日志
絕頂好文：一位在英國工作的網友對J20的看法 （轉）
以科研來說，不管是純粹的基礎研究還是技術開發，一般來說都有三種手段，第一，理論研究，第二，試驗，第三，模擬計算。其中超級計算機能起到作用的主要是模擬計算這一步。大多數情況下一個科研成果的出現都是三種手段結合的結果，越大的成果越是如此。這三種研究手段中模擬計算所起的作用是非常微妙的，因為它是銜接理論研究和試驗的手段，很多情況下甚至是唯一手段，特別是在研究項目涉及到非線性的時候。
很多人，包括很多做模擬計算研究的人其實都忽略了一點，模擬計算的理論基礎是數學理論。公眾普遍認為高性能的計算機能解決一切問題，其實這是個誤解。高性能計算機只是硬件部分，軟件部分的開發，首先需要一個數學模型，而這個數學模型則是基于理論研究建立的，有時候也會出現一些基于實驗建立的經驗模型（empirical model）。經驗模型和理論模型的差別在于經驗模型往往我們知其然而不知其所以然，經驗模型中用到的定理定律往往是一個統計結果，也就是說多大程度上可信，或者在什么條件下適用，經驗模型經常是說不清的。經驗模型經常出現在經濟學，金融學或者社會學研究中，理工科研究用經驗模型的極少。有了理論模型之后又有一個很大的問題，就是理論模型所需要的計算量往往超過世界上當時最快的計算機的運算速度，比如說計算飛行器的空氣動力學特性，誰都知道如果能把大氣模型劃分到一個一個的氣體分子來分別單獨計算，計算結果肯定非常精確，但是這遠遠地超過了當前最快的計算機的計算能力。打個比方，如果這么算的話，可能完成某個特定氣動結構在特定環境下的模擬計算，可能需要當前世界上最快的計算機連續不斷的運行數百萬年，這肯定不現實。另外一個大問題就是，當前高性能的計算機采用的都是并行結構。比如說一個計算過程，要先完成A，再算B，再算C，并行計算機就會在A和B可以同時運算的情況下用不同節點分別計算A和B，然后匯總其結果來計算C。但是一個理論模型并不是每一步都可以這么劃分的，這也是超級計算機的一個瓶頸。一般來說應對這種困境的解決辦法是用近似模型，盡可能減少計算步驟，增加可以同時運算的計算步驟。但是近似模型的計算結果和真實情況總是有著一段距離，同時在不同節點上同時計算幾個步驟時往往會涉及到邊界值傳遞的問題。從數學上來說，邊界條件的選取一定會影響到計算結果的精確性，差別只是影響的大小而已，因此從理論上來說，超級計算機的計算結果其精確性低于單臺PC計算的結果。當然這種情況也有解決辦法，比如說把誤差控制在不可察覺的范圍內，等等，但是到現在為止還沒有一個通用解決辦法，往往需要針對不同問題開發不同的算法，這是相當相當麻煩的一件事，因為每個算法必須考慮很多因素，做很多測試，這都是需要大量時間的。所以我才會在另外一個講天河的帖子里說超級計算機開發出來只是第一步，更重要的是能不能開發出在超級計算機上高效率運行的程序。除此以外還有很多亂七八糟的問題，比如說CPU和GPU適應的算法領域并不一樣，等等，不是說一個計算機算某個問題快，另外一臺超級計算機算這個問題也肯定快，其芯片結構設計都是要考慮在內的。
不過好消息是，當前中國出來的很多開創性的科技成果可以很明顯的看出超級計算機的應用相對比較成熟了，我這里只舉三個例子，一個是高鐵，一個是J20飛機，還有一個是J10B的飛控系統。
就高鐵來說，discovery頻道曾經報導過高鐵的氣動結構設計大致流程，當然不會很詳細，這玩意肯定屬于國家級的商業機密。其中提到一點，就是高鐵車頭兩側兩個類似凹槽的結構。不知道看這帖子的朋友有多少看過當年對F1賽車設計流程的詳細報導。F1賽車的外形是經過超級計算機計算才能上風洞試驗的。為了保證賽車的抓地力，讓賽車不至于在高速下飄起來，F1賽車設計時都考慮到其空氣動力學特性要讓賽車高速行駛時所受到的向下的壓力大于賽車重量。現代F1賽車一般來說，如果速度起來了，完全可以在天花板上開，因為空氣阻力通過其氣動外形轉換成的向下壓力超過賽車自重，而且往往是賽車自重的兩倍以上。賽車高速下會被緊緊的“壓”在天花板上。中國高鐵的設計也經歷了同樣的步驟，那兩道凹槽就是保證火車高速行駛時被“壓”在鐵軌上的，這是高鐵高速下不脫軌的重要保障。參照類似F1賽車設計流程，高鐵設計時必然也經過超級計算機的模擬實驗，然后修改之后才上風洞吹風的。能做這種實驗，并且高鐵速度還能不斷提高，說明這類實驗一直沒中斷，而且中國在超級計算機對流體力學計算上的強大實力。以當前計算機模擬而言，流體力學幾乎可以算是最具代表性的難題，因為流體力學，特別是氣動結構設計，往往意味著要計算很多非線性過程，這需要的不光是超級計算機硬件方面的強大能力，也需要軟件和數學上的巨大突破。以我個人所見，高鐵的氣動結構計算不會比設計一款新飛機簡單到哪去。
類似的還有J10B的飛控系統設計。很多朋友應該記得，當初J10的設計師說過，J10用的全動鴨翼技術是一種高度靜不穩定技術（如果我沒記錯的話），類似把一個球放在水平面上，另外一個球放在下面那個球上，然后要設法保持上面那個球的平衡。J10B的氣動外形比起J10A來有比較大的改變，一個是進氣道上的那六根小棍棍沒了，而且進氣道似乎向內縮了一些，其次是用了DSI進氣道，再就是其機頭縮短了一點，并且有點下收，有點類似于J11的機頭結構。這些改變從空氣動力學角度來說基本就相當于重新設計半架飛機了，所以我個人猜測，J10B的飛控系統和J10A有比較大的差別，而且這種差別首先是上了超級計算機計算模擬過后才上風洞試驗最后定型的。世界上有能力獨立設計飛行器氣動外形的國家屈指可數，美國一個，俄國一個，中國一個，歐盟合起來算一個，剩下的那些窮折騰的日本韓國印度之類的其實在這方面都有巨大的缺陷。中國能躋身四強之一，不光是風洞技術發達，超級計算機技術也是必不可少的。
最后是J20飛機。首先澄清一點，除非是完全一點不變的按照1:1比例制造，否則隱形飛機是不可能山寨的。隱形飛機其基本原理就是利用互成不同角度的面或者特定的曲面把雷達波反射到不同方向從而減少RCS（雷達反射截面，這里只討論正面RCS）。其中完全利用互成不同角度的平面反射的只有F117。大家都知道這玩意其氣動結構相當稀爛，這是當時超級計算機性能不夠造成的，完全利用曲面的則是美國的B2和納粹德國在二戰中設計但是沒上戰場的一種飛翼型飛機Go-229。但是不管是Go-229還是B2，氣動結構的稀爛程度都和F117有得一比，甚至更爛。當前最成熟的量產隱形戰斗機是第三代，也就是F22，其正面RCS的降低依靠的是曲面和平面的結合，這就是當前超級計算機技術進步帶來的。大家可以看到不管是F22還是J20或者毛子的T50，其正面都是菱形結構，這不是偶然，更不是山寨，而是當前超級計算機計算得出的結果，是RCS和氣動外形之間妥協的最佳結果，所以光看機頭長得差不多根本不是J20山寨F22或者其他什么東西的證據，這恰恰說明了中國的超級計算機和風洞技術已經至少是追趕上了毛子和美國，甚至某些部分可能有所超越。至于下一代隱形飛機是否存在，其機頭采用什么外形，那就得等到超級計算機技術再進一步才能談了，當前這三個國家的超級計算機技術都沒到那一步。真的說起來的話，倒是毛子的技術有可能多少有山寨F22的成分，因為三國中毛子是唯一可能在超級計算機上處于絕對弱勢的。至于機頭之后機身結構完全不同，那就是三國不同的設計思想的體現了。其實僅就機頭來說，菱形結構的角度差一點點，帶來的RCS上的差異可能都是巨大的，每個國家這方面從理論到技術都是保密的，所以外人不太可能猜到。但是其理論和技術基本都基于計算能力和風洞技術建立。就我個人估計，J20可能在整體性能方面未必樣樣都強過F22，但是考慮到J20要融入中國的整體作戰平臺這個體系中，某些性能方面J20一定是超過F22的。
我個人在此做點猜測吧，中國整體作戰思路是積極防御（不知道現在變了沒），那么J20可能比F22更強調正面的RCS和超巡性能，別的方面稍差就無所謂了，反正是本土附近打了就跑，這樣的話J20外露的菊花也可以理解了，因為等到菊花面向對方雷達時，該打的都打過了，只要拼命跑就行了，RCS大點根本無所謂，反正也跑不了多遠就到家了，真的被導彈追屁股了，飛到本土上就有陸基的防空反導體系，到時候從地面上攔截就是了。同樣，由于鴨翼的存在，略差的發動機同樣可以提供同樣甚至超過F22的機動性和超巡性能。
