曹建国：航空发动机仿真技术研究现状、挑战和展望
仿真技术是支撑航空发动机自主研发的重要手段，体现了一个国家的高端装备研发水平，可大幅提高航空发动机的研发效率和质量，减少实物试验反复，缩短研制周期，降低研制成本。本文论述了仿真技术在航空发动机学科领域维、产品层次维和全生命周期维三个方面的发展与应用现状，分析了航空发动机仿真技术发展存在的问题，提出了提升仿真能力的战略措施。
信息源：[J]. 推进技术, 2024, 39(5): 961-970. 中国航发集团党组书记、董事长 曹建国 1 引言
仿真是一门基于控制论、系统论、相似原理和信息技术的多学科综合性技术。它以计算机系统和专用设备为工具，利用模型对实际或设想的系统和过程进行模拟，是支撑产品研发的重要手段。
航空发动机正向研发是一项复杂的系统工程。传统的航空发动机研制通常依靠实物试验暴露设计问题，采用“设计-试验验证-修改设计-再试验”反复迭代的串行研制模式，造成研制周期长、耗资大、风险高。未来航空发动机技术复杂程度和性能指标要求越来越高，产品研发难度显著增大，研制进度愈加紧迫，传统的研发模式已难以满足发展需求，需要实现
从“传统设计”到“预测设计”的模式变革，而仿真是助推航空发动机研发模式变革的重要手段。
航空发动机仿真融合了先进航空发动机设计技术和信息技术的最新成果，是在计算机虚拟环境中，实现对航空发动机整机、部件或系统等的高精度、高保真多学科耦合数值模拟。通过仿真，可深化对航空发动机内部运行本质和规律的认识，提前暴露可能出现的故障、发现设计缺陷，大幅提高研制效率和质量，减少实物试验反复，降低研制风险和成本，加快研制进程。
航空发动机的仿真对象包含气动/燃烧/结构/强度/材料等学科领域维、部件/子系统/系统等产品结构层次维，以及设计/试验/制造/维修等全生命周期维等对象。
普惠公司工程模块中心副总裁曾说[1]：“过去，普惠公司只在发动机的后期设计分析与验证中运用仿真技术。现在，在高性能计算、过程自动化和软件工具发展的推动下，我们从最初的概念设计阶段，到详细设计和售后服务都在运用仿真技术，以加速产品的研发，提高保真度，并优化产品的使用管理。仿真技术对于我们保持在航空发动机领域的技术优势发挥了至关重要的作用。'
据美国空军研究实验室(Air Force Research Laboratory，AFRL)2002年发表的研究报告表明[2]，综合考虑F100，F404，F414和F119发动机的研发情况可以得出，一个发
动机研发项目理论上需要10年周期，15亿美金研制经费，以及14台整机试车用发动机，试验时数长达11000多小时。采用先进的设计仿真工具，可使总试验时数减少到7000多小时，减少约30% (参见表 1)，相应的，用于试验的发动机整机数量从14台减少到9台，研制经费也可从15亿美元减少到7亿美元，降低幅度高达50%(参见表 2) 。 2 航空发动机仿真技术的发展2.1 仿真技术研究计划20世纪80年代末以来，西方航空强国相继制定并实施了多项航空发动机仿真技术专项研究计划，并开发了多个航空发动机数值仿真系统。经过数十年的发展与应用，航空发动机仿真理论和算法已经成熟，仿真置信度较高，仿真精度已达到相当高水平(如表 3)。
美国NASA于1991年启动了高性能计算机和通讯计划(HPCCP)[3]，其中计算航空科学项目(CAS)的目标是针对航空航天研究领域建立集成、多学科的推进系统设计优化软件和数值模拟系统。通过组织业内各方力量，将计算流体力学与其他数值仿真技术、试验与数值仿真技术紧密结合，构建CFD集成试验系统，作为“数值试验台”，并应用了知识库和专家系统，对航空发动机部件和整机的性能、重量、成本及可靠性进行数值分析，在高逼真虚拟条件下获得发动机的内流数据。美国推进系统数值仿真计划(NPSS)由NASA格林研究中心负责，联合国防部、军方、生产厂商及有关高校和
曹建国：航空发动机仿真技术研究现状、挑战和展望
