智慧火箭發(fā)展路線思考

李 洪

(中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院，北京 100076)

智慧火箭發(fā)展路線思考

李 洪

(中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院，北京 100076)

運(yùn)載火箭與新一代信息與制造技術(shù)的結(jié)合將打破傳統(tǒng)運(yùn)載火箭研制理念和工作流程模式，推動相關(guān)領(lǐng)域的變革發(fā)展，最終形成采用數(shù)據(jù)驅(qū)動研制流程、由智能產(chǎn)品組成的“智慧火箭”。提出了智慧火箭的建設(shè)目標(biāo)，針對智慧火箭所包含的智能研制、智能產(chǎn)品、智能制造以及智能過程控制進(jìn)行探討。

智慧火箭；智能研制；智能產(chǎn)品；智能制造；智能過程控制

0 引言

新一代信息技術(shù)與傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的深度融合，正在引發(fā)影響深遠(yuǎn)的產(chǎn)業(yè)變革，形成新的研制體系、生產(chǎn)方式、產(chǎn)業(yè)形態(tài)與商業(yè)模式。目前各國都在加大科技創(chuàng)新力度，以工業(yè)4.0、中國制造2025、3D打印、移動互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、新材料、新能源等為代表的新領(lǐng)域、新技術(shù)取得跨越式的突破[1]。

在“十二五”期間及后續(xù)，伴隨著我國新一代運(yùn)載火箭研制成功，我國運(yùn)載火箭型譜不斷完善，產(chǎn)品技術(shù)性能接近國際先進(jìn)水平，進(jìn)入空間能力不斷提升。近期，我國深入開展了運(yùn)載火箭發(fā)展路線規(guī)劃論證，基本明確了后續(xù)發(fā)展路線，為我國運(yùn)載火箭向更加先進(jìn)的方向發(fā)展理清了思路[2-5]。

但是應(yīng)清醒地認(rèn)識到，全球正在如火如荼地進(jìn)行著第四次科技革命，在論證運(yùn)載火箭發(fā)展規(guī)劃、進(jìn)一步明確后續(xù)型號發(fā)展思路與發(fā)展方向的同時(shí)，仍有必要對運(yùn)載火箭技術(shù)發(fā)展方向進(jìn)行深入的思考。下一代運(yùn)載火箭如果要在產(chǎn)品性能上實(shí)現(xiàn)質(zhì)的突破，就必須完成基礎(chǔ)技術(shù)的跨越式變革，就目前來看，基礎(chǔ)技術(shù)的跨越式變革就是傳統(tǒng)運(yùn)載火箭領(lǐng)域與新興領(lǐng)域的深度跨界技術(shù)融合；就是傳統(tǒng)航天產(chǎn)業(yè)抓住目前國內(nèi)面臨的嶄新機(jī)遇，實(shí)現(xiàn)革命性的技術(shù)革新，創(chuàng)造出新的航天發(fā)展生態(tài)。

基于上述理念與思考，本文在回顧我國運(yùn)載火箭設(shè)計(jì)理念發(fā)展歷程的基礎(chǔ)上提出了基于智能信息的智慧火箭設(shè)計(jì)概念和建設(shè)目標(biāo)，構(gòu)思了智慧火箭發(fā)展思路，針對智能研制、智能產(chǎn)品、智能制造以及智能過程控制進(jìn)行了探討和設(shè)想。

1 運(yùn)載火箭設(shè)計(jì)理念發(fā)展歷程

我國運(yùn)載火箭起步于20世紀(jì)60年代，經(jīng)過半個多世紀(jì)的發(fā)展，經(jīng)歷了從無到有、從小到大，從綜合性能提升到產(chǎn)業(yè)生態(tài)的全面發(fā)展，形成了4代17種運(yùn)載火箭的長征火箭家族型譜，具備了發(fā)射低、中、高不同軌道，不同有效載荷的能力，使我國正式邁入了航天大國的行列，并逐步向航天強(qiáng)國轉(zhuǎn)變。

在過去的研制歷程中，我國運(yùn)載火箭設(shè)計(jì)理念和設(shè)計(jì)方法逐步完善，形成了基于偏差的設(shè)計(jì)方法和基于有限故障的設(shè)計(jì)方法，并在我國現(xiàn)役運(yùn)載火箭工程設(shè)計(jì)中得到了成功實(shí)踐。隨著信息時(shí)代和大數(shù)據(jù)時(shí)代的來臨，以長征五號、長征七號火箭為代表的新一代運(yùn)載火箭開始探索基于數(shù)據(jù)的設(shè)計(jì)方法。而未來運(yùn)載火箭將是傳統(tǒng)運(yùn)載火箭與新一代信息技術(shù)的重塑性融合，是形成“運(yùn)載火箭+工業(yè)4.0”“運(yùn)載火箭+互聯(lián)網(wǎng)”“運(yùn)載火箭+物聯(lián)網(wǎng)”“運(yùn)載火箭+云計(jì)算”“運(yùn)載火箭+大數(shù)據(jù)”的深度過程，是新一代信息與制造技術(shù)與運(yùn)載火箭產(chǎn)業(yè)劇烈的“化學(xué)反應(yīng)”，將打破傳統(tǒng)運(yùn)載火箭研制理念，形成基于智能信息的智慧火箭體系。

1.1 基于偏差的運(yùn)載火箭設(shè)計(jì)

在我國運(yùn)載火箭研制的初期階段，科研設(shè)計(jì)人員克服了工業(yè)化程度落后、理論基礎(chǔ)薄弱、研制經(jīng)驗(yàn)缺乏的困難，逐步摸索形成了基于偏差的包絡(luò)設(shè)計(jì)方法。通過對飛行過程中各種影響因素的最大可能偏離情況進(jìn)行綜合考慮，形成綜合偏差下的最大包絡(luò)，之后通過設(shè)計(jì)火箭的各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)裕度，以適應(yīng)偏差包絡(luò)下的飛行工況。采用基于偏差的設(shè)計(jì)方法，成功完成了以長征一號、長征二號為代表的我國第一代運(yùn)載火箭，實(shí)現(xiàn)了我國運(yùn)載火箭事業(yè)的從無到有。

1.2 基于有限故障的運(yùn)載火箭設(shè)計(jì)

在偏差設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，運(yùn)載火箭設(shè)計(jì)過程中引入了FMEA分析方法，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了全箭故障模式識別和分析，根據(jù)FMEA分析結(jié)果對識別出的故障模式，通過冗余設(shè)計(jì)等手段進(jìn)行改進(jìn)，大大提升了系統(tǒng)可靠性。隨著計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的廣泛應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了通過計(jì)算機(jī)模擬飛行打靶的方式，對各種飛行工況和故障模式進(jìn)行仿真，大大提升了設(shè)計(jì)效率。通過有限故障的設(shè)計(jì)方法，奠定了長征二號丙和長征三號甲系列運(yùn)載火箭等我國首批金牌火箭的基礎(chǔ)。在長征二號F載人運(yùn)載火箭上實(shí)現(xiàn)了針對特定關(guān)鍵故障模式的自動箭上故障診斷并執(zhí)行航天員逃逸的故障診斷處理功能。

1.3 基于數(shù)據(jù)的運(yùn)載火箭設(shè)計(jì)

隨著技術(shù)的進(jìn)步，以長征五號、長征七號為代表的新一代運(yùn)載火箭及以遠(yuǎn)征一號、遠(yuǎn)征二號為代表的系列化上面級在數(shù)字化設(shè)計(jì)水平上進(jìn)一步提升，逐步開展了基于數(shù)據(jù)的運(yùn)載火箭設(shè)計(jì)，在產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計(jì)、數(shù)字化三維模裝、三維圖紙生產(chǎn)、數(shù)學(xué)仿真建模、數(shù)字信息系統(tǒng)建設(shè)等方面取得了顯著進(jìn)展，基本實(shí)現(xiàn)了圖紙、文件的數(shù)字化設(shè)計(jì)，產(chǎn)品模型的數(shù)字化分析，信息化基礎(chǔ)設(shè)施得到了廣泛建設(shè)，極大地提升了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)質(zhì)量，降低了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)生產(chǎn)周期和成本。

1.4 基于智能信息的的智慧火箭設(shè)計(jì)

對標(biāo)國內(nèi)外運(yùn)載火箭最新發(fā)展，以NASA為代表的國家科研體和以SpaceX為代表的新興商業(yè)航天公司在全生命周期數(shù)字化管理、基于數(shù)字樣機(jī)的虛擬設(shè)計(jì)、智能化飛行控制和自主返回、低成本快速生產(chǎn)制造等領(lǐng)域取得了突破和領(lǐng)先。與之相比，我國運(yùn)載火箭設(shè)計(jì)水平還存在一定差距，存在數(shù)字化研制流程沒有完全打通、數(shù)據(jù)沒有充分共享、數(shù)據(jù)價(jià)值挖掘程度不高、產(chǎn)品智能化程度低等瓶頸問題，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足我國未來成為航天強(qiáng)國對運(yùn)載火箭研制的需求。

因此，未來一代運(yùn)載火箭設(shè)計(jì)將以運(yùn)載火箭技術(shù)與智能信息化技術(shù)融合發(fā)展為總體思路，打通運(yùn)載火箭全數(shù)字化閉環(huán)設(shè)計(jì)仿真試驗(yàn)制造主線，以產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計(jì)、制造、試驗(yàn)、應(yīng)用為重點(diǎn)，解決新型運(yùn)載火箭研制全流程全環(huán)節(jié)所存在的效率、技術(shù)、制造和質(zhì)量控制問題，形成信息化高效集同的運(yùn)載火箭研制流程，實(shí)現(xiàn)基于智能信息的智慧火箭設(shè)計(jì)。

2 智慧火箭基本概念

智慧火箭的核心概念是在全壽命周期研制模式下，運(yùn)載火箭具備相當(dāng)?shù)闹悄芑剑浔举|(zhì)是“運(yùn)載火箭+創(chuàng)新”，其發(fā)展方向是傳統(tǒng)運(yùn)載火箭與新一代信息與制造技術(shù)的結(jié)合，其表現(xiàn)形式是“智慧火箭=智能研制+智能產(chǎn)品+智能制造+智能過程控制”。

總之，“智慧火箭”是融合目前高效的信息化思路和手段對現(xiàn)有運(yùn)載火箭全面升級，是基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的總體專業(yè)數(shù)字化設(shè)計(jì)能力與虛實(shí)結(jié)合的數(shù)字化驗(yàn)證能力的研制模式升級，是基于故障診斷與信息應(yīng)用技術(shù)發(fā)展的智能產(chǎn)品升級，是基于中國制造2025工業(yè)體系變革的智能制造升級，是基于大數(shù)據(jù)應(yīng)用的智能過程控制升級，最終將推動全生命周期研制流程的跨越式優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)新型運(yùn)載火箭研制效率、質(zhì)量、技術(shù)水平的全面提升，創(chuàng)造出適應(yīng)于“智慧火箭”研制、產(chǎn)品制造、過程控制的全新生態(tài)環(huán)境。

3 智慧火箭目標(biāo)規(guī)劃

3.1 智能研制

智能研制的目標(biāo)在于實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)和試驗(yàn)效率的提升，具體表現(xiàn)為：一是縮短研制周期，由當(dāng)前設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、試驗(yàn)、發(fā)射的串行流程轉(zhuǎn)化為基于虛擬樣機(jī)的并行流程，1周完成總體構(gòu)型優(yōu)化、1個月完成總體方案設(shè)計(jì)、1年完成試驗(yàn)產(chǎn)品生產(chǎn)和總體設(shè)計(jì)優(yōu)化，方案設(shè)計(jì)一次成功率100%，大型火箭研制周期縮短到5年。二是大幅度提升數(shù)字試驗(yàn)?zāi)芰?，振動、環(huán)境、模態(tài)、氣動等數(shù)字化試驗(yàn)理論預(yù)示和驗(yàn)證能力大幅提升，實(shí)物試驗(yàn)數(shù)量減少50%，大型地面試驗(yàn)周期縮短50%。

3.2 智能產(chǎn)品

智能產(chǎn)品的目標(biāo)在于實(shí)現(xiàn)運(yùn)載火箭飛行過程和地面測試發(fā)射過程信息應(yīng)用水平提升，具體表現(xiàn)為：

1)火箭飛行過程具備一定的故障檢測、診斷與處理能力，能夠保證火箭在一定的故障模式下完成飛行任務(wù)。以我國遠(yuǎn)征系列新型液體上面級為例，在設(shè)計(jì)中引入可通過地面上行指令進(jìn)行彈道重規(guī)劃策略，在基礎(chǔ)級火箭飛行超差情況下，可通過重新規(guī)劃飛行彈道將航天器送入預(yù)定軌道。

2)火箭具備地面信息綜合應(yīng)用能力，實(shí)現(xiàn)前后端協(xié)同的遠(yuǎn)程測發(fā)控，實(shí)現(xiàn)基于自動故障診斷的一鍵測試發(fā)射，測試發(fā)射準(zhǔn)備周期15天以內(nèi)，靶場測試人員減少70%。

3)全面提升電氣產(chǎn)品可測試水平，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)、管路、閥門的機(jī)電一體化和物聯(lián)網(wǎng)化，提升機(jī)械類產(chǎn)品的測試性，不可檢、不可測項(xiàng)目減少80%；實(shí)現(xiàn)箭上無線化傳感網(wǎng)絡(luò)，箭地?cái)?shù)據(jù)傳輸無纜化，箭上電纜質(zhì)量減少60%。

3.3 智能制造

智能制造的目標(biāo)在于實(shí)現(xiàn)基于虛擬網(wǎng)絡(luò)+實(shí)體物理的智能化制造能力，具體表現(xiàn)為：

1)實(shí)現(xiàn)基于3D打印的試件快速制造能力，提供功能多樣、性能穩(wěn)定的高品質(zhì)產(chǎn)品。

2)形成全數(shù)控?cái)?shù)字化生產(chǎn)執(zhí)行能力，產(chǎn)品加工一次合格率100%，生產(chǎn)周期縮短50%。

3.4 智能過程控制

智能過程控制的目標(biāo)在于實(shí)現(xiàn)運(yùn)載火箭單機(jī)、零部組件等產(chǎn)品在設(shè)計(jì)、制造、試驗(yàn)與總裝測試發(fā)射等全流程中的智能化質(zhì)量過程控制能力提升，具體表現(xiàn)為：

1)100%重要單機(jī)、零部組件實(shí)現(xiàn)全壽命周期的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)數(shù)據(jù)、質(zhì)量信息信息化采集，并能夠?qū)ι鲜鰯?shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與深度應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)全流程基于大數(shù)據(jù)分析的過程控制，實(shí)現(xiàn)過程數(shù)據(jù)的100%可量化、可追溯、可分析。

2)提升標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范應(yīng)用、編校審批等質(zhì)量控制環(huán)節(jié)的信息化能力與水平。

4 智慧火箭建設(shè)思路

智慧火箭建設(shè)的基本思路是“依托一個基礎(chǔ)平臺，打造四個體系”，即：依托新一代信息與制造技術(shù)基礎(chǔ)支撐平臺，打造智慧火箭智能研制體系、智能產(chǎn)品體系、智能制造體系以及智能過程控制體系，形成以基礎(chǔ)平臺為智慧火箭提供技術(shù)支撐，以研制體系牽引產(chǎn)品體系、制造體系和質(zhì)量控制體系的智慧火箭體系架構(gòu)。

4.1 智能研制

智能研制體系將圍繞數(shù)字化研制流程、數(shù)字化設(shè)計(jì)能力、數(shù)字化試驗(yàn)驗(yàn)證能力進(jìn)行建設(shè)，支撐各研制階段需求，最終實(shí)現(xiàn)智慧火箭專業(yè)研制能力的全方位提升。

4.1.1 數(shù)字化研制流程

國際上數(shù)字化設(shè)計(jì)、制造、仿真等技術(shù)已經(jīng)在航空航天領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，并取得巨大效益。NASA、ESA、波音、洛-馬、SpaceX等機(jī)構(gòu)與公司分別建立了各自的數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)平臺。通過數(shù)字化的協(xié)同設(shè)計(jì)、仿真分析、虛擬裝配與制造等技術(shù)手段，極大地提高了設(shè)計(jì)與制造效率，減少了設(shè)計(jì)更改和工程返工，大幅度縮短了研制周期，顯著降低了研制成本。在國內(nèi)航天系統(tǒng)中，大量商業(yè)或自主開發(fā)的CAD、CAE等設(shè)計(jì)工具及產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理PDM(Product Data Management)、產(chǎn)品全生命周期管理PLM(Product Lifecycle management)等系統(tǒng)的應(yīng)用，已經(jīng)在火箭的各專業(yè)、各分系統(tǒng)、各設(shè)備的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、試驗(yàn)等環(huán)節(jié)發(fā)揮了重要作用，初步實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)、電氣等分系統(tǒng)的數(shù)字化設(shè)計(jì)、制造，以及運(yùn)載火箭基本的信息化管理。

為更充分地發(fā)揮信息化技術(shù)在可重復(fù)性、低消耗、高效率等方面的優(yōu)勢，縮短研制周期，節(jié)約研制經(jīng)費(fèi)，需要在現(xiàn)有的火箭信息化設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，打通總體與分系統(tǒng)之間、各分系統(tǒng)之間、分系統(tǒng)與設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳遞接口，以數(shù)據(jù)驅(qū)動為核心，開展基于虛擬樣機(jī)的全生命周期研制。

數(shù)字化研制流程的主要特點(diǎn)包括：

1)圍繞統(tǒng)一數(shù)據(jù)源開展全箭設(shè)計(jì)，充分發(fā)揮數(shù)字化技術(shù)的優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)由數(shù)據(jù)驅(qū)動代替文字驅(qū)動，實(shí)現(xiàn)由數(shù)據(jù)集成代替產(chǎn)品集成，實(shí)現(xiàn)由數(shù)據(jù)維護(hù)代替文件維護(hù)，提高總體小回路設(shè)計(jì)和多方案對比論證的效率。

2)采用數(shù)字化技術(shù)開展數(shù)字化火箭總體及各分系統(tǒng)、設(shè)備的方案樣機(jī)設(shè)計(jì)，建立集成有三維制造信息、物理性能信息的全數(shù)字化火箭性能樣機(jī)，完成總體、各分系統(tǒng)、設(shè)備的相關(guān)性能仿真分析。

3)采用“虛實(shí)結(jié)合”的試驗(yàn)手段，以輔助實(shí)物驗(yàn)證、提高實(shí)物驗(yàn)證效率、補(bǔ)充試驗(yàn)手段為目標(biāo)，為全面考核全數(shù)字化設(shè)計(jì)性能提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)和分析手段。

4)發(fā)展虛擬制造和實(shí)體制造兩條主線，為柔性制造推廣和應(yīng)用創(chuàng)造條件，形成數(shù)字化協(xié)同研制能力、數(shù)字化工藝設(shè)計(jì)能力、數(shù)字化虛擬制造能力，實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)、工藝可靠、精益生產(chǎn)、質(zhì)量可控。

4.1.2 數(shù)字化設(shè)計(jì)能力

傳統(tǒng)運(yùn)載火箭總體回路設(shè)計(jì)通過多輪分析、設(shè)計(jì)逐步逼近最優(yōu)，整個過程是串行工作流程，自動化程度和效率較低；各環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)以文件形式傳遞，各專業(yè)間仿真設(shè)計(jì)工具之間未能形成便捷、暢通的輸送渠道，成為信息“孤島”。

數(shù)字化設(shè)計(jì)能力將實(shí)現(xiàn)“無紙化”設(shè)計(jì)，信息傳遞以“參數(shù)驅(qū)動”代替?zhèn)鹘y(tǒng)“文字驅(qū)動”，以數(shù)據(jù)集成代替產(chǎn)品集成，以數(shù)據(jù)維護(hù)代替文件維護(hù)；以大數(shù)據(jù)和云平臺為核心，建立基于統(tǒng)一數(shù)據(jù)源的數(shù)字化火箭產(chǎn)品模型；各專業(yè)設(shè)計(jì)工具通過“參數(shù)驅(qū)動”和統(tǒng)一數(shù)據(jù)源對總體回路設(shè)計(jì)進(jìn)行迭代優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)基于數(shù)據(jù)模板的設(shè)計(jì)任務(wù)書自動生成和更新；以產(chǎn)品模型進(jìn)行CAE設(shè)計(jì)，完成數(shù)字模裝、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析、模態(tài)分析等數(shù)字仿真分析。

智慧火箭協(xié)同設(shè)計(jì)環(huán)境是運(yùn)載火箭數(shù)字化設(shè)計(jì)的載體，主要包括智慧設(shè)計(jì)工程門戶、設(shè)計(jì)工具體系、模型驅(qū)動、知識資源中心、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)等部分。其中，運(yùn)載火箭智慧設(shè)計(jì)工程門戶將設(shè)計(jì)相關(guān)的流程、工具以及設(shè)計(jì)知識資源進(jìn)行有機(jī)整合，為運(yùn)載火箭研制提供智慧管理功能；設(shè)計(jì)工具體系為運(yùn)載火箭智慧設(shè)計(jì)提供專業(yè)設(shè)計(jì)環(huán)境，由設(shè)計(jì)工具智能定制平臺提供基礎(chǔ)框架，統(tǒng)籌設(shè)計(jì)工具的接口形式，使其具備與知識資源中心、協(xié)同設(shè)計(jì)環(huán)境之間進(jìn)行系統(tǒng)間交互的能力；模型驅(qū)動的協(xié)同設(shè)計(jì)環(huán)境能夠?yàn)榭傮w數(shù)字化系統(tǒng)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)、電氣數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)提供支撐，圍繞總體參數(shù)模型、結(jié)構(gòu)和電氣系統(tǒng)幾何樣機(jī)及性能樣機(jī)模型開展協(xié)同設(shè)計(jì)；知識資源中心能夠?qū)\(yùn)載火箭研制過程中所需的設(shè)計(jì)參考數(shù)據(jù)提供支持，與設(shè)計(jì)工具、協(xié)同設(shè)計(jì)環(huán)境之間具備交互接口，能夠與智慧試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，為試驗(yàn)方案定制、試驗(yàn)數(shù)據(jù)判讀、試驗(yàn)結(jié)果分析等提供參考；產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)對設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、文檔、模型進(jìn)行管控，具備與智慧生產(chǎn)系統(tǒng)的接口，能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)計(jì)—制造信息雙向傳遞，為智慧火箭工程的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)一體化奠定基礎(chǔ)。

4.1.3 數(shù)字化試驗(yàn)驗(yàn)證能力

目前，運(yùn)載火箭系統(tǒng)總體集成試驗(yàn)以實(shí)物試驗(yàn)為主，但大型實(shí)物試驗(yàn)(尤其是結(jié)構(gòu)試驗(yàn)、全箭模態(tài)試驗(yàn)等)具有子樣小、周期長、費(fèi)用高、風(fēng)險(xiǎn)大等特點(diǎn)，同時(shí)也面臨著試驗(yàn)真實(shí)環(huán)境難以模擬、樣本少、產(chǎn)品效能缺乏全面有效考核手段等共性問題，成為研制周期優(yōu)化上的短線和瓶頸。

采用“虛實(shí)結(jié)合”的數(shù)字化驗(yàn)證試驗(yàn)技術(shù)，以驗(yàn)證總體方案的合理性和可行性。以大數(shù)據(jù)、云計(jì)算技術(shù)支撐虛擬試驗(yàn)，以物聯(lián)網(wǎng)、3D打印技術(shù)支撐實(shí)物試驗(yàn)，打通虛擬試驗(yàn)與實(shí)物試驗(yàn)的信息鏈路，形成虛擬試驗(yàn)驗(yàn)證平臺進(jìn)行理論預(yù)示以輔助實(shí)物試驗(yàn)，提高運(yùn)載火箭系統(tǒng)的試驗(yàn)驗(yàn)證水平。

采用虛擬試驗(yàn)樣機(jī)VTP(Virtual Test Prototype)技術(shù)、一體化試驗(yàn)鑒定IT&E(Integrated Test and Evaluation)技術(shù)等，通過對已有型號試驗(yàn)數(shù)據(jù)及知識的集成與開發(fā)，建立虛擬試驗(yàn)樣機(jī)，提高虛擬試驗(yàn)精確度；研制實(shí)物試驗(yàn)樣機(jī)、縮比試驗(yàn)樣機(jī)，通過虛實(shí)結(jié)合的方式，以部分虛擬試驗(yàn)替代實(shí)物試驗(yàn)進(jìn)行提前驗(yàn)證、評估，對設(shè)計(jì)、工藝方案、產(chǎn)品可靠性和系統(tǒng)的協(xié)調(diào)性進(jìn)行驗(yàn)證。

通過實(shí)時(shí)感知試驗(yàn)設(shè)備狀態(tài)、儀器儀表計(jì)量信息、試驗(yàn)環(huán)境信息等，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)自動化采集與處理，并形成大數(shù)據(jù)采集、傳輸、存儲、管理體系；基于試驗(yàn)知識庫與規(guī)則庫進(jìn)行試驗(yàn)方案的快速確定、試驗(yàn)數(shù)據(jù)智能判讀；通過建立故障庫，實(shí)現(xiàn)智能化的故障診斷與預(yù)測；利用大數(shù)據(jù)挖掘分析技術(shù)快速提煉總結(jié)試驗(yàn)規(guī)律，對后續(xù)試驗(yàn)的改進(jìn)優(yōu)化提出指導(dǎo)性意見，提高試驗(yàn)效率，提升試驗(yàn)?zāi)芰?；通過歷史積累的大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，實(shí)現(xiàn)在初步設(shè)計(jì)階段對彈箭進(jìn)行性能評估；通過對歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘，提煉潛在規(guī)律，對彈箭設(shè)計(jì)方案改進(jìn)優(yōu)化提出指導(dǎo)性意見。

4.2 智能產(chǎn)品

智慧火箭產(chǎn)品將以物聯(lián)網(wǎng)化、功能聚合化、大數(shù)據(jù)化為總體指導(dǎo)思想，以智能自主控制、智能信息應(yīng)用、智能傳輸、智能測控為抓手，信息感知、信息傳輸和信息挖掘能力大大提升，實(shí)現(xiàn)智慧火箭的信息應(yīng)用與傳輸能力、結(jié)構(gòu)電氣一體化水平、智能測控應(yīng)用能力的跨越。

4.2.1 智能自主控制

目前運(yùn)載火箭飛行控制仍普遍采用攝動制導(dǎo)，迭代制導(dǎo)方式逐步進(jìn)入工程應(yīng)用，飛行過程中的實(shí)時(shí)故障診斷技術(shù)尚不成熟，暫不具備飛行任務(wù)自主規(guī)劃、自主返回，飛行過程自主診斷、重構(gòu)的能力。

智能自主控制將實(shí)現(xiàn)箭上信息的資源互通、共享，實(shí)現(xiàn)飛行過程中的箭上自主故障檢測、故障定位和故障隔離，飛行控制將具備根據(jù)故障檢測結(jié)果自動進(jìn)行資源動態(tài)分配和冗余切換，進(jìn)行飛行任務(wù)的自主調(diào)整，提高飛行的可靠性；具備短期在軌期間的自主任務(wù)規(guī)劃能力，提高對任務(wù)的適應(yīng)性；實(shí)現(xiàn)運(yùn)載火箭各子級的精確自主返回控制，落地回收后進(jìn)行箭上設(shè)備狀態(tài)的自主診斷和健康狀態(tài)評估，縮短檢修維護(hù)周期。

4.2.2 智能信息應(yīng)用

隨著物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的到來，箭上產(chǎn)品將作為具備感知、診斷、處理于一體的智慧節(jié)點(diǎn)，能夠獨(dú)立實(shí)現(xiàn)自檢測、自測試與自校正，利用總線技術(shù)形成信息共享的通用網(wǎng)絡(luò)平臺，通過標(biāo)準(zhǔn)接口無縫接入平臺，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)平臺化、接口標(biāo)準(zhǔn)化和單機(jī)智能化。電氣產(chǎn)品單機(jī)功能集成化程度大幅提高，逐步實(shí)現(xiàn)功能模塊專用芯片化，功耗大幅降低；同時(shí)具備較強(qiáng)的機(jī)內(nèi)自檢測(Built-In-Test, BIT)能力，形成統(tǒng)一的測試性設(shè)計(jì)和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求，作為全箭層次故障診斷的信息基礎(chǔ)。通過故障診斷進(jìn)行全箭信息綜合處理，實(shí)現(xiàn)以信息驅(qū)動的全箭自主測試、冗余重構(gòu)、健康預(yù)測等功能。

智能信息應(yīng)用產(chǎn)品的主要實(shí)施途徑包括：

1)電氣系統(tǒng)單機(jī)設(shè)備實(shí)現(xiàn)自檢、故障定位和快速更換能力，通過統(tǒng)一總線網(wǎng)絡(luò)按照統(tǒng)一接口格式進(jìn)行檢測信息傳輸。

2)單機(jī)級實(shí)現(xiàn)自身狀態(tài)監(jiān)測和故障檢測、隔離，系統(tǒng)級實(shí)現(xiàn)故障診斷數(shù)據(jù)的統(tǒng)一傳輸、存儲和分析。

3)打通設(shè)計(jì)、測試、發(fā)射各節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)通信鏈路，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無縫互聯(lián)、統(tǒng)一管理。

4.2.3 智能測試發(fā)射應(yīng)用

國外運(yùn)載火箭在故障診斷技術(shù)方面取得了顯著進(jìn)步，F(xiàn)alcon9火箭及日本Epsilon火箭多次在射前通過自動故障診斷技術(shù)發(fā)現(xiàn)問題，其從箭上到地面、從單機(jī)到系統(tǒng)各層次的自主智能化測試能力逐步成熟，地面測試發(fā)控設(shè)備不斷簡化，基本實(shí)現(xiàn)了快速測試發(fā)射能力。目前，我國運(yùn)載火箭電氣設(shè)備的單機(jī)BIT能力、全箭自動測試和自動故障診斷能力不足，出廠及靶場測試時(shí)間周期長、現(xiàn)場人員多，任務(wù)快速響應(yīng)、發(fā)射流程優(yōu)化以及遠(yuǎn)程測發(fā)控能力亟需提升。

智能測控產(chǎn)品的主要實(shí)施途徑包括：

1)以自動故障診斷為基礎(chǔ)，自動通過數(shù)據(jù)包絡(luò)和閾值對火箭電氣系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行判斷，對動態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行評估與預(yù)測，實(shí)現(xiàn)地面一鍵測發(fā)控能力。

2)以大數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對歷次發(fā)射中的測試數(shù)據(jù)進(jìn)行集中存儲與綜合應(yīng)用，挖掘故障診斷判據(jù)知識，為指揮決策提供智能輔助。

3)基于自動測試技術(shù)和高速網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)測、排故、發(fā)射控制，減少前端工作人員數(shù)量，從遠(yuǎn)程提供專家經(jīng)驗(yàn)、輔助排故支持，滿足設(shè)計(jì)人員跨地域進(jìn)行技術(shù)支持的需求，實(shí)現(xiàn)測試發(fā)射的智慧靶場。

4)將飛行控制功能與地面測發(fā)控功能進(jìn)行融合設(shè)計(jì)，以箭上自主測試、自主診斷為主導(dǎo)，簡化箭地?cái)?shù)據(jù)接口和地面測試設(shè)備，使便捷式電腦遠(yuǎn)程測控和移動發(fā)射成為可能。

4.2.4 智能信息傳輸

隨著無線信號傳輸技術(shù)的不斷發(fā)展，電氣系統(tǒng)已經(jīng)全面進(jìn)入到無線時(shí)代，以WiFi為代表的射頻無線通信，以LiFi(Light Fidelity)為代表的光學(xué)無線通信技術(shù)，以無線充電聯(lián)盟提出的Qi標(biāo)準(zhǔn)為代表的無線供電技術(shù)以及天基中繼無線測控技術(shù)也正在逐步普及。傳統(tǒng)運(yùn)載火箭箭上電氣系統(tǒng)箭上電纜設(shè)計(jì)復(fù)雜、質(zhì)量大，箭地及前后端數(shù)據(jù)傳輸以有線通信為主，飛行過程中箭地?cái)?shù)據(jù)傳輸嚴(yán)重依賴地面測控系統(tǒng)。

智能傳輸產(chǎn)品的主要實(shí)施途徑包括：

1)采用無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可取消箭上傳感器末端電纜，傳感器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)重構(gòu)更加便捷。

2)研究無線光通信技術(shù)，避免電磁兼容影響，可提高數(shù)據(jù)無線接入的通信容量、保密性。

3)研究無線供電技術(shù)，簡化箭上供電電纜，推動火箭無纜化設(shè)計(jì)。

4.3 智能制造

在運(yùn)載火箭研制過程中，箭體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)制造占整個運(yùn)載火箭研制成本的20%以上，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)水平的高低直接影響火箭的工作性能。目前，我國運(yùn)載火箭結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品制造基于傳統(tǒng)的加工制造模式，工業(yè)自動化水平不足。而在工業(yè)4.0的制造體系下，國外運(yùn)載火箭廣泛采用先進(jìn)3D打印、CAD/CAM一體化柔性制造等智能制造技術(shù)，我國制造技術(shù)的差距愈發(fā)明顯。

隨著工業(yè)4.0概念的不斷延伸，運(yùn)載火箭的制造業(yè)需要以數(shù)據(jù)化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化技術(shù)為基礎(chǔ)，建立面向未來的制造系統(tǒng)和生產(chǎn)模式，通過三維圖紙下廠制造、數(shù)字化模裝、3D打印、柔性制造，實(shí)現(xiàn)由數(shù)字模型驅(qū)動的“智慧工廠”。通過應(yīng)用數(shù)字化手段構(gòu)建并行協(xié)同與仿真虛擬驗(yàn)證條件，對制造模式及流程進(jìn)行創(chuàng)新，發(fā)展虛擬制造和實(shí)體制造兩條主線，加強(qiáng)仿真技術(shù)在產(chǎn)品研制生產(chǎn)過程中的應(yīng)用，以虛擬制造逐步替代驗(yàn)證性的實(shí)物制造。

以裝備數(shù)字化、工藝數(shù)字化以及流程數(shù)字化提升智能化制造能力，大力推動數(shù)字化加工技術(shù)、數(shù)字化測量技術(shù)以及數(shù)字化裝配技術(shù)發(fā)展，基于三維模型開展工藝、工裝設(shè)計(jì)及過程和數(shù)據(jù)管理，建立適應(yīng)全數(shù)字化傳遞的零件數(shù)字化工藝設(shè)計(jì)、數(shù)字化加工和檢測綜合自動化集成應(yīng)用環(huán)境，縮短產(chǎn)品制造周期，提高數(shù)控綜合應(yīng)用效率，提高結(jié)構(gòu)件制造快速響應(yīng)能力，實(shí)現(xiàn)高生產(chǎn)率、高質(zhì)量和低成本產(chǎn)品數(shù)字化制造的目的。

4.4 智能過程控制

隨著我國航天事業(yè)的高速發(fā)展，運(yùn)載火箭面臨的內(nèi)外部環(huán)境已經(jīng)發(fā)生了深刻的變化，新的形勢與任務(wù)對我們提出了更高的要求，質(zhì)量過程控制作為航天研制的永恒主題，同樣需要創(chuàng)新的手段和方法來滿足當(dāng)前形勢的需求。在智能質(zhì)量過程控制中主要解決兩方面的問題：基于大數(shù)據(jù)的全過程控制，以及質(zhì)量過程控制的信息化水平問題。

4.4.1 基于大數(shù)據(jù)的全過程控制

高度自動化的設(shè)備生產(chǎn)、測試，將產(chǎn)生數(shù)量巨大、種類繁多的測試結(jié)果。傳統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)質(zhì)量管理方法面對這種新場景往往束手無措，不僅對工作量的龐大與繁瑣，更是對于數(shù)量巨大的過程參數(shù)中的關(guān)聯(lián)性很難識別，無法對產(chǎn)品的總體質(zhì)量進(jìn)行全面認(rèn)識和總結(jié)。質(zhì)量離不開數(shù)據(jù)，質(zhì)量的本質(zhì)就是數(shù)據(jù)，無論在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)還是生產(chǎn)環(huán)節(jié)，都依賴大量數(shù)據(jù)，大數(shù)據(jù)技術(shù)可以將精細(xì)化質(zhì)量管控與海量數(shù)據(jù)分析進(jìn)行有機(jī)結(jié)合。智慧火箭的質(zhì)量過程控制將是基于大數(shù)據(jù)的全過程質(zhì)量控制。

基于大數(shù)據(jù)的質(zhì)量過程管理可以完成海量歷史數(shù)據(jù)的特征識別與對比，將不同型號的相同或類似產(chǎn)品的測試結(jié)果進(jìn)行橫向、縱向多維度的數(shù)據(jù)挖掘，包括歷史包絡(luò)分析、門限自動生成、故障模式關(guān)聯(lián)性分析；基于大數(shù)據(jù)技術(shù)進(jìn)行地面測試設(shè)備檢修周期、剩余壽命的預(yù)測性分析，根據(jù)預(yù)測結(jié)果進(jìn)行定期更換或維修，提高維修保障效率；相對于小數(shù)據(jù)時(shí)代的小樣本分析，大數(shù)據(jù)時(shí)代的海量信息挖掘?qū)⒁允录g的相關(guān)關(guān)系代替事件之間的因果關(guān)系，發(fā)掘數(shù)據(jù)背后的潛在規(guī)律性，以數(shù)據(jù)分析結(jié)果作為質(zhì)量管控措施持續(xù)改進(jìn)的依據(jù)。

大數(shù)據(jù)分析對整個設(shè)計(jì)—生產(chǎn)—測試環(huán)節(jié)的快速分析、反饋將大大減少重復(fù)性質(zhì)量問題的發(fā)生，加強(qiáng)舉一反三的有效性，充分利用海量數(shù)據(jù)的價(jià)值，有利于提升產(chǎn)品的整體質(zhì)量水平。

4.4.2 質(zhì)量過程控制的信息化水平

目前質(zhì)量管理信息化建設(shè)工作主要存在如下問題：1)質(zhì)量管理要求的落實(shí)信息化手段亟待加強(qiáng)；2)可靠性設(shè)計(jì)方法的信息化手段建設(shè)亟待加強(qiáng)；3)質(zhì)量管理信息化和設(shè)計(jì)信息化結(jié)合工作亟待加強(qiáng)；4)從設(shè)計(jì)、生產(chǎn)到試驗(yàn)的全過程質(zhì)量控制亟待打通。因此在后續(xù)的質(zhì)量過程信息化建設(shè)中，可主要研究如下幾方面的問題。

1)基于設(shè)計(jì)流程建立系統(tǒng)的質(zhì)量管控體系，過程管理是各類管理工作的基礎(chǔ)，質(zhì)量管控也必須基于過程進(jìn)行，系統(tǒng)地梳理航天型號研發(fā)設(shè)計(jì)流程，以研發(fā)設(shè)計(jì)流程為基礎(chǔ)，將質(zhì)量管理工作嵌入其中是做好質(zhì)量管理信息化建設(shè)工作的基礎(chǔ)。

2)質(zhì)量管理平臺與設(shè)計(jì)平臺信息化建設(shè)相結(jié)合，借助信息化手段促進(jìn)設(shè)計(jì)人員對于質(zhì)量管理規(guī)定的理解，提高工作效果，這是杜絕設(shè)計(jì)研發(fā)活動和質(zhì)量管理“兩張皮”的重要保證。

3)針對專門可靠性分析方法結(jié)合型號實(shí)際情況，不斷開發(fā)相關(guān)分析工具，嵌入到設(shè)計(jì)平臺中，并融入設(shè)計(jì)流程。

4)利用航天型號系統(tǒng)工程優(yōu)勢打通產(chǎn)品研制開發(fā)的全流程，逐步將產(chǎn)品的驗(yàn)收交付工作從文件、合格證轉(zhuǎn)變到電子化數(shù)據(jù)包和實(shí)物相結(jié)合，建立航天型號產(chǎn)品信息化管控系統(tǒng)，從根本上提升質(zhì)量過程控制的能力與水平。

5 結(jié)語

智慧火箭是傳統(tǒng)運(yùn)載火箭與新一代信息技術(shù)的全面有機(jī)結(jié)合，為了實(shí)現(xiàn)智慧火箭設(shè)計(jì)、制造、試驗(yàn)、應(yīng)用的全面躍升，本文提出了“依托一個基礎(chǔ)平臺，打造四個體系”的智慧火箭體系架構(gòu)基本思路。通過對智慧火箭智能研制、智能產(chǎn)品、智能制造以及智能質(zhì)量過程控制的論證和實(shí)施建設(shè)，將滿足后續(xù)運(yùn)載火箭高密度發(fā)射、快速設(shè)計(jì)制造、可靠性提高及市場化競爭的需要。

[1] 劉梅，劉洋，劉曉松.“互聯(lián)網(wǎng)+”對航天傳統(tǒng)制造業(yè)的挑戰(zhàn)與機(jī)遇[J]. 航天工業(yè)管理，2016(1):19-21.

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The Developing Roadmap of Intelligent Launch Vehicle

LI Hong

(China Academy of Launch Vehicle Technology,Beijing 100076,China)

Along with the combining of traditional industry and cutting edge technology of information and manufacturing, the development concepts and work patterns of the research and development of launch vehicle would need to be momentously changed. In this paper, a novel concept of Intelligent Launch Vehicle (ILV) is proposed, which implements data-driven development process and is comprised of intelligent components. The guidelines, principles and goals of ILV are introduced. And then, the construction contents of ILV are discussed, such as intelligent research, intelligent product, intelligent manufacturing and intelligent process control. With the development of ILV, the requirement of high-density launch would be satisfied, and the reliability and market competitiveness would be significantly increased.

Intelligent launch vehicle; Intelligent research;Intelligent product; Intelligent manufacturing; Intelligent process control

2017-02-23；

2017-04-21

李洪(1964-)，男，研究員，中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院院長，主要從事運(yùn)載火箭總體技術(shù)研究。

V421

A

2096-4080(2017)01-0001-07