發展歷史
背景需求
每種太空飛行器都是由各種複雜而繁多的機械零件組成的，若想知道它們的工作會不會出現問題談何容易。只有不斷做實驗才能得到確切的結果，但是這樣做既費時又費力，還會浪費金錢，所以人們想到了計算機。因為計算機不但計算速度快，而且精度特別高，對於航空航天這種既要大量計算又要十分精確的技術實在是再合適不過的了。到後來出現了專門用於仿真模擬的軟體，它在航空航天領域更是得到了十分廣泛的套用。
仿真模擬軟體對於航空航天的促進作用顯而易見，它縮短了太空飛行器的製造時間，使得連續發射成為可能。象太空梭這樣的太空飛行器大多不攜帶飛行動力裝置，在極高真空的宇宙空間靠慣性自由飛行。太空飛行器的運動速度為八到十幾千米每秒，這個速度是由航天運載器提供的。太空飛行器的軌道是事先按照航天任務來選擇和設計的。有些太空飛行器帶有動力裝置用以變軌或軌道保持。
太空飛行器由航天運載器發射送入宇宙空間，長期處在高真空、強輻射、失重的環境中，有的還要返回地球或在其他天體上著陸，經歷各種複雜環境。太空飛行器工作環境比航空器環境條件惡劣得多，也比火箭和飛彈工作環境複雜。發射太空飛行器需要比自身重幾十倍到上百倍的航天運載器，太空飛行器入軌後，需要正常工作幾個月、幾年甚至十幾年。因此，重量輕、體積小、高可靠、長壽命和承受複雜環境條件的能力是太空飛行器材料、器件和設備的基本要求，也是太空飛行器設計的基本原則之一。對於載人太空飛行器，可靠性要求更為突出。
正是基於對這種可靠性的要求，所以太空飛行器在發射之前往往先要考慮到各種可能出現的狀況，但在如此複雜的太空飛行器運行時又怎樣去考慮到每個零件的狀況呢？所以計算機仿真模擬技術得以在這種情況下大顯身手。
事故體現計算模擬技術優點
因為航天航空技術的快速發展，各種太空飛行器不斷發射，尤其是美國的太空梭更是頻頻發射，但就在人們認為航天技術將要得到長足發展的時候，一個震驚世界的訊息傳來了，那就是挑戰者號太空梭的失事，它使人們從一個征服太空的美夢中醒來。它讓人們重新思考太空梭的安全性問題。挑戰者號太空梭的事故分析在一片惋惜聲中展開了，美國召集了航天方面的專家，經過研究發現起因是助推器兩個部件之間的接頭因為低溫，變脆，破損，噴出的燃氣燒穿了助推器的外殼，繼而引燃外掛燃料箱。燃料箱裂開後，液氫在空氣中劇烈燃燒爆炸。
後來又有哥倫比亞號太空梭的失事，經過專家們的研究，是因為飛機返回大氣層時，飛機的隔熱磚脫落造成的事故，起初沒有人能夠想到就是因為這么一塊小小的隔熱磚會造成如此嚴重的事故。雖然分析結果簡單明了，但是分析過程確實是非常的複雜，計算機仿真模擬技術在事故分析上得到了充分的發揮。專家們通過對可能發生事故的原因進行計算機模擬，最後發現在隔熱瓦脫落時模擬出來的結果與事故發生時所出現的情況相近，所以得出事故的原因。
仿真模擬計算機發展概況
在仿真計算機領域，模擬/混合計算機與數字計算機一直是激烈的競爭對手：
50年代——模擬機占壓倒優勢、數字仿真繼剛開始發展，50年代末，由於飛彈技術的需要而誕生了混合模擬機及混合計算系統
60年代-70年代中期——混合計算機發展的鼎盛時期，同時，數字機也蓬勃發展，特別是由於完善、價廉的小型通用數字機大量進入市場及數字仿真算法和高級仿真語言的進展，70年代中期，混合機已不能與小型數字機相爭。
70年代末、80年代——數字機已逐步占領仿真機的市場，研製模擬/混合機的廠家從30餘家縮減為2家，但是，混合計算機系統在高速、自動化等方面仍取得相當進展，因而在大型、高速、實時/超實時仿真領域仍占有一定的位置。
90年代——數字機占絕對主導地位 二十世紀90年代情況及以後發展趨勢：
1） 仿真計算機分布在一個相當寬的型譜上，包括：個人計算 機、工作站、小/中/大型通用數字機、外圍陣列機、小巨機、巨型機、專用仿真工作站、專用數字仿真機、專用混合計算機等，各方面用戶可根據需要做出選擇。對於上述計算機而言，在其系統軟/硬體環境下，建立面向問題的高效能仿真算法和軟體環境是至關重要的課題。
2） 主機（超小型機或工作站）附加通用/專用外圍陣列機具 有良好的性能/價格比，在大型集中參數實時仿真領域占有十分重要的位置，如：YF系列仿真機。
3） 巨型機具有高速矢量處理能力，它在分布參數系統仿真方 面占據主導地位。隨著並行算法及實時能力的改善，在集中參數系統仿真中也將占有相當地位。
4） 仿真工作站由於低廉的價格、友好的人機界面以及聯網能 力，將得到十分廣泛的套用。
5） 帶有自動排題功能的混合計算機系統仍有一定的速度優勢，但由於系統複雜和價格昂貴，只在特殊要求的實時仿真中套用。
6） 以仿真工作站為基礎的分散式網路仿真系統。
7） 高性能計算機-HPC(超級計算機)
原理
模擬仿真
是對現實系統的某一層次抽象屬性的模仿。人們利用這樣的模型進行試驗，從中得到所需的信息，然後幫助人們對現實世界的某一層次的問題做出決策。仿真是一個相對概念，任何逼真的仿真都只能是對真實系統某些屬性的逼近。仿真是有層次的，既要針對所欲處理的客觀系統的問題，又要針對提出處理者的需求層次，否則很難評價一個仿真系統的優劣
計算機仿真模擬
它的原理是依靠計算機的疊代運算，所以這是一門依靠計算機技術所衍生的一門有著實際意義的學科，它與我們的生活息息相關。計算機仿真模擬技術在科學技術、軍事、國民經濟、汽車、電子行業、體育、交通運輸、金融、管理、航空航天方面都有廣泛的套用。它的研究範圍小到原子，大到宇宙，可以說在現實生活中套用極為廣泛。
傳統的仿真方法是一個疊代過程，即針對實際系統某一層次的特性（過程），抽象出一個模型，然後假設態勢（輸入），進行試驗，由試驗者判讀輸出結果和驗證模型，根據判斷的情況來修改模型和有關的參數。如此疊代地進行，直到認為這個模型已滿足試驗者對客觀系統的某一層次的仿真目的為止。
常用的仿真計算機體系結構
集中式：一台主機完成模型解算任務
分散式：多台計算機協調工作完成仿真模型結算任務
仿真系統
為了建立一個有效的仿真系統，一般都要經歷建立模型、仿真實驗、數據處理、分析驗證等步驟。隨著專門用於仿真的計算機——仿真機的出現，計算機仿真技術日趨成熟，現在已經趨於完善。隨計算機技術的飛速發展 ，在仿真機中也出現了一批很有特色的仿真工作站、小巨機式的仿真機、巨型機式的仿真機。80年代初推出的一些仿真機，SYSTEM10和SYSTEM100就是這類仿真機的代表。為了構成一個實用的較大規模的仿真系統，除仿真機外，還需配有控制和顯示設備。
模擬計算機
一種用連續變化的電壓表示被運算變數的模擬計算裝置，主要組成部分如下：
運算部件、加法器、積分器、乘法器、函式發生係數器
排題板： 運算部件-輸入/輸出 的連線
輸入/輸出 部件
控制部件（控制以上部件）
數字計算機
一種用“0”和“1”斷續變化的電脈衝數碼串表示所運算變數的數字式計算裝置，主要組成部分：
運算處理器（算術/邏輯運算）
存儲器（存放數據和指令）
輸入/輸出部分
控制器（統一指揮整個計算機）
通過編程實現仿真，數字計算機分類：按照指令流（機器執行的指令序列）與數據流（由指令流調動的數據序列）的執行方式，可將數字機分為四類：
SISD—單指令流、單數據流機：順序地從存儲器中取指令、數據，執行
SIMD—單指令流、多數據流機：多個處理器按照控制器發出的同一條指令對各自的數據進行操作和運算，適用於矢量或數組運算
MISD—多指令流、單數據流機：多個處理器排成一個流水線（矢量）
MIMD—多指令流、多數據流機：是實現作業、任務、指令、數組各個級別全面並行的理想結構，適用於標量/矢量運算
根據性能將數字計算機分為：個人計算機、工作站、小/中/大/小巨/巨型機等級別。
混合計算機
是把模擬技術和數位技術靈活結合的一種計算機，可分為兩種形式：
混合模擬機——是在模擬計算機中加入大量的數字邏輯部件、模擬開關及模擬/數字混合部件（如數控係數器、數控積分器、數控函式發生器等）的一種計算機。在高檔混合模擬機中，各部件的連線和監控分別由數控式模擬開關自動排題板和數字式監控系統實現。
混合計算機系統——是由模擬機/混合模擬機、數字機及其接口設備組成的計算機系統，其中：模擬機/混合模擬機部分用於求解常微分方程中的高頻部分和連線實物,數字機部分用於管理、監控全系統的設定、檢驗、運行、處理各種文檔和結果，並執行一些不適於模擬機工作的任務，如：存儲、作各種代數/邏輯和高精度運算等。混合計算機系統主要用於大型、高速、實時及超實時連續系統仿真。造價昂貴，因而 主要用戶是政府或大型企業。
模型描述
模型對系統某一層次特性的抽象描述包括：
系統的組成；
各組成部分之間的靜態、動態、邏輯關係 ；
在某些輸入條件下系統的輸出回響等。
系統模型分類
根據系統模型狀態變數變化的特徵 ，又可把系統模型分為：
連續系統模型——狀態變數是連續變化的 ；
離散（事件）系統模型——狀態變化在離散時間點（一般是不確定的）上發生變化；
混合型——上述兩種的混合。
模擬計算步驟
通常計算機模擬仿真技術的步驟是：
前處理，求解，後處理。
以前處理最為重要，因為大部分條件的加入是在前處理。
性能要求
1.仿真過程包括大量的（確定的、半確定的、不確定的）知識處理、 數值計算和數據處理。是科學理論、實驗和專家判斷的綜合過程。
2.如果只從知識處理的角度來看，可以認為仿真是一種特殊的知識處理器。它處理描述性知識、目的性知識和處理知識的知識，進而產生結論性的知識。
3.’理想的仿真計算機是高效處理數值計算、數據、知識的智慧型化、一體化、互動式的建模/仿真硬軟體系統——“智慧型仿真計算機”。
4.但現代的仿真計算機還只限於數值計算和數據處理。
5.要根據具體的仿真任務確定相應的仿真計算機。
1)硬體系統：
一般採用同構/異構的並行多處理機系統（包括外圍機型）體系結構，具有根據需要逐步擴充的能力；
運算速度足夠快；
內/外存容量足夠大；
接口處理能力（足夠的接口數量、接口數據處理能力）。
2)軟體系統：
系統實時回響為0.01—0.1ms的實時作業系統；
並發、實時高級程式語言（如：並發實時C、FORTRAN、Ada）、仿真語言（Matlab）
套用
CAE仿真模擬計算套用總述
航空航天CAE仿真模擬主要涉及：飛行器總體設計中空氣動力與推進、結構強度、震動、疲勞、壽命等模擬計算套用，從仿真計算特點分隱式仿真計算、顯式仿真計算，下面主要針對這兩類以及耦合套用的最新高端圖形工作站配置規格 典型套用軟體分類：
(1)格線生成軟體類：ICEM、GAMBIT、GRIDGEN、PATRAN、HyperWorks；
(2)仿真計算軟體： DATCOM、VSAERO、MGAERO、CFX、FLUENT、FASTRAN、NASTRAN、Flightloads、ANSYS、Abaqus、Hyperworks、等； 仿真模擬計算分析： 通常分三個階段：前處理階段，求解計算階段、後處理階段;
(1)在前處理階段：實體建模和格線劃分，其模型複雜，數據量大，對幾何計算和建模要求 極高，主要是
單核計算模式，因此提升頻率達到最高、超高端三維圖形處理能力滿足套用需要；
(2) 求解階段，由於高精度求解和複雜模型，計算強度極大，需要多核CPU並行計算或CPU+GPU混合計算模式，甚至多機集群計算模式
(3) 後處理對整個計算結果用可視化圖形展現出來,高io頻寬的硬碟和超高端的圖卡;
結構仿真計算(隱式)為主硬體配置
這類套用主要涉及到對象各類飛行器 材料結構強度、受力分布、疲勞、分層和裂紋、抗震減震、等數值模擬分析及最佳化設計;
計算特點：
(1).前處理的格線劃分主要是靠單核和圖卡完成，因此高頻率的CPU處理器、高速圖形生成，是保證前處理快速完成至關重要的，
(2).隱式計算的特點疊代計算、數據回寫密集，多核加速比8是最完美、因此一定數量核數極限高頻、大記憶體、高io硬碟、GPU超算架構，完美保證隱式計算對硬體各個瓶頸的最大最佳化，體現計算、讀寫、三維圖形生成等方面強勁性能； 推薦機型：XASUN V570 運行環境：Window 7/8，linux 64位
UltraLAB V570是一款配備雙Xeon E5 2600v2(兼多核超頻技術)、雙GPU並行計算、閃電盤+超級盤架構，與常規通用型圖形工作站相比，保證了多核CPU、CPU+GPU極限性能、將整個計算過程的各個環節的瓶頸降到最低，從而為隱式計算提供了最強大完美的配置規格。
流體仿真計算(顯式)為主硬體配置
這類套用主要涉及到對象各類飛行器的空氣動力與推進、結構熱變形、爆炸、撞擊及流固耦合等數值模擬分析及最佳化設計;
計算特點：
(1).前處理的格線劃分主要是靠單核和圖卡完成，因此高頻率的CPU處理器、高速圖形生成，是保證前處理快速完成至關重要的，
(2).顯式計算的特點：數據規模巨大，多核並行計算加速比線性極高、因此更多核數和高頻、大記憶體、GPU超算架構，保證顯式計算對硬體各個瓶頸的最大最佳化，在超大規模並行計算、三維圖形生成等方面具有非凡計算性能； 推薦機型：UltraLAB Alpha600、UltraLAB Alpha700 運行環境：Window 2008/2012，linux 64位
總之UltraLAB Alpha600、Alpha700是分別配備四顆Xeon E5 4600v2(最大48核)+GPU（Alpha600）、四核Xeon E7 4800v2(最大60核)+最大四塊GPU（Alpha700）並行計算、閃電盤+超級盤架構，與常規高性能圖形工作站相比，保證了最強大SMP架構的並行計算能力、CPU+GPU極限性能、將整個計算過程的各個環節的瓶頸降到最低，從而為超大規模的顯式計算、耦合計算提供了無與倫比的硬體配置規格。
評價
航空技術是從上世紀60年代前蘇聯發射第一顆人造衛星開始，人類開始了對太空的探索。航空是大氣層內的飛行活動，航天是穿越大氣層的飛行活動。 隨著人類對太空進行的探索越加深入各種太空飛行器應運而生，比如火箭、太空梭、航天探測器、人造衛星。
他是為航空航天活動的順利進行而創立的一系列高級複雜的施工作業程式。它涉及人力資源配置，設備儀器搭配與安裝使用等艱深的學術作業。是國家，民族，乃至整個人類發展的高度追求。 航空航天技術使人類文明進入三維時代。
計算機仿真技術的特點
1.模型參數可根據要求任意調整、修改和補充。人們可以得到各種可能的仿真效果，為進一步完善研究方案提供了可能。與傳統的實物實驗相比，具有運行費用低、無風險、方便靈活等優點。
2.系統模型求解快速。運用計算機仿真，能夠在較短的時間內得出仿真運算的結果，為生產實踐提供最及時的指導。
3.仿真運算結果可靠、準確。在機器沒有故障的前提下，只要系統模型、仿真模型、仿真程式科學合理，那么計算機的運算結果是準確無誤的。
4.實物、實時仿真直觀、逼真。這一特點使它在一些複雜工程系統中例如核電、航天等領域得到了廣泛套用。
未來方向
在未來的航空航天領域仿真模擬技術的套用前景還很廣闊，例如宇宙飛船的升空，星球的探測，月球基地的建立，新一代太空飛行器的發射升空等等。
人類還有更加大膽的猜想如2020年開通宇宙，公路專家在報告書中指出，宇宙公路是除了太空梯之外通往宇宙既安全又便宜的另一運輸手段。什麼是宇宙公路？即以地球為出發點，把公路延伸到太空。迄今為止，這些公路的出入口僅限於美國的卡納維拉爾角和蘇聯的拜科努爾等幾個地點，而且費用高得驚人。如果人類想要更好地控制太空，就必須開發更便宜的、從任何地方都能起飛的運輸手段。
在2025年運行宇宙驛站，根據USNCC報告書的設定，在啟用太空梯與宇宙公路之後，人們還會在通往宇宙的路途中建立一些中繼點，即宇宙驛站。第一個停車驛站是地球太空港，這是像太空站那樣的建築，人類可以乘Zeus航空太空梭在這裡降落，然後換乘宇宙聯絡船。太空港是聯絡船的停留地，也是推進劑的補給地。地球太空港真正開始活動恐怕要到2025年以後。宇宙驛站一旦套用，那么太空港會向兩個方向伸出長長的索道，出現一種非常有趣的現象：由於潮汐力的作用，在衛星軌道上運行的細長物體會產生向兩端托的力，因此，從向下（即向著地球的方向）一端放出物體，就會落向地球；從向上一端放出物體，就會上升。如果從下索道發射航空太空梭，從上索道發射聯絡船，那么兩者不使用能量，也可以轉移到人們期望的軌道上。這其實是以索道為媒介，交換雙方的能量和運動量，完全符合物理學定律。
在2030年月球上建工廠，USNCC報告書的第二要點就是，在月球、火星、小行星乃至宇宙空間，建立人類的據點，開發它的資源。根據報告書的預測，為了在2025年重返月球，將在環繞月球的軌道上建立月球太空港，從地球太空港出發的聯絡船2～3天后即可到達月球太空港，人們在那裡可以換乘月球登入船。聯絡船以液氫和液氧為推進劑，有客運和貨運兩種，基本設計相同，如果再裝上腳，就可以成為登月船。為解決聯絡船從月球到地球的減速問題，可以利用空氣制動的方法，即像在大氣上層掠過那樣飛行，利用空氣阻力，不使用推進劑也能減速。因此，在聯絡船的底部可以裝上陶瓷製的像大器皿那樣的空氣制動器。過去的無人探測和阿波羅計畫是以月球為主的科學研究。將來的探測計畫則是從資源和居住的觀點調查月球，由發射的環繞月球極地軌道的探測器進行月極地詳細調查。建設月面據點所需要的物資和人類生活所必須的氧氣、水、食品等，可以逐漸利用從月面取得的資源。月面基地逐漸具備自給自足的條件後，人們可以在上面建設工廠，並將其發展為殖民區。預計月面實驗工廠的建設將於2026～2027年開始，月面工廠的建設將於2030年開始。根據USNCC報告書的構想，隨著大規模月面工廠的建設，在地、月系統的太空開發中也要用到月球資源：把在月面製造的產品送往太空固然好，但把月岩原封不動地送到太空去製作產品，也許更有用。因為月岩主要由矽酸鹽組成，處理月岩就可以取得人類呼吸和火箭推進劑必不可少的氧氣。月岩也含有鐵、鎳、鎂、鈦等金屬資源。USNCC報告書認為，重返月球之後，作為資源的開採地，人類所選擇的目標也許不是火星和金星，而是小行星。小行星大部分分布在火星和木星的軌道之間，但也有一些小行星越過火星的軌道，能運行到地球附近。在適當的時機，登上這樣的小行星比登上月球更容易：在小行星上，也許含有在月岩里沒有找到的水、氧氣、碳、氮等有用物資。
上述雖然現在只是幻想但是未來在計算機技術高速發展的今天一定會實現的。
