液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)關(guān)鍵技術(shù)

胡海峰，劉 芬，許 婷，林 源

(西安航天動(dòng)力研究所, 陜西 西安710100)

0 引言

新一代信息技術(shù)與制造業(yè)深度融合，正在引發(fā)影響深遠(yuǎn)的產(chǎn)業(yè)變革，形成新的生產(chǎn)方式、產(chǎn)業(yè)形態(tài)、商業(yè)模式和經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)。液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)是運(yùn)載火箭的心臟，航天動(dòng)力水平有多高決定了航天舞臺(tái)有多大[1]。提升液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)水平有兩條途徑，一方面不斷深入分析挖掘液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)工作原理，在掌握規(guī)律基礎(chǔ)上進(jìn)一步提升產(chǎn)品設(shè)計(jì)水平和可靠性；另外一方面，在設(shè)計(jì)工具研發(fā)模式方面開展研究與應(yīng)用，不斷提高發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的效率和質(zhì)量。液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)研制是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，涉及到眾多的分工協(xié)作，傳統(tǒng)的串行模式越來越難以適應(yīng)目前“高效率、高質(zhì)量、高效益”的發(fā)展要求，迫切需要以數(shù)字化并行協(xié)同設(shè)計(jì)為先導(dǎo)開展研制模式的轉(zhuǎn)型升級(jí)。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析

1.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀

NASA在2000年啟動(dòng)了Advanced Engineering Environment[2-3](AEE，先進(jìn)工程環(huán)境)項(xiàng)目，支撐新一代飛行器研發(fā)設(shè)計(jì)驗(yàn)證，通過互聯(lián)網(wǎng)將六大設(shè)計(jì)中心(ARC、GRC、JSC、KSC、LaRC、MSFC)聯(lián)系起來。采用Windchill和ModelCenter平臺(tái)結(jié)合方式，實(shí)現(xiàn)跨地域數(shù)據(jù)集中管理，通過平臺(tái)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)過程管理、設(shè)計(jì)與工程分析工具集成。在發(fā)揮CAX單項(xiàng)學(xué)科仿真、多學(xué)科優(yōu)化技術(shù)(MDO)構(gòu)建的數(shù)字化設(shè)計(jì)工具的基礎(chǔ)上，引入并行設(shè)計(jì)理念，為研發(fā)人員提供了分布、并行、協(xié)同、全流程管理的全新研發(fā)設(shè)計(jì)環(huán)境。

上世紀(jì)90年代初，波音公司全面采用法國(guó)CATIA軟件進(jìn)行777飛機(jī)結(jié)構(gòu)數(shù)字化設(shè)計(jì)[4]。在737-NX項(xiàng)目中波音公司構(gòu)建并推行DCAC/MRM，深化數(shù)字化設(shè)計(jì)和應(yīng)用技術(shù)在其產(chǎn)品研制中的應(yīng)用。在787項(xiàng)目中數(shù)字化環(huán)境由DCAC/MRM改為全新的、適合787研制需要的全球協(xié)同設(shè)計(jì)GCE平臺(tái)[5-6]。通過全球GCE協(xié)同平臺(tái)，波音公司實(shí)現(xiàn)了全球135個(gè)研發(fā)中心、180個(gè)供應(yīng)商的數(shù)字化設(shè)計(jì)協(xié)同，進(jìn)一步提升了產(chǎn)品研發(fā)效率和質(zhì)量。在航天領(lǐng)域，波音參與的研制空天飛機(jī)項(xiàng)目中，全面采用GCE協(xié)同平臺(tái)。通過采用協(xié)同模式，實(shí)現(xiàn)了：實(shí)物產(chǎn)品裝配/工裝干涉降低30%；產(chǎn)品技術(shù)狀態(tài)變更降低40%；裝配時(shí)間降低30%；產(chǎn)品返工率降低50%；維保準(zhǔn)備降低15%。

洛克希德馬丁在JSF飛機(jī)研制過程中，工程師在不同的學(xué)科領(lǐng)域中應(yīng)用不同的建模活動(dòng)，但支持跨學(xué)科領(lǐng)域的集成能力往往是有限的或缺失的。彼此割裂的單學(xué)科建模難以適應(yīng)復(fù)雜裝備系統(tǒng)的研發(fā)要求。因此提出了“數(shù)字化織錦”項(xiàng)目，即通過數(shù)字化的手段，以系統(tǒng)架構(gòu)模型為核心，將不同專業(yè)基于架構(gòu)模型關(guān)聯(lián)起來，形成不同業(yè)務(wù)依賴、學(xué)科交織的仿真協(xié)同[7-11]。洛克希德·馬丁構(gòu)建信息技術(shù)架構(gòu)時(shí)，大量參考了波音DCAC/MRM架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)跨國(guó)虛擬企業(yè)；通過數(shù)字織錦設(shè)計(jì)人員可以訪問任何團(tuán)隊(duì)成員的數(shù)據(jù)而不用管這些產(chǎn)品定義數(shù)據(jù)保存在何處；同時(shí)數(shù)字織錦支持IPD協(xié)同。通過技術(shù)革新實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)時(shí)間縮短50%，制造時(shí)間縮短66%，加工時(shí)間縮短90%，專用零件縮短50%，維護(hù)支持時(shí)間縮短50%等關(guān)鍵目標(biāo)。

在美國(guó)國(guó)防發(fā)展領(lǐng)域，美國(guó)國(guó)防部(DoD)推出了很多開創(chuàng)性的研究，提出了數(shù)字化工程協(xié)作生態(tài)構(gòu)建計(jì)劃(Digital Engineering Strategy)[12-14]，全面推行基于模型的產(chǎn)品數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)。將模型作為產(chǎn)品全生命周期過程的協(xié)同載體，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能模型、設(shè)計(jì)模型、制造模型、管理模型之間數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)。搭建面向異地協(xié)同的環(huán)境，實(shí)現(xiàn)跨地域、跨專業(yè)的產(chǎn)品研發(fā)深度協(xié)同。

1.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

在推進(jìn)“中國(guó)制造2025”的大背景下，我國(guó)航空航天等單位積極推進(jìn)數(shù)字化工程。在實(shí)現(xiàn)單項(xiàng)領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展、基礎(chǔ)理論研究的基礎(chǔ)上，開展了設(shè)計(jì)工具端協(xié)同設(shè)計(jì)環(huán)境的探索嘗試。CAX、PDM等商用軟件已經(jīng)成為航天產(chǎn)品研發(fā)的重要工具，同時(shí)結(jié)合航天產(chǎn)品研制的特點(diǎn)，訂制開發(fā)了一批面向工程應(yīng)用的分析工具，應(yīng)用于數(shù)字化設(shè)計(jì)的信息化條件已經(jīng)初步形成。

新一代運(yùn)載火箭研制總體采用并行協(xié)同設(shè)計(jì)與開發(fā)理念，將數(shù)字樣機(jī)技術(shù)應(yīng)用于運(yùn)載火箭研制全過程[15-16]，其中CZ-7運(yùn)載火箭更以打造“數(shù)字火箭”為愿景，樹立了“設(shè)計(jì)數(shù)字化、模裝數(shù)字化、試驗(yàn)預(yù)示化、生產(chǎn)自動(dòng)化、管理信息化”的目標(biāo)。通過各型號(hào)的持續(xù)改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)以數(shù)字樣機(jī)仿真為手段提前開展設(shè)計(jì)優(yōu)化。上海航天技術(shù)研究院通過采用AVIDM系統(tǒng)[17]，建立了以流程協(xié)同和產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理為建設(shè)重點(diǎn)的應(yīng)用系統(tǒng)，在型號(hào)設(shè)計(jì)階段通過與設(shè)計(jì)工具(MCAD、ECAD)的集成實(shí)現(xiàn)模型數(shù)據(jù)的管理，通過基線、變更、轉(zhuǎn)階段的業(yè)務(wù)過程實(shí)現(xiàn)技術(shù)狀態(tài)的管理。中國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)集團(tuán)有限公司深入推進(jìn)基于模型的廠所協(xié)同[18-19]。2000—2010年在沈陽606所、410廠率先開展數(shù)字化設(shè)計(jì)制造協(xié)同，基于二維工程圖的數(shù)字化設(shè)計(jì)制造協(xié)同，由于金航網(wǎng)建設(shè)等原因沒有開展廣域協(xié)同，各單位分頭建設(shè)，版本、架構(gòu)、數(shù)據(jù)沒有統(tǒng)一。2011年至今，航發(fā)集團(tuán)主要推進(jìn)基于模型的系統(tǒng)工程，采用統(tǒng)一架構(gòu)、統(tǒng)一版本、統(tǒng)一數(shù)據(jù)源模式，推廣應(yīng)用三維建模和MBD技術(shù)，實(shí)現(xiàn)基于三維模型的廣域協(xié)同。

1.3 技術(shù)發(fā)展特點(diǎn)

以NASA、波音公司、洛克希德·馬丁等為代表的國(guó)外軍工企業(yè)將逐步實(shí)現(xiàn)數(shù)字化作為企業(yè)的發(fā)展目標(biāo)。分析國(guó)內(nèi)外軍工領(lǐng)域發(fā)展特點(diǎn)，為適應(yīng)未來工程需求的發(fā)展需求，在軍工領(lǐng)域需要深化數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用，提升在產(chǎn)品研發(fā)過程中研制、管理等分析手段水平。具體特點(diǎn)如下：

1)產(chǎn)品全生命周期內(nèi)協(xié)作研發(fā)：跨地域、跨部門協(xié)同研發(fā)，在產(chǎn)品研制的不同環(huán)節(jié)，采用異地協(xié)同實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的并行研制。

2)產(chǎn)品定義全數(shù)字化模型化表達(dá)：產(chǎn)品從市場(chǎng)需求開始，到設(shè)計(jì)研發(fā)、產(chǎn)品加工、試驗(yàn)測(cè)試、交付維護(hù)等環(huán)節(jié)信息均以數(shù)字化模型化表達(dá)，實(shí)物產(chǎn)品均采用MBD模型表達(dá)。

3)產(chǎn)品數(shù)據(jù)存儲(chǔ)虛擬化：廣泛采用虛擬化技術(shù)為支撐異地協(xié)同，存儲(chǔ)采用云技術(shù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高效管理和數(shù)據(jù)信息的高效服務(wù)。

通過國(guó)內(nèi)外典型軍工企業(yè)產(chǎn)品研發(fā)方面的迭代歷程，CAX、PLM等數(shù)字化技術(shù)經(jīng)過幾十年的發(fā)展已經(jīng)進(jìn)入產(chǎn)品研發(fā)的成熟應(yīng)用階段。通過設(shè)計(jì)工具的革新大幅提升產(chǎn)品研發(fā)的質(zhì)量和效率，通過工具改進(jìn)，促進(jìn)管理、研發(fā)模式升級(jí)。

2 液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字化協(xié)同平臺(tái)架構(gòu)

2.1 液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)協(xié)同設(shè)計(jì)現(xiàn)狀和需求

在積極推進(jìn)落實(shí)航天強(qiáng)國(guó)的背景下，數(shù)字化信息化成為發(fā)展的重要抓手。液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)是一個(gè)高溫、高壓、高轉(zhuǎn)速的熱機(jī)系統(tǒng)，其工作過程涉及眾多專業(yè)領(lǐng)域。研制過程技術(shù)難度大、協(xié)作單位多、批量少、質(zhì)量要求高是其典型特點(diǎn)。圍繞這些技術(shù)特點(diǎn)，針對(duì)不同專業(yè)領(lǐng)域，開發(fā)了對(duì)應(yīng)的分析工具。數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)在液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)中的單點(diǎn)應(yīng)用，解決了產(chǎn)品研發(fā)中的一些瓶頸問題，提升了產(chǎn)品研制水平，縮短了研制周期，保證了研制任務(wù)的正常開展。但是數(shù)字化的研發(fā)體系與之適應(yīng)的管理模式尚未形成，隨著眾多應(yīng)用系統(tǒng)的建設(shè)推進(jìn)，圍繞產(chǎn)品研發(fā)形成的PDM、TDM、MES、ERP等不同應(yīng)用背景構(gòu)建的系統(tǒng)之間的壁壘漸漸凸顯，已經(jīng)制約了產(chǎn)品研發(fā)的效率。因此，需要開展圍繞數(shù)字化研發(fā)體系中協(xié)同場(chǎng)景的研究。通過集成的環(huán)境實(shí)現(xiàn)圍繞產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、試驗(yàn)過程中全生命周期的數(shù)據(jù)管理和技術(shù)狀態(tài)控制。

2.2 液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字化協(xié)同平臺(tái)架構(gòu)

針對(duì)液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、試驗(yàn)、維保等不同階段，面向產(chǎn)品全生命周期，構(gòu)建跨地域、跨專業(yè)的協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)，采用多站點(diǎn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)研制過程中利益相關(guān)方在統(tǒng)一的環(huán)境下開展工作(見圖1)，保證整個(gè)研制過程中數(shù)據(jù)流的高效流轉(zhuǎn)。整個(gè)協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)，包括數(shù)字化設(shè)計(jì)、數(shù)字化工藝、數(shù)字化試驗(yàn)等發(fā)動(dòng)機(jī)研制過程中的主要環(huán)節(jié)，通過協(xié)同方式實(shí)現(xiàn)不同業(yè)務(wù)場(chǎng)景、任務(wù)階段高效協(xié)作，確保質(zhì)量及技術(shù)狀態(tài)控制下，最大限度發(fā)揮并行設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，整個(gè)協(xié)同環(huán)境已基于MBSE的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法、MBD的數(shù)字設(shè)計(jì)方法和MDU虛擬樣機(jī)組織模式，實(shí)現(xiàn)在整個(gè)研發(fā)過程中數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用落地。通過線上IPT、在線視頻方式實(shí)現(xiàn)跨地域協(xié)同。

圖1 基于模型的協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)框架示意圖

3 協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)關(guān)鍵技術(shù)

3.1 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)資源庫構(gòu)建技術(shù)

液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)過程中應(yīng)用了大量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，包括標(biāo)準(zhǔn)件、元器件、原材料等。由于不同的型號(hào)要求不同，需要根據(jù)型號(hào)給出的選用目錄設(shè)計(jì)人員選擇相應(yīng)的信息。

采用信息化手段，破解液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字化研制各階段基礎(chǔ)物料信息的傳遞困難難題，提出了統(tǒng)一編碼方案，通過對(duì)不同類別的產(chǎn)品分類采用唯一編碼標(biāo)示具體的材料、元器件、標(biāo)準(zhǔn)件對(duì)象。在Q/QJA 40.1-5航天型號(hào)配套物資分類與代碼基礎(chǔ)上，擴(kuò)展編碼字節(jié)，實(shí)現(xiàn)對(duì)液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)常用的外購(gòu)件分類碼、外購(gòu)件編碼、供應(yīng)商編碼、型號(hào)目錄編碼、目錄條目標(biāo)識(shí)碼、文檔標(biāo)識(shí)碼、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范標(biāo)識(shí)碼、CAD模型編碼、數(shù)據(jù)字典代碼統(tǒng)一管理。建立了統(tǒng)一的設(shè)計(jì)選用數(shù)據(jù)庫——設(shè)計(jì)資源庫管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字化設(shè)計(jì)過程中原材料、標(biāo)準(zhǔn)件、元器件的統(tǒng)一、規(guī)范、動(dòng)態(tài)管理，確保產(chǎn)品數(shù)據(jù)的規(guī)范性、一致性。制定了統(tǒng)一編碼相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)件三維離散化模型庫、Altium電氣符號(hào)庫、封裝庫等元器件庫，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化研制各階段設(shè)計(jì)信息一致、規(guī)范的有效傳遞。構(gòu)建的選用組件與PDM系統(tǒng)集成，簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)過程，提高工作效率。

3.2 基于MBD的設(shè)計(jì)建模及管理技術(shù)

傳統(tǒng)的液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)論證過程，設(shè)計(jì)人員首先按照總體要求的發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)指標(biāo)，開展發(fā)動(dòng)機(jī)方案論證，論證完成之后開展產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以二維工程圖的模式將設(shè)計(jì)意圖表達(dá)出來，根據(jù)質(zhì)量體系要求采用三級(jí)審簽?zāi)Ｊ?，不同角色人員依次完成對(duì)技術(shù)文件的校對(duì)、審核、會(huì)簽、標(biāo)審，最后通過批準(zhǔn)，將二維工程圖曬蘭下發(fā)，廠里依據(jù)二維工程圖完成產(chǎn)品加工所需的工藝分解、備料、檢驗(yàn)等過程。產(chǎn)品加工完成之后根據(jù)要求開展不同產(chǎn)品的試驗(yàn)，通過試驗(yàn)驗(yàn)證產(chǎn)品性能?？梢钥闯?，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)模式以紙質(zhì)介質(zhì)為載體進(jìn)行信息交互，且整個(gè)研制過程是一個(gè)串行模式(見圖2)。圍繞液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)全生命周期內(nèi)生成的數(shù)據(jù)的組織管理分布在不同的應(yīng)用系統(tǒng)中，限制了產(chǎn)品數(shù)據(jù)的效能發(fā)揮。

圖2 傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)審簽過程示意圖

MBD(Model Based Definition)基于模型定義技術(shù)，是將產(chǎn)品全生命周期內(nèi)所有相關(guān)設(shè)計(jì)模型尺寸定義、工藝過程描述、檢驗(yàn)測(cè)試要求等信息附加在三維幾何模型中的數(shù)字化應(yīng)用方法。通過該技術(shù)，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)的二維工程圖表達(dá)產(chǎn)品信息向以三維模型為載體的產(chǎn)品信息定義轉(zhuǎn)變，通過帶注釋的三維數(shù)字模型成為設(shè)計(jì)、仿真、制造過程信息的主載體，實(shí)現(xiàn)整個(gè)設(shè)計(jì)過程全數(shù)字化，驅(qū)動(dòng)并加快產(chǎn)品開發(fā)過程的業(yè)務(wù)變革。圍繞MBD模型定義，國(guó)外定義了ASMEY14.41數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)[20]。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)航天產(chǎn)品的主要特點(diǎn)，訂制化地推出了符合工程實(shí)際的相關(guān)管理要求，具體包括建模過程中的坐標(biāo)定義、模型圖層設(shè)置、三維建模標(biāo)準(zhǔn)、標(biāo)注規(guī)范、著色標(biāo)準(zhǔn)、裝配標(biāo)準(zhǔn)等，指導(dǎo)液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)基于MBD三維建模的高效開展。

在液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)協(xié)同研制過程中，推廣應(yīng)用MBD技術(shù)通過三維模型完整地表達(dá)設(shè)計(jì)信息、工藝要求，在各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)要求的前提下，開發(fā)符合液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)特點(diǎn)的標(biāo)注工具，通過訂制PMI模式，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品加工信息高效在設(shè)計(jì)、工藝之間交互等，從全流程中提升模型的應(yīng)用。通過PDM技術(shù)，實(shí)現(xiàn)面向產(chǎn)品全生命周期內(nèi)的信息全管理。

采用MBD設(shè)計(jì)方式，全三維建模，開展三維模型設(shè)計(jì)，三維模型相關(guān)人員結(jié)合自身專業(yè)特點(diǎn)和職責(zé)分工，組織開展線上IPT，對(duì)三維模型進(jìn)行審查，提出修改意見，結(jié)束后自動(dòng)根據(jù)角色簽署；待批準(zhǔn)后，進(jìn)行三維模型電子分發(fā)(見圖3)。通過骨架模型將結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求從總體向組件傳遞，同時(shí)采用輕量化模型實(shí)現(xiàn)總裝過程中大模型的復(fù)雜零件裝配消耗計(jì)算機(jī)資源等問題。

圖3 基于三維數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)流程

3.3 統(tǒng)一數(shù)據(jù)源管理技術(shù)

在發(fā)動(dòng)機(jī)研制過程中，引入MBSE設(shè)計(jì)理念，實(shí)現(xiàn)研發(fā)過程中不同應(yīng)用階段交付物模型表達(dá)。通過實(shí)踐，采用需求模型、架構(gòu)模型、參數(shù)模型、系統(tǒng)模型、產(chǎn)品模型、仿真模型、工藝模型、測(cè)試性模型能夠完整地表達(dá)液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品研制過程中的所有數(shù)據(jù)信息(見圖4)。

圖4 研制過程數(shù)據(jù)流示意圖

眾多的模型如何統(tǒng)一組織，通過實(shí)踐采用BOM模式實(shí)現(xiàn)管理。BOM即產(chǎn)品物料清單，貫穿于液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)方案論證、詳細(xì)設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)、產(chǎn)品加工、測(cè)試試驗(yàn)、交付維護(hù)直至產(chǎn)品退役等過程。液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品全生命周期內(nèi)容在不同應(yīng)用階段不同專業(yè)有眾多的數(shù)據(jù)產(chǎn)生，這些數(shù)據(jù)需要通過結(jié)構(gòu)化手段實(shí)現(xiàn)集中統(tǒng)一管理。因此，在構(gòu)建液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)過程中明確以零件對(duì)象為最小的管理單元，該管理單元下可以包括三維模型(材料屬性性能、PMI標(biāo)注信息等)、工藝信息、仿真信息、質(zhì)量信息、試驗(yàn)信息等元模型。通過XML技術(shù)實(shí)現(xiàn)異構(gòu)數(shù)據(jù)的綜合管理。在不同的階段，通過BOM的轉(zhuǎn)化實(shí)現(xiàn)在不同的環(huán)境數(shù)據(jù)的交互。

業(yè)務(wù)流程的所有階段，都與過程設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)管理模塊有數(shù)據(jù)交互，數(shù)據(jù)管理模塊需要考慮數(shù)據(jù)雜、數(shù)據(jù)量大、頻繁交互、即時(shí)保存。通過對(duì)液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)研制過程分析，面向業(yè)務(wù)對(duì)象的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及其關(guān)系模型，包括數(shù)據(jù)類型及其屬性，保證數(shù)據(jù)的一致性。具體通過基于XML的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)的映射機(jī)制，主要解決設(shè)計(jì)參數(shù)與仿真參數(shù)互傳互通的交換規(guī)范或中性文件格式。燃?xì)獍l(fā)生器為BOM中的Item條目，其下關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)模型、仿真結(jié)果。

通過分析以業(yè)務(wù)過程為主線，采用BOM關(guān)聯(lián)不同設(shè)計(jì)階段形成的各類數(shù)據(jù)。采用分層管理思路，構(gòu)建樹狀結(jié)構(gòu)來管理不同層次之間數(shù)據(jù)。最后采用結(jié)構(gòu)化的內(nèi)存文件映射技術(shù)使用內(nèi)存與物理文件的映射，大量減少I/O操作，解決了訪問速度、即時(shí)保存、分類處理的問題。

3.4 大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及分析技術(shù)

液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)研制過程中，需要開展設(shè)計(jì)建模、仿真模擬、試驗(yàn)驗(yàn)證等環(huán)節(jié)，整個(gè)過程中形成眾多的數(shù)據(jù)，同時(shí)需要提供高效的計(jì)算能力。底層通過高性能計(jì)算服務(wù)器存儲(chǔ)等基礎(chǔ)設(shè)備為整個(gè)協(xié)同設(shè)計(jì)提供三維建模、數(shù)值模擬仿真硬件條件(見圖5)?；贖adoop生態(tài)組件進(jìn)行整合優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)性能多源數(shù)據(jù)流式計(jì)算、統(tǒng)一動(dòng)態(tài)分類存儲(chǔ)、統(tǒng)一運(yùn)維、數(shù)據(jù)安全的一站式大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)支撐?；诋a(chǎn)品BOM，采用分布式模式管理模型數(shù)據(jù)。同時(shí)通過MPI高算架構(gòu)實(shí)現(xiàn)并行計(jì)算管理和調(diào)度計(jì)算機(jī)集群，為三維建模和仿真數(shù)值模擬計(jì)算支撐。采用時(shí)序數(shù)據(jù)庫方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)并發(fā)的試驗(yàn)緩變、速變數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)在線分析。

圖5 大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)平臺(tái)組織示意圖

液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)過程中不同專業(yè)、不同階段形成不同的數(shù)據(jù)文件，其中有結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)類型如三維模型BOM，結(jié)構(gòu)化的三單，也有非結(jié)化的文件，如方案論證報(bào)告、仿真計(jì)算的數(shù)據(jù)文件等。為了支撐協(xié)同設(shè)計(jì)，采用分布式存儲(chǔ)模式對(duì)不同類別的差異化數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。數(shù)據(jù)采用分布式管理；具體的非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，通過Hadoop提供的集群功能接口，完善文件管理功能；針對(duì)三維模型等結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，通過構(gòu)建數(shù)據(jù)邏輯映射表，在HDFS的上層采用開源工具Hive和HBase實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)管理。

3.5 多站點(diǎn)協(xié)同技術(shù)

通過對(duì)目前液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)研制過程中涉及的協(xié)同單位、主要的功能進(jìn)行梳理?；贘2EE構(gòu)建MVC模式的液體動(dòng)力系統(tǒng)C/S模式設(shè)計(jì)協(xié)調(diào)環(huán)境。分析目前協(xié)同涉及的部門，采用多站點(diǎn)協(xié)同模式?；赪eb消息服務(wù)方式實(shí)現(xiàn)各站點(diǎn)之間信息通信，服務(wù)器Web Portal和客戶端通過HTTP協(xié)議服務(wù)形式，通過相應(yīng)的Servlet調(diào)用相應(yīng)應(yīng)用對(duì)象模型。協(xié)同過程中不同應(yīng)用站點(diǎn)數(shù)據(jù)采用復(fù)制模式，通過權(quán)限審核機(jī)制對(duì)最終狀態(tài)進(jìn)行確認(rèn)保存。實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、試驗(yàn)等主要液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品全生命周期的參與人員能夠異地協(xié)同辦公，提高設(shè)計(jì)效率，保證產(chǎn)品狀態(tài)，嚴(yán)控產(chǎn)品技術(shù)狀態(tài)。實(shí)現(xiàn)協(xié)同的技術(shù)途徑如圖6所示。

圖6 多站點(diǎn)異地系統(tǒng)協(xié)同示意圖

在設(shè)計(jì)工藝協(xié)同過程中，采用MDU虛擬樣機(jī)技術(shù)，根據(jù)液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)，定義三維模型成熟度標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)模型的不同成熟度結(jié)合流程驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)在不同的階段工藝與設(shè)計(jì)的協(xié)同。針對(duì)異地特點(diǎn)，構(gòu)建了線上IPT系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)多人異地在線圍繞相同模型協(xié)同。建立仲裁機(jī)制，確保產(chǎn)品面向制造設(shè)計(jì)。整個(gè)協(xié)同過程中綜合任務(wù)計(jì)劃協(xié)同、業(yè)務(wù)流程協(xié)同、過程數(shù)據(jù)協(xié)同等核心業(yè)務(wù)。

4 結(jié)語

近年來，隨著云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等信息化技術(shù)新理念的迅猛發(fā)展，未來液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)研制模式將是傳統(tǒng)液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)與新一代信息技術(shù)的重塑性融合。在型號(hào)研制過程中，協(xié)同研發(fā)是技術(shù)發(fā)展的方向，同時(shí)也是適應(yīng)未來航天強(qiáng)國(guó)“三高”發(fā)展的重要措施。

本文針對(duì)液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)研制工程需求，提出了協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)框架。分析了協(xié)同平臺(tái)中的五項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，提出了相應(yīng)解決途徑。通過工程實(shí)踐，構(gòu)建了液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)協(xié)同平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了基于三維模型的設(shè)計(jì)工藝協(xié)同，科研生產(chǎn)全過程的數(shù)據(jù)信息整合和多維度監(jiān)控。通過平臺(tái)提升了型號(hào)研制管控精細(xì)化程度，推進(jìn)了液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)模式由“任務(wù)型”向“能力型”轉(zhuǎn)變。通過設(shè)計(jì)工具革新，提升液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)水平，支持液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)通用化、系列化、模塊化、體系化設(shè)計(jì)。

以信息化技術(shù)為核心應(yīng)用的協(xié)同技術(shù)目前正處于高速發(fā)展時(shí)期，技術(shù)發(fā)展?fàn)恳O(shè)計(jì)革新，設(shè)計(jì)革新反向促進(jìn)技術(shù)發(fā)展，二者相互耦合。這也導(dǎo)致液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字化設(shè)計(jì)體系是一個(gè)螺旋迭代的過程。本文提出的體系架構(gòu)模式和嘗試，仍需在工程驗(yàn)證過程中不斷完善和拓展，以期適應(yīng)液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展需求。