用多体系统发射动力学创新提升国防科技工业研发能力和装备性

芮筱亭

能才南京理工大学，南京210094

　　芮筱亭，发射动力学家，中国科学院院士。现任复杂多体系统动力学全国重点实验室主任，南京理工大学学术委员会主任。研究方向为多体系统动力学和发射动力学。

　　高性能武器装备是军队现代化的重要标志，是军事斗争准备的重要基础，是国家安全和民族复兴的重要支撑。诸如各类坦克、火炮、多管火箭、枪械、舰艇、飞机、直升机、导弹、运载火箭、电磁轨道炮、高超声速武器、卫星武器、激光武器等兵器、船舶、航空、航天领域的现代陆战、海战、空战、天战武器装备，是国家军事实力与威慑能力的标志，得到世界各国广泛重视。武器装备的主要目标是毁伤，军事变革不变的目标是安全精准可控的高效毁伤，而几乎所有武器装备的毁伤作用都通过发射实现。发射是用发射装置爆发式安全定向精准地将能量赋予弹箭以获得高速度，坦克、舰艇、飞机、运载火箭等武器运动平台可视为发射装置的延伸，发射离不开武器平台。

  发射技术是全军各种发射平台武器的关键共用技术，是引信、火工品、火炸药、弹箭、发射装置、气动力、弹道、火力与指挥控制、导航等所有武器技术的综合，新发射技术将促进武器飞跃发展。武器系统的低振动、高精度、高威力、高毁伤效能、高安全性、高机动性、高隐身性、高稳定性、高舒适性、高可靠性等良好动力学性能是新一代武器装备发展追求的重要指标。任何新型武器从构思经研制到发挥效能再到失效，都要经历设计、加工、试验、评估、运用全生命周期，由于武器设计、加工、试验、评估、运用能力不足，很多武器在其全生命周期中频发诸如振动、精度、威力、毁伤效能、安全性、机动性、隐身性、可靠性等动力学性能达不到要求的情况，甚至是重大安全事故，武器研制周期长、研制成本高昂，难以满足国家安全和国防建设需求。全军各类武器是由许多物体组成的复杂多体系统，缺乏先进的多体系统发射动力学科学与技术指导是导致上述问题的主要原因之一。

  多体系统发射动力学是研究解决弹箭（如枪弹、炮弹、火箭弹、导弹、卫星等）、炮（如火炮、火箭炮、导弹发射装置等）、运动平台（如坦克、舰艇、航母、飞机等）、环境（如陆地、河海、空天等）系统运动和相互作用规律的新兴交叉学科。其作用是为武器性能的提高提供先进的武器系统动力学理论、快速计算方法、数字化平台、控制器件与系统、试验与评估方法、数据库、性能设计与试验方案等。多体系统发射动力学作为国防科技工业的基石之一和全军各种武器发展的共性关键技术，对现代武器发展产生了巨大作用，成为武器自主研制不可逾越之坎和武器大国迈向武器强国的必由之路。

  理论与试验结果表明，武器性能很大程度上取决于由武器系统动力学设计、加工、试验、评估、运用能力决定的武器系统发射动力学规律。由于通常动力学方法计算所需时间按系统自由度3次幂快速增加，通常动力学理论与软件，特别是其计算速度难以满足武器设计、加工、试验、评估、运用全生命周期系统动力学建模仿在推动科技和人类文明进步的同时，发射技术本身仍存在制约武器发展的未解之谜和瓶颈难题。让我们共同努力，发展并应用先进的多体系统发射动力学科学与技术，提升中国国防科技工业研发能力和装备性能！真需求，导致各类复杂武器研制很难实现先进的全系统、动力学研究模式，很大程度上仍处于传统的局部、准静态研究模式。例如，40管火箭射击顺序选择方案共有40!=8.3×1047 个，当今世界最快超级计算机计算速度为125亿亿次/s，即4×1025 次/a，远不能满足多管火箭设计需求。

  通过武器多体系统发射动力学高效建模仿真，快速预测并提高武器性能，成为现代武器发展的追求之一。笔者于1993年首次提出多体系统传递矩阵法（国际同行称之为“芮方法”），发现了多体系统中状态矢量之间严格的线性传递规律，由于系统矩阵阶次很低，计算时间按系统自由度线性增加，突破了长期严重制约武器发展的多体系统动力学计算速度难以满足武器全生命周期系统动力学建模仿真需求的国际重大技术难题，吸引了全球近千名科学家和工程专家加入该方法及其应用的研究，经30年持续的发展完善和大量工程应用，在国内外150多种重大工程中发挥了关键作用；创建了具有自主知识产权的多体系统传递矩阵法可视化仿真与设计大型软件（图1），为提升武器设计、加工、试验、评估、运用能力提供了高效的多体系统发射动力学数字化平台；实现了武器全生命周期系统动力学优化设计，建立了武器系统动力学性能与系统总体参数之间的定量关系，形成了多体系统发射动力学理论与技术体系，提升了中国武器性能设计水平、试验水平和安全性评估水平，解决了兵器、船舶、航空、航天工业部门的10多项国家高新工程的坦克、自行火炮、多管火箭等30 多型武器大幅提高性能、减少试验费用、保障安全的重大技术需求，产生了重大的经济、军事与社会效益。

图1 多体系统传递矩阵法可视化仿真与设计软件

  在推动科技和人类文明进步的同时，发射技术本身仍存在制约武器发展的未解之谜和瓶颈难题。让我们共同努力，发展并应用先进的多体系统发射动力学科学与技术，提升中国国防科技工业研发能力和装备性能！

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