簡化飛機建模 將數周的分析濃縮成幾分鐘

Walt Silva的工作并非研發一種技術以大幅加速飛機計算建模過程。不過，美國國家航空航天局（NASA）的研究人員做到了這一點。在過去的20年中，一種用于模擬飛機飛行狀況的虛擬風洞應用的計算機軟件——計算流體動力學（CFD），在設計和測試新飛機時變得越來越重要。但即使是超級計算機，有時也需要數周才能解決這些要求極其苛刻的復雜場景問題。

“你需要一張非常大的網格系統來捕捉機翼上及機翼周圍發生的一切情況，例如，現場布置一百萬個網格點，而這些網格點就是你要解決的上百萬個方程式”，Silva解釋道。即使數目如此龐大的網格點及其涉及的計算工作，其復雜性與氣動彈性力學的復雜性相比也不能相提并論。而氣動彈性力學正是Silva在蘭利研究中心專門研究的領域。雖然大多數空氣動力學計算都假設存在一架剛性飛行器，而正如Silva所說，“一切物體都具有彈性彎曲的特性”，所以，氣動彈性力學就主要是研究空氣動力與飛行器結構之間的相互作用，以及這些物體之間空氣如何流動。

▲氣動彈性力學工程師Walt Silva檢查了在蘭利研究中心跨音速動力學風洞進行測試的飛機模型。Silva構建了ROM軟件模型，該軟件提高了飛行器計算建模的速度，減小了費用昂貴的風洞試驗需求

Silva及其團隊主要對空氣動力如何影響結構（空氣流動導致結構振動或彎曲的程度），以及結構彎曲又將如何影響空氣動力進行模擬和計算。這兩個因素還將形成一個反饋環路，其間的相互作用通常會安全地逐步衰減。但在某些情況下，反饋環路也會增強， “如果反饋增強得不到控制，就會發生顫振，從而導致飛行器結構破壞”，他表示。發現顫振意味著工程師必須對飛行器有關方面進行重新設計，或者對飛行器安全飛行的條件進行重新設定。

對氣動彈性進行全面分析，需要對不同飛行條件下的運行方程進行反復計算。“假設飛行器以100ft/s的速度飛行，我們需要花費一周時間進行氣動彈性分析，才有可能找到以100ft/s速度飛行的飛行器的穩定狀態條件。”然后，當飛行器速度為200ft/s時，研究人員又需要重新進行模擬仿真運算。“這仍需要一周時間。我們發現，飛行器以200ft/s的速度飛行時，振蕩有所增加。”在這一案例中，“我們僅僅用了兩周時間就找出了顫振失穩的速度。即便如此，我們只是弄清楚了穩定或不穩定的速度情況，對于飛行器其他的全面情況，我們還是沒有掌握”， Silva表示。他認為一定有辦法加快研究速度。他說得完全正確，結果證明，重要發現來自于他在與計算流體動力學無關的領域所取得的經驗。“如果我從一開始就一直專注于計算流體動力學（CFD），我不確定我還會不會想到這個點子。”

Silva大約在20年前首次提出了如何簡化顫振建模的想法。但此想法與他當時的實際工作不完全相關，這項工作在幾年里并沒有取得太大進展；這期間，他還不得不面對那些認為該解決方案永遠不會奏效的反對者。“創新就是這樣，只有你將所有細節工作都安排妥當，才能證明創新是有效的”，他說。這一想法終于在21世紀初得以實現， Silva最終在2008年申請了專利并于2011年獲得批準。“當想法變得逐漸清晰時，我也有了重大的新的發現”，他說。3年后， Silva的研究工作被授予NASA年度發明獎優秀獎，Silva本人也獲得了NASA頒發的美國航空航天貢獻獎。

NASA充分利用了Silva的創新技術，包括對終止使用的Ares Crew運載火箭進行前期氣動彈性分析，以及近期對其進行的超音速下弦配置分析；通過這些分析，快速評估了該飛行器結構的安全性。現在，在問世20年后，該產品開始推廣應用到NASA之外的領域，包括波音公司及多家小型公司的商業部門中，例如，位于阿拉巴馬州的亨茨維爾CFD研究公司（CFDRC）。創新就是如此，“你必須對著它，研究、研究、再研究，當你感到疲倦了、沮喪了、憤怒了和焦慮了，那么就回過頭去再研究”，Silva說。

該軟件創建了結構物體的簡化版本，使用了一種被稱為系統辨識的數學工具，而系統辨識方法往往用于結構件或那些涉及飛行動力學的物體。“當我應用系統辨識方法時，我能夠獲得一些特殊信息，而這些信息能夠幫助我構建一個簡化的空氣動力學模型”，Silva解釋說。該模型中只有大約100個或不到100個有序的網格點，而非原有的一百萬個網格點。建模過程可能需要幾個小時，但模型會讓其余的工作完成得更便捷。“現在我把這個模型安裝在我的筆記本電腦上，這里，我并不需要超級計算機，然后將速度改為100ft/s，模型會在幾秒鐘內就運行完畢”，他說。“再將速度改為200ft/s，然后就觀察到了顫振現象。以前花兩個星期完成的工作，而現在只需要一到兩天。

Silva將該軟件命名為“降階模型（ROM）”。他表示，ROM軟件為研究者提供的信息雖然不能與運行一套完整的CFD模型所獲得的信息完全等同，但“該模型可以讓你捕獲90%的關鍵信息”，并且能夠確定哪些是需要進一步開展研究的特定區域。“如果我總共有20個方案，而15個方案是常用的。那么，我就可以將我的資源集中用于另外幾個最具挑戰性的方案中”，Silva說。

在與NASA阿姆斯特朗飛行研究中心合作開展的X-56A MUTT研究項目中，亨茨維爾CFD研究公司（CFDRC）率先使用了降階建模軟件包，用其替代了多功能技術試驗臺。“為了提高燃油效率，我們希望開發具有超大翼展的飛行器”，CFDRC公司高級技術經理Yi Wang解釋道。這些機翼由輕質復合材料制成，易于彎曲，這也意味著其顫振問題是一個棘手的問題。“ROM軟件則讓整個工作輕松自如”，Wang說。“數據分析往往需要數天和數周時間，而使用了Silva提供的這個軟件，一旦ROM開始運行起來，我們在幾分鐘之內就能預測出顫振。”

CFDRC公司還將該軟件用于與美國空軍簽訂的一個小型企業創新研究合同中；該合同項目是“Digital Twin”項目的一部分，旨在創建一個用于測試航天運載器的計算機模型，而該模型實際上將通過計算機執行與真實飛行器相同的任務。該模型將預測飛行器所承受的各種力和載荷，因此，空軍可以根據飛機在執行特定機動任務和飛行任務中所發生的實際磨損情況制定其維修計劃，而不是按照既定的計劃進行預防性維護。這不僅可以降低整個機隊的維修成本，還可以確定哪些飛行器需要維修，從而提高整個機隊的安全性。

CFDRC公司為ROM軟件制定了更大的計劃。Wang介紹說，CFDRC公司采用與ROM軟件相同的技術，并對其進行了擴展應用，該軟件模型不僅能分析一個給定速度和高度下的飛行器情況，還能分析整個飛行階段飛行器所經歷的諸多條件下的各種情況。“Silva在構建這個軟件模型時，也為后續的擴展應用奠定了堅實的基礎”，Wang說，他的同事團隊也正在開展有關ROM軟件的后續研究工作。Silva也表示，CFDRC公司目前所做的工作也正是他發布ROM軟件時所預期的。“顫振問題是ROM軟件研發的起源。按照ROM軟件的研究方法和過程，ROM軟件還會擴展出其他應用程序。”