一种液体火箭发动机虚拟试验平台及其试验方法

摘要

本发明公开了一种液体火箭发动机虚拟试验平台及其试验方法，包括试验管理器模块、试验对象仿真模块、运行控制模块、虚拟环境模块、验证评估模块和数据库管理系统，通过试验对象和试验方案的确定，运行控制模块对试验对象仿真模块的仿真过程进行控制，虚拟环境模块进行三维显示和实体映射，验证评估模块对虚拟试验结果进行评估以及数据库管理系统的数据信息储存和管理，实现了发动机试验技术和计算机手段的结合，达到了虚拟试验平台成为工程无缝一体化体系效果，使得它与真实试验操作规程类似，能在一定程度上具有与真实发动机点火试验相似的功能和性能。

说明书

技术领域

本发明涉及一种液体火箭发动机虚拟试验平台及其试验方法，属于发动机虚拟试验技术领域。

背景技术

目前，在我国航空航天和军事领域的许多系统开发研制中，动力系统的研制主要靠地面试验来完成，地面试验相对于飞行试验付出较小的物质消耗，它可以避免发动机设计上的缺陷，优化发动机性能等。但是，地面试验系统通用性差、误差累积较多、研制过程漫长而且花费巨大。因此，开展新形式的试验研究对缩短新型号发动机的研制周期，降低研制、试验费用具有重要意义。

随着航天技术的发展，对发动机复杂的性能特性的认知需求越来越高，相应的对其试验技术的要求也越来越苛刻。随着计算机技术的发展，为发展试验平台的建模仿真设备提供了有利的工具。应用仿真设备对真实发动机热试车进行模拟，可以得到热试车过程中无法测量的数据，可以减少发动机的测量误差，也可以减少发动机研发周期和费用。

但是，应用仿真设备对试验过程进行模拟，模拟者需要对热试车方案、试验流程和试验结果进行数值管理，或者对多个商业软件进行操作管理，兼容性差，不方便，也很不直观，所以，亟需一个综合管理平台，实现大量数据和软件的集成，可以实现直观表达、交互进行发动机系统的热试车过程。

随着计算机技术、计算机图形学以及人机交互理论的发展，应用虚拟现实技术建立虚拟环境下的综合试验平台有了可以实现的技术基础，它将在新型号动力系统的概念研究、研制等方面显示出明显的优势和巨大的效益。

发明内容

本发明的目的在于克服现有发动机试验与仿真技术的不足和缺陷，提出一种虚拟试验平台，从根本上改变了发动机研制的热试车方式，增加了热试车的灵活性，使发动机试验虚拟设备具有更大的适应性。

本发明提供的液体火箭发动机虚拟试验平台主要包括试验管理器模块、试验对象仿真模块、运行控制模块、虚拟环境模块、验模评估模块和数据库管理系统。各个模块之间采用ADO等接口集成技术，使数据信息在各模块之间实现无障碍传输。

其中，试验管理器模块是试验者即试验操作人员进行试验操作的引擎，被用来确定试验方案和试验对象(发动机系统或其部件)，设置试验对象的参数，包括：控制参数、设计参数、环境参数、试验者信息等。同时，这些数据信息和试验方案都储存到平台虚拟试验数据库管理系统中。

试验对象仿真模块包括模型和算法两个部分，共同构成试验对象，是整个平台的核心部分。在确定了试验方案之后，试验对象仿真模块被用来模拟试验对象(即：实际发动机系统或其部件)的工作过程。它从数据库管理系统中读取试验设置信息和发动机结构/状态参数信息，加载算法，进行仿真计算，得到其工作特性参数。得到的试验结果被同步保存到数据库管理系统中。

运行控制模块用于操作控制试验对象仿真模块，包括启动、运行、继续、调速等发动机虚拟试验流程的操作控制，直至得到试验结果。

虚拟环境模块功能是将试验的结果信息(如温度、压力、流量等)映射到三维实体模型上。其中，实体模型指的是试验对象(发动机系统或其部件)的试验系统，以及相关的控制系统、显示仪表等。试验结果信息包括真实试验结果和试验对象仿真模块的计算结果两种信息，它们都被储存在数据库管理系统中。在试验过程中，显示模块就会从数据库管理系统中读取相应的数据显示到虚拟仪器表盘或者表现其对应的动画效果(液体流动、火焰喷射等)。试验者可以根据需求对试验场景中的三维实体模型进行交互操作，例如暂停、紧急停止、重新启动等，真实反映发动机及其部件的工作特性；并且可以反复进行试验，显示了虚拟试验平台的无限可重复操作性功能。

验模评估模块的功能是从数据库管理系统中分别读取真实试验结果和试验对象仿真模块的计算试验结果，利用各种模型验证算法(如误差分析法，自回归法等)，对虚拟试验结果的精度和置信度进行评估。

数据库管理系统是面向对象的工程数据管理系统，用于虚拟试验的信息管理，所有的虚拟试验和真实试验的数据信息都存储到数据库管理系统中，包括：试验的控制信息、试验对象的结构参数、状态参数、试验结果、验证结果等等。应用数据库管理系统，可以实现数据的查找、插入、删除和储存，保证试验数据和参数的管理、传递和共享，是支撑虚拟试验的重要基础。

本发明将现代计算机技术与发动机试验技术相结合，虚拟试验平台采用试验管理系统和数据库管理系统取代传统的热试车文档管理和数值管理；采用接口集成技术和平台框架结构取代传统的多种仿真软件独立技术的现状；利用三维造型技术营造虚拟试验环境，显示试验结果取代传统的真实点火和仪表显示；采用实时交互技术，对虚拟环境进行试验过程的运行控制。

本发明还提供一种应用上述的试验平台进行虚拟试验的试验方法具体实施步骤如下：

步骤一、试验管理器模块确定试验方案和试验对象。

如果数据库管理系统中存在这种试验方案，则直接根据确定试验方案设置试验路径，试验环境、试验流程、试验对象参数等信息，并储存到数据库管理系统。如果数据库管理系统中没有需求试验方案，则设置新的试验方案，并为新的试验方案设置试验路径，试验环境、试验流程、试验对象参数等信息，并储存至数据库管理系统，便于对试验方案的管理。

步骤二、试验对象仿真模块进行虚拟试验。本平台针对液体火箭发动机试验特点，把试验对象分为三类：(1)虚拟部件试验，(2)虚拟发动机单机或子系统试验，(3)动力系统试验。三类对象层层包含，所以，采用面向对象的方法编写通用化、模块化的部件模块程序，就可以构建任意的不同层次的试验对象。每种部件为一个类模块，主要由典型种类的部件如贮箱、管路、阀门、喷注器、燃烧室、喷管等所组成。进行试验对象虚拟试验时，首先，判断试验对象仿真模块中是否存在试验对象系统矩阵，如果不存在，则通过各组件类，连接搭建试验对象系统，生成底层系统矩阵，然后读取/调用数据库管理系统中的结构参数、状态参数、控制参数等，加载算法进行仿真计算；如果试验对象仿真模块中存在试验对象系统矩阵，则直接加载算法进行仿真。

步骤三、试验过程运行控制模块在虚拟实时运行过程当中，通过对试验对象仿真模块的控制，达到对试验效果控制的目的，即实现启动、运行、继续、调速等功能，直至试验结束。

步骤四、虚拟环境模块，在三维交互环境中执行虚拟试验流程。在进行虚拟试验时，首先将环境参数(如大气温度、大气压力等)、试验对象参数等导入到三维虚拟环境中，即建立仿真模型与实体环境之间的映射关系，然后将仿真结果实时传至虚拟环境中的三维显示，就可以模拟真实发动机点火试验的场景。本平台采用3ds Max对液体火箭发动机各主要部件(贮箱、管路、阀门、喷注器、燃烧室、喷管等)及控制台等进行三维几何建模，并采用.nmo文件接口技术，在virtools中将部件组合，采用biulding block技术读取数据库管理系统，将虚拟环境中的三维实体与仿真结果或真实试验结果建立关联，将试验结果映射其上，直观显示发动机的热试车场景(点火、液体流动、仪表显示)，并且可以通过虚拟操作控制面板对这些虚拟试验场景进行交互操作，真实反映发动机及其部件的工作特性；并且可以反复进行试验，显示了虚拟试验平台的无限可重复操作性功能。

步骤五、验模评估模块虚拟试验结果进行评估。

验模评估模块读取数据库管理系统中的仿真计算结果和历史真实点火结果记录，将数据库管理系统中两种结果数据进行对比计算，采用误差分析法等模型验证算法，对虚拟试验精度和置信度进行评估，并将评估结果储存到数据库管理系统中，最后将结果即误差等以曲线的形式显示。

通过上述评估结果，判断发动机的性能是否满足要求，如果是，则结束本次试验；如果否，则重新设计试验方案，从步骤一开始重新进行试验流程操作。

本发明的优点在于：

(1)可以方便虚拟表达多种物理环境，补充真实热试车方案；

(2)模块化仿真，提高试验对象的通用性；

(3)多计算机技术及功能集成，搭建无缝计算机环境可以实现本平台的通用性和应用灵活性；

(4)通过数据库系统对试验信息进行综合管理；

(5)可以提高对物理过程的理解，预测系统在各种复杂条件下的性能；

(6)可以减少试验误差累积，增加试验数据样本，增加试验模型的评估可靠性；

(7)也可以减少试验经费，缩短试验周期，并对新型号发动机设计起到预示和指导作用；

(8)可以通过软件升级，不断改进和增强设备能力；

(9)可以通过网络控制，实现远程试验。

附图说明

图1虚拟试验平台结构示意图；

图2应用本发明虚拟试验平台进行虚拟试验的流程图。

图中：

1.试验管理器模块  2.试验对象仿真模块  3.运行控制模块  4.虚拟环境模块5.验模评估模块  6.数据库管理系统

具体实施方式

下面将结合附图和实施对本发明作进一步的详细说明。

本发明是一种液体发动机虚拟试验平台装置，如图1所示，所述的装置包括试验管理器模块1、试验对象仿真模块2、运行控制模块3、虚拟环境模块4、验证评估模块5和数据库管理系统6。其中试验管理器模块1进行试验方案的选择，确定试验对象，设置试验对象的参数，所述的试验对象的参数包括发动机的控制参数、设计参数、环境参数、试验者信息等。

所述的试验对象仿真模块2包括发动机部件或者系统的模型和算法两个独立部分，用于实现对发动机部件或者系统的虚拟试验。在确定了试验方案之后，试验对象仿真模块被用来模拟试验对象(即：实际发动机系统或其部件)的工作过程，它从数据库管理系统6中读取试验设置信息和发动机结构/状态参数信息，得到其工作特性参数，启动仿真程序，得到的试验结果被同步保存到数据库管理系统6中。

所述的运行控制模块3用于对试验对象仿真模块2的仿真过程进行控制，如虚拟试验的启动、运行、继续和调速等，直至得到试验最终结果。

所述的虚拟环境模块4在进行虚拟试验时，首先将数据库管理系统6中的环境参数(如大气温度、大气压力等)、试验对象参数等导入到三维虚拟环境4中，即建立仿真模型与实体环境之间的映射关系，然后将试验对象仿真模块中得到的仿真结果实时传至三维显示，就可以模拟真实发动机点火试验的场景。本平台采用3ds Max对液体火箭发动机各主要部件(贮箱、管路、阀门、喷注器、燃烧室、喷管等)及控制台等进行三维几何建模，并采用.nmo文件接口技术，在virtools中将部件组合，采用biulding block技术读取数据库管理系统6，将虚拟环境4中的三维实体与仿真结果或真实试验结果建立关联，将试验结果映射其上，直观显示发动机的热试车场景(如点火、液体流动、仪表显示)，方便实验者观察虚拟试验结果，并且可以通过虚拟操作控制面板对这些虚拟环境模块4中的试验场景进行交互操作，真实反映发动机及其部件的工作特性；并且可以反复进行试验，显示了虚拟试验平台的无限可重复操作性功能。

所述的验证评估模块5将根据数据库管理系统6中的真实试验结果和虚拟试验结果，利用各种模型验证方法(如误差分析法，自回归法等)，对虚拟试验结果的精度和置信度进行评估，并将不同的验模方法得到的仿真结果进行评估，找到与真实试验结果最接近的一个仿真结果作为试验的最终结果。

数据库管理系统是面向对象的工程数据管理系统，用于虚拟试验的信息管理，所有的虚拟试验和真实试验的数据信息都存储到数据库管理系统中，包括：试验的控制信息、试验对象的结构参数、状态参数、试验结果、验证结果等等。应用数据库管理系统，可以实现数据的查找、插入、删除和储存，保证试验数据和参数的管理、传递和共享，是支撑虚拟试验的重要基础。

应用上述的虚拟试验平台，本发明还提供一种发动机虚拟试验方法，流程如图2所示，具体通过如下步骤实现：

步骤一、试验管理器模块确定试验方案和试验对象。

根据试验目的，试验者通过试验管理器模块1进行试验方案的选择和试验对象(发动机或其部件)的确定。如果数据库管理系统6中存在所需虚拟试验对象的既定试验方案，则直接调用该方案，如果不存在，则需要设定新的试验方案，并将其保存到数据库管理系统6中。为了便于管理，为确定了的试验方案设置试验的工作的路径，设置试验对象的参数，包括：控制参数、设计参数、环境参数、试验者信息等，设置环境参数，并储存到数据库管理系统6中，为进一步的试验打下基础。

步骤二、试验对象仿真模块2进行虚拟试验。

试验对象仿真模块2调用数据库管理系统6中的仿真参数，对发动机进行仿真，并由运行控制模块3对发动机仿真过程进行控制。进行试验对象虚拟试验时，首先，判断试验对象仿真模块2中是否存在试验对象系统矩阵，如果存在，则直接加载算法进行虚拟试验；如果不存在，则通过各组件类，连接搭建试验对象，生成底层系统矩阵；然后读取/调用数据库管理系统中的结构参数、状态参数、控制参数等，根据选择的试验对象调用发动机部件或者系统相应的模型和算法，进行仿真计算。

步骤三、运行过程控制模块3对试验对象仿真模块2进行控制，包括：启动、运行、继续、调速等操作控制，直至试验结束。

步骤四、虚拟环境模块，在三维交互环境中执行虚拟试验流程。

虚拟环境模块首先将环境参数、试验对象参数等导入到三维虚拟环境中，即建立仿真模型与实体环境之间的映射关系，然后将仿真结果实时传至三维显示，就可以模拟真实发动机点火试验的场景。所述的三维显示包括物理现象的变化，流量计等测量仪表的实时更新。虚拟环境模块将虚拟环境中的三维实体与仿真结果或真实试验结果建立关联，将试验结果映射到三维实体上，直观显示发动机的热试车场景(点火、液体流动、仪表显示)，并且可以通过虚拟操作控制面板对这些虚拟试验场景进行交互操作，真实反映发动机及其部件的工作特性；并且可以反复进行试验，显示了虚拟试验平台的无限可重复操作性功能。

步骤五、验证评估模块5对仿真结果进行评估。

验证评估模块5将保存至数据库管理系统6中的拟定测点的被测值结果，与对应的真实试验的测点值进行对比校验，用真实点火的历史数据修正仿真模型，把评估结果保存至数据库管理系统6中，便于查看多种形式的结果。通过上述评估结果，判断发动机的性能是否满足要求，如果是，则结束本次试验；如果否，则重新设计试验方案，从步骤一开始重新进行试验流程操作，直至满足要求。

至此，针对某一对象的一次虚拟试验完成。