仿真科普｜翱翔长空，探索宇宙：CAE仿真技术引领打造航空航天新纪元
航空航天工业作为国家综合实力的重要标志，同时也是现代工程技术的典范之一。在航空航天研制的全过程中， 仿真技术一直发挥着提高研制效率和质量、减少实物试验反复、降低研制风险和成本以及加快研制进程的重要作用。
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01 航空航天工业仿真的关键技术
1. 流体力学仿真
计算流体力学是通过数值方法求解流体力学控制方程，并预测流体运动规律的学科，在航空航天中主要应用于航空发动机。由于航空发动机的进排气、风扇、压气机和涡轮都是内部流动，因此在航空发动机中主要进行的是内流计算流体力学研究。[1]
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2.动力学仿真
利用仿真技术，对航空航天器的运动过程进行模拟，以预测其飞行轨迹、姿态等关键动力学特性，从而为飞行控制和导航系统的设计与优化提供坚实可靠的科学依据。
3.结构强度仿真
通过仿真技术，对航空航天器的结构进行模拟和分析，预测其受力、变形等性能。结构强度仿真应用计算结构力学，计算从零件到部件、组件、分系统以及整台航空发动机的结构性能。
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4.燃烧仿真
计算燃烧学是对燃烧的基本现象和实际过程进行计算机模拟的一门学科，为深入认识航空发动机燃烧过程和燃烧装置的设计及研制提供了重要手段。当前，燃烧数值仿真技术进一步朝着系统级高保真的方向发展。
5.材料仿真
材料仿真是指通过模拟材料的组成、结构、性能及服役性能，研究材料从纳观、微观、介观到宏观的多个尺度范围内存在的各类现象与特征，从而预测材料的结构和物化性质，是航空航天材料设计、优化与实践的重要手段。
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02 CAE仿真技术在航空航天中的应用
1.飞行器设计与优化
在飞行器的设计过程中，CAE仿真技术扮演着至关重要的角色，它可以帮助工程师们进行飞行器外形设计、气动性能分析、结构强度验证等一系列重要任务。通过数值模拟和虚拟试验，工程师们可以在计算机环境下进行快速、准确的仿真优化，确保飞行器设计能够达到最佳性能。
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2.飞行器飞行控制
飞行控制是保证飞行器安全飞行的关键要素之一。CAE仿真技术可以帮助研发人员进行飞行控制算法的开发和测试。通过在计算机环境中建立精确的模型，模拟各种飞行环境和异常情况，帮助改进飞行控制系统的鲁棒性和可靠性。
3.空中交通管理
随着航空交通量的增加，有效的空中交通管理显得尤为重要。仿真模拟技术可以帮助分析和优化空中交通管制系统，通过建立虚拟的航空交通网络，模拟各种交通流量情况，提供合理的航线规划和交通流调度，以提高空中交通的效率和安全性。
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4.天气和环境影响分析
天气和环境条件对于飞行器的安全性和性能有着重要影响。仿真模拟技术可以帮助分析气象因素对飞行器的影响，预测恶劣天气下的飞行性能和操作限制。同时，还可以模拟各种环境条件，如空气密度等，以准确评估飞行器在各种环境下的性能。
03 神工坊®在航空航天领域的应用案例
仿真技术作为航空航天工业创新研发的重要支撑，是实施数字化转型的核心。未来，在高性能计算、人工智能等先进计算技术的加持下，航空航天仿真技术将朝着“快速高效、精准映射、全面覆盖、动态预测”方向发展。[2]
神工坊®源自国家超级计算无锡中心（始于2016年），核心技术为历时8年、投入数千万元、在先进超级计算平台上研发的，面向工程仿真的高性能计算技术——高性能数值模拟框架。
近年来，神工坊®通过与国内顶尖高校、科研院所及行业重点企业的紧密合作，在联合科技攻关、科技创新资源的整合等方面取得了丰硕的成果，为推动我国工业仿真技术的跨越式发展，以及重大装备研制创新和工业设计研发数字化转型提供了有力支撑。
参考资料：
1.曹建国. 航空发动机仿真技术研究现状、挑战与展望[J]. 推进技术, 2018, 39(5): 961-970.
2.曹建国. 数字化转型下航空发动机仿真技术发展机遇及应用展望[J]. 系统仿真学报, 2023, 35(1): 1-10.
