中國WU-14研製為何這麼快 一項尖端技術立大功

卡巴防線

發表於：2016-01-15 14:20

　　高超音速飛行器的問世，為全球主要武器大國展示了一幅誘人的應用藍圖。我國在研製出WU-14高超音速飛行器之後，不管是國內媒體，還是外媒，都在積極談論着這種飛行器的巨大作用。有人提出，採用助推-滑翔彈道的WU-14高超音速飛行器可以被用於東風-26反艦彈道導彈，用它來打擊航母，成功概率將大大提升。甚至也有用人提出，這種彈頭如果適用於洲際導彈，那麼對於導彈突防來說就太有用了。

　　本文不討論這些技術應用是否現實，而是準備要專門講述一種推動我國WU-14高超音速飛行器快速發展的尖端技術。在《解放軍報》最近的報道之中，提到了這麼一個事實。我國的鄧小剛院士主持研製高精度數值風洞(下文簡稱為高數值風洞)，這種風洞解決了高超音速飛行器的關鍵氣動問題，為我國飛行器設計手段實現跨越式發展奠定了重要的基礎。《解放軍報》的這個評價是非常高的，而且院士頭銜也足以說明鄧小剛的卓越貢獻。

　　那麼，這個高數值風洞究竟是什麼尖端科技呢?首先我們來說一說什麼是數值風洞。數值風洞就是將計算流體力學軟件系統和大型計算機系統有機結合，從而提供滿足型號工程設計精度和效率要求的飛行器氣動數據。同一般的計算流體力學軟件相比，數值風洞系統經過大量的系統測試，可以生成準確的氣動數據，而且計算速度和計算容量都很大。為了能夠獲得數值風洞，許多發達國家都投入了大量的精力、物力和人力，財力不雄厚的國家通常是玩不起的。

　　同數值風洞相比，高數值風洞的要求更高，它將高精度計算方法和高效能計算機系統緊密地結合起來。我國的高數值風洞是在全球排名領先的“天河”一號和“天河二號”超級計算機的基礎上建立的，而且突破高精度計算方法應用於工程的瓶頸，解決了一大批關鍵的技術難題，達到了國際上的先進水平。這種高數值風洞主要有三個方面的優點。

　　第一個方面是提供更準確的計算結果。甚至在2011年的時候，美國航空航天局蘭利中心的報告也指出，高精度計算方法是非常急需的計算工具，但各國經過數十年的研究之後，取得的成果相對有限。我國這個領域的團隊在鄧小剛院士的帶領下，突破層層的困難，通過多方面進行驗證，確保了計算結果的準確性和工程實用性，使誤差極大縮小。

　　第二個方面是可以提供更快的計算速度。對飛行器的氣動布局進行評估，需要進行全機數值模擬，計算量非常大，需要幾千萬到幾億的計算網格點。計算流體力學軟件雖然比人工計算要快得簡直不知道要高出多少倍，但在高數值風洞面前，它也只能算是“小作坊”。而我國的高數值風洞採用的“天河二號”計算機，擁有8萬個處理器，212萬個計算核心，峰值浮點運算速度可以達到33.86千萬億次，這比之前全世界最快的超級計算機“泰坦”都好要快74%。

　　不僅如此，我國科研人員還對高數值風洞使用的軟件進行優化，構建了更加適合大規模並行計算的底層架構。我國的高數值風洞在世界上最大規模的異構並行的複雜算例中單GPU對8CPU核的並行加速比達到1.86，處於全球領先水平。通過高效率軟硬件的有機結合，我國高超音速飛行器的氣動布局計算周期大大縮短，獲得了海量可靠的數據。

　　第三個方面的優點是可以提供更優秀的流場顯示。流動顯示和流場特徵是提取計算流體力學的非常關鍵的最後一個步驟，它直接關繫到計算結果的關鍵信息是否能夠成功獲取。這個方面的重要性我們可以做一個形象的比喻。這就好比你辛辛苦苦連三餐都沒有吃加班到晚上12點，終於幹完了一個急活兒，但由於電腦太破造成死機，數據卻無法顯示。

　　高超音速飛行器啟動布局的計算量可以比你一個人1天時間干的活兒多太多了，如果數據無法顯示，那後果的嚴重性是根本無法用語言來描述的。我國經過數十年的研發，研製出高數值風洞使用的自主流場顯示系統，成功打破國外流動顯示軟件的壟斷。不僅如此，我國的這套系統還可以提供更加精細的流場顯示結果。這個成果，使我國的高超音速飛行器設計師能夠獲得關鍵的氣體流動特徵。

　　在今天的高超音速飛行器研製領域，我國已經可以達到同美國和俄羅斯比肩的水平，其間是許許多多科技人員艱苦努力的結果。鄧小剛院士所帶領的團隊在高數值風洞方面的成就，為我國研製高超音速飛行器提供極大的幫助。正是有了高數值風洞，我國的高超音速飛行器才會研製得如此順利。科研人員們一直在努力，誰說我國只能學習其他國家的技術，只能“山寨”，我們的自主研發能力一點兒也不差，鄧小剛院士及其團隊就是最生動的例子。