)為參與集成的算法的改變和算法間集成關(guān)系的改變。因此，軟件系統(tǒng)必須能滿足設(shè)計(jì)人員高效、靈活地實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)策略調(diào)整的需求。

基于AICS，設(shè)計(jì)人員可根據(jù)任務(wù)要求進(jìn)行靈活的搭配來設(shè)計(jì)發(fā)動機(jī)，并可根據(jù)需要隨時(shí)調(diào)整和改變設(shè)計(jì)策略。進(jìn)行性能和結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)要求，并參考以往的經(jīng)驗(yàn)和案例，先初步預(yù)測性地?cái)M定一個(gè)發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)方案，然后從AICS算法模塊庫中選擇相應(yīng)的算法模塊，設(shè)定好算法模塊間的參數(shù)傳遞關(guān)系，并使用AICS的復(fù)合式算法模塊，將具有共同實(shí)際意義的各算法模塊歸納成一個(gè)邏輯整體，將算法集成關(guān)系層次化。

在某小型戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)中，初步擬定的設(shè)計(jì)方案如下:

(1)燃燒室采用“金屬材料橢球形封頭燃燒室殼體”、“第二種結(jié)構(gòu)形式前裙”、“第二種結(jié)構(gòu)形式后裙”、“燃燒室與點(diǎn)火器采用鋸齒螺紋聯(lián)接”、“燃燒室與噴管采用小開口普通三角螺紋聯(lián)結(jié)”;

(2)采用錐形噴管、翼柱形裝藥、簍式點(diǎn)火裝置;

(3)總體參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)采用隨機(jī)搜索型蟻群優(yōu)化算法［11］。

擬定設(shè)計(jì)方案后，就可從AICS的算法模塊面板上選擇對應(yīng)的算法模塊，設(shè)定好算法模塊間的參數(shù)傳遞關(guān)系，并對算法集成關(guān)系層次化。如此，就得到了一個(gè)小型戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈發(fā)動機(jī)的性能和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。

從AICS算法集成關(guān)系樹(圖9)可查看整個(gè)算法集成關(guān)系的層次結(jié)構(gòu)。從圖9可看出，最頂層次上算法集成關(guān)系是由點(diǎn)火器、噴管、燃燒室、裝藥、總體參數(shù)優(yōu)化，以及內(nèi)彈道性能計(jì)算、熱力計(jì)算、設(shè)計(jì)指標(biāo)分配等算法構(gòu)成。其中，點(diǎn)火器、噴管、燃燒室、裝藥的設(shè)計(jì)是由各子部件搭配組合得到。不難看出，圖9的算法集成關(guān)系樹的整個(gè)層次結(jié)構(gòu)與圖4的固體火箭發(fā)動機(jī)概念設(shè)計(jì)邏輯完全一致。故固體火箭發(fā)動機(jī)性能和結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)雖然需要綜合運(yùn)用較多算法模塊，但層次化之后，整個(gè)算法集成關(guān)系是較清晰和容易理解的，因而當(dāng)設(shè)計(jì)任務(wù)要求或策略改變時(shí)，也較容易修改和調(diào)整。比如，可很容易地將發(fā)動機(jī)的設(shè)計(jì)方案修改為:

(1)燃燒室采用“纖維材料碟形封頭燃燒室殼體設(shè)計(jì)”、“第一種結(jié)構(gòu)形式前裙”、“第一種結(jié)構(gòu)形式后裙”、“燃燒室與點(diǎn)火器采用普通三角螺紋聯(lián)接”、“燃燒室與噴管采用法蘭螺栓聯(lián)結(jié)”;

(2)采用雙圓弧噴管、星形裝藥、網(wǎng)式點(diǎn)火裝置;

(3)采用函數(shù)導(dǎo)數(shù)性質(zhì)進(jìn)行總體參數(shù)優(yōu)化［11］。

圖9 算法集成關(guān)系樹Fig．9 Algorithm integration relation tree

設(shè)計(jì)人員所有需要做的僅僅是將原有算法集成關(guān)系中的算法模塊替換成新的設(shè)計(jì)方案所對應(yīng)的算法模塊，然后重新啟動計(jì)算。這使得發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)人員可靈活地為噴管、點(diǎn)火器等部件的設(shè)計(jì)，選擇不同結(jié)構(gòu)形式的子部件，進(jìn)行搭配組合就可迅速地得到各種不同結(jié)構(gòu)形式的發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)方案。

下面列出幾組較重要的設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果:圖10是藥柱燃面隨燃燒肉厚變化曲線;圖11是藥柱質(zhì)心隨燃燒肉厚變化曲線;圖12是內(nèi)彈道性能計(jì)算得到的推力隨時(shí)間變化曲線(包括低溫、常溫、高溫)。

其他計(jì)算結(jié)果限于篇幅不再列出。

特別值得指出的是，設(shè)計(jì)過程中根據(jù)經(jīng)驗(yàn)初步擬定的設(shè)計(jì)方案，一開始時(shí)往往不能完全符合設(shè)計(jì)任務(wù)的要求。比如，初步擬定的設(shè)計(jì)方案在計(jì)算過程中可能會發(fā)生與總體限制條件或設(shè)計(jì)指標(biāo)分配的限制條件相沖突的情況(如噴管效率不滿足限制條件、燃燒室質(zhì)量超出限制條件等)。此時(shí)，設(shè)計(jì)人員需要調(diào)整初始輸入?yún)?shù)值或改變設(shè)計(jì)策略。一般設(shè)計(jì)人員需經(jīng)過多次調(diào)整和反復(fù)嘗試，才能得到合理的設(shè)計(jì)方案。基于AICS的算法集成機(jī)制，設(shè)計(jì)人員所有需要做的只是重新設(shè)定輸入?yún)?shù)、替換算法和調(diào)整算法間的參數(shù)數(shù)據(jù)傳遞關(guān)系，而所有這些操作在AICS中都是很容易實(shí)現(xiàn)的。

圖10 燃面面積隨燃燒肉厚的變化Fig．10 Burning surface vs web

圖11 質(zhì)心隨燃燒肉厚變化Fig．11 Centroid vs web

圖12 推力-時(shí)間曲線Fig．12 Thrust vs time

從該案例可得出如下結(jié)論:

(1)基于AICS，固體火箭發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)人員可靈活、高效地改變算法集成關(guān)系，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)策略的調(diào)整和改變，因而能很好地適應(yīng)工程實(shí)踐中設(shè)計(jì)任務(wù)要求的復(fù)雜多變;

(2)當(dāng)算法模塊數(shù)量規(guī)模增大時(shí)，AICS的復(fù)合式算法模塊能有效地對算法集成關(guān)系的復(fù)雜性進(jìn)行歸納和組織，使整個(gè)算法集成關(guān)系容易理解，進(jìn)而容易修改、調(diào)整和演進(jìn)。

(3)算法之間實(shí)現(xiàn)了松耦合的集成，不僅保證了算法重用性，還有效地避免了“信息孤島”問題。

5 結(jié)論

隨著工程領(lǐng)域?qū)浖谕档募眲√嵘惴ǖ拇笠?guī)模集成計(jì)算目前已成固體火箭發(fā)動機(jī)領(lǐng)域的一個(gè)重要趨勢。基于AICS構(gòu)造的固體火箭發(fā)動機(jī)性能和結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)，不但能加強(qiáng)算法的可重用性、增強(qiáng)軟件的可實(shí)現(xiàn)性和可維護(hù)性，而且能有效地消除和緩解當(dāng)前大量存在于固體火箭發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的“信息孤島”問題。更重要的是文中的小型戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈發(fā)動機(jī)性能和結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)案例，證明了AICS在算法集成方面具有較大的靈活性、適應(yīng)性和易定制性，可讓固體火箭發(fā)動機(jī)領(lǐng)域的設(shè)計(jì)人員從繁雜的算法集成軟件實(shí)現(xiàn)技術(shù)細(xì)節(jié)中解脫出來，而集中精力關(guān)注于設(shè)計(jì)任務(wù)本身相關(guān)的算法模塊的綜合運(yùn)用，降低了工作難度，并同時(shí)可提高工作質(zhì)量與工作效率。

［1］ Jacque L，Roux J．Computer aided preliminary design of solid rocket motors［R］．AIAA 83-1254．

［2］ Dick W A，Heath M T．Whole system simulation of solid propellant rockets［R］．AIAA 2002-4345．

［3］ 何允欽，梁國柱．新的適于計(jì)算機(jī)輔助工程的算法集成模型［J］．北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，35(12):1516-1520．

［4］ Dauch F，Ribéreau D．A software for SRM grain design and internal ballistics evaluation，PIB-AL［R］．AIAA 2002-4299．

［5］ 江振宇，張為華．固體火箭發(fā)動機(jī)CAD系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)［J］．航空計(jì)算技術(shù)，2003，33(4):91-93．

［6］ 鮑福廷，郭大慶，趙飛，等．固體火箭發(fā)動機(jī)噴管集成設(shè)計(jì)分析技術(shù)研究［J］．固體火箭技術(shù)，2004，27(3):169-172．

［7］ 梁國柱，張衛(wèi)華，郭紅杰，等．固體火箭發(fā)動機(jī)集成方案設(shè)計(jì)系統(tǒng) SRMCAD［J］．固體火箭技術(shù)，2003，26(3):18-20．

［8］ 何允欽，梁國柱．基于算法組件動態(tài)組合的固體火箭發(fā)動機(jī)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)/計(jì)算機(jī)仿真(SRMCAD/CS)系統(tǒng)研究［J］．航空動力學(xué)報(bào)，2007，22(4):619-624．

［9］ 王光林，蔡峨，等．固體火箭發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)［M］．西安:西北工業(yè)大學(xué)出版社，1994．

［10］ 福勒(美)．企業(yè)應(yīng)用架構(gòu)模式(影印版)［M］．北京:中國電力出版社，2004．

［11］ 何允欽，梁國柱．基于蟻群算法的固體火箭發(fā)動機(jī)總體參數(shù)優(yōu)化［J］．推進(jìn)技術(shù)，2010，31(1):5-11．