虚拟实验室 关于网络虚拟弹道实验室的建设构想

　　摘要： 文章分析了弹道学实验在教学中的重要性和具体实施的难点，论证了以虚拟弹道实验代替真实实验的必要性和可能性。探讨了虚拟弹道实验室的建设构想，并分析了可能存在的问题，可以为相关建设提供参考。
　　Abstract: The paper analyses importance of ballistics experiment in teaching and the difficulty of doing it, and proves possibility and necessity of replacing real ballistics experiment by visual laboratory in network. The conceive about construction of ballistics visual laboratory is considered and some problem that may be exist is analyzed. The paper can be used as reference.
　　关键词： 弹道实验；仿真；实验室；虚拟；网络
　　Key words: ballistics experiment；simulation；laboratory；visual；network
　　中图分类号：TP39 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2012）25-0281-02
　　0 引言
　　实验室是院校中重要的基础学习场所和设施，实验室教学也是学员在各专业学习过程不可或缺的一环，具有十分重要的意义。随着计算机虚拟现实技术的发展，仿真技术的应用领域也扩大到了教育领域，一般称做仿真实验或虚拟实验。虚拟实验的应用改变了传统的教学模式，使教学形式更加丰富，在时间和空间上更加自由，实施实验的种类也更加多样。在国内外的高等教育中虚拟仿真实验已经逐渐成为与真实实验重要性相当的实验类型。但总观现在已经开设的各种虚拟仿真实验室，大多限于计算量小，开设容易的理论力学、电学等基础实验类型，而对于情况复杂、计算量较大的一些专业或专业基础课程的虚拟实验室，由于各种原因，开设较少，这其中就包括在军队理工类院校中开设广泛的弹道学。
　　1 建设网络虚拟弹道实验室的必要性
　　弹道学是研究弹丸运动规律及其有关现象的工程应用学科，是多数军队院校武器类专业必修或选修的专业基础课程，属于物理学中力学的一个分支。众所周知，物理学的教学是离不开实验的，学生只有通过实验才能加深对物理规律的理解和认识。弹道学的实验内容，本来应该是教学中不可或缺的一环，但由于真实弹道学实验不易实施，故而在实际教学过程中少有进行。综合而言，开展弹道学真实实验有以下制约因素：
　　1.1 实验本身带有一定的危险性 进行弹道实验必需运用武器和火药，伴随有高温、高压、高速和强冲击现象，有的情况下还会有弹丸发射。真实实验中，学员集中于实验场所实施和观看和操作实验，虽然一般都有安全设施和相关纪律，但仍会存在着一定程度的危险性。
　　1.2 场地设备条件难满足 内弹道实验需要密闭爆发器或改装枪械、应变仪、线圈靶等设备；外弹道实验以测姿态、速度和坐标为主，需要枪炮等武器和弹丸，以及高速摄像机或照相机、弹道雷达等设备，还需要有广阔的场地。相比力学、电学等课程的实验而言，开展弹道学实验，既需要足够大的场地，也需要相对昂贵的设备，否则很难实现。而且在有限的实验时间空间内，也难以保证所有的学员都能亲手操作体验一次，若一定要达到此目的，则又会大为增加组织安排的难度。
　　1.3 实验的物理过程迅速，难于观测 内弹道实验中的铜柱法（球）压力测试，由于密闭爆发器壁或枪膛壁的阻隔，以及火药燃烧过程的迅速，不可能观察到火药燃烧和火药气体推进弹丸前进的过程，难以对教学的相关内容形成直接印象，实验所能起的教学效果不佳。
　　弹道学实验虽然意义重大，但具体实施起来受制约很多，影响了弹道学的教学效果，学员也没有获得完整的训练和直观感受。随着计算机数值模拟技术和网络技术的发展，建立网络虚拟弹道实验室已经有望成为克服真实弹道学实验难于开展这一困难的有效手段。
　　2 具体构建设想
　　组建网络虚拟实验室能够解决实验仪器数量的不足以及实验场地、课时数的限制，学生进行实验基本避免了时间和空间的限制，从而大大提高实验教学的灵活性。国内外已有为数众多的院校和研究机构开辟了网络虚拟实验室，学生可通过网络登录并访问实验室服务器的信息资源，完成各种仿真模型的实验[2]。虽然虚拟实验并不能完全代替真实实验，但虚拟实验可以拓展实验内容、节省经费开支、提高效率。最为关键的是，虚拟实验可以大大降低弹道学实验开展的难度，提高了实验在时间和空间上的灵活性，使弹道学实验的普及成为可能。总的来讲，虚拟弹道学实验室的建设有总体架构、仿真解算、虚拟测量（演示）三方面内容。
　　2.1 网络虚拟弹道实验室的结构 网络虚拟弹道学实验室通过计算机仿真来模拟实际物理过程进行实验，属于交互式虚拟实验室，可运用诸如Visualstudio、JavaScript等工具和软件和VRML建模语言等来实现[3]。虚拟实验系统对学员选择的实验类型（例如密闭爆发器测压实验、初速测量实验等）做出响应，提示输入模型尺寸（容积大小、弹丸种类等）和实验参数（风速、温度、湿度、火药类型、射击诸元等），同时布置虚拟测量仪器，而后进行仿真解算。解算的同时，虚拟测量也启动工作，得到测试结果。解算结束后，可选择相应形式，例如二维、三维动画、图表等方式来展示整个实验过程。这相当于将快速发生的真实物理过程做了一个慢放处理，从而能够使学生获得直观的印象。
　　2.2 物理模型和数学模型的选择 仿真计算是在以物理模型为前提，建立相应数学模型，并进行解算，得到接近真实物质运动的离散数据的过程。物理模型越真实，数学模型越复杂，解算的难度就增加，反之则解算越容易。在建设虚拟弹道实验室的过程中，应根据虚拟实验的种类来确定物理和数学模型，以利于尽可能得提高解算效率。例如，在外弹道虚拟实验中，如果选择测量某一段的弹道速度，则可使用比较简单的质点弹道模型即可。如果是选择测量弹丸姿态，则需要使用能描述弹丸质心运动和角运动的刚体弹道模型，相对比较复杂，计算时间也偏长一些。相比之下，内弹道虚拟实验的难度更大。要精确描述火药燃烧和燃气推动弹丸前进的现象，涉及两相流、动网格、计算流体力学等比较前沿的理论和技术，解算过程复杂，数据量大，需要较长时间才能得到结果。解算所得的数据需要通过网络传输到终端计算机进行二维或三维渲染处理，再现实验过程。海量的数据传输和处理对网络和终端也提出了一定要求。