航天型號復(fù)合材料設(shè)計(jì)研制管理研究

◎北京臨近空間飛行器系統(tǒng)工程研究所 任晶志 雷凈 馬戎燕 陳敏

中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院 耿林妍

航天型號復(fù)合材料設(shè)計(jì)研制管理研究

◎北京臨近空間飛行器系統(tǒng)工程研究所 任晶志 雷凈 馬戎燕 陳敏

中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院 耿林妍

某型號在立項(xiàng)之初就確定采用米級復(fù)合材料，作為飛行器防熱主承力一體化結(jié)構(gòu)，大尺寸復(fù)合材料具有研制周期長、工藝復(fù)雜等特點(diǎn)，其技術(shù)難度大、指標(biāo)要求高。為盡快突破該復(fù)合材料關(guān)鍵技術(shù)，依托某型號研制需求，針對復(fù)合材料設(shè)計(jì)流程、技術(shù)狀態(tài)管理、試驗(yàn)方法、風(fēng)險(xiǎn)控制等方面開展全面的部署，積累了該類復(fù)合材料的管理方法和流程，為型號研制提供了有力支撐。

近年來，不斷有國家級的科技工程立項(xiàng)研制，這些科技工程技術(shù)難度大、時(shí)間跨度長、投資規(guī)模大，對國家技術(shù)能力提升、技術(shù)水平發(fā)展提出了更高的要求。在眾多新技術(shù)中，大尺寸復(fù)合材料技術(shù)發(fā)展需求旺盛，材料技術(shù)作為各工程牽引的需求，涉及到國家的基礎(chǔ)工業(yè)體系、生產(chǎn)能力和工藝水平，是國家制造業(yè)發(fā)展水平的集中體現(xiàn)。

針對某工程應(yīng)用的大尺寸復(fù)合材料研制管理經(jīng)驗(yàn)，筆者進(jìn)行了初步總結(jié)，主要包括技術(shù)狀態(tài)管理、設(shè)計(jì)流程、試驗(yàn)驗(yàn)證途徑、制造成熟度應(yīng)用等幾個(gè)方面。

一、技術(shù)狀態(tài)管理

1.軟件框架設(shè)計(jì)

采用基于VPM的CATIA三維設(shè)計(jì)工具，完成飛行器的三維設(shè)計(jì)、校對和批準(zhǔn)，制定各專業(yè)開展設(shè)計(jì)工作數(shù)字化大綱，對各專業(yè)職責(zé)分工、工具方法、模型表述、數(shù)據(jù)傳遞流程和方法等進(jìn)行了明確，有效地控制技術(shù)狀態(tài)，提高了設(shè)計(jì)效率。

臨近空間飛行器三維設(shè)計(jì)制造協(xié)同研制模式示意圖如圖1所示。

總體與分系統(tǒng)各專業(yè)(結(jié)構(gòu)、防隔熱、氣動、電氣等)采用自頂向下設(shè)計(jì)流程和關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)并行開展工作，各專業(yè)間通過反饋迭代逐步優(yōu)化和細(xì)化設(shè)計(jì)內(nèi)容。

設(shè)計(jì)部門與制造部門、分系統(tǒng)單位采用工藝提前介入、緊密耦合設(shè)計(jì)的模式開展協(xié)同，并以相互協(xié)調(diào)的數(shù)據(jù)傳遞格式和方式進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)放、接受、更改和受控;通過質(zhì)量體系介入進(jìn)行技術(shù)狀態(tài)的管控;同時(shí)，兼顧了與Avidm系統(tǒng)、檔案管理系統(tǒng)等的交互，有效保障了設(shè)計(jì)制造協(xié)同的順利開展。

2.流程管理

在項(xiàng)目研制之初，制定了飛行器數(shù)字化設(shè)計(jì)大綱，規(guī)定了飛行器數(shù)字化設(shè)計(jì)要求，明確了在研制過程中要開展的數(shù)字化工作項(xiàng)目及基本要求，目的是通過規(guī)范化的工程和管理工作保證飛行器由傳統(tǒng)研制方式向先進(jìn)的數(shù)字化研制方式的轉(zhuǎn)變，以壓縮設(shè)計(jì)周期與成本，提高飛行器的設(shè)計(jì)效率與質(zhì)量。數(shù)字化大綱明確了總體單位和生產(chǎn)單位需要完成的文件和模型等工作，見表1。

表1 飛行器數(shù)字樣機(jī)設(shè)計(jì)工作項(xiàng)目實(shí)施表（復(fù)合材料部分）

二、設(shè)計(jì)流程

1.基于IPT的聯(lián)合設(shè)計(jì)模式

根據(jù)復(fù)合材料研制進(jìn)展，在2015年11月成立了結(jié)構(gòu)協(xié)同設(shè)計(jì)組。其目標(biāo)是:完成攻關(guān)工藝試驗(yàn)件設(shè)計(jì)與攻關(guān)結(jié)構(gòu)方案論證。根據(jù)需求，集中辦公的專業(yè)包括總體、結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度、熱環(huán)境、防熱、隔熱、溫控等專業(yè)。

為了確保IPT目標(biāo)的順利實(shí)現(xiàn)，將IPT團(tuán)隊(duì)分為領(lǐng)導(dǎo)小組、總體組、結(jié)構(gòu)組、防隔熱組與資源保障組等10個(gè)小組，如圖2所示。

2.對熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的認(rèn)識

經(jīng)過幾年的工作，研制隊(duì)伍逐漸認(rèn)識到這類飛行器的設(shè)計(jì)需從以前的“防熱承力一體化”提升為“防熱承力隔熱一體化” 設(shè)計(jì)，要用好復(fù)合材料就要做到設(shè)計(jì)和工藝等各專業(yè)的“復(fù)合”。并且，隔熱專業(yè)具有結(jié)構(gòu)專業(yè)的特點(diǎn)，隔熱的繪圖工作量較大。

熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要“趨利避害”，復(fù)合材料最重要的特點(diǎn)就是其可設(shè)計(jì)性，要充分了解、認(rèn)識熱結(jié)構(gòu)材料的生產(chǎn)過程、工藝過程，這樣才能在設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮其對總體性能的影響。熱結(jié)構(gòu)試驗(yàn)要“量力而行”，這包含時(shí)間和空間2個(gè)緯度，時(shí)間上試驗(yàn)產(chǎn)品前期經(jīng)過哪些試驗(yàn)、受過哪些損傷;空間上試驗(yàn)方案是否按照設(shè)計(jì)的力熱傳遞路徑進(jìn)行，這些都將影響試驗(yàn)?zāi)康牡倪_(dá)到。

某型號在設(shè)計(jì)過程中，防熱承力的復(fù)合材料和內(nèi)壁隔熱關(guān)系緊密，隔熱專業(yè)作為影響飛行器方案成立的主要專業(yè)地位突顯，因此對原有總體專業(yè)間設(shè)計(jì)流程進(jìn)行了重新梳理。在原有結(jié)構(gòu)專業(yè)內(nèi)回路論證過程中，主要考慮的約束有質(zhì)量、總裝流程、強(qiáng)剛度等，而復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能否滿足艙內(nèi)設(shè)備溫度條件是強(qiáng)約束，這個(gè)問題要靠隔熱專業(yè)回答。數(shù)據(jù)交換流程如圖3所示，與原有專業(yè)設(shè)計(jì)相比，增加了隔熱溫度場數(shù)據(jù)分析，隔熱溫度場分析能否達(dá)到要求是決定方案成立所必需考慮的約束。

三、試驗(yàn)驗(yàn)證途徑

由于復(fù)合材料研制周期長，試驗(yàn)準(zhǔn)備復(fù)雜，試驗(yàn)又是確定產(chǎn)品狀態(tài)的重要途徑，因此針對復(fù)合材料試驗(yàn)順序和流程進(jìn)行了詳細(xì)規(guī)劃，制定了從材料級、平板級到組件級、艙段級的積木式試驗(yàn)流程，明確了試驗(yàn)預(yù)示是試驗(yàn)方案的一部分，以降低復(fù)合材料試驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)。

積木式驗(yàn)證途徑的優(yōu)點(diǎn)是:充分揭示失效模式、獲得結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)許用值，驗(yàn)證分析方法與工藝，降低研制風(fēng)險(xiǎn)和研制費(fèi)用。在熱結(jié)構(gòu)關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)還在進(jìn)行材料級測試時(shí)，就提出了吸取先進(jìn)國家在航空領(lǐng)域復(fù)合材料研制的經(jīng)驗(yàn)，在大型復(fù)雜艙段熱結(jié)構(gòu)研制時(shí)充分應(yīng)用積木式驗(yàn)證的技術(shù)途徑。

有關(guān)離散性、尺寸效應(yīng)、環(huán)境效應(yīng)等的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)許用值需要通過材料、元件、組件和艙段積木式的大量試驗(yàn)子樣來積累，并針對特定結(jié)構(gòu)方案建立起積木式各環(huán)節(jié)力學(xué)特性之間的關(guān)系。通過數(shù)值計(jì)算對于強(qiáng)度破壞的把握是不可靠的，而提前開展的理論計(jì)算主要是認(rèn)識到結(jié)構(gòu)的哪個(gè)局部是最危險(xiǎn)的部位、以及危險(xiǎn)部位的載荷受力條件。對于這個(gè)典型元件是否滿足強(qiáng)度要求，則主要應(yīng)通過試驗(yàn)考核。對設(shè)計(jì)方案的驗(yàn)證試驗(yàn)應(yīng)盡可能在小尺寸的結(jié)構(gòu)件上來完成。積木式驗(yàn)證方案如圖4所示。

四、制造成熟度

在復(fù)合材料研制過程中，引入了制造成熟度(MRL)的方法，根據(jù)復(fù)合材料的研制水平，合理確定其制造成熟度等級，并按照制造成熟度概念規(guī)劃后續(xù)工作，以突破關(guān)鍵技術(shù)。

美國國防部的MRL定義分為10個(gè)等級。制造成熟度與技術(shù)成熟度(TRL)密不可分，產(chǎn)品技術(shù)或設(shè)計(jì)不穩(wěn)定的話，制造工藝的成熟就無從談起。因此，每一級MRL定義中都包含了相應(yīng)一級的TRL作為先決條件，如表2所示。

在MRL的10個(gè)級別中，1～3級對應(yīng)武器裝備采辦中的裝備方案分析階段結(jié)束之前，包括基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究，基礎(chǔ)研究主要關(guān)注新材料、新工藝的確定，應(yīng)用研究則關(guān)注新材料與工藝的優(yōu)化;4～6級可以直接用于先期技術(shù)演示(ATD)或制造技術(shù)(ManTech)等科研項(xiàng)目;7～10級重點(diǎn)關(guān)注生產(chǎn)，尤其是批量生產(chǎn)問題。

采用制造成熟度評價(jià)方法，更加系統(tǒng)規(guī)范化地檢查熱結(jié)構(gòu)當(dāng)前各項(xiàng)關(guān)鍵制造已經(jīng)具備的條件和能力，在哪些方面還存在問題以及如何應(yīng)對這些問題，為管理和控制某工程熱結(jié)構(gòu)制造風(fēng)險(xiǎn)提供支撐。

采用“先試點(diǎn)，再推廣”的工作思路:研究掌握國外制造成熟度評價(jià)方法和最佳實(shí)踐，結(jié)合熱結(jié)構(gòu)特點(diǎn)形成適用于戰(zhàn)略武器的制造成熟度評價(jià)方法，編寫制造成熟度培訓(xùn)材料，為明年正式出版制造成熟度專著做好積累;選取某工程中的關(guān)鍵制造部段，開展制造成熟度評價(jià)試點(diǎn)，首先由承研單位設(shè)計(jì)師自評價(jià)，然后組織專家評價(jià)，單位做好評價(jià)支撐工作，共同做好評價(jià)意見閉合工作;總結(jié)試點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)并完善評價(jià)方法，管理機(jī)關(guān)和工程“兩總”根據(jù)試點(diǎn)情況在復(fù)合材料、金屬材料、電子元器件等關(guān)鍵制造中推廣使用;總結(jié)在熱結(jié)構(gòu)中開展制造成熟度工作的經(jīng)驗(yàn)，策劃和推動開展制造成熟度評價(jià)和制造能力提升機(jī)制建設(shè)。

表2 制造成熟度等級定義

目前，已經(jīng)梳理出21項(xiàng)關(guān)鍵制造，并選取了端頭、舵等熱結(jié)構(gòu)作為第一期試點(diǎn)。通過總體單位和材料研制單位探討，開展了3個(gè)關(guān)鍵制造的制造成熟度評價(jià)工作，并依據(jù)制造成熟度對后續(xù)工作進(jìn)行了計(jì)劃。

五、實(shí)踐效果

經(jīng)過多年攻關(guān)，北京臨近空間飛行器系統(tǒng)工程研究所已經(jīng)初步掌握了大尺寸熱結(jié)構(gòu)復(fù)合材料從設(shè)計(jì)、分析、生產(chǎn)、試驗(yàn)全過程的手段和方法，研制的大尺寸復(fù)合材料經(jīng)過了地面試驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明，設(shè)計(jì)分析正確、方案合理可行，能夠滿足總體指標(biāo)要求。同時(shí)，積累了熱結(jié)構(gòu)組織管理方面的經(jīng)驗(yàn)，對熱結(jié)構(gòu)從材料級到大尺寸的研制流程和方法以及其生產(chǎn)周期、試驗(yàn)周期、經(jīng)費(fèi)需求有了比較清晰的掌握，為后續(xù)其它型號研制積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

后續(xù)，研究所將進(jìn)一步整理技術(shù)和管理方面取得的成果，形成標(biāo)準(zhǔn)體系和管理流程，建立一套適應(yīng)復(fù)合材料研制的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系。