航天飛行器飛行試驗(yàn)總體構(gòu)型定義技術(shù)研究

劉 瑜，房文林

（中國(guó)飛行試驗(yàn)研究院，西安，710089）

0 引 言

近年來(lái)，隨著多種類(lèi)、多型號(hào)航天飛行器的不斷發(fā)展成熟，航天飛行器飛行試驗(yàn)的需求逐漸增多，作為航天飛行器研制過(guò)程中的重要一環(huán)[1]，飛行試驗(yàn)由于持續(xù)周期長(zhǎng)、構(gòu)型更改頻繁、涉及多單位協(xié)同等特點(diǎn)，構(gòu)型管理十分復(fù)雜，要求對(duì)飛行試驗(yàn)全生命周期過(guò)程的構(gòu)型狀態(tài)進(jìn)行跟蹤和審查，要求試驗(yàn)設(shè)計(jì)構(gòu)型和實(shí)物構(gòu)型清晰可控，追溯關(guān)系清晰可查，以確保試驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確、有效、可信。這些都對(duì)飛行試驗(yàn)構(gòu)型管理提出了更高的要求，而總體構(gòu)型定義作為一種能夠有效簡(jiǎn)化構(gòu)型管理過(guò)程、提高管理效率的技術(shù)方法，在飛行試驗(yàn)中的應(yīng)用尚處于空白。

航天飛行器飛行試驗(yàn)總體構(gòu)型定義技術(shù)由飛行器總體構(gòu)型定義技術(shù)引申而來(lái)。飛行器總體構(gòu)型定義核心是將以往的基于工程圖紙的構(gòu)型管理變?yōu)榛谀K的構(gòu)型管理，通過(guò)推行模塊化產(chǎn)品研發(fā)和數(shù)據(jù)組織管理，提升數(shù)據(jù)的管理和重用效率[2,3]。本文重點(diǎn)針對(duì)航天器型號(hào)試飛設(shè)計(jì)階段試飛總體構(gòu)型定義方法，研究了試飛產(chǎn)品定義及分解、試飛構(gòu)型庫(kù)、精簡(jiǎn)作業(yè)流等關(guān)鍵技術(shù)，為飛行試驗(yàn)設(shè)計(jì)從基于文本向基于模型和模塊轉(zhuǎn)變提供支撐，有利于簡(jiǎn)化構(gòu)型管理過(guò)程，提高試驗(yàn)設(shè)計(jì)效率。

1 航天飛行器飛行試驗(yàn)總體構(gòu)型定義

1.1 航天飛行器飛行試驗(yàn)總體構(gòu)型定義管理對(duì)象

航天飛行器飛行試驗(yàn)總體構(gòu)型定義技術(shù)是在飛行器總體構(gòu)型定義技術(shù)的基礎(chǔ)上借鑒發(fā)展而來(lái)。飛行試驗(yàn)是航天飛行器研制過(guò)程中的重要一環(huán)，隨著基于模型的系統(tǒng)工程（Model Based Systems Engineering，MBSE）在研制過(guò)程中應(yīng)用的不斷深入，飛行試驗(yàn)業(yè)務(wù)模式同樣需要從基于圖紙和文件向基于模型模塊轉(zhuǎn)變，其中，總體構(gòu)型定義是進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)和管理的重要基礎(chǔ)和前提。

飛行試驗(yàn)構(gòu)型管理按照管理對(duì)象性質(zhì)可以分為設(shè)計(jì)構(gòu)型和實(shí)物構(gòu)型。設(shè)計(jì)構(gòu)型包括測(cè)試改裝設(shè)計(jì)構(gòu)型、試飛科目設(shè)計(jì)構(gòu)型、試驗(yàn)任務(wù)設(shè)計(jì)構(gòu)型，實(shí)物構(gòu)型包括測(cè)試改裝實(shí)物構(gòu)型、維護(hù)維修構(gòu)型等。測(cè)試改裝設(shè)計(jì)構(gòu)型、測(cè)試改裝實(shí)物構(gòu)型和維護(hù)維修構(gòu)型的管理對(duì)象與飛行器設(shè)計(jì)制造過(guò)程類(lèi)似，可采用裝配件-組件-零件或系統(tǒng)-設(shè)備的方式進(jìn)行模塊化管理。試飛科目設(shè)計(jì)和試驗(yàn)任務(wù)設(shè)計(jì)則是飛行試驗(yàn)特殊部分，是體現(xiàn)飛行試驗(yàn)設(shè)計(jì)能力，保證飛行器研制效率和質(zhì)量的關(guān)鍵。利用飛行試驗(yàn)總體構(gòu)型定義對(duì)試飛設(shè)計(jì)過(guò)程結(jié)構(gòu)化定義和模塊化分解，從而促進(jìn)試飛設(shè)計(jì)向基于模型的設(shè)計(jì)模式轉(zhuǎn)變，是實(shí)現(xiàn)試飛設(shè)計(jì)過(guò)程數(shù)字化轉(zhuǎn)型的重要手段。

1.2 試飛產(chǎn)品定義及分解

試飛總體構(gòu)型定義技術(shù)可分為試飛產(chǎn)品定義及分解、試飛構(gòu)型庫(kù)、精簡(jiǎn)作業(yè)流等方面。飛機(jī)總體構(gòu)型定義的前提是對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的定義和模塊化分解，形成模塊化的產(chǎn)品分解結(jié)構(gòu)（Product Breakdown Structure，PBS）。由于航天飛行器的研發(fā)是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，研制周期長(zhǎng)，技術(shù)復(fù)雜，產(chǎn)品數(shù)據(jù)龐大，而且不同的人員對(duì)產(chǎn)品數(shù)據(jù)的需求不一致，決定了單一產(chǎn)品結(jié)構(gòu)并不能滿足所有用戶(hù)和不同研發(fā)階段的需要。因此，可以通過(guò)引入“視圖”的概念對(duì)不同的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分解需求進(jìn)行描述。如設(shè)計(jì)視圖、系統(tǒng)視圖、制造視圖等，對(duì)飛行試驗(yàn)來(lái)說(shuō)則應(yīng)建立相應(yīng)的試驗(yàn)視圖。

不同視圖產(chǎn)品分解結(jié)構(gòu)可以采用“頂層-構(gòu)型層-底層”的3 層通用模型。其中，頂層和構(gòu)型層是規(guī)劃產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分解與具體構(gòu)型項(xiàng)定義的環(huán)境，由產(chǎn)品分解的不變節(jié)點(diǎn)構(gòu)成產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹(shù)，枝節(jié)點(diǎn)為構(gòu)型項(xiàng)（Configuration Item，CI）并且是產(chǎn)品的基本組成部分，葉節(jié)點(diǎn)為設(shè)計(jì)模塊（Design Module，DM），是對(duì)應(yīng)構(gòu)型項(xiàng)的實(shí)例與實(shí)現(xiàn)，頂層與構(gòu)型層屬于構(gòu)型管理環(huán)境，主要由總體部門(mén)和型號(hào)管理人員進(jìn)行規(guī)劃和控制。底層即DM 以下層次是產(chǎn)品數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)層，由零件、組件及裝配等數(shù)字化定義結(jié)果組成。DM 下聯(lián)接零組件等詳細(xì)信息，并由設(shè)計(jì)人員負(fù)責(zé)具體的設(shè)計(jì)與管理任務(wù)。

總體構(gòu)型定義側(cè)重頂層和構(gòu)型層的規(guī)劃與管理。對(duì)特定航天飛行器型號(hào)來(lái)說(shuō)，頂層結(jié)構(gòu)是基本不變層。頂層結(jié)構(gòu)用于組織管理同型號(hào)飛行器通用的、共性的信息，頂層可進(jìn)一步細(xì)分，如某項(xiàng)目按照型號(hào)、系列、主部段、部段、ATA 章、ATA 節(jié)、ATA 段進(jìn)行劃分。構(gòu)型層是構(gòu)型管理的核心，有效性管理和工程更改控制等主要在構(gòu)型層完成。為了支持構(gòu)型管理模塊化設(shè)計(jì)、多構(gòu)型和單架次管理，構(gòu)型層可再進(jìn)一步細(xì)分。如構(gòu)型項(xiàng)、關(guān)聯(lián)對(duì)象層和模塊層或構(gòu)型項(xiàng)、構(gòu)型方案和模塊層。

對(duì)飛行試驗(yàn)來(lái)說(shuō)，需要對(duì)每一型航天飛行器試驗(yàn)視圖定義產(chǎn)品分解結(jié)構(gòu)。特別是試驗(yàn)設(shè)計(jì)構(gòu)型需要根據(jù)飛行試驗(yàn)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，進(jìn)行總體構(gòu)型定義。對(duì)照飛機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程，科目相當(dāng)于組件，試驗(yàn)點(diǎn)相當(dāng)于零件，試驗(yàn)單元和試驗(yàn)塊相當(dāng)于架機(jī)的選項(xiàng)和模塊，形成的試飛設(shè)計(jì)分解結(jié)構(gòu)示意如圖1 所示。

圖1 典型試飛設(shè)計(jì)分解結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Typical Breakdown Structure of Flight Test Desig

在圖1 所示的試飛設(shè)計(jì)分解結(jié)構(gòu)中，頂層采用型 號(hào)、階段、專(zhuān)業(yè)進(jìn)行分解，不同型號(hào)飛行器略有差異，同一型號(hào)基本不變。其中階段按需設(shè)置，專(zhuān)業(yè)則可按照飛行試驗(yàn)專(zhuān)業(yè)或飛行器系統(tǒng)專(zhuān)業(yè)進(jìn)行劃分。構(gòu)型層采用項(xiàng)目和試飛科目作為試驗(yàn)構(gòu)型項(xiàng)（Test Configuration Item，TCI）和試驗(yàn)設(shè)計(jì)模塊（Test Design Module，TDM）。底層則由各專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)試驗(yàn)點(diǎn)等科目?jī)?nèi)容作為零組件。

對(duì)于飛行試驗(yàn)實(shí)物構(gòu)型，其分解結(jié)構(gòu)可以參照設(shè)計(jì)制造過(guò)程的分解結(jié)構(gòu)，如頂層結(jié)構(gòu)按照部段進(jìn)行劃分，構(gòu)型層按照CI-DM 來(lái)劃分。

通過(guò)采用模塊化的設(shè)計(jì)，試飛設(shè)計(jì)構(gòu)型與實(shí)物構(gòu)型可以建立清晰可控的關(guān)聯(lián)關(guān)系，如圖2 所示，通過(guò)在試驗(yàn)點(diǎn)、測(cè)試參數(shù)、測(cè)試設(shè)備、機(jī)載系統(tǒng)之間建立追溯關(guān)系，將試飛設(shè)計(jì)構(gòu)型與實(shí)物構(gòu)型進(jìn)行關(guān)聯(lián)，從而建立一條單一、全面且清晰的管理主線。

圖2 設(shè)計(jì)構(gòu)型與實(shí)物構(gòu)型關(guān)聯(lián)Fig.2 Associative Design Configuration and Physical Configuration

1.3 試飛構(gòu)型庫(kù)技術(shù)

構(gòu)型庫(kù)是在飛行器研制過(guò)程中逐步建立的，是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品定義的數(shù)據(jù)源。對(duì)于試飛設(shè)計(jì)構(gòu)型，從專(zhuān)業(yè)和類(lèi)別建立試飛科目庫(kù)、試驗(yàn)點(diǎn)庫(kù)，針對(duì)實(shí)物構(gòu)型，則建立型號(hào)實(shí)物構(gòu)型庫(kù)。在構(gòu)型庫(kù)中應(yīng)包含相關(guān)類(lèi)別的所有選項(xiàng)和模塊，并確定選項(xiàng)與選項(xiàng)、選項(xiàng)與模塊、模塊與零組件直接的關(guān)系。

圖3 所示為以顫振項(xiàng)目顫振科目為例含類(lèi)別、選項(xiàng)、選項(xiàng)方案、模塊、零組件等數(shù)據(jù)對(duì)象的構(gòu)型庫(kù)邏輯關(guān)系。其中，選項(xiàng)為試飛項(xiàng)目，模塊表示試飛科目，當(dāng)某個(gè)選項(xiàng)選中為某一選項(xiàng)方案中時(shí)，即成為CI 項(xiàng)，其下模塊即成為DM。模塊及其零組件本身沒(méi)有有效性，只有當(dāng)其被選入某個(gè)選項(xiàng)且該選項(xiàng)方案被執(zhí)行才有效，有效性記錄在特定構(gòu)型表中，模塊中的試驗(yàn)點(diǎn)等零組件記錄試驗(yàn)點(diǎn)相關(guān)的目的、方法、風(fēng)險(xiǎn)等零組件自身的屬性?xún)?nèi)容。選項(xiàng)為試飛項(xiàng)目，是將模塊聚類(lèi)為內(nèi)部功能相似、之間相互獨(dú)立的集合，以便構(gòu)成滿足不同用戶(hù)需求的不同選擇方案。一個(gè)選項(xiàng)可由一個(gè)模塊或幾個(gè)模塊構(gòu)成。圖3 中，模塊為顫振科目試飛，其零組件為科目包含的試驗(yàn)點(diǎn)，其對(duì)應(yīng)選項(xiàng)為顫振試飛項(xiàng)目，屬于結(jié)構(gòu)專(zhuān)業(yè)。

圖3 型號(hào)構(gòu)型項(xiàng)目庫(kù)邏輯關(guān)系Fig.3 Logical Relationship of Type Configuration Library

1.4 精簡(jiǎn)作業(yè)流

進(jìn)行了產(chǎn)品模塊化分解及定義，并建立構(gòu)型庫(kù)后，即可以實(shí)現(xiàn)精簡(jiǎn)的作業(yè)流。精簡(jiǎn)的作業(yè)流根據(jù)能力分為3 組[4]：基本項(xiàng)作業(yè)流TBS1、選裝項(xiàng)作業(yè)流TBS2和定制項(xiàng)作業(yè)流TBS3。TBS1 是飛行試驗(yàn)基本項(xiàng)內(nèi)容，構(gòu)型始終保持不變，即每個(gè)型號(hào)飛行器均需進(jìn)行的試飛項(xiàng)目，對(duì)應(yīng)的基本模塊為穩(wěn)定模塊，可以直接從構(gòu)型庫(kù)中調(diào)用；TBS2 是為滿足不同試驗(yàn)需求使飛行器某些構(gòu)型發(fā)生變化而形成的選裝項(xiàng)，在需要時(shí)從構(gòu)型庫(kù)中調(diào)用；TBS3 是為滿足試驗(yàn)特殊需求設(shè)置的定制項(xiàng)，需要單獨(dú)設(shè)計(jì)，形成定制模塊，組織實(shí)施。精簡(jiǎn)的作業(yè)流不止提高設(shè)計(jì)模塊本身的重用性，還包括與模塊相關(guān)的文檔、工藝、設(shè)備和保障等方面的資源的重用性的提高。

圖4 為根據(jù)精簡(jiǎn)作業(yè)流，從試飛構(gòu)型庫(kù)中建立選項(xiàng)方案形成特定飛行器構(gòu)型表的過(guò)程示例。

圖4 從試飛構(gòu)型庫(kù)中建立選項(xiàng)方案Fig.4 Build Options from Flight Test Configuration Library

在進(jìn)行型號(hào)試飛總體設(shè)計(jì)時(shí)，首先依據(jù)試飛需求/要求確定選項(xiàng)方案，然后進(jìn)行個(gè)體分配，形成特定構(gòu)型表，特定構(gòu)型表是記錄每型飛行器所有模塊的一份報(bào)表。當(dāng)型號(hào)試飛總體設(shè)計(jì)人員根據(jù)試驗(yàn)要求確定選項(xiàng)方案后，所有與這些選項(xiàng)相關(guān)的模塊加入到特定構(gòu)型表中，與之相關(guān)的零組件也加入到相應(yīng)模塊中?？筛鶕?jù)選項(xiàng)方案和特定構(gòu)型表生成試飛總案和試飛大綱中相關(guān)部分。對(duì)于TBS1 和TBS2 來(lái)說(shuō)，根據(jù)設(shè)計(jì)構(gòu)型與實(shí)物構(gòu)型關(guān)聯(lián)關(guān)系，選項(xiàng)方案和特定構(gòu)型表確定后，飛行器對(duì)應(yīng)的測(cè)試設(shè)備和加改裝模塊也已確定，且可以重用試飛構(gòu)型庫(kù)中的模塊，有利于提高研制效率。

2 飛行試驗(yàn)總體構(gòu)型定義技術(shù)應(yīng)用

隨著數(shù)字化產(chǎn)品定義技術(shù)（Model Based Definition，MBD）的發(fā)展及MBSE 方法在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用，總體構(gòu)型定義技術(shù)發(fā)揮了越來(lái)越重要的作用。在飛行試驗(yàn)過(guò)程中，對(duì)象化、模型化、模塊化的設(shè)計(jì)思想也在逐漸發(fā)展，如基于試驗(yàn)點(diǎn)的試飛設(shè)計(jì)和管控，基于三維裝配模型的加改裝設(shè)計(jì)等實(shí)際上都體現(xiàn)了飛行試驗(yàn)總體構(gòu)型定義的思想方法。

在某型飛行器試飛及其試飛數(shù)字化平臺(tái)建設(shè)過(guò)程中，采用了模塊化設(shè)計(jì)的思想，對(duì)總體構(gòu)型定義的方法進(jìn)行了初步探索和應(yīng)用，如圖5 所示，項(xiàng)目規(guī)劃了頂層、構(gòu)型層和底層的3 級(jí)產(chǎn)品分解結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)試驗(yàn)科目、試驗(yàn)任務(wù)、測(cè)試改裝、維護(hù)維修等模塊產(chǎn)品數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義，建立并清晰展示這些扁平化的設(shè)計(jì)模塊間的邏輯關(guān)系，是對(duì)從基于圖紙和文件向基于模型和模塊的業(yè)務(wù)模式數(shù)字化轉(zhuǎn)型的嘗試。

圖5 某項(xiàng)目產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分解應(yīng)用Fig.5 Application of Product Breakdown Structure for a Project

3 結(jié)束語(yǔ)

未來(lái)的航天飛行器試飛設(shè)計(jì)有采用基于模塊設(shè)計(jì)的趨勢(shì)，本文在此基礎(chǔ)上，提出了飛行試驗(yàn)總體構(gòu)型定義方法，對(duì)其中的關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行了研究。通過(guò)該項(xiàng)技術(shù)的研究和應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)模塊重用性，簡(jiǎn)化構(gòu)型管理過(guò)程，使型號(hào)試飛總體設(shè)計(jì)過(guò)程顯性化、規(guī)范化，提高試飛過(guò)程設(shè)計(jì)和管理效率。