中国WU-14研制为何这么快 一项尖端技术立大功

卡巴防线

发表于：2016-01-15 14:20

　　高超音速飞行器的问世，为全球主要武器大国展示了一幅诱人的应用蓝图。我国在研制出WU-14高超音速飞行器之后，不管是国内媒体，还是外媒，都在积极谈论着这种飞行器的巨大作用。有人提出，采用助推-滑翔弹道的WU-14高超音速飞行器可以被用于东风-26反舰弹道导弹，用它来打击航母，成功概率将大大提升。甚至也有用人提出，这种弹头如果适用于洲际导弹，那么对于导弹突防来说就太有用了。

　　本文不讨论这些技术应用是否现实，而是准备要专门讲述一种推动我国WU-14高超音速飞行器快速发展的尖端技术。在《解放军报》最近的报道之中，提到了这么一个事实。我国的邓小刚院士主持研制高精度数值风洞(下文简称为高数值风洞)，这种风洞解决了高超音速飞行器的关键气动问题，为我国飞行器设计手段实现跨越式发展奠定了重要的基础。《解放军报》的这个评价是非常高的，而且院士头衔也足以说明邓小刚的卓越贡献。

　　那么，这个高数值风洞究竟是什么尖端科技呢?首先我们来说一说什么是数值风洞。数值风洞就是将计算流体力学软件系统和大型计算机系统有机结合，从而提供满足型号工程设计精度和效率要求的飞行器气动数据。同一般的计算流体力学软件相比，数值风洞系统经过大量的系统测试，可以生成准确的气动数据，而且计算速度和计算容量都很大。为了能够获得数值风洞，许多发达国家都投入了大量的精力、物力和人力，财力不雄厚的国家通常是玩不起的。

　　同数值风洞相比，高数值风洞的要求更高，它将高精度计算方法和高效能计算机系统紧密地结合起来。我国的高数值风洞是在全球排名领先的“天河”一号和“天河二号”超级计算机的基础上建立的，而且突破高精度计算方法应用于工程的瓶颈，解决了一大批关键的技术难题，达到了国际上的先进水平。这种高数值风洞主要有三个方面的优点。

　　第一个方面是提供更准确的计算结果。甚至在2011年的时候，美国航空航天局兰利中心的报告也指出，高精度计算方法是非常急需的计算工具，但各国经过数十年的研究之后，取得的成果相对有限。我国这个领域的团队在邓小刚院士的带领下，突破层层的困难，通过多方面进行验证，确保了计算结果的准确性和工程实用性，使误差极大缩小。

　　第二个方面是可以提供更快的计算速度。对飞行器的气动布局进行评估，需要进行全机数值模拟，计算量非常大，需要几千万到几亿的计算网格点。计算流体力学软件虽然比人工计算要快得简直不知道要高出多少倍，但在高数值风洞面前，它也只能算是“小作坊”。而我国的高数值风洞采用的“天河二号”计算机，拥有8万个处理器，212万个计算核心，峰值浮点运算速度可以达到33.86千万亿次，这比之前全世界最快的超级计算机“泰坦”都好要快74%。

　　不仅如此，我国科研人员还对高数值风洞使用的软件进行优化，构建了更加适合大规模并行计算的底层架构。我国的高数值风洞在世界上最大规模的异构并行的复杂算例中单GPU对8CPU核的并行加速比达到1.86，处于全球领先水平。通过高效率软硬件的有机结合，我国高超音速飞行器的气动布局计算周期大大缩短，获得了海量可靠的数据。

　　第三个方面的优点是可以提供更优秀的流场显示。流动显示和流场特征是提取计算流体力学的非常关键的最后一个步骤，它直接关系到计算结果的关键信息是否能够成功获取。这个方面的重要性我们可以做一个形象的比喻。这就好比你辛辛苦苦连三餐都没有吃加班到晚上12点，终于干完了一个急活儿，但由于电脑太破造成死机，数据却无法显示。

　　高超音速飞行器启动布局的计算量可以比你一个人1天时间干的活儿多太多了，如果数据无法显示，那后果的严重性是根本无法用语言来描述的。我国经过数十年的研发，研制出高数值风洞使用的自主流场显示系统，成功打破国外流动显示软件的垄断。不仅如此，我国的这套系统还可以提供更加精细的流场显示结果。这个成果，使我国的高超音速飞行器设计师能够获得关键的气体流动特征。

　　在今天的高超音速飞行器研制领域，我国已经可以达到同美国和俄罗斯比肩的水平，其间是许许多多科技人员艰苦努力的结果。邓小刚院士所带领的团队在高数值风洞方面的成就，为我国研制高超音速飞行器提供极大的帮助。正是有了高数值风洞，我国的高超音速飞行器才会研制得如此顺利。科研人员们一直在努力，谁说我国只能学习其他国家的技术，只能“山寨”，我们的自主研发能力一点儿也不差，邓小刚院士及其团队就是最生动的例子。