航天模拟计算装置

1.仿真过程包括大量的(确定的、半确定的、不确定的)知识处理、 数值计算和数据处理。是科学理论、实验和专家判断的综合过程。

2.如果只从知识处理的角度来看，可以认为仿真是一种特殊的知识处理器。它处理描述性知识、目的性知识和处理知识的知识，进而产生结论性的知识。

3.'理想的仿真计算机是高效处理数值计算、数据、知识的智能化、一体化、交互式的建模/仿真硬软件系统--"智能仿真计算机"。

4.但现代的仿真计算机还只限于数值计算和数据处理。

5.要根据具体的仿真任务确定相应的仿真计算机。

1)硬件系统:

一般采用同构/异构的并行多处理机系统(包括外围机型)体系结构，具有根据需要逐步扩充的能力;

运算速度足够快;

内/外存容量足够大;

接口处理能力(足够的接口数量、接口数据处理能力)。

2)软件系统:

系统实时响应为0.01-0.1ms的实时操作系统;

并发、实时高级编程语言(如:并发实时C、FORTRAN、Ada)、仿真语言(Matlab)

在未来的航空航天领域仿真模拟技术的应用前景还很广阔，例如宇宙飞船的升空，星球的探测，月球基地的建立，新一代航天器的发射升空等等。

人类还有更加大胆的猜想如2020年开通宇宙，公路专家在报告书中指出，宇宙公路是除了太空梯之外通往宇宙既安全又便宜的另一运输手段。什么是宇宙公路?即以地球为出发点，把公路延伸到太空。迄今为止，这些公路的出入口仅限于美国的卡纳维拉尔角和苏联的拜科努尔等几个地点，而且费用高得惊人。如果人类想要更好地控制太空，就必须开发更便宜的、从任何地方都能起飞的运输手段。

在2025年运行宇宙驿站，根据USNCC报告书的设定，在启用太空梯与宇宙公路之后，人们还会在通往宇宙的路途中建立一些中继点，即宇宙驿站。第一个停车驿站是地球太空港，这是像太空站那样的建筑，人类可以乘Zeus航空航天飞机在这里降落，然后换乘宇宙联络船。太空港是联络船的停留地，也是推进剂的补给地。地球太空港真正开始活动恐怕要到2025年以后。宇宙驿站一旦应用，那么太空港会向两个方向伸出长长的索道，出现一种非常有趣的现象:由于潮汐力的作用，在卫星轨道上运行的细长物体会产生向两端托的力，因此，从向下(即向着地球的方向)一端放出物体，就会落向地球;从向上一端放出物体，就会上升。如果从下索道发射航空航天飞机，从上索道发射联络船，那么两者不使用能量，也可以转移到人们期望的轨道上。这其实是以索道为媒介，交换双方的能量和运动量，完全符合物理学定律。

在2030年月球上建工厂，USNCC报告书的第二要点就是，在月球、火星、小行星乃至宇宙空间，建立人类的据点，开发它的资源。根据报告书的预测，为了在2025年重返月球，将在环绕月球的轨道上建立月球太空港，从地球太空港出发的联络船2~3天后即可到达月球太空港，人们在那里可以换乘月球登陆船。联络船以液氢和液氧为推进剂，有客运和货运两种，基本设计相同，如果再装上脚，就可以成为登月船。为解决联络船从月球到地球的减速问题，可以利用空气制动的方法，即像在大气上层掠过那样飞行，利用空气阻力，不使用推进剂也能减速。因此，在联络船的底部可以装上陶瓷制的像大器皿那样的空气制动器。过去的无人探测和阿波罗计划是以月球为主的科学研究。将来的探测计划则是从资源和居住的观点调查月球，由发射的环绕月球极地轨道的探测器进行月极地详细调查。建设月面据点所需要的物资和人类生活所必须的氧气、水、食品等，可以逐渐利用从月面取得的资源。月面基地逐渐具备自给自足的条件后，人们可以在上面建设工厂，并将其发展为殖民区。预计月面实验工厂的建设将于2026~2027年开始，月面工厂的建设将于2030年开始。根据USNCC报告书的设想，随着大规模月面工厂的建设，在地、月系统的太空开发中也要用到月球资源:把在月面制造的产品送往太空固然好，但把月岩原封不动地送到太空去制作产品，也许更有用。因为月岩主要由硅酸盐组成，处理月岩就可以取得人类呼吸和火箭推进剂必不可少的氧气。月岩也含有铁、镍、镁、钛等金属资源。USNCC报告书认为，重返月球之后，作为资源的开采地，人类所选择的目标也许不是火星和金星，而是小行星。小行星大部分分布在火星和木星的轨道之间，但也有一些小行星越过火星的轨道，能运行到地球附近。在适当的时机，登上这样的小行星比登上月球更容易:在小行星上，也许含有在月岩里没有找到的水、氧气、碳、氮等有用物资。

上述虽然现在只是幻想但是未来在计算机技术高速发展的今天一定会实现的。

是对现实系统的某一层次抽象属性的模仿。人们利用这样的模型进行试验，从中得到所需的信息，然后帮助人们对现实世界的某一层次的问题做出决策。仿真是一个相对概念，任何逼真的仿真都只能是对真实系统某些属性的逼近。仿真是有层次的，既要针对所欲处理的客观系统的问题，又要针对提出处理者的需求层次，否则很难评价一个仿真系统的优劣

计算机仿真模拟

它的原理是依靠计算机的迭代运算，所以这是一门依靠计算机技术所衍生的一门有着实际意义的学科，它与我们的生活息息相关。计算机仿真模拟技术在科学技术、军事、国民经济、汽车、电子行业、体育、交通运输、金融、管理、航空航天方面都有广泛的应用。它的研究范围小到原子，大到宇宙，可以说在现实生活中应用极为广泛。

传统的仿真方法是一个迭代过程，即针对实际系统某一层次的特性(过程)，抽象出一个模型，然后假设态势(输入)，进行试验，由试验者判读输出结果和验证模型，根据判断的情况来修改模型和有关的参数。如此迭代地进行，直到认为这个模型已满足试验者对客观系统的某一层次的仿真目的为止。

常用的仿真计算机体系结构

集中式:一台主机完成模型解算任务

分布式:多台计算机协调工作完成仿真模型结算任务

仿真系统

为了建立一个有效的仿真系统，一般都要经历建立模型、仿真实验、数据处理、分析验证等步骤。随着专门用于仿真的计算机--仿真机的出现，计算机仿真技术日趋成熟，现在已经趋于完善。随计算机技术的飞速发展 ，在仿真机中也出现了一批很有特色的仿真工作站、小巨机式的仿真机、巨型机式的仿真机。80年代初推出的一些仿真机，SYSTEM10和SYSTEM100就是这类仿真机的代表。为了构成一个实用的较大规模的仿真系统，除仿真机外，还需配有控制和显示设备。

一种用连续变化的电压表示被运算变量的模拟计算装置，主要组成部分如下:

运算部件、加法器、积分器、乘法器、函数发生系数器

排题板: 运算部件-输入/输出 的连接

输入/输出 部件

控制部件(控制以上部件)

一种用"0"和"1"断续变化的电脉冲数码串表示所运算变量的数字式计算装置，主要组成部分:

运算处理器(算术/逻辑运算)

存储器(存放数据和指令)

输入/输出部分

控制器(统一指挥整个计算机)

通过编程实现仿真，数字计算机分类:按照指令流(机器执行的指令序列)与数据流(由指令流调动的数据序列)的执行方式，可将数字机分为四类:

SISD-单指令流、单数据流机:顺序地从存储器中取指令、数据，执行

SIMD-单指令流、多数据流机:多个处理器按照控制器发出的同一条指令对各自的数据进行操作和运算，适用于矢量或数组运算

MISD-多指令流、单数据流机:多个处理器排成一个流水线(矢量)

MIMD-多指令流、多数据流机:是实现作业、任务、指令、数组各个级别全面并行的理想结构，适用于标量/矢量运算

根据性能将数字计算机分为:个人计算机、工作站、小/中/大/小巨/巨型机等级别。

是把模拟技术和数字技术灵活结合的一种计算机，可分为两种形式:

混合模拟机--是在模拟计算机中加入大量的数字逻辑部件、模拟开关及模拟/数字混合部件(如数控系数器、数控积分器、数控函数发生器等)的一种计算机。在高档混合模拟机中，各部件的连接和监控分别由数控式模拟开关自动排题板和数字式监控系统实现。

混合计算机系统--是由模拟机/混合模拟机、数字机及其接口设备组成的计算机系统，其中:模拟机/混合模拟机部分用于求解常微分方程中的高频部分和连接实物,数字机部分用于管理、监控全系统的设置、检验、运行、处理各种文档和结果，并执行一些不适于模拟机工作的任务，如:存储、作各种代数/逻辑和高精度运算等。混合计算机系统主要用于大型、高速、实时及超实时连续系统仿真。造价昂贵，因而 主要用户是政府或大型企业。

模型对系统某一层次特性的抽象描述包括:

系统的组成;

各组成部分之间的静态、动态、逻辑关系 ;

在某些输入条件下系统的输出响应等。

系统模型分类

根据系统模型状态变量变化的特征 ，又可把系统模型分为:

连续系统模型--状态变量是连续变化的 ;

离散(事件)系统模型--状态变化在离散时间点(一般是不确定的)上发生变化;

混合型--上述两种的混合。

通常计算机模拟仿真技术的步骤是:

前处理，求解，后处理。

以前处理最为重要，因为大部分条件的加入是在前处理。

航空技术是从上世纪60年代前苏联发射第一颗人造卫星开始，人类开始了对太空的探索。航空是大气层内的飞行活动，航天是穿越大气层的飞行活动。 随着人类对太空进行的探索越加深入各种航天器应运而生，比如火箭、航天飞机、航天探测器、人造卫星。

他是为航空航天活动的顺利进行而创立的一系列高级复杂的施工作业程序。它涉及人力资源配置，设备仪器搭配与安装使用等艰深的学术作业。是国家，民族，乃至整个人类发展的高度追求。 航空航天技术使人类文明进入三维时代。

计算机仿真技术的特点

1.模型参数可根据要求任意调整、修改和补充。人们可以得到各种可能的仿真效果，为进一步完善研究方案提供了可能。与传统的实物实验相比，具有运行费用低、无风险、方便灵活等优点。

2.系统模型求解快速。运用计算机仿真，能够在较短的时间内得出仿真运算的结果，为生产实践提供最及时的指导。

3.仿真运算结果可靠、准确。在机器没有故障的前提下，只要系统模型、仿真模型、仿真程序科学合理，那么计算机的运算结果是准确无误的。

4.实物、实时仿真直观、逼真。这一特点使它在一些复杂工程系统中例如核电、航天等领域得到了广泛应用。

电脑在当时仍属稀有，人们对于问题的解决方案通常是写死在表格纸上(像是曲线图和列线图解)，用来一并解决相似的问题，比如说暖气机里的温度和压力分布。

卡方分布的列线图解二次大战之前，当时的最高科技是机械式和电动式的模拟计算机，也被认为是前途光明的计算机趋势。模拟计算机使用连续变化的物理量，像是电势、流体压力、机械运动等，处理表示待解问题中相应量的器件[7]。例如在1936年制作得相当精巧的水流积算器(Water Integrator)。跟现代的数位电脑比起来，模拟计算机相当不具弹性，必须手动装配(像是重新改编程序)才能处理下一个待解问题，不过早期的数位电脑能力有限，无法解决太过复杂的问题，所以当时的模拟计算机还是占有优势。直到数位电脑越来越快，拥有越来越强的记忆能力(像是RAM)之后，模拟计算机就迅速受到淘汰，程序设计从此成为人类另一项专业技能。

诺顿轰炸机瞄准器部分类比电脑广泛应用在军事瞄准用途，像是海军船舰上的诺顿轰炸机瞄准器(Norden Bombsight)和火力控制系统(Fire-Control System)，有些器件甚至直到二战结束数十年后仍未退役，其中一个例子就是由美国海军开发的马克一号火力控制电脑(Mark I Fire Control Computer)，从驱逐舰到战列舰都看得到它的影子。

1930年，现代电脑之父万尼瓦尔·布什发明微分分析器(Differential Analyzer)，模拟计算机科技至此达到顶峰，大部分的零件都已经被制造出来，终于，宾夕法尼亚大学的摩尔电机工程研究所(Moore School of Electrical Engineering)打造出最具影响力的数位电子计算机──电子数值积分计算器(埃尼阿克)。埃尼阿克的诞生终结了大部分模拟计算机的生路，不过从1950年代到1960年代，由数位电子学控制的混合型模拟计算机依然活跃，之后模拟计算机就应用在部分专业用途上。

航天器各个受力和支承构件的总成。它的作用是安装、连接各种仪器设备和动力装置，满足它们所需要的环境要求，承受地面操作、发射、轨道飞行和返回地面时的外力，并保持航天器的完整性。对航天器结构的基本要求是重量小、可靠性高、成本低等，通常用结构质量比，即结构重量占航天器总重的比例来衡量航天器结构设计和制造的水平，这个比值越小表示水平越高。航天器任务的多样性决定航天器结构形式的多样性。航天器结构一般分为卫星结构、空间探测器结构、载人飞船结构和航天飞机结构(图1 )。早期近地轨道卫星大多为固定式结构。为了增加航天器的功能和扩大航天器的尺寸，现代卫星和空间探测器也采用一些可展开式结构。这种结构在发射时藏在运载火箭的有限容积内，到了空间展开成较大的结构。需要返回地面的航天器,特别是载人飞船,对结构又有新的要求，从而形成与再入防热、着陆、救生、生命保障等要求相适应的许多特殊结构形式。随着航天飞机的诞生，又出现了兼有飞机、火箭和航天器特性的新型结构。 卫星结构 卫星结构虽然多种多样，但从功能上看大都由承力部件、外壳、安装部件、天线、太阳电池阵结构、防热结构、分离连接装置组成。为了达到多用途和提高经济效益的目的，后又发展出公用舱结构(见航天器设计)。

承力部件 它与运载火箭相连接，承受发射过程中的推力和弯矩。因而需要有很高的强度和刚度。承力部件有以下几种形式:薄壁圆柱(或截锥)壳、波纹或蜂窝夹层圆柱(或截锥)壳、杆件组成的支架等。承力部件采用铝合金、钛合金和碳纤维复合材料等。

外壳 它处于卫星的最外层,形成卫星的外表面,也可兼作承力构件。外壳的形状多种多样，如球形、多面柱形、锥形和各种不规则的多面体等。除维持外形外，外壳还应满足表面积、热控制、卫星内容积、各种表面开孔、空间辐射防护等要求。外壳的结构形式有:①半硬壳结构:由薄的外蒙皮、桁条、隔框等组装而成。外蒙皮的常用材料是铝合金，根据热控制要求经过必要的表面处理，如抛光、喷漆、镀金等。桁条和隔框常用铝合金型材制成，也有用镁铸件的。②蜂窝结构和夹层结构:一般由铝合金制成。现代也采用碳纤维复合材料作为表板材料。③整体结构:由机械铣切或化学铣切等整体壁板组装而成，它能减少半硬壳结构所需的铆接工作量并容易获得良好的刚度。④柔性张力表面结构:由张紧的柔性薄膜制成。如气球式卫星的外表面。

安装部件 结构型式可以是仪器舱、盘式构件或支架(图2)。安装部件的功能是保证仪器设备安装的各种要求，如安装精度、密封性、热控制、防振、防磁等。为了保证足够高的刚度，可采用蜂窝夹层结构、波纹夹层结构、铸造或机械铣削的整体壁板和由型材组装的支架等。仪器安装面积不足时，可采用多层或多面的安装部件。 太阳电池阵结构 安装太阳电池的构件。其结构型式有下列几种:①体装结构:在航天器本体表面直接粘贴太阳电池片。这种结构多使用本体的外壳，可以是半硬壳式结构或蜂窝结构、夹层结构，现代已发展为套筒式伸展结构，进入空间轨道后外筒沿导轨伸展，增加太阳电池阵的面积。②可展开式结构:可展开式的太阳电池翼，简称太阳翼。这种结构分为刚性折叠、柔性折叠和柔性卷式三种。刚性折叠式结构由刚性板通过铰链连接而成，以铰链弹簧为动力展开成翼状。刚性板用蜂窝夹层板制成，也有采用刚性边框和张紧柔性薄膜组合的半刚性板。柔性折叠式结构由薄膜和折臂式(或望远镜镜筒式)的展开机构组成。薄膜用玻璃纤维布或碳纤维布增强的聚酰亚胺制成，为防止电池相互接触，在薄膜间插入一层衬垫。柔性卷式结构由薄膜和支杆组成，可用卷筒卷成很小体积，其支杆类似金属卷尺，靠电机和传动装置展开成具有一定刚度的长直杆。

抛物面天线结构 抛物面形状的天线反射器分为固定式和展开式两种:①固定式天线:反射器是一个大面积的薄壁构件，有蜂窝夹层、肋骨网式和薄壳三种结构型式，以蜂窝夹层结构用得最多。为了防止热变形影响天线的电性能，通常用膨胀系数很小的石墨纤维或有机纤维的复合材料来制作反射器。②可展开式天线:有撑伞一样展开的伞状天线(图3 )、类似花朵开放的花瓣天线、鱼网式的张力索天线和桁架式天线。它们都由反射面部件、展开反射面的动力部件和支承反射面的部件组成。反射面部件一般由金属或非金属网等柔性材料制成。动力部件有弹性元件、可伸缩充气管或马达驱动的传动机构。 分离连接装置 卫星在发射时必须可靠地连接在运载火箭上;入轨后又必须可靠地与运载火箭分离。为实现这种功能，采用了专用的分离连接装置。为减少分离时冲击的影响，卫星与火箭之间多采用包带夹块式分离连接装置，用侧向爆炸螺栓解锁。

空间探测器结构 空间探测器的型式多样，具有与卫星相同的部分，如承力部件、天线、太阳电池阵结构等;也有一些特殊型式的结构,如探测臂和着陆装置。探测臂往往由可以伸展的杆件组成，它的功能是把有特殊要求的探测仪器伸出探测器本体之外，以免受本体磁场或辐射的干扰，这种探测臂有时也用在卫星上。需要在行星或月球表面着陆的空间探测器采用着陆支架、着陆舱等着陆装置。硬着陆的着陆装置须有良好的缓冲性能。在行星或月球表面上行走的探测器(如自动月球车)则须有挠性轮之类的挠性结构，以适应凹凸不平的表面。

载人飞船结构 载人飞船与卫星和空间探测器的结构型式有较大区别。早期发射的飞船大多是截锥加上圆柱段，最外面都有防热结构。例如"阿波罗"号飞船的结构由救生塔、指挥舱、服务舱、登月舱等几大部分组成。救生塔是一个桁架式的塔形结构。它的功能是在发射过程出现紧急情况时，使飞船逃离危险区。登月舱是一个极其复杂的特殊结构，供载人登月之用。指挥舱的外形呈圆锥形，是需要返回地面的部分。它的外部由烧蚀材料层和不锈钢蜂窝夹层组成防热外壳。内部是铝蜂窝夹层结构的密封舱体，用多根锻铝纵梁加强。密封舱体为航天员提供可靠的工作环境。服务舱的外壳是一个铝蜂窝夹层的圆柱壳体。舱内有铝合金的径向壁板，用以安装主发动机、燃料和氧化剂箱等设备(图4 )。载人飞船和返回式卫星在重返大气层时会遇到极高的温度，必须采用特殊的防热结构。 航天飞机结构 航天飞机一般由轨道器、助推器、外贮箱三部分组成。助推器实际上是两枚固体火箭。外贮箱与火箭贮箱类似。轨道器是返回部分，它是一个类似于飞机的薄壁结构，但增加了特殊的表面防热结构。约70%的表面上覆以陶瓷防热瓦，它与烧蚀防热结构不同，可以多次重复使用。轨道器分为前机身、中机身、后机身、机翼、尾翼等几部分。前机身又分为头锥和乘员舱两部分。乘员舱是由铝合金蒙皮和加强桁条焊接而成的密封舱。中机身是一个铝合金半硬壳结构的大型货舱，许多部件采用了新型复合材料结构。例如，主框元件采用硼纤维增强铝合金材料，大型的货舱舱门采用以碳纤维复合材料为表板的蜂窝夹层结构。货舱内有机械操作臂，它由三节杆件组成(图5 )。 航天器结构的发展趋势是复合材料结构将更多地替代金属结构，公用舱结构将得到更广泛的应用。随着大型航天器的发展，网络式、柔性、空间装配式等更新型的结构形式正处于研究阶段。