图1：周雁飞副总设计师接受记者采访
【中国载人航天工程网 10月12日】2016年10月9日至11日，由中国仿真学会、亚洲仿真联盟和国际建模仿真学会联合主办的2016国际仿真技术应用展览会在北京国际会议中心开幕，多项中国载人航天工程仿真应用成果参展并成为展会亮点。中国载人航天工程副总设计师周雁飞在接受本站记者专访时表示，仿真技术覆盖我国载人航天工程方案、初样、正样和飞行任务各个阶段，为各系统研制及圆满完成首次载人飞行、出舱活动、空间交会对接等任务提供了重要技术支撑，并为空间站研制提供保障。
仿真技术融合于载人航天发展全过程
载人航天和仿真是分不开的。载人航天有很多探索未知的成分，要拓展人的认知，本身需要精细化的仿真计算。周雁飞介绍说，在载人航天工程诞生的早期，仿真就一直伴随其中。比如，在上个世纪90年代初，工程就开展了零高度逃逸飞行仿真实验，经过充分仿真，节省了原计划开展的多次飞行试验，最终只做了一次试验就达到了工程验证目的。周雁飞说，仿真是载人航天工程中的一个核心工作内容，尤其是前期的规划、论证阶段，仿真能够帮助形成想法并逐步成熟，大方案明确了，后期才能验证。因此，仿真技术和载人航天工程是一体的。他强调，仿真已经不仅仅是一个研究手段，而是成为嵌入研制的一个工具和方法，已经完整地嵌入到了任务流程里面，无论是规划、论证、研制，还是最后试验的全程，仿真都是作为工程的基本手段和基本工具。
图2：数字样机仿真
周雁飞说，随着工程的进展，有些模型或工程的样机已经形成，我们就用它逐步替换仿真模型。这时，就进入了另外一个阶段——半实物仿真。直到最后，我们把仿真模型全部替换，就形成了一个全实物仿真。当然，不同的技术有不同的用途。再比如现在比较热门的虚拟现实，会给诸如工程技术人员，用户及航天员一个空间的、直观的概念。通过虚拟现实技术可以把人与环境的相互作用、相互关系串起来，在实际系统没有建起来之前，就对匹配关系、相对位置等做出一种事先的预示。因此，仿真一方面可以解决问题，另一方面还能降低研制风险。无论是纯数字仿真、半实物仿真、实物仿真，再加上其它的一些具体分支技术，应该是贯穿于工程的全过程。在不同的过程作用不一样，起的效果也不一样。
载人航天仿真技术应用成果丰硕
这次参展的载人航天仿真技术应用成果包括三维数字化设计、多物理场耦合仿真、数字样机仿真、半物理仿真试验、分布式交互仿真、虚拟现实仿真等，门类丰富。周雁飞举例介绍说，今年六月成功首飞的长征七号运载火箭被称为全数字火箭，在这枚火箭研制试验阶段运用了大量的仿真技术，包括三维数字化设计技术，多物理场耦合仿真，以及数字样机仿真技术等等。2017年将要首飞的“天舟”货运飞船也采用了三维数字化设计技术，建立的全三维仿真分析与协同设计模式已经形成成果并在其他航天器设计领域推广。还有九自由度仿真系统，这是半实物仿真系统，在我国载人航天交会对接任务阶段，为解决复杂交会过程和高精度测控提供了重要技术支持。神舟八号、九号、十号任务的成功也充分验证了前期仿真技术的成果。
图3：天舟货运飞船全三维设计
要保证航天员安全高效地完成任务，在航天器和航天任务的设计上就必须“以人为本”。对此，周雁飞说，在工程前期，一般都是航天器做出来之后，再航天员去操作，发现其中的问题。这样的做法会增加成本、延长制作周期，对航天任务有较大的影响。为此，航天员科研训练中心人因工程国家级重点实验室牵头研制了航天员建模仿真系统（AMSS），这套系统是国内首个面向长期空间飞行的人-系统整合设计建模仿真系统，整合了长期飞行时的特因环境、人的认知、骨肌特性变化与执行航天任务的行为特性等因素，实现了长期飞行下骨肌和认知特性、体力和脑力任务操作过程、绩效和负荷评估、作业可视化等功能多层次数字仿真。利用这个系统，在设计阶段就可以将航天员、航天任务结合在一起进行互动仿真，发现并解决问题。其阶段成果直接支撑了我国神舟九号、神舟十号手控交会对接任务的圆满成功，并为我国空间实验室、空间站工程的人机界面设计、任务规划提供了重要技术支持。
图4：航天员建模仿真系统（AMSS）原理
仿真技术助推中国空间站研制
中国空间站正处于建造阶段，这样一个长期在轨、大体量、工作内容复杂的体系会遇到更多挑战。对此，周雁飞认为，仿真就是解决复杂系统的最主要的方法和工具。挑战越大的工程，仿真的作用就越大。事实上，在前期的空间站论证及研制中，应用了大量的仿真技术。航天器全数字系统仿真验证平台的建设与应用，为空间站总体方案设计工作提供了有力支持，并提前对系统方案进行了验证，确保了空间站设计的正确性，避免了初样阶段详细设计的反复，进而优化了空间站研制流程，提高了总体设计水平。在总体仿真方面，开展空间站飞行方案仿真，建立空间站关键任务模型，梳理飞行任务工况，确定飞行任务时序，系统的验证了飞行方案的合理性和正确性，为空间站飞行方案设计工作提供了有力支持。
航天仿真成果民用前景良好
图5：基于VR技术的航天测试发射合练系统
谈及载人航天工程的仿真应用成果推广，周雁飞说，从工程技术来讲，无论是做航天、航空，还是地面的各种工程机械，都需要一些专业库，比如力学的一些仿真工具和方法，或者热学的，动力学的，各个方面，只要能成功配套，哪里都能用。目前载人航天领域积累的成果只需通过结合具体的应用对象进行裁剪或者有针对性的改造就可推广使用。比如基于虚拟现实技术的航天任务模拟及航天测试发射模拟，在保留基本原理正确性的前提下，可以发挥想象去展示一种虚拟的、非真实的一种场景，用于青少年航天科普教育以及有关操作培训。应该说，仿真技术是信息化技术一个很重要的分支，而且也是信息化技术的有生命力的、很重要的支撑。
面对将来更远的目标， 更远的人机探测，未知的成分会更多，靠人脑粗放地去想、去规划是不可能的。周雁飞认为，要建一个比较完善的仿真模型，然后进行模型验证，后续还要不断规划和策划，从不同的侧面、不同的角度，通过一些有限的地面试验，来验证模型的正确性。“这应该是一个无止境的事情，载人航天要走多远，就得仿真多远。未知越多，挑战越大，仿真的作用也就越大。”（张智慧 郝玉涛 周雁 杨璐茜）
