志澄观察 | CAE软件是航空航天的核心技术
CAE软件是航空航天的核心技术
——在成都CAE国际会议上报告的摘要
远望智库高级研究员 黄志澄
在今年中兴事件后，国人都知道芯片是一项最重要的核心技术。但是，至今很少有人知道，尽管中兴每年进口六七十亿美元的芯片，但如果美国禁用只有数百万美元的电子工程设计软件，那么，上百亿的芯片也不过是一堆高级硅土。
当智能制造和工业4.0的目标越来约聚焦在数字化设计、数字化工厂和数字化运营服务的时候，“数字建模和仿真”再次成为一切数字化工业背后最为闪耀的明星。最为重要的制造领域的三个软件工具，CAD（计算机辅助设计）、CAE（计算机辅助工程）和CAM（计算机辅制造），成为中国信息化最熟悉、然而看上去却是现在最为薄弱的领域。在这三种软件中，含金量最高而我国最为薄弱的当推CAE软件。
当今的航空航天工业，实质上是一种高端制造业。它的产品十分复杂，而它的发展面临着激烈的国际竞争。只有不断研发出更好性能、更低价格和更快的研发时间，才能在激烈的竞争中保持优势地位。为此，在整个研发过程中，必须使用更快计算速度、更强存储能力和与用户更友好、更融合的数据处理能力的计算机，同时还要求一整套更逼真、更灵活的仿真软件，这些软件的核心就是CAE软件。
什么是CAE软件？它就是能使用计算机系统来实现产品性能的验证、精选和优化的软件系统。它的产品几何由CAD软件输入，它的最终结果将输出到CAM软件。目前在CAE软件中最重要的是运动学和动力学软件、有限元分析（FEA）软件和计算流体力学（CFD）软件。在为这些软件中，最困难和最有发展空间的当推CFD软件。
国外文献提供的数据表明，在产品的研发过程中正确使用CAE软件，可以大大减少设计过程中产生重大变化的概率，有数据表明甚至降低了15倍；缩短了产品研发时间的60%；降低产品使用中的故障率83%；产品的成本也有所下降。
随着产品的自动化、数字化和智能化的发展，特别是正在研发的航空航天产品，其复杂程度和成本都在不断增加，从而对CAE软件的发展提出了新的挑战。
随着人类对航空航天飞行器的要求不断提高，为了満足航空航天飞行器提高性能、降低成本和减少研发时间的要求，将要求采用能力更强、计算更便捷的CAE软件。下面按飞行器的飞行速度和飞行高度，从低到高依次来介绍这些飞行器对CAE软件需求。
一般来说，飞机的设计可分为概念设计、初步设计和详细设计三个阶段。在概念设计阶段，要求CAE软件能提供有一定淮度而快㨗方便计算各种飞机构型，在巡航飞行状态的能力。在初步设计阶段，要求CAE软件能具有提供所选飞机构型的适中准度的仿真能力，具有能进行性能确认和优化的能力，并能自动生成变化的构型和自动生成数据库的能力。在详细设计阶段要求进一步解决飞机设计中存在的复杂的设计问题。这就对CAE软件采用的物理模型和计算的准度提出了更高的要求。目前国外的先进CAE软件能满足飞机设计的一般要求，但对许多特殊问题仍然能力不足，特别是对于飞机发动机的非定常流动、飞机的稳定与控制、抖振边界、机翼控制和外来物体的撞击防护问题等，还没有适用的方法。说到核心的CFD软件，关键是目前尚无普适性的湍流模型，对于湍流、转捩和分离等复杂流动现象，其计算结果与风洞试验结果还有明显差异。
图1 CFD软件在常规飞机设计中的应用
目前世界各国发展的高超声速飞行器，主要有两大类。一类是以火箭发动机为动力的高超声速飞行器，如高超声速助推滑翔导弹和航天飞机等；另一类飞行器是以吸气式发动机为动力的高超声速飞行器，如高超声速巡航导弹、高超声速飞机和空天飞机等。前一类飞行器对CAE软件的要求，是提供设计气动防热和稳定控制的仿真。后一类飞行器对CAE软件的要求，除了包括类似于前一类飞行器的要求外，还要提供吸气式发动机的仿真能力。这些吸气式发动机包括：超声速燃烧冲压发动机、各类组合发动机、高预冷吸气式发动机和爆轰发动机等等。
高超声速飞行器的设计过程，已经不同于常规飞机。首先高超声速飞行器己经不能像飞机那样，将飞行器的机体和发动机分开来单独设计，而必须将机体与发动机进行一体化设计。进一步研究表明，高超声速飞行器的空气动力学、推进系统、控制系统、结构系统的四大系统之间存在着很强的相互作用。可以说目前市场上的CAE软件，还无法满足这方面的需求。
图2 高超声速飞行器要求采用新的设计方法
航天飞行器是飞行器中经历的环境最为复杂的飞行器。它们不仅承受比常规飞机和高超声速飞机更高的速度、温度和压力和这些参数的极端变化，而且它们还承受太空中的严酷的辐射环境，因此，它们对CAE软件的要求最高。载人的飞行器，为了提可靠性和安全性，其要求比无人飞行器的要求更高。目前，美国等航天强国，对于近地轨道和探索月球的飞行器，已日趋成熟，而其进一步发展的目标，将是提高性能、降低成本和扩大应用。但对于目的地是火星的飞行器，总体上仍处于探索阶段。
一般来说，航天飞行器可分为运载器和航天器两大类。运载器目前主要采用火箭发动机，未来也可能发展出新的动力系统。对于火箭发动机来说，急需开发全仿真软件，以大规模减少地面试验的次数而大大降低开发成本。美国的SpaceX公司开发的火箭发动机仿真软件，在降低火箭研制成本中起了明显的作用。
对于火星飞行器来说，主要解决进入、减速和着陆（EDL）问题。由于火星的环境和地球完全不同，目前又缺乏可靠的环境数据和飞行器的飞行试验数据，让研发适用的CAE软件面临重大挑战。
图３美国SpaceX公司应用了火箭发动机CFD仿真软件
谁掌握了核心技术，谁就赢得未来新技术革命中的优势！因此，世界先进国家都把核心技术的创新作为增强国家科技创新能力的重要途径。
美国众多智库，每年都有新的报告，提醒美国高层，不能忘记“建模与仿真”的技术，并且得到美国政府普遍的重视。美国的国家战略一直把“数字化建模和仿真”作为提高国家创新能力的核心战略。实际上，CAE软件既是信息技术（IT）的产物，又是工业化长期积累的工业知识与诀窍的结晶。它既是工业化进程的必然产物，又是迎接新技术革命的重要基础。
航空航天和国防工业的发展，对CAE软件的需求最高也最迫切，世界上最大的工业软件公司不是微软，不是谷歌，不是苹果，也不是西门子，而是美国最大军火商和老牌航空航天企业洛马公司。
目前中国在大学和研究所，已经积累了大量CAE软件的成果，但由于CAE软件的跨学科特征，在成果转化和商业化方面面临诸多困难，因此，目前在中国的CAE软件市场，基本上被外国企业所垄断。
伴随着数字化、网络化和智能化的深入发展，中国制造正在向智能制造迅速转型。中国制造业缺少核心的工业软件，将是一柄达摩克利斯之剑，长悬于中国制造之顶。没有自主核心工业软件的支撑，中国制造强国和航空航天强国之梦仍难变成现实。
为此，建议国家有关部门将发展自主的CAE软件作这为国家科技发展的重大专项，设立CAE软件的启动基金，加强产、学、研的结合，尽快研发出自主的CAE软件，为促进中国早日成为创新强国而努力！