智能技術(shù)在火箭管路系統(tǒng)研制中的應(yīng)用研究

史淑娟， 王儒文， 劉 江， 曹文利

(北京宇航系統(tǒng)工程研究所，深低溫技術(shù)研究北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100076)

0 引言

1956年，在達(dá)特茅斯學(xué)院的學(xué)術(shù)討論會(huì)上，麥卡錫等人提出了人工智能學(xué)科，并將其定義為“讓機(jī)器做本來(lái)需要人的智能才能做到的事情的一門科學(xué)”[1]。人工智能在近20年來(lái)獲得了迅速發(fā)展，已經(jīng)向科技、醫(yī)療、交通、教育等眾多領(lǐng)域的諸多環(huán)節(jié)滲透。人工智能是在自動(dòng)感知外部信息數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，通過(guò)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行分析，并最終做出決策的信息系統(tǒng)。具有獲取知識(shí)、分析理解、判斷決策的能力，這些能力將開發(fā)用于延續(xù)和拓展人的智慧，從而更好地服務(wù)于眾多領(lǐng)域。

火箭管路系統(tǒng)研制是一項(xiàng)綜合流體、機(jī)械、結(jié)構(gòu)、力學(xué)、熱學(xué)等眾多學(xué)科的系統(tǒng)工程， 在其設(shè)計(jì)、制造和裝配過(guò)程中，均涉及到多學(xué)科的耦合，但較多依賴工程經(jīng)驗(yàn)。 “工業(yè)4.0”的來(lái)襲和人工智能技術(shù)在國(guó)內(nèi)外各行業(yè)的快速發(fā)展應(yīng)用，為火箭管路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、制造、裝配等環(huán)節(jié)的效率提升，提供了大數(shù)據(jù)分析和學(xué)科優(yōu)化的理論依據(jù)。人工智能在知識(shí)獲取分析方面的強(qiáng)大能力，將為火箭管路系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)、專家經(jīng)驗(yàn)系統(tǒng)建立和決策等提供有力的支撐，同時(shí)也將對(duì)管路系統(tǒng)制造和裝配等環(huán)節(jié)，提供全面認(rèn)知的能力，通過(guò)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)，最終實(shí)現(xiàn)工程的細(xì)化管控。

本文通過(guò)對(duì)智能技術(shù)在火箭管路系統(tǒng)布局、選材、制造、檢測(cè)、驗(yàn)證和裝配維護(hù)中的綜合分析，重點(diǎn)對(duì)智能技術(shù)在火箭管路設(shè)計(jì)、制造、裝配和檢測(cè)驗(yàn)證中的應(yīng)用進(jìn)行了研究，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)人工智能技術(shù)對(duì)火箭管路系統(tǒng)研制的創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)。

1 智能技術(shù)的發(fā)展與趨勢(shì)

1.1 智能布局

管路布局是整個(gè)火箭管路系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，也是需要依據(jù)經(jīng)驗(yàn)，并綜合設(shè)計(jì)、工藝、裝配等進(jìn)行反復(fù)調(diào)整的項(xiàng)目。一方面，由于火箭的艙段空間有限，所需要進(jìn)行布局的管路系統(tǒng)種類繁多，數(shù)量龐大，安裝位置復(fù)雜，與之連接的部位結(jié)構(gòu)多樣，故管路布局中需要考慮的因素非常多，如與周圍結(jié)構(gòu)設(shè)備不能干涉、需考慮空間約束、箱體殼段約束、發(fā)動(dòng)機(jī)約束、管路自身性能、彎管工藝限制、裝配工具限制、可維修性限制等因素。另一方面，在管路布局設(shè)計(jì)中，盡管有經(jīng)驗(yàn)的工程師隊(duì)伍會(huì)反復(fù)論證和校核，然而絕大部分情況下，不可避免地還是會(huì)存在意想不到的設(shè)計(jì)死角，只有在實(shí)際生產(chǎn)制造或裝配過(guò)程中才會(huì)發(fā)現(xiàn)布局上存在的天然缺陷。在此情況下，修正錯(cuò)誤和缺陷，不僅會(huì)增加火箭的成本，更會(huì)延遲產(chǎn)品上箭進(jìn)度，給火箭交付帶來(lái)不利影響。

隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，綜合了專家經(jīng)驗(yàn)的智能布局和優(yōu)化技術(shù)，也逐漸被業(yè)內(nèi)推廣應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域，用于解決人工布局認(rèn)識(shí)不全面等問(wèn)題。國(guó)內(nèi)研究方面，陳志英[1-5]最早針對(duì)航空管路進(jìn)行了自動(dòng)智能布局技術(shù)研究，建立了航空發(fā)動(dòng)機(jī)管路敷設(shè)準(zhǔn)則，提出了管路敷設(shè)方法和模式(圖1)，實(shí)現(xiàn)了航空發(fā)動(dòng)機(jī)等的管路智能布局，不僅對(duì)航空航天領(lǐng)域智能管路布局進(jìn)行了有開創(chuàng)意義的探索，也開啟了智能管路布局的新時(shí)代。白曉蘭等[6]提出了改進(jìn)的混沌人工魚群等算法及案例驗(yàn)證(圖2)，對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)管路智能布局進(jìn)行了更深入的研究。吳宏超等[7]進(jìn)行了自動(dòng)布局與優(yōu)化的相關(guān)理論、關(guān)鍵技術(shù)和實(shí)現(xiàn)方法研究，實(shí)現(xiàn)了管路布局和評(píng)價(jià)的信息管理系統(tǒng)(圖3)，對(duì)智能管路布局的實(shí)際應(yīng)用和更進(jìn)一步的推廣，具有極為重要的意義。柳強(qiáng)教授針對(duì)管路智能布局的排布算法和CAD二次開發(fā)方法，在總結(jié)多年研究成果的基礎(chǔ)上，出版了專著《管路布局規(guī)劃優(yōu)化算法與系統(tǒng)開發(fā)》[8]。大型商用三維CAD軟件，如CATIA里Tubing Design模塊、 UG軟件的管路布局建模模塊Routing和SolidWorks軟件中的Routing管路模塊等，目前均具備管路智能布局定制接口的功能。國(guó)內(nèi)對(duì)管路系統(tǒng)的智能布局研究已趨成熟，在大數(shù)據(jù)支撐下，具備了大規(guī)模推廣應(yīng)用的技術(shù)實(shí)力。

圖1 航空發(fā)動(dòng)機(jī)管路自動(dòng)敷設(shè)圖示Fig.1 Automatic pipeline laying of aero-engine

圖2 管路智能布局Fig.2 Intelligent pipeline routing

圖3 基于知識(shí)庫(kù)的管路智能布局系統(tǒng)Fig.3 Answer Set Programming-based intelligent pipeline routing system

1.2 智能材料

在沒(méi)有人工參與的前提下，智能材料具有隨外界的電、溫度、力、流體流動(dòng)等載荷變化，進(jìn)行自身結(jié)構(gòu)形狀、剛度的改變的特點(diǎn)，故在火箭管路中具有較為廣闊的應(yīng)用前景，可用于管路的連接、密封、修復(fù)和減振等。

形狀記憶合金等智能材料已應(yīng)用于國(guó)外的航空航天領(lǐng)域液壓管路連接等[9-10]，在低溫下具有自緊功能，實(shí)現(xiàn)液壓管路在低溫下的優(yōu)異連接和密封性能。

另外，NASA研究了記憶合金用于結(jié)構(gòu)材料裂紋的修復(fù)[11]，據(jù)報(bào)道，可以修復(fù)90%的金屬疲勞裂紋，經(jīng)記憶合金進(jìn)行裂紋修復(fù)前后的結(jié)構(gòu)材料對(duì)比見圖4。記憶合金的修復(fù)功能為火箭提供了現(xiàn)場(chǎng)即時(shí)維修的可能。

記憶合金在國(guó)外還用于結(jié)構(gòu)的分離。圖5是一種為國(guó)外小衛(wèi)星研制的形狀記憶合金適配耦合裝置。當(dāng)加熱時(shí)，SMA(形狀記憶合金)驅(qū)動(dòng)元件從馬氏體變?yōu)閵W氏體，并自動(dòng)收縮，從而連帶固定螺栓共同從外殼中脫離，實(shí)現(xiàn)對(duì)接結(jié)構(gòu)的分開[12]。圖6是美國(guó)申請(qǐng)的一項(xiàng)關(guān)于低沖擊的載荷釋放裝置專利。SMA調(diào)節(jié)器108采用記憶合金材料，安裝在底座102和預(yù)緊夾緊塊104之間。接收電流后，SMA調(diào)節(jié)器伸長(zhǎng)，在彈簧力的作用下，預(yù)緊夾塊旋轉(zhuǎn)，從而使得釋放載荷與底座分離[13]。

(a)修復(fù)前

(b)修復(fù)后圖4 裂紋修復(fù)前后的對(duì)比Fig.4 Before and after crack repairing

圖5 形狀記憶合金適配耦合裝置零組件示意圖Fig.5 Component view of SMA2C device

104-預(yù)緊夾緊塊；106-緊固件；108-SMA調(diào)節(jié)器；102-底座；112-釋放載荷；114-硬件；116-球形軸承；118-第一墊圈；122-第二墊圈；1002-彈簧圖6 形狀記憶合金調(diào)節(jié)的載荷控制鎖緊裝置Fig.6 Payload launch lock mechanism using shape memory alloy actuator

流體控制變剛度復(fù)材管(F2MC)外部由纖維纏繞而成，內(nèi)部通有流體，在兩端的流體開關(guān)閥的控制下可以實(shí)現(xiàn)彈性模量和剛度的變化，如圖7所示。通過(guò)設(shè)計(jì)，剛度增加可以達(dá)到120倍[14-15]。F2MC優(yōu)異的剛度控制能力，可以解決火箭管路系統(tǒng)的動(dòng)力響應(yīng)控制和減振問(wèn)題。

圖7 流體控制變剛度復(fù)材管Fig.7 Fluidic flexible matrix composite tube

智能材料的增材制造也稱4D打印。李滌塵等[16]等采用超聲增材制造技術(shù)(UAM)，將智能材料融合到金屬中 (圖8)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)的監(jiān)測(cè)。

圖8 智能材料的增材制造Fig.8 Additive manufacturing of smart material

1.3 智能制造

火箭管路的制造多采用樣件加工方法，即在研制初期，根據(jù)模裝現(xiàn)場(chǎng)情況，將管路形狀和空間走向用工裝模擬件固定下來(lái)，形成樣件。后續(xù)制造的管路產(chǎn)品，須與樣件進(jìn)行比對(duì)。小口徑管路在加工過(guò)程中，多采用手工彎制方法。該模式下的產(chǎn)品加工周期長(zhǎng)，且產(chǎn)品加工精度離散度較大，容易造成火箭裝配過(guò)程中的再次修配等問(wèn)題，導(dǎo)致火箭齊套周期也隨之增加。為了提高生產(chǎn)效率，利用智能制造技術(shù)進(jìn)行火箭管路的制備勢(shì)在必行。

國(guó)內(nèi)萇書梅等[17]從分析了智能制造關(guān)鍵技術(shù)的研究思路，為智能制造提供了思路。梁勇[18]提出了建立數(shù)字化生產(chǎn)線/智能車間的思路和方法。黃建科等[19]對(duì)數(shù)控彎管技術(shù)進(jìn)行了分析和研究，為管路的智能彎制提供了技術(shù)基礎(chǔ)。孫京等[20]提出了利用天地一體化網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)在軌加工與裝配、空間增材制造的空間智能制造設(shè)想。

國(guó)外對(duì)于智能制造車間的研究也空前高漲。Lee[21]提出了建立5C智能架構(gòu)的思路和方法，用于建設(shè)智能工廠，如圖9所示。Hoyt R.P[22]針對(duì)在軌飛行器提出了自主制造的概念(圖10)，計(jì)劃于2024年實(shí)現(xiàn)在軌自主制造。德國(guó)tarakos公司開發(fā)的虛擬現(xiàn)實(shí)軟件，實(shí)現(xiàn)了制造業(yè)的可視化、預(yù)測(cè)與控制，如圖11所示。

圖9 5C 智能架構(gòu)Fig.9 5C smart architecture

圖10 在軌3D打印自主制造概念Fig.10 On-orbit smart fabrication concept of 3D printing

圖11 tarakos虛擬制造系統(tǒng)Fig.11 Virtual fabrication system of tarakos

1.4 智能檢測(cè)

目前在管路檢測(cè)方面采用的措施有著色法、滲透法、內(nèi)窺檢測(cè)法、超聲波檢測(cè)法等，其中著色和滲透法檢查后，需對(duì)管路進(jìn)行再次清洗和處理，過(guò)程復(fù)雜。內(nèi)窺法對(duì)于長(zhǎng)管路由于設(shè)備局限無(wú)法進(jìn)行檢測(cè)，且內(nèi)窺檢測(cè)耗時(shí)耗力，周期較長(zhǎng)。超聲檢測(cè)由于設(shè)備的局限目前僅限于特定厚度和長(zhǎng)度的管材。發(fā)生在管路系統(tǒng)總裝后的管路缺陷，往往受檢測(cè)技術(shù)所限，只能通過(guò)旁證進(jìn)行產(chǎn)品的質(zhì)量決策，存在巨大風(fēng)險(xiǎn)。在信息技術(shù)日新月異的時(shí)代，亟待將智能技術(shù)引入管路檢測(cè)中，提高管路自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)。

美國(guó)在管路檢測(cè)，尤其是長(zhǎng)管路的檢測(cè)中，成功使用光纖無(wú)損檢測(cè)的方式[23]，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離管路的自動(dòng)化、智能化檢測(cè)，原理如圖12所示。管路的膨脹和收縮均將導(dǎo)致光纖轉(zhuǎn)動(dòng)，壓力信號(hào)從而隨之產(chǎn)生變化。通過(guò)監(jiān)測(cè)壓力信號(hào)的變化情況，獲得管路的狀態(tài)變化情況，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離自動(dòng)監(jiān)測(cè)。

圖12 管路光纖檢測(cè)系統(tǒng)原理Fig.12 The principle of optical fiber system of pipeline

Lee等[24]完善了一套光纖布拉格光柵系統(tǒng)，可以激勵(lì)和測(cè)量管路導(dǎo)波，如圖13所示。超聲導(dǎo)波進(jìn)行管路缺陷檢測(cè)的原理是利用導(dǎo)波沿著管路傳播過(guò)程中遇到介質(zhì)突變(如管路腐蝕、裂紋等)會(huì)發(fā)生部分反射的原理實(shí)現(xiàn)缺陷的識(shí)別和定位。在管道結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)方面，Rose等[25]對(duì)管道彎曲部分出現(xiàn)裂紋的損傷進(jìn)行了監(jiān)測(cè)研究。英國(guó)帝國(guó)理工學(xué)院的Aristegui等[26]利用導(dǎo)波對(duì)充液管道進(jìn)行損傷監(jiān)測(cè)。超聲導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)：1)可遠(yuǎn)距離自動(dòng)對(duì)整條管路系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)和智能判別，提高檢測(cè)效率；2)可檢測(cè)管路系統(tǒng)整個(gè)壁厚以及內(nèi)部缺陷。

圖13 管路超聲導(dǎo)波檢測(cè)系統(tǒng)Fig.13 Guide wave test system of pipeline

火箭管路系統(tǒng)螺紋緊固件失效，則可能導(dǎo)致任務(wù)失利，故緊固件預(yù)緊力的監(jiān)測(cè)意義重大。隨著科技和信息技術(shù)的飛速發(fā)展，智能技術(shù)在管路連接緊固件的預(yù)緊力監(jiān)測(cè)、螺栓松動(dòng)檢測(cè)等方面有著非常重要的應(yīng)用價(jià)值，可以及時(shí)檢測(cè)管路連接故障，提高管路系統(tǒng)飛行試驗(yàn)的可靠性。美國(guó)Ganesh 等[27]研制的智能墊圈，通過(guò)感知應(yīng)力和螺栓加載力的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)螺栓的在線智能監(jiān)測(cè)，其結(jié)構(gòu)和預(yù)緊原理如圖14所示。德國(guó)夏馳公司研制的超聲智能螺栓，能夠?qū)β菟ǖ难由炻蔬M(jìn)行識(shí)別，從而獲得螺栓在夾緊過(guò)程的預(yù)緊力，并發(fā)明了一種超聲波傳感器貼片粘貼到螺栓頭部，記錄每一次擰緊、維護(hù)過(guò)程，如圖15所示。

圖14 智能墊圈及預(yù)緊圖Fig.14 Smart washer and pretighten

圖15 超聲波智能螺栓及擰緊示意Fig.15 Ultrasonic intelligent bolt and tightening

1.5 智能裝配

由于生產(chǎn)偏差累積，在火箭管路裝配過(guò)程中，難免會(huì)出現(xiàn)由于總偏差過(guò)大，導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)修配管路的情況，對(duì)火箭的總裝周期有較大影響，故亟需要對(duì)管路的裝配進(jìn)行整體優(yōu)化。萇書梅等[17]給出了飛機(jī)總裝脈動(dòng)生產(chǎn)線智能制造發(fā)展的總體思路，并以某型飛機(jī)總裝生產(chǎn)線建設(shè)為背景，介紹了智能技術(shù)在總裝過(guò)程中的相關(guān)應(yīng)用。Liu等[28]針對(duì)管路裝配，開發(fā)了一套虛擬間隙檢查和裝配系統(tǒng)，如圖16所示。

圖16 虛擬裝配和間隙檢測(cè)系統(tǒng)Fig.16 Virtual assembly and gap testing system

黃翔等[29]利用先進(jìn)測(cè)量技術(shù)和全向移動(dòng)平臺(tái)等自動(dòng)裝配技術(shù)，對(duì)飛機(jī)智能裝配進(jìn)行了研究，有效確保飛機(jī)裝配效率的提高，適應(yīng)異地協(xié)調(diào)制造的要求。宋利康等[30]提出了智能狀態(tài)的體系架構(gòu)，如圖17所示。劉煒等[31]針對(duì)空氣舵產(chǎn)品提出了智能裝配模式，并進(jìn)行了研究，為產(chǎn)品智能裝配的實(shí)現(xiàn)提供了可行的技術(shù)儲(chǔ)備。

圖17 大飛機(jī)智能體系架構(gòu)Fig.17 Intelligent systems framework of large aircraft

2 智能技術(shù)在火箭管路研制中的應(yīng)用研究

2.1 智能設(shè)計(jì)

火箭管路設(shè)計(jì)是龐大的系統(tǒng)工程，涵蓋了機(jī)械、焊接、密封、材料、流體、固體力學(xué)、動(dòng)力學(xué)、材料力學(xué)、表面處理、熱處理等眾多專業(yè)種類，且涉及的產(chǎn)品數(shù)量眾多、細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)項(xiàng)目繁瑣，需要耗費(fèi)巨大的勞動(dòng)力和成本，才能實(shí)現(xiàn)最終的精細(xì)化設(shè)計(jì)。以運(yùn)載火箭的管路布局設(shè)計(jì)為例，從目標(biāo)函數(shù)看，管路布局需要滿足路徑最短、總長(zhǎng)度最優(yōu)、零件最優(yōu)等多個(gè)目標(biāo)；從涉及到的變量看，管路布局需要考慮間隙變量、空間包絡(luò)變量、強(qiáng)度和動(dòng)力學(xué)變量、工藝變量等諸多變量；從約束條件看，管路布局需滿足的約束包括艙內(nèi)空間約束、箱體殼段約束、發(fā)動(dòng)機(jī)約束、儀器布局約束等大量空間位置和接口約束?？梢哉f(shuō)，火箭管路布局需要考慮諸多因素和專業(yè)的耦合關(guān)系，這些對(duì)依賴個(gè)人經(jīng)驗(yàn)的傳統(tǒng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)模式提出挑戰(zhàn)。

在計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)快速發(fā)展的時(shí)代，迫切需要進(jìn)行火箭管路的智能設(shè)計(jì)。在專家經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，利用強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)技術(shù)，將管路選材、布局、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、強(qiáng)度和流體校核等全流程的設(shè)計(jì)進(jìn)行固化，從而實(shí)現(xiàn)不同口徑和飛行工況下的自動(dòng)設(shè)計(jì)與校核?；鸺苈废到y(tǒng)的智能設(shè)計(jì)規(guī)劃如圖18所示。首先，根據(jù)任務(wù)特點(diǎn)，提出火箭管路系統(tǒng)布局的優(yōu)化目標(biāo)。在此基礎(chǔ)上，對(duì)管路布局的各種約束條件進(jìn)行梳理，最終建立管路布局約束的開放式數(shù)據(jù)庫(kù)。同時(shí)確定算法、軟件和語(yǔ)言等，在大量數(shù)據(jù)的支撐下，實(shí)現(xiàn)火箭管路系統(tǒng)的智能布局，擺脫靠個(gè)人經(jīng)驗(yàn)無(wú)法考慮周全、布局效率低等缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)管路系統(tǒng)的快速、嚴(yán)謹(jǐn)自動(dòng)化布局。

圖18 火箭管路系統(tǒng)智能設(shè)計(jì)規(guī)劃框圖Fig.18 Intelligent design diagram of rocket pipeline system

2.2 用于連接、分離和減振的智能材料

智能材料具有在無(wú)人工參與的前提下，可以隨溫度、電、力、流體流動(dòng)等進(jìn)行結(jié)構(gòu)改變等特點(diǎn)，故可以簡(jiǎn)單可靠地實(shí)現(xiàn)火箭管路系統(tǒng)的某些特殊職能。一是可以充分利用形狀記憶合金隨溫度、電流等物理量變化，產(chǎn)生收縮或膨脹的特點(diǎn)，將其應(yīng)用于管路接頭連接部位，實(shí)現(xiàn)低溫下火箭管路的可靠密封，且結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單；另外形狀記憶合金也可以用于級(jí)間或交叉輸送的管路分離以及自動(dòng)脫拔部位的管路連接結(jié)構(gòu)，利用其隨特定物理量變化的特點(diǎn)，更簡(jiǎn)單方便地實(shí)現(xiàn)管路自密封、分離和脫拔等功能。具有剛度可變性的智能材料，可以用于火箭管路系統(tǒng)的減振支架等產(chǎn)品的開發(fā)，增加箭上管路產(chǎn)品飛行中的抗疲勞的性能。

2.3 智能檢測(cè)

火箭管路在生產(chǎn)過(guò)程中，存在大量檢測(cè)環(huán)節(jié)，如X光檢測(cè)、尺寸檢測(cè)、性能檢測(cè)、間隙檢測(cè)等，若按傳統(tǒng)方法，通過(guò)人工檢驗(yàn)、人工判讀方法，則檢測(cè)效率低，且為重復(fù)性工作，對(duì)人專注能力要求很高，不允許有心情不佳等狀況出現(xiàn)。若在檢測(cè)中，利用智能技術(shù)，對(duì)過(guò)程進(jìn)行數(shù)字化和圖像化的檢測(cè)、記錄、自動(dòng)判讀和控制，則可以大大提高缺陷漏判的概率，且可以實(shí)現(xiàn)高效制造。

火箭管路在生產(chǎn)過(guò)程中，可以通過(guò)建立激光矢量測(cè)量系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品加工過(guò)程數(shù)字信息的測(cè)量記錄和傳遞，激光矢量測(cè)量系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)外技術(shù)均較成熟，可以無(wú)縫用于現(xiàn)有數(shù)控彎管生產(chǎn)線。另外，火箭管路系統(tǒng)一般較長(zhǎng)，且空間走向復(fù)雜，故在無(wú)損檢測(cè)方面，可逐步引入超聲導(dǎo)波等在線智能檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)管路系統(tǒng)在生產(chǎn)、裝配過(guò)程中的缺陷的自動(dòng)化檢測(cè)和判讀，從而提高檢測(cè)效率。在裝配過(guò)程中，可逐步實(shí)現(xiàn)小直徑緊固件產(chǎn)品的在線預(yù)緊力的直接無(wú)損測(cè)量和信息記錄，并對(duì)裝配后的力矩衰退和再次擰緊，根據(jù)專家數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行定量化控制，改善只能通過(guò)力矩間接控制緊固件預(yù)緊力的現(xiàn)狀，實(shí)現(xiàn)緊固件的智能測(cè)量和質(zhì)量監(jiān)控，提高火箭管路系統(tǒng)連接的可靠性。

2.4 智能裝配

火箭管路在裝配過(guò)程中引入智能技術(shù)，將有效提高裝配的效率，大大降低管路返修帶來(lái)的影響總裝周期的問(wèn)題?？傃b過(guò)程中，對(duì)管路安裝位置和接口等邊界進(jìn)行自動(dòng)化數(shù)字測(cè)量，在此基礎(chǔ)上利用可移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)管路的自動(dòng)裝配。若總裝中出現(xiàn)火箭結(jié)構(gòu)由于單發(fā)累積偏差較大，導(dǎo)致管路系統(tǒng)安裝邊界超差，從而使得原定設(shè)計(jì)管路無(wú)法安裝的情況，則管路智能裝配系統(tǒng)將會(huì)根據(jù)專家數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的提示，自動(dòng)將邊界測(cè)量數(shù)據(jù)反饋給管路設(shè)計(jì)人員和生產(chǎn)返修人員，對(duì)管路三維數(shù)據(jù)進(jìn)行邊界的修正，最終根據(jù)修正后的管路模型進(jìn)行產(chǎn)品的自動(dòng)化彎制和加工。

2.5 智能驗(yàn)證

火箭管路試驗(yàn)和仿真由于數(shù)量多、重復(fù)性勞動(dòng)工作量大，且試驗(yàn)過(guò)程存在試驗(yàn)介質(zhì)壓力較高等危險(xiǎn)因素，故需實(shí)現(xiàn)智能仿真和無(wú)人值守的智能試驗(yàn)驗(yàn)證。

火箭管路的強(qiáng)度、穩(wěn)定性、動(dòng)力學(xué)響應(yīng)、疲勞、流場(chǎng)等分析在數(shù)字化設(shè)計(jì)過(guò)程中是依賴計(jì)算機(jī)的極為重要的工作，但由于產(chǎn)品種類多，且工作的工況復(fù)雜多變，需耗費(fèi)時(shí)間較多。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，可以借鑒國(guó)內(nèi)外的智能技術(shù)，利用已有的專家經(jīng)驗(yàn)庫(kù)和仿真準(zhǔn)則，逐步實(shí)現(xiàn)火箭管路的自動(dòng)化計(jì)算和仿真分析，減少重復(fù)性勞動(dòng)，提高設(shè)計(jì)生產(chǎn)效率。

隨著電子信息技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用，自動(dòng)化的試驗(yàn)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)技術(shù)目前較成熟，可以將試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)器采集的數(shù)據(jù)自動(dòng)傳輸?shù)奖O(jiān)控服務(wù)器平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集。后續(xù)可以對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行專家分析，并增加相關(guān)試驗(yàn)控制單元，從而實(shí)現(xiàn)火箭管路的智能試驗(yàn)過(guò)程。

2.6 智能維護(hù)

雖然火箭管路產(chǎn)品可靠性較高，然而在不可測(cè)的全壽命周期內(nèi)，可能會(huì)出現(xiàn)小概率的失效事件。鑒于目前管路壓力、應(yīng)力應(yīng)變、漏率等監(jiān)測(cè)技術(shù)均比較成熟，在監(jiān)測(cè)信息的基礎(chǔ)上，利用以往的試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和可靠性數(shù)據(jù)，并依賴相關(guān)自動(dòng)化控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的無(wú)人管路修復(fù)，從而避免重大失效事件的發(fā)生。

2.7 火箭管路智能研制體系

綜合上述智能技術(shù)，在高性能計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)的支持下，火箭管路設(shè)計(jì)、生產(chǎn)檢測(cè)、裝配、試驗(yàn)驗(yàn)證、使用維護(hù)過(guò)程，不僅能夠進(jìn)行各環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和采集，且依賴自動(dòng)化控制以及人工智能等技術(shù)，可以進(jìn)行實(shí)時(shí)決策和控制，最終實(shí)現(xiàn)火箭管路全流程的智能研制。火箭管路的智能研制技術(shù)應(yīng)用體系具體架構(gòu)如下：

1)梳理現(xiàn)有的管路設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、布局要求、各項(xiàng)仿真分析規(guī)范和專家經(jīng)驗(yàn)等，提出火箭管路的研制準(zhǔn)則，建立并完善管路系統(tǒng)設(shè)計(jì)的專家經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)。在此基礎(chǔ)上，采用大型CAD等軟件，并利用先進(jìn)的智能算法，實(shí)現(xiàn)火箭管路系統(tǒng)的數(shù)字化設(shè)計(jì)、布局、仿真、問(wèn)題自動(dòng)判讀等功能。

2)管路生產(chǎn)部門接收到三維數(shù)據(jù)后，首先采用智能虛擬制造技術(shù)，進(jìn)行管路參數(shù)的可加工性檢查，待判讀滿足要求后，進(jìn)行自動(dòng)化的管路彎制。制造過(guò)程中，采用智能檢測(cè)設(shè)備進(jìn)行管路測(cè)量，開展與三維模型的一致性比對(duì)，對(duì)管路進(jìn)行尺寸、缺陷情況、密封性能等在線自動(dòng)化檢測(cè)和記錄。

3)利用無(wú)人監(jiān)視和控制試驗(yàn)系統(tǒng)，大批量的試驗(yàn)管路產(chǎn)品將按流程逐一進(jìn)行自動(dòng)試驗(yàn)和數(shù)據(jù)的采集，并與以往試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行包絡(luò)分析，在專家經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，根據(jù)相關(guān)質(zhì)量要求，對(duì)試驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行自動(dòng)分析判讀和處理。

4)總裝過(guò)程中，接收火箭管路的安裝設(shè)計(jì)三維信息，對(duì)火箭管路系統(tǒng)進(jìn)行虛擬裝配，檢測(cè)可操作性及間隙要求等是否滿足實(shí)際情況，待判讀通過(guò)后，充分利用自動(dòng)化設(shè)備進(jìn)行火箭管路的裝配。在火箭管路的對(duì)接部位，對(duì)安裝位置和接口等邊界進(jìn)行在線數(shù)字化測(cè)量，若出現(xiàn)總裝累積偏差較大或邊界偏差較大，導(dǎo)致管路無(wú)法安裝的情況，則將邊界測(cè)量數(shù)據(jù)自動(dòng)反饋給管路設(shè)計(jì)人員，進(jìn)行管路三維數(shù)據(jù)的邊界修正后智能制造處理。在完成火箭裝配后，由于運(yùn)輸和貯存等環(huán)節(jié)中不可預(yù)測(cè)因素，可能會(huì)造成火箭管路的偶然失效，為此建立完善的管路壓力、應(yīng)變等參數(shù)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，并利用專家經(jīng)驗(yàn)和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)等，實(shí)現(xiàn)管路的智能維護(hù)，將會(huì)極大提高火箭管路系統(tǒng)的可靠性，避免重大失效事件的發(fā)生。

火箭管路的智能研制，在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上，需要攻克的關(guān)鍵技術(shù)主要有：一是借鑒大數(shù)據(jù)的體系知識(shí)，建立管路各流程環(huán)節(jié)的專家經(jīng)驗(yàn)和研制準(zhǔn)則；二是在現(xiàn)有計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)火箭管路的全壽命周期監(jiān)控技術(shù)，包括數(shù)據(jù)的自動(dòng)收集、監(jiān)測(cè)和控制等；三是將火箭管路研制過(guò)程與人工智能技術(shù)充分融合，使得整個(gè)研制流程因?yàn)橛?jì)算機(jī)智能技術(shù)的引入而更為嚴(yán)謹(jǐn)和全面，避免人工設(shè)計(jì)和操作可能導(dǎo)致的錯(cuò)誤、缺陷等故障。綜合了智能設(shè)計(jì)、制造和裝配的火箭管路研制流程的架構(gòu)見圖19。

圖19 火箭管路智能研制流程架構(gòu)圖Fig.19 Intelligent development process architecture diagram of rocket pipeline

3 結(jié)論

智能技術(shù)在國(guó)內(nèi)外的迅速發(fā)展，已經(jīng)引起很多領(lǐng)域質(zhì)的改變，也提高了工業(yè)企業(yè)的生產(chǎn)效率。利用智能算法和專家經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)的火箭管路系統(tǒng)智能布局，可以減輕管路布局設(shè)計(jì)人員的繁重調(diào)試和比對(duì)，實(shí)現(xiàn)快速、無(wú)誤、可靠的布局設(shè)計(jì)；再如運(yùn)用在線自動(dòng)化檢測(cè)手段和先進(jìn)算法的超聲導(dǎo)波缺陷檢測(cè)系統(tǒng)，將會(huì)在短時(shí)間內(nèi)對(duì)多個(gè)部段的管路進(jìn)行無(wú)損測(cè)量，提高檢測(cè)效率，降低人為的誤判率；而火箭管路的裝配，也必將隨著智能技術(shù)的引入，逐漸解決目前偏差影響進(jìn)度、力矩失控等問(wèn)題，不僅節(jié)約總裝的時(shí)間，也會(huì)極大地提高產(chǎn)品安裝質(zhì)量。將人工智能技術(shù)引入火箭管路的研制中，在設(shè)計(jì)、制造、裝配、驗(yàn)證以及使用維護(hù)過(guò)程，實(shí)現(xiàn)從依賴個(gè)人經(jīng)驗(yàn)到高效自動(dòng)化的過(guò)程，將是一場(chǎng)科學(xué)技術(shù)的全面提升，最終實(shí)現(xiàn)火箭管路產(chǎn)品的高質(zhì)量和高效率研制，大大提高管路系統(tǒng)的可靠性。