航空航天系列仿真解决方案

序

从航空航天行业的发展史可以非常清晰地看到，重大突破（无论是飞机、卫星、宇航员太空服还是其它成功的新产品）的动力来自于材料、技术与方法领域的创新。自1956年波音公司首次将有限元法用于飞机机翼的结构分析，吹响了有限元的号角。可以说，航空航天领域的发展，离不开仿真计算的发展。

飞行器种类众多，但从组成来看，大的方向，可以分为包括飞行控制系统、动力系统、液压系统、导航系统、仪表系统、通信系统、安防系统、空调系统、水系统、武器系统等，这些系统在设计、制造和研发过程中应用的学科，几乎涉及了所有重要专业领域：微机电系统、结构力学、流体力学、传热学、材料等。本解决方案从这几个方面加以阐述。

微机电系统分析

飞行器的控制系统、导航系统、仪表系统等都属于微机电系统的范畴，微机电系统即包括执行器、传感器、换能器等等。从仿真角度分析，涉及各类物理场的耦合：结构力学、传热、电磁甚至光学。
光学分析

飞行器各类系统中有很多涉及光学方面的，例如红外探测，“光学窗口”，卫星望远镜等，这些领域均涉及光、热、力的耦合问题。

热、流分析

飞行器的动力系统、空调系统、水系统均涉及热流，即各类复杂内外部环境下的热管理，而这热又往往与流体有关。

飞行器流固耦合分析

航空航天范畴的飞行器，飞行速度往往很快，因此飞行环境及自身飞行姿态对飞行器的状态至关重要，外部空气与飞行器自身的共同作用，是对机身结构的严重考验，大模型的高马赫数流固耦合问题求解较为困难。
 
一、微机电系统分析

飞行器通过传感器测量各种直接参数，由机载计算机计算得到间接参数，经系统处理转变为可现实的参数，由显示系统以指针或图形方式显示出来，或将这些参数传输给自动控制系统，产生控制指令，直接由执行器改变飞行状态。飞行器上微机电系统范畴的组件包括压力传感器、温度传感器、转速传感器、加速度传感器、迎角传感器、陀螺仪、被动微波传感器、雷达和天基的GPS传感器以及微马达执行器、微泵、微阀、谐振器等等。

仿真实例一：环型激振器

激振器（vibration exciter）是附加在某些机械和设备上用以产生激励力的装置，是利用机械振动的重要部件。激振器能使被激物件获得一定形式和大小的振动量，从而对物体进行振动和强度试验，或对振动测试仪器和传感器进行校准。

本案例的环形激振器由一个金属环和两个压电堆栈组成。由于电势差的作用，压电材料产生横向位移致金属环顶部发生上下的位移。这类型的传动机构的主要目标是高精度定位。上图分别为几何模型以及工作状态下的电势分布以及位移分布情况，从图中可以看出，压电材料经较小的横向缩小，可以引起整个器件纵向较大的位移。

仿真实例二：加速度计

加速度计作为测定物体加速度的仪器，已被广泛地应用于飞机、潜艇、导弹、航天器等装置的制导中，包括压电式、压阻式、电容式等。

加速度计比较重要的设计包括压电效应、弹性阻尼、模态分析、谐振分析以及品质因数Q。

仿真实例三：压力传感器

压力传感器主要是利用材料的压电效应制造而成的，是一种最常用的传感器。

压力传感器的设计涉及因素很多，例如压阻效应、敏感元件的几何参数分析、材料性能参数识别、薄膜力学特性以及预应力的影响等等。

仿真实例四：电磁阀

电磁阀是用电磁控制的工业设备，是用来控制流体的自动化基础元件，属于执行器，并不限于液压、气动。用在工业控制系统中调整介质的方向、流量、速度和其他的参数。电磁阀可以配合不同的电路来实现预期的控制，而控制的精度和灵活性都能够保证。

电磁阀设计时需要考虑的重要因素为电磁力变化，这个变化和众多因素有关，例如移动部件的轴向位置、离心率、移动部件的形状以及线圈电流等。

仿真实例四：微小卫星热控及定位

严格来说，所谓微小卫星就是基于微机电系统利用超微型加工技术和集成技术，将微小卫星的电源、制导与控制系统、热控系统、遥控、数据处理等高度集成，实现模块化、微型化、超轻量化。随着电子集成技术特别是微机电技术迅猛发展，微小卫星已崭露头角，为了提高有效载荷比，将星上电子系统和其它分系统高度集成，需要进行光、机、电、热一体化的设计。微小卫星的研制涉及到MEMS技术、大规模集成电路封装技术、电子系统集成与嵌入式组件设计、高强度蜂窝结构、高导热率材料、轻质复合材料、纳米材料和薄膜结构等。从卫星总体的角度来看，微小卫星的研制需要解决的关键技术有：姿态控制、能源技术、通信机制、热控技术等等。从卫星热控制的角度来说，高热流密度、低热惯性将是面临的新的挑战，尤其对于微小卫星更是一个严峻的考验。

上面两幅仿真结果图片来自于空间系统承包商LuxSpace，该案例主要考虑了器件在低温环境下的可靠性，探测器的灵敏度，甚至在轨卫星的四种辐射影响（太阳辐射，地球反照率和深空红外以及主动散热）
 
二、光学分析

红外探测器、卫星望远镜是非常典型的飞行器光学系统的代表，仿真分析涉及光学、力学、热学等方面。

仿真实例一：红外探测器

红外探测器在军事或民用上有着广泛的应用，它主要是通过探测目标的红外辐射来实现对目标的探测。

本案例中的红外探测，采用微热辐射材料吸收红外波，自身发热，热应力引起材料形变。

仿真分析结果如下：

仿真实例二：望远镜

天文望远镜可从功能上分解为光学系统、机械结构和自动控制三大子系统，即对应于光机电三大学科，是典型的光机电耦合系统。

欧洲特大望远镜的镜面主控的仿真分析：

三、热、流分析

飞行器的热、流十分复杂，例如卫星在外太空，接收来自太阳、地球的辐射、地球返照太阳辐射，以及卫星自身发热，再例如飞行器中的单相流回路热控系统中的泵、阀、补偿器等组件的回路设计，均因影响因素过多，往往需要借助于仿真分析手段加以设计完善。

仿真实例一：卫星温度场分析

卫星在轨道上飞行，其与外部环境的热量交换方式几乎完全是通过辐射方式进行，基本不存在对流和传导，其接受的表面外热流主要是太阳辐射，地球对太阳辐射的反射，地球红外辐射和卫星自身内热辐射4种，如下图所示：

从上图中的节点温度分布图可以看出，卫星表面温度呈周期性变化，这与卫星周期性进入照射区和阴影区相符合。由于初始温度设置随意性的原因，卫星经过大概两个周期的时间，达到稳定变化状态。

仿真实例二：卫低温回路热管设计

随着空间制冷和探测技术的不断发展，越来越多的工程任务需要工作在200 K 左右的低温回路热管进行探测仪器负载上废热的收集、传输与排散。针对低温回路热管（Cryogenic Loop Heat Pipe，CLHP)，目前的研究多以实验为主，但是低温实验通常成本高、周期长，而且结果易受外界因素的影响，为此通过开展仿真计算来探清CLHP的运行机制并指导未来的实验工作已成为CLHP研究的一个重点。

分析结果：