運載火箭發(fā)射場數(shù)字合練技術

李 澍，郭金剛，張立洲，聶蓉梅，李 莉

（北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京，100076）

0 引言

數(shù)字孿生是以數(shù)字化方式創(chuàng)建物理實體的虛擬模型，借助數(shù)據(jù)模擬物理實體在現(xiàn)實環(huán)境中的行為[1]。數(shù)字孿生體是指與現(xiàn)實世界中的物理實體完全對應和一致的虛擬模型，可模擬自身在現(xiàn)實環(huán)境中的行為和性能，也稱為數(shù)字孿生模型[2]。數(shù)字孿生作為實現(xiàn)物理世界與信息世界的互聯(lián)互通和智能化操作的一種有效方式，近年來在越來越多的領域得到關注及實施[3]。

運載火箭數(shù)字合練是基于數(shù)字孿生技術開展火箭在發(fā)射場測試發(fā)射全流程的“虛擬演習”，是運載火箭、地面設備、發(fā)射場三方基于數(shù)字孿生模型開展的虛擬對接。數(shù)字發(fā)射流程可以部分替代實物產(chǎn)品實現(xiàn)發(fā)射場廠房設施布局優(yōu)化、接口協(xié)調(diào)、操作流程仿真及人機工程分析，驗證火箭與發(fā)射場設計的正確性和合理性、各系統(tǒng)接口設計協(xié)調(diào)性、關鍵產(chǎn)品的可裝配性及維修性，提前暴露并解決各種薄弱環(huán)節(jié)。

本文以開展發(fā)射場數(shù)字合練仿真驗證為目標，攻克了包括多源模型處理技術、大模型輕量化技術、基于三維環(huán)境的虛擬布局技術和地面操作合理性驗證與評估技術等若干關鍵技術。并結合數(shù)字化仿真特點，設計了針對火箭合練的數(shù)字化仿真項目，實現(xiàn)了火箭的數(shù)字化合練，并取得了極大成效。

1 關鍵技術

運載火箭數(shù)字合練流程所需的三維模型量龐大，完全按照1：1比例驗證所有的接口和流程，在工程實踐上無法實現(xiàn)，時間上不允許，代價上不能接受，技術上也難以實現(xiàn)。因此，大模型輕量化的問題是在開展試驗之前首先需要解決的關鍵問題。綜合分析得出，通過多源模型處理與大模型輕量化技術、虛擬布局技術、運動仿真技術[4]、虛擬裝配技術[5]、人機工程技術、流程仿真技術、虛擬維修技術[6,7]的綜合運用，可以實現(xiàn)對數(shù)字孿生發(fā)射流程的全面考核，運載火箭數(shù)字合

練流程中涉及的關鍵技術主要包括以下幾個方面。

1.1 多源模型處理技術

火箭、地面設備和發(fā)射場設施采用的數(shù)字化設計軟件與建模方法各不相同，有Pro/E、UG、3DMAX、STP、CATIA、DELMIA等多種格式。不同來源的三維模型間存在著較大差異，必須建立一種適用于多源異構模型處理方法，確保設計模型轉(zhuǎn)換為仿真可接收的模型。應用相似理論方法，從不同源模型目前可以通過兩種途徑轉(zhuǎn)換為數(shù)字孿生發(fā)射流程可接受的模型，圖1顯示了模型由3DMAX格式轉(zhuǎn)換為DELMIA格式效果。

圖13 DMAX格式轉(zhuǎn)換為DELMIA格式Fig.1 Converting 3D MAX Format to DELMIA Format

1.2 大模型輕量化技術

數(shù)字孿生發(fā)射流程涉及火箭、地面設備和發(fā)射場涉及多個系統(tǒng)，模型數(shù)據(jù)量巨大，即使在高性能計算機中，顯示速度一般也較慢，直接操作難以實現(xiàn)。通過研究，可以通過冗余模型清理、收縮包絡簡化處理以及建模精度分級控制等3種方法實現(xiàn)輕量化，見圖2。

圖2 輕量化前后模型對比Fig.2 Model Comparison Before and After Lightweight

1.3 基于三維環(huán)境的虛擬布局技術

運載火箭在活動發(fā)射平臺上前端設備間內(nèi)安裝火箭多個系統(tǒng)地面設備，房間內(nèi)產(chǎn)品多、空間緊張、接口復雜。依靠傳統(tǒng)圖紙協(xié)調(diào)的方式無法準確得到地面電纜敷設路徑及長度信息。因此，需要突破傳統(tǒng)設計方法，基于三維環(huán)境提前對發(fā)射臺進行虛擬布局預示與優(yōu)化，實現(xiàn)精細化設計，見圖3。

圖3 地面設備及電纜虛擬布局Fig.3 Virtual Layout of Ground Equipment and Harness

1.4 地面操作合理性驗證與評估技術

火箭在發(fā)射場有部分總裝保留工序操作，如伺服機構、電池、火工品等上箭安裝及維修檢查等。利用裝配仿真分析方法，加入數(shù)字人體模型對輕量化裝配模型進行裝配過程模擬分析，從工藝性和可操作性的角度對方案的合理性和正確性進行驗證，確保實際的裝配過程可以順利進行，特別適用于空間狹小、儀器安裝繁多、人員操作困難的關鍵艙段、關鍵產(chǎn)品，如圖4所示。

圖4 捆綁連桿操作簡圖Fig.4 Operation Sketch of Tied Connecting Rod

2 數(shù)字合練流程設計

在解決仿真關鍵技術的基礎上，通過制定數(shù)字合練整體目標，進而明確驗證內(nèi)容，最終確定仿真項目。

在設計數(shù)字合練流程時將目標制定為適應火箭研制和發(fā)射場建設同步開展造成的系統(tǒng)間接口多、周期緊的問題，在火箭和發(fā)射場正式產(chǎn)品見面前開展數(shù)字合練流程設計、分析和優(yōu)化，可以確保系統(tǒng)間接口設計、協(xié)調(diào)與研制順利開展，減少產(chǎn)品正式見面時出現(xiàn)嚴重不協(xié)調(diào)問題。

實施數(shù)字合練流程的主要驗證內(nèi)容包括：a）驗證運載火箭、地面設備及發(fā)射場之間的系統(tǒng)協(xié)調(diào)性；b）驗證運載火箭在發(fā)射場的操作流程，分析流程的全面性、合理性、可行性；c）驗證操作可達性及考核操作安全空間。

根據(jù)上述目標和驗證內(nèi)容，結合發(fā)射場主要測發(fā)流程和工作內(nèi)容，數(shù)字合練流程設計項目如下：

a）水平廠房數(shù)字合練流程項目包括：廠房布局及操作流程，單元測試間產(chǎn)品布局及操作流程等。

b）垂直總裝測試廠房數(shù)字合練流程項目包括：火箭，活動發(fā)射平臺與廠房接口協(xié)調(diào)驗證，火箭總裝流程仿真，箭體運輸?shù)跹b流程仿真，伺服機構吊裝及更換流程仿真，尾翼吊裝流程仿真等。

c）衛(wèi)星加注及合罩廠房數(shù)字合練流程項目包括：廠房布局、接口及操作流程仿真等。

d）發(fā)射區(qū)數(shù)字合練流程項目包括：火箭轉(zhuǎn)場流程仿真，火箭、活動發(fā)射平臺與發(fā)射工位接口協(xié)調(diào)驗證，火箭在發(fā)射區(qū)操作流程仿真，發(fā)射工位總裝流程仿真，瞄準間布局及接口協(xié)調(diào)驗證，瞄準通視分析，發(fā)射工位應急處理操作流程仿真等。

3 數(shù)字合練仿真驗證

根據(jù)之前制定的仿真項目，通過仿真手段搭建了水平廠房、垂直總裝測試廠房、衛(wèi)星加注和合罩廠房、發(fā)射陣地以及轉(zhuǎn)載5個仿真場景，對于合練流程開展全面仿真驗證，針對各場景仿真的實施細節(jié)如下。

3.1 水平廠房

火箭在水平廠房完成轉(zhuǎn)載、檢查和單元測試，箭體在廠房內(nèi)采用吊裝轉(zhuǎn)載方式。水平廠房數(shù)字合練流程見圖5。

圖5 水平廠房數(shù)字合練流程Fig.5 Digital Launch Flow of Horizontal Workshop

水平廠房數(shù)字合練包括：

a）箭體卸車轉(zhuǎn)載接口協(xié)調(diào)性驗證。針對火箭各級箭體的卸車、轉(zhuǎn)載過程，運用虛擬布局技術、流程仿真技術驗證設計是否合理。

b）廠房內(nèi)布局與轉(zhuǎn)運方案驗證及優(yōu)化。運用虛擬布局技術對各種可行的布局方案以及轉(zhuǎn)運方案進行分析，選取最優(yōu)的箭體停放布局與轉(zhuǎn)運方案，減少產(chǎn)品吊裝次數(shù)，提高產(chǎn)品轉(zhuǎn)運的安全性和可靠性。

3.2 垂直總裝測試廠房

火箭在垂直總裝測試廠房內(nèi)完成活動發(fā)射平臺恢復、測試，全箭吊裝，箭上儀器設備安裝，星箭對接，分系統(tǒng)測試及全箭綜合測試，轉(zhuǎn)場準備等工作。垂直總裝測試廠房數(shù)字合練包括：

a）發(fā)射臺與廠房間的協(xié)調(diào)性驗證?；跀?shù)字樣機檢查活動發(fā)射平臺在廠房內(nèi)的相對位置，擺桿擺開位置以及擺動過程中與廠房的位置關系，驗證發(fā)射臺與垂直廠房的協(xié)調(diào)性。

b）廠房各層工作平臺與箭體的活動間隙檢查?？紤]箭體上各突起物，基于數(shù)字樣機檢查活動工作平臺合攏后箭體與平臺間的干涉或間隙過小的情況；考慮各層平臺打開或合攏的工作狀態(tài)，檢查動態(tài)過程中箭體與平臺間的干涉或間隙過小的情況。

c）活動工作平臺高度的協(xié)調(diào)性驗證及優(yōu)化?；跀?shù)字樣機檢查各層活動工作平臺之間是否干涉，確定合理的平臺高度。

d）各級箭體的起吊對接操作流程分析。對箭體與翻轉(zhuǎn)吊具間的接口協(xié)調(diào)性進行驗證，檢查翻轉(zhuǎn)過程中吊具與箭體之間的活動間隙，發(fā)現(xiàn)并解決吊裝中箭體與活動發(fā)射平臺以及垂直廠房間可能出現(xiàn)的不協(xié)調(diào)情況。

e）發(fā)射場總裝保留工序的操作協(xié)調(diào)性分析。運用人機工程技術驗證包括捆綁機構拆裝、關鍵儀器設備拆裝、各級伺服機構拆裝、尾翼安裝等在內(nèi)的靶場操作。

垂直總裝測試廠房數(shù)字發(fā)射流程見圖6。

圖6 垂直總裝測試廠房數(shù)字發(fā)射流程Fig.6 Digital Launch Flow of Vertical Assembly and Test Plant

3.3 衛(wèi)星加注及合罩廠房

火箭整流罩在衛(wèi)星加注及合罩廠房內(nèi)完成停放、準備及合罩工作。合罩廠房數(shù)字合練包括：

a）整流罩在合罩廠房內(nèi)空間布局及接口協(xié)調(diào)性驗證。運用虛擬裝配技術、運動仿真技術驗證接口是否匹配、設計是否合理。

b）合罩流程驗證與優(yōu)化。對于合罩流程，根據(jù)整流罩產(chǎn)品及工裝的幾何特征、精度特征，運用流程仿真技術模擬合罩對接過程，確定合理順序。

c）合罩操作可行性分析與人機驗證。對于合罩過程中的操作，運用人機工程技術分析人工操作是否可行，操作時需要工裝設備的數(shù)量和規(guī)格。

合罩廠房數(shù)字發(fā)射流程見圖7。

圖7 合罩廠房數(shù)字發(fā)射流程Fig.7 Digital Launch Flow of Cowling Covered Workshop

3.4 發(fā)射區(qū)

火箭在發(fā)射區(qū)主要完成功能檢查，有效載荷、火箭接口檢查、聯(lián)合檢查、瞄準、加注和發(fā)射工作，發(fā)射區(qū)數(shù)字合練包括：

a）勤務塔與發(fā)射臺活動間隙檢查。包括發(fā)射區(qū)回轉(zhuǎn)平臺及活動發(fā)射平臺擺桿合并、打開狀態(tài)下的活動間隙檢查?；跀?shù)字樣機驗證發(fā)射陣地、活動發(fā)射平臺以及箭體間的間隙是否滿足要求。

b）發(fā)射區(qū)工作平臺高度的協(xié)調(diào)性驗證及優(yōu)化?；跀?shù)字樣機檢查各層活動工作平臺之間是否干涉，在保證滿足平臺上所有操作要求的情況下，確定合理的平臺高度。

c）瞄準及天線通視性分析。采用虛擬人的視域仿真和分析方法開展通視性分析，包括瞄準通視性、地面天線與箭上設備間的信號通過性分析。

d）加注供氣接口協(xié)調(diào)性驗證。運用流程仿真技術，對發(fā)射場以及發(fā)射支持系統(tǒng)的各供氣管路的接口進行驗證，分析管路間以及箭地間是否存在接口不協(xié)調(diào)問題。

e）應急處理操作流程仿真。運用裝配仿真技術對發(fā)射工位應急處理操作流程進行驗證。

3.5 垂直轉(zhuǎn)運

從垂直總裝測試廠房到發(fā)射陣地的轉(zhuǎn)運過程，也是數(shù)字孿生發(fā)射流程的設計內(nèi)容，具體包括轉(zhuǎn)場準備操作流程、活動發(fā)射平臺測試運輸工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換以及垂直運輸過程的分析。由于缺少有效的技術手段，目前風場、振動、軌道分析驗證方法還處于研究探索階段。

3.4 仿真結果

某運載火箭在研制中將數(shù)字樣機技術和計算機仿真技術有機結合起來，通過虛擬布局技術、虛擬裝配技術、運動仿真技術的深入運用，構建數(shù)字化的驗證手段和環(huán)境，實現(xiàn)全流程1∶1的精細化流程設計和優(yōu)化。運載火箭數(shù)字孿生發(fā)射流程建立了一種基于三維模型的新型協(xié)調(diào)機制、設計手段和分析方法，基于數(shù)字孿生技術開展接口協(xié)調(diào)、優(yōu)化及驗證，提前暴露并解決了大量存在及潛在的不協(xié)調(diào)問題，減少了實物產(chǎn)品見面時由于不協(xié)調(diào)問題對研制進度的影響，也為火箭與發(fā)射場接口文件制定提供了有力依據(jù)。

4 結論

運載火箭數(shù)字化合練在新型中型運載火箭工程實踐中取得應用實效的同時，對后續(xù)型號研究工作開展形成了3點啟示：

a）通過數(shù)字孿生技術獲得各系統(tǒng)產(chǎn)品設計的相關信息，可以有效減少實物產(chǎn)品見面的盲目性和不確定因素，增強頂層設計和型號決策的合理性和科學性。

b）模型的精確性是數(shù)字合練成功的關鍵和重要保證，準確的數(shù)字樣機模型決定了試驗結果的有效性。因此必須開展各系統(tǒng)模型建模的精確性、與實物產(chǎn)品一致性以及與設計文件一致性的確認。

c）目前數(shù)字發(fā)射流程的驗證對象僅限于接口幾何尺寸協(xié)調(diào)、空間布局驗證、流程可實現(xiàn)性和合理性、人機工效分析，在風場、振動、軟管接口、電連通性分析等方面的技術基礎都相對薄弱，后續(xù)需加強相關技術研究，進一步拓展數(shù)字發(fā)射流程的專業(yè)覆蓋領域。

基于三維數(shù)字樣機，采用虛擬仿真技術，開展運載火箭數(shù)字合練，在運載火箭研制歷史上尚屬首次。從應用成效來看，數(shù)字合練對火箭系統(tǒng)、發(fā)射場系統(tǒng)提前進行接口協(xié)調(diào)與設計驗證，對于裝備研制過程中不具備實物條件，或?qū)嵨镌囼炿y以驗證的情況，可以在不消耗實物資源的前提下，以最小代價提前發(fā)現(xiàn)結構接口或流程不協(xié)調(diào)問題，并將問題解決在設計環(huán)節(jié)，縮短了研制周期，降低了質(zhì)量風險。后續(xù)還可以進一步根據(jù)型號需求，充分運用數(shù)字孿生技術手段，為持續(xù)提升航天發(fā)射綜合能力發(fā)揮重要作用。