航天器數(shù)字化研制技術(shù)應(yīng)用研究與實(shí)踐

◎中國空間技術(shù)研究院 霍光 王耀東 吳延龍 馬楠 陳濤

航天器數(shù)字化研制技術(shù)應(yīng)用研究與實(shí)踐

◎中國空間技術(shù)研究院 霍光 王耀東 吳延龍 馬楠 陳濤

近年來，美國、德國等世界大國不約而同地制定了工業(yè)轉(zhuǎn)型升級戰(zhàn)略，美國政府發(fā)布了“再工業(yè)化戰(zhàn)略”， 德國發(fā)布了“工業(yè)4.0”發(fā)展戰(zhàn)略，均將數(shù)字化技術(shù)作為未來制造業(yè)發(fā)展的重點(diǎn)方向之一。與此同時(shí)，NASA、波音、空客、洛馬等國際知名企業(yè)也紛紛積極研究并實(shí)踐數(shù)字化技術(shù)與航空航天產(chǎn)品研制過程的深入融合，通過基于模型的系統(tǒng)工程(MBSE)、基于模型的定義(MBD)、集成仿真、虛擬制造等一系列技術(shù)的應(yīng)用，在快速響應(yīng)用戶需求、優(yōu)化產(chǎn)品研制流程、提高設(shè)計(jì)水平和創(chuàng)新能力等方面取得了顯著成效。

我國一直在倡導(dǎo)信息化和工業(yè)化融合式發(fā)展的“兩化融合”戰(zhàn)略，并于2015年發(fā)布了“中國制造2025”戰(zhàn)略，其中航空航天裝備是國家將大力推動的10個(gè)重點(diǎn)領(lǐng)域之一。從國家頂層發(fā)展戰(zhàn)略要求可以看出，數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化技術(shù)將在未來航天企業(yè)轉(zhuǎn)型升級中扮演重要角色，是促進(jìn)企業(yè)創(chuàng)新發(fā)展的必由之路。中國空間技術(shù)研究院作為我國空間事業(yè)的主力軍，也要在前期工作基礎(chǔ)上加速開展數(shù)字化技術(shù)在航天器研制過程中的應(yīng)用研究與實(shí)踐。

一、建設(shè)思路

航天器數(shù)字化研制以建立基于統(tǒng)一數(shù)據(jù)源的協(xié)同研制模式為核心，通過打通宇航產(chǎn)品研制全過程的數(shù)據(jù)鏈路，以模型(結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù))替代文檔成為宇航產(chǎn)品研制過程信息傳遞的主要載體，構(gòu)建基于數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化的系統(tǒng)工程研制模式。其核心理念如下：

模型驅(qū)動。模型代替文檔成為驅(qū)動研制過程的主要載體，研制人員通過模型開展協(xié)同設(shè)計(jì)和驗(yàn)證，在模型中積累知識。

構(gòu)造即正確。在實(shí)物產(chǎn)品投產(chǎn)前進(jìn)行全系統(tǒng)虛擬集成仿真和工程實(shí)施方案仿真，能用虛擬仿真發(fā)現(xiàn)并解決的問題不留到實(shí)物驗(yàn)證階段，從而大量減少實(shí)物制造過程的迭代反復(fù)和對方案的實(shí)物驗(yàn)證。

端到端集成。實(shí)現(xiàn)研制全過程基于模型的“端到端”數(shù)字化集成，能夠?qū)π枨?、狀態(tài)和實(shí)物產(chǎn)品的變化進(jìn)行全面、快速、正確響應(yīng)。

研究院按照“2025年全面實(shí)現(xiàn)航天器全流程全周期的研制智能化、管理信息化、保障網(wǎng)絡(luò)化”的目標(biāo)，重點(diǎn)圍繞抓規(guī)劃、抓流程、抓接口、抓規(guī)范、抓工具5個(gè)方面推進(jìn)航天器數(shù)字化研制工作，在技術(shù)上通過優(yōu)化流程、規(guī)范接口來建立基于模型的數(shù)字化研制模式，在管理上通過配套組織機(jī)構(gòu)和實(shí)施隊(duì)伍、建立工作機(jī)制、制定工作規(guī)范來保障數(shù)字化研制工作的順利實(shí)施，同時(shí)通過配套相應(yīng)軟硬件資源，為實(shí)施數(shù)字化研制工作提供基礎(chǔ)條件保障。

二、整體框架

航天器數(shù)字化研制工作覆蓋系統(tǒng)、分系統(tǒng)和單機(jī)3個(gè)層級，按照管理對象可分為航天器研制數(shù)字化和全周期管理信息化2個(gè)部分，如圖1所示。

其中，航天器研制數(shù)字化是整個(gè)工作的核心和重點(diǎn)，各部分工作重點(diǎn)如下：

體系論證。形成體系化仿真能力，基于數(shù)字化模型實(shí)現(xiàn)體系論證方案優(yōu)選和定量化評估，支撐多方案快速比較和項(xiàng)目立項(xiàng)。

設(shè)計(jì)驗(yàn)證。借助數(shù)字化技術(shù)進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)驗(yàn)證流程，基于統(tǒng)一數(shù)據(jù)源，實(shí)現(xiàn)覆蓋總體、結(jié)構(gòu)、熱控、控制、載荷等各專業(yè)的多專業(yè)并行協(xié)同設(shè)計(jì)與驗(yàn)證，減少設(shè)計(jì)迭代，提升復(fù)雜系統(tǒng)的設(shè)計(jì)效率。

制造集成?；跀?shù)字化模型，實(shí)現(xiàn)提前并行開展工藝設(shè)計(jì)與仿真、工裝設(shè)計(jì)等，并使用數(shù)字化、自動化設(shè)備快速完成產(chǎn)品的數(shù)字化加工、檢驗(yàn)、裝配等，提升產(chǎn)品生產(chǎn)效率和質(zhì)量。

測試試驗(yàn)。基于數(shù)字化模型，實(shí)現(xiàn)提前驗(yàn)證實(shí)物測試與試驗(yàn)設(shè)計(jì)的正確性和覆蓋性，并通過自動化測試工具實(shí)現(xiàn)測試過程的自動實(shí)施和測試異常的主動預(yù)警，提高測試效率。

在軌管理?；跀?shù)字化模型，實(shí)現(xiàn)航天器在軌健康狀況的定量分析及在軌故障的快速診斷與解決，支撐在軌故障快速定位與處理。

三、推進(jìn)措施

研究院構(gòu)建了航天器數(shù)字化研制管理框架，從組織機(jī)構(gòu)、軟件統(tǒng)籌、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、推進(jìn)機(jī)制等幾個(gè)方面全面推進(jìn)航天器數(shù)字化研制工作。

1．建立數(shù)字化工作推進(jìn)組織機(jī)構(gòu)

數(shù)字化研制貫穿型號研制全流程，涉及型號、技術(shù)、管理等多個(gè)方面，是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，為切實(shí)推動數(shù)字化研制工作，研究院在強(qiáng)化數(shù)字化研制頂層規(guī)劃并定期更新的基礎(chǔ)上，建立了院所兩級數(shù)字化研制推進(jìn)組織機(jī)構(gòu)，明確了由各單位行政正職牽頭主抓的數(shù)字化研制工作推進(jìn)責(zé)任體系，為及時(shí)解決數(shù)字化研制實(shí)施過程中遇到的突出問題和困難提供了有力的組織保障。

2．統(tǒng)籌規(guī)劃數(shù)字化相關(guān)軟件建設(shè)

數(shù)字化系統(tǒng)平臺和軟件工具是型號實(shí)施數(shù)字化研制工作的重要保障，研究院在堅(jiān)持自主研發(fā)與外部采購相結(jié)合的基礎(chǔ)上，從院頂層統(tǒng)籌開展專業(yè)軟件的規(guī)劃建設(shè)，建立了軟件清單，并發(fā)布了管理辦法，以有效減少選型不一致給跨單位傳遞模型帶來的障礙，并充分促進(jìn)已有數(shù)字化成果在各單位的共享使用，支撐不同專業(yè)、不同單位之間的型號數(shù)字化協(xié)同研制工作。

3．建立數(shù)字化工作標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系

數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范是實(shí)施航天器數(shù)字化研制的通用要求，研究院經(jīng)過系統(tǒng)規(guī)劃建立了數(shù)字化研制標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系，覆蓋基礎(chǔ)、技術(shù)、管理等多個(gè)維度。由于標(biāo)準(zhǔn)制定周期較長，為滿足型號應(yīng)用過程中面臨的迫切需求，研究院按照“規(guī)范先行，標(biāo)準(zhǔn)跟進(jìn)”的思路，以專用規(guī)范、型號文件等形式先行明確實(shí)施要求，同時(shí)通過型號實(shí)際應(yīng)用不斷完善相應(yīng)規(guī)范，最終總結(jié)固化形成標(biāo)準(zhǔn)，以有效固化數(shù)字化研制經(jīng)驗(yàn)成果，并以此指導(dǎo)一線設(shè)計(jì)、工藝、技能人員規(guī)范開展工作。

4．建立數(shù)字化研制推進(jìn)工作機(jī)制

數(shù)字化研制模式是一種全新的研制模式，在探索應(yīng)用過程中必然會遇到各種實(shí)際問題，為全面保障航天器數(shù)字化研制工作的順利實(shí)施，研究院建立了相應(yīng)的保障工作機(jī)制，通過調(diào)度會、研討會、評估考核，形成了“動態(tài)跟蹤、按月調(diào)度、按年度考核”的院所兩級閉環(huán)管理模式，對存在的問題進(jìn)行動態(tài)識別和管控，保障了數(shù)字化推廣應(yīng)用過程中的重要、共性問題及時(shí)解決。

四、應(yīng)用實(shí)踐

研究院聚焦加強(qiáng)體系論證關(guān)鍵能力建設(shè)、橫向建立總體與各專業(yè)數(shù)字化協(xié)同模式、縱向貫通基于三維模型的數(shù)字化設(shè)計(jì)與生產(chǎn)裝配鏈路3條主線，開展了航天器數(shù)字化研制技術(shù)的應(yīng)用實(shí)踐。

1．體系論證

針對從單星到系列、從系列到體系、從體系到體系優(yōu)化轉(zhuǎn)變的航天器體系建設(shè)發(fā)展需求，按照邊建邊用的思路，研究院在統(tǒng)籌梳理院內(nèi)在軌、在研衛(wèi)星資源基礎(chǔ)上，制定了體系效能協(xié)同仿真工作流程，建立了一系列衛(wèi)星功能模型，并同步開發(fā)了航天器體系效能仿真系統(tǒng)，改變了以往依靠文件、經(jīng)驗(yàn)和少量仿真進(jìn)行衛(wèi)星體系規(guī)劃和單星論證的局面，目前初步具備了可展示、可配置的體系效能仿真能力，實(shí)現(xiàn)了多種論證方案任務(wù)滿足度的快速評估，并在“十三五”衛(wèi)星系統(tǒng)項(xiàng)目論證中應(yīng)用。

2．總體與各專業(yè)數(shù)字化橫向協(xié)同

圍繞機(jī)械三維協(xié)同設(shè)計(jì)、信息流數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)、能源流數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)3條子線開展應(yīng)用實(shí)踐。機(jī)械設(shè)計(jì)方面，建立了基于統(tǒng)一的三維模型體系的機(jī)械協(xié)同設(shè)計(jì)模式（見圖2），并在各領(lǐng)域新研型號全面應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)變更的即時(shí)通知和快速傳遞，有效避免了設(shè)計(jì)干涉問題，與原模式相比設(shè)計(jì)協(xié)調(diào)時(shí)間減少40%。信息流設(shè)計(jì)方面，建立了航天器信息流協(xié)同設(shè)計(jì)平臺并在遙感、通信領(lǐng)域?qū)嵤┩茝V，實(shí)現(xiàn)了基于統(tǒng)一數(shù)據(jù)源的遙測遙控、總線數(shù)據(jù)流設(shè)計(jì)，有效避免了傳統(tǒng)文檔模式下數(shù)據(jù)源頭多、傳遞路徑長導(dǎo)致的文件更改聯(lián)動不及時(shí)、易遺漏等問題，遙測波道編排等環(huán)節(jié)效率提升50%以上，信息流協(xié)同設(shè)計(jì)新舊模式對比示意圖（見圖3）。能源流設(shè)計(jì)方面，建立了供配電大圖信息化平臺并在遙感、深空、載人等領(lǐng)域推廣，實(shí)現(xiàn)了供配電大圖的分層設(shè)計(jì)、自動生成與可視化展示，供配電大圖繪圖時(shí)間減少50%以上，有效提升了供配電設(shè)計(jì)水平與復(fù)查效率。

3．?dāng)?shù)字化設(shè)計(jì)與生產(chǎn)裝配鏈路縱向貫通

圍繞航天器結(jié)構(gòu)產(chǎn)品生產(chǎn)和總裝工作，在設(shè)計(jì)階段基于三維模型實(shí)現(xiàn)了工藝設(shè)計(jì)和仿真工作模型的充分應(yīng)用，結(jié)構(gòu)產(chǎn)品生產(chǎn)效率平均提升10%以上，總裝現(xiàn)場設(shè)計(jì)更改單減少20%以上?；谌S模型的數(shù)字化制造模式如圖4所示。任重道遠(yuǎn)。后續(xù)，研究院將密切關(guān)注數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展方向，持續(xù)開展理論研究與工程實(shí)踐，進(jìn)一步擴(kuò)大總體與專業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)范圍，推進(jìn)功率流仿真、多的并行開展，并以三維模型替代二維圖紙進(jìn)行下廠制造和總裝，形成了以三維模型和結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)為依據(jù)、以數(shù)字仿真為支撐的數(shù)字化制造和總裝模式，并在所有新研型號中全面應(yīng)用。通過三維

基于模型的航天器全周期、全流程數(shù)字化研制模式的建立是一個(gè)長期復(fù)雜的過程，經(jīng)過前期的探索實(shí)踐已經(jīng)取得了階段性成果，但對照建設(shè)成為國際一流宇航企業(yè)的目標(biāo)，依然學(xué)科集成仿真等仿真技術(shù)研究，探索物聯(lián)網(wǎng)、條碼掃描等技術(shù)在制造總裝現(xiàn)場的應(yīng)用，促進(jìn)數(shù)字化技術(shù)與型號研制工作的深入融合，為研究院的轉(zhuǎn)型升級和跨越式發(fā)展提供堅(jiān)實(shí)保障。