長(zhǎng)征五號(hào)運(yùn)載火箭電氣系統(tǒng)布局布線設(shè)計(jì)技術(shù)綜述與展望

宋漪萍，欒 宇，吳 潔，馮韶偉

（北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京，100076）

0 引 言

長(zhǎng)征五號(hào)運(yùn)載火箭（后簡(jiǎn)稱CZ-5）是中國(guó)自主研制的新一代大型低溫液體運(yùn)載火箭，芯級(jí)直徑5 m、助推直徑3.35 m，使用無毒無污染的液氫、液氧和煤油作為推進(jìn)劑，采用新一代全低溫大推力發(fā)動(dòng)機(jī)，起飛推力超過1000 t，近地軌道（Low Earth Orbit，LEO）運(yùn)載能力達(dá)25 t、地球同步轉(zhuǎn)移軌道（Geosynchronous Transfer Orbit，GTO）運(yùn)載能力達(dá)14 t，是中國(guó)目前技術(shù)最為先進(jìn)、運(yùn)載能力最強(qiáng)的運(yùn)載火箭，是探月工程、深空探測(cè)和載人空間站等中國(guó)重大航天工程的主要依托，是中國(guó)進(jìn)入航天強(qiáng)國(guó)的重要保障和標(biāo)志[1,2]。

CZ-5的箭上電氣系統(tǒng)主要由控制系統(tǒng)和測(cè)量系統(tǒng)組成，系統(tǒng)硬件產(chǎn)品包括575臺(tái)儀器設(shè)備（控制計(jì)算機(jī)、慣性器件、供電設(shè)備、數(shù)據(jù)處理、天線、圖像采集等）和302套電纜（傳輸指令和信號(hào)、供電等）。一般將運(yùn)載火箭電氣系統(tǒng)的儀器設(shè)備和電纜網(wǎng)統(tǒng)稱為儀器電纜。儀器電纜分布于火箭所有結(jié)構(gòu)部段，主要功能包括：火箭的飛行姿態(tài)與彈道控制，飛行環(huán)境監(jiān)測(cè)、傳輸、記錄和反饋，飛行過程關(guān)鍵項(xiàng)目的圖像監(jiān)測(cè)，以及作動(dòng)機(jī)構(gòu)指令傳輸與執(zhí)行反饋，是運(yùn)載火箭的“大腦”與“神經(jīng)”。電氣系統(tǒng)布局及安裝的可靠性直接決定其自身可靠性以及火箭發(fā)射任務(wù)的成敗，同時(shí)，布局方案的優(yōu)劣直接決定電氣系統(tǒng)質(zhì)量對(duì)于火箭運(yùn)載能力的影響程度。因此，電氣系統(tǒng)的儀器電纜布局設(shè)計(jì)是運(yùn)載火箭研制過程中的重要研究?jī)?nèi)容。

1 電氣系統(tǒng)布局布線的方案設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)依據(jù)

CZ-5火箭的電氣系統(tǒng)布局布線設(shè)計(jì)遵循各級(jí)、各類設(shè)計(jì)規(guī)范，主要以電氣系統(tǒng)、箭體結(jié)構(gòu)、飛行環(huán)境、系統(tǒng)接口、發(fā)射流程等條件為主要約束，包括（見圖1）：

圖1 布局布線設(shè)計(jì)依據(jù)Fig.1 Inputs of Placement an Routing Design

a）明確電纜網(wǎng)連接關(guān)系的電氣系統(tǒng)的原理圖或布置圖；

b）明確設(shè)備外形及安裝位置、朝向、精度、等電位、電磁兼容等要求的技術(shù)條件；

c）明確火箭部段結(jié)構(gòu)形式、材料、尺寸及結(jié)構(gòu)分布的設(shè)計(jì)文件；

d）明確運(yùn)輸、吊裝、飛行過程中力學(xué)環(huán)境、熱環(huán)境、自然環(huán)境的技術(shù)條件；

e）明確電氣系統(tǒng)與動(dòng)力系統(tǒng)、增壓輸送系統(tǒng)、有效載荷、火工品等系統(tǒng)或產(chǎn)品之間機(jī)械、電氣接口及介質(zhì)相容性的設(shè)計(jì)文件；

f）明確發(fā)射流程及操作細(xì)則的技術(shù)條件。

1.2 設(shè)計(jì)特點(diǎn)

CZ-5火箭作為新一代大型低溫液體運(yùn)載火箭，具有區(qū)別于其他運(yùn)載火箭的顯著特點(diǎn)，因此電氣系統(tǒng)布局布線方案在滿足前述設(shè)計(jì)依據(jù)要求的基礎(chǔ)上，需要解決以下問題：

a）兼顧低溫推進(jìn)劑加注后的低溫環(huán)境和飛行過程中氣動(dòng)加熱、發(fā)動(dòng)機(jī)工作帶來的熱環(huán)境；

b）低溫加注后箭體結(jié)構(gòu)變形對(duì)儀器電纜的變形協(xié)調(diào)；

c）大直徑箭體結(jié)構(gòu)上安裝的操作適應(yīng)性；

d）海南發(fā)射場(chǎng)多雨、高溫、高濕、高鹽霧環(huán)境對(duì)儀器電纜防水、防潮、防鹽霧能力的要求；

e）火箭采用統(tǒng)一供配電，跨部段電纜的布局和尾部脫拔的設(shè)置；

f）首次在芯級(jí)與助推器的主捆綁對(duì)接和分離面設(shè)置的電連接器，對(duì)其布局、操作和防護(hù)要求；

g）電氣系統(tǒng)功能可靠的同時(shí)最優(yōu)化電纜網(wǎng)的布線、最小化電纜網(wǎng)的質(zhì)量。

1.3 設(shè)計(jì)內(nèi)容

CZ-5火箭電氣系統(tǒng)布局布線方案的設(shè)計(jì)內(nèi)容是基于對(duì)上述要求進(jìn)行各個(gè)維度的充分協(xié)調(diào)，并協(xié)同相關(guān)系統(tǒng)和專業(yè)，綜合確定儀器電纜的布局布線的具體狀態(tài)，主要包括：

a）儀器設(shè)備的安裝位置和朝向；

b）儀器設(shè)備的安裝固定形式；

c）儀器設(shè)備的防護(hù)要求；

d）電纜的主束和各個(gè)分支的路徑，并給出電纜分支長(zhǎng)度；

e）電纜主束和分支的固定形式；

f）電纜主束和分支的防護(hù)要求；

g）提出對(duì)其他系統(tǒng)及產(chǎn)品的機(jī)械、電氣接口設(shè)計(jì)要求。

1.4 設(shè)計(jì)方法

儀器電纜布局設(shè)計(jì)方法主要包括以下方面：

a）確定各個(gè)部段儀器電纜的分布位置，確保其處于要求的艙段和方位，并且位于較好的安裝環(huán)境以盡量降低其所承受的環(huán)境載荷、提高工作可靠性，同時(shí)平衡各個(gè)部段質(zhì)心位置；

b）確定各個(gè)分離面的電連接器選型及分布設(shè)置，確保電氣傳輸可靠性，確保運(yùn)輸、連接的可操作性，確保分離動(dòng)作可靠性，使火箭電纜網(wǎng)規(guī)?？煽?、質(zhì)量可控；

c）確定各階段有操作儀器電纜的布局位置、朝向，使其滿足正常工作流程及故障處理流程下操作需求；

d）確定儀器電纜在安裝、操作、更換等工藝過程中的空間大小、人員動(dòng)作、工具使用具備可實(shí)現(xiàn)性；

e）設(shè)計(jì)合理的工作流程確保實(shí)現(xiàn)電氣系統(tǒng)測(cè)試檢查及飛行功能，同時(shí)確保對(duì)其他系統(tǒng)的影響最小；

f）設(shè)計(jì)專用安裝結(jié)構(gòu)及安裝接口，用于儀器電纜的特殊布局要求，并設(shè)計(jì)針對(duì)性的驗(yàn)證試驗(yàn)；

g）設(shè)計(jì)專用措施用于使儀器電纜適應(yīng)超出自身承受能力外的力、熱、電磁等環(huán)境條件，確保實(shí)現(xiàn)正常功能。

1.5 技術(shù)手段

運(yùn)載火箭常用的電氣系統(tǒng)布局布線設(shè)計(jì)依托二維設(shè)計(jì)工具開展，方案的可實(shí)現(xiàn)性、工藝性以及系統(tǒng)間接口匹配依靠實(shí)物模裝驗(yàn)證，方案的優(yōu)化迭代依靠人工維護(hù)，研制周期長(zhǎng)、效率低。

CZ-5火箭電氣系統(tǒng)設(shè)備、傳感器接近800臺(tái)套，電纜網(wǎng)關(guān)系較為復(fù)雜，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法已經(jīng)不適應(yīng)龐大的電氣系統(tǒng)產(chǎn)品規(guī)模。因此，CZ-5火箭在電氣系統(tǒng)布局設(shè)計(jì)中，引入了三維數(shù)字化樣機(jī)，貫徹自頂向下設(shè)計(jì)思想，率先實(shí)現(xiàn)基于全三維數(shù)字樣機(jī)的電氣系統(tǒng)布局布線的協(xié)同設(shè)計(jì)和優(yōu)化，并以此為基礎(chǔ)進(jìn)行多項(xiàng)數(shù)字化仿真試驗(yàn)，例如動(dòng)態(tài)干涉檢查、裝配工藝規(guī)劃、人機(jī)工程仿真、強(qiáng)度預(yù)示等。大量減少了布局布線方案設(shè)計(jì)不完善問題，減小對(duì)電氣系統(tǒng)實(shí)物產(chǎn)品生產(chǎn)、裝配周期的影響，顯著提高研制效率。在CZ-5火箭試樣飛行產(chǎn)品投入生產(chǎn)之前，即已消除電氣系統(tǒng)布局布線的絕大多數(shù)技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。

2 布局布線的可靠性設(shè)計(jì)

電氣系統(tǒng)布局布線方案的可靠性直接決定電氣系統(tǒng)產(chǎn)品在CZ-5火箭上正常工作的概率，進(jìn)而決定火箭發(fā)射及飛行試驗(yàn)的成敗。降低電氣系統(tǒng)布局布線設(shè)計(jì)中的潛在風(fēng)險(xiǎn)是提高設(shè)計(jì)可靠性的主要途徑。

2.1 布局冗余設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)按時(shí)序向電磁閥、分離裝置、發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火藥盒等發(fā)火供電，是飛行過程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，直接影響任務(wù)的成敗。為提高點(diǎn)火指令傳輸可靠性，在CZ-5火箭的研制中，將電纜網(wǎng)中點(diǎn)火電纜設(shè)計(jì)為冗余狀態(tài)，使點(diǎn)火電纜數(shù)量2倍于分離火工品數(shù)量，每1路都具備單獨(dú)使終端作動(dòng)的能力，確保點(diǎn)火指令依時(shí)序使火工品起爆。對(duì)點(diǎn)火電纜進(jìn)行布線設(shè)計(jì)時(shí)，將冗余電纜以對(duì)稱布線的方式與分離火工品連接，確保冗余電纜在物理結(jié)構(gòu)上互不干擾、獨(dú)立工作，實(shí)現(xiàn)提高點(diǎn)火指令傳輸可靠性的目的。此外，測(cè)量系統(tǒng)重要單機(jī)和核心參數(shù)也按照雙點(diǎn)雙線的方式進(jìn)行電纜設(shè)計(jì)，顯著提高系統(tǒng)的可靠性。

圖2 冗余點(diǎn)火布線方案Fig.2 Routing Design of Reduntent Firing Circuit

2.2 電連接器防插錯(cuò)設(shè)計(jì)

CZ-5火箭電氣系統(tǒng)在電纜網(wǎng)分離面處設(shè)置的電連接器數(shù)量較多，特別是在同一分離面的同型號(hào)電連接器，在安裝插接時(shí)互相混淆、連接錯(cuò)誤的風(fēng)險(xiǎn)較高。以前捆綁為例，每個(gè)助推器前捆綁分離面設(shè)置6對(duì)分離電連接器，分別是控制系統(tǒng)3對(duì)、測(cè)量系統(tǒng)3對(duì)。進(jìn)行分離電纜布線設(shè)計(jì)時(shí)，將控制系統(tǒng)及測(cè)量系統(tǒng)分離電連接器均分在捆綁機(jī)構(gòu)兩側(cè)，使同一側(cè)電連接器型號(hào)各異、同型號(hào)的電連接器分別位于捆綁機(jī)構(gòu)兩側(cè)，從布局方位和電纜網(wǎng)長(zhǎng)度上消除插頭、插座連接錯(cuò)誤的風(fēng)險(xiǎn)，提高芯級(jí)與助推器間電纜網(wǎng)連接的可靠性。

圖3 電連接器防插錯(cuò)布局Fig.3 Anti-mistake Design of Connectors

2.3 分離電連接器布局設(shè)計(jì)

CZ-5火箭電氣系統(tǒng)各分離面間，通過設(shè)置分離電連接器實(shí)現(xiàn)各級(jí)電纜網(wǎng)之間分離前可靠連接、分離時(shí)可靠分離、分離后互不干擾。分離過程中依靠箭體結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)插頭上分離鋼索運(yùn)動(dòng)，直至將插頭從插座上拉拽開而實(shí)現(xiàn)分離，分離后的插頭一般均可在分離鋼索長(zhǎng)度范圍內(nèi)自由活動(dòng)。故電連接器拉脫力和分離后自由運(yùn)動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)分離姿態(tài)和過程均為外部干擾。

分離電連接器布局設(shè)計(jì)中，通過對(duì)電連接器進(jìn)行有針對(duì)性的排布，確保分離面上來自電連接器拉脫瞬間的干擾力盡量均勻分布，減小其對(duì)結(jié)構(gòu)分離姿態(tài)的干擾；通過選擇分離電連接器的布局位置、設(shè)計(jì)必要的限位結(jié)構(gòu)和裝置，確保分離后插頭不與繼續(xù)飛行的火箭產(chǎn)品干涉，或在限制的范圍內(nèi)自由運(yùn)動(dòng)，消除分離過程發(fā)生碰撞的風(fēng)險(xiǎn)，提高分離過程可靠性。

2.4 布線余量設(shè)計(jì)

CZ-5火箭用于助推器分離的火工品使用非電傳爆導(dǎo)爆索引爆側(cè)推火箭，導(dǎo)爆索在起爆瞬間內(nèi)部燃?xì)猱a(chǎn)生壓力使導(dǎo)爆索發(fā)生膨脹，直徑變大而長(zhǎng)度縮短。

布線設(shè)計(jì)時(shí)針對(duì)此特點(diǎn)，在相鄰的綁扎固定點(diǎn)之間，導(dǎo)爆索均預(yù)留不少于固定點(diǎn)間隔距離4%的松弛量，確保點(diǎn)火瞬間導(dǎo)爆索有足夠的伸縮能力、避免因?qū)П骼瓟喽鵁o法引爆側(cè)推火箭的風(fēng)險(xiǎn)。

3 布局布線的環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)

CZ-5火箭電氣系統(tǒng)布局布線方案的環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)針對(duì)總裝、運(yùn)輸、測(cè)試、發(fā)射、飛行等過程中儀器電纜所面臨的力、熱、電磁、自然環(huán)境載荷防護(hù)進(jìn)行，目的是通過采用合理方式，提高電氣系統(tǒng)對(duì)載荷環(huán)境的耐受性，確保實(shí)現(xiàn)正常功能。

3.1 電磁環(huán)境防護(hù)設(shè)計(jì)

CZ-5火箭對(duì)電氣系統(tǒng)內(nèi)及系統(tǒng)間的電磁相容性要求通過系統(tǒng)級(jí)試驗(yàn)或仿真進(jìn)行確認(rèn)，在電氣系統(tǒng)布局布線設(shè)計(jì)中，體現(xiàn)為將儀器電纜按要求實(shí)施接地或浮地、將不同系統(tǒng)產(chǎn)品盡量分開布局。

應(yīng)接地的儀器電纜，布局在與箭體結(jié)構(gòu)導(dǎo)通良好的安裝結(jié)構(gòu)上，通常通過自帶接地線或打磨安裝面保持與箭體良好導(dǎo)通；控制系統(tǒng)和測(cè)量系統(tǒng)的儀器電纜在同一部段內(nèi)分別相對(duì)集中布局于不同區(qū)域，在無法完全分開的布線路徑上，電纜網(wǎng)采取物理隔離、屏蔽和高頻濾波的方式，強(qiáng)化電磁抗干擾能力。

3.2 復(fù)合環(huán)境防護(hù)設(shè)計(jì)

CZ-5火箭是中國(guó)運(yùn)載火箭中唯一將芯級(jí)與助推器前捆綁連接結(jié)構(gòu)作為主傳力結(jié)構(gòu)的火箭，也是唯一在主傳力結(jié)構(gòu)位置設(shè)置電氣系統(tǒng)電纜網(wǎng)分離面的火箭。此方案是突破性的，優(yōu)勢(shì)是可以確保芯級(jí)與助推器之間供電及信號(hào)傳輸效率高、損耗少，大幅減少電纜網(wǎng)規(guī)模及質(zhì)量對(duì)運(yùn)載能力帶來的損失。但在此布局中分離面的電纜網(wǎng)面臨前所未有的復(fù)雜環(huán)境，插頭及電纜完全處于箭體之外、無可依附的布局結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)振動(dòng)及氣動(dòng)加熱劇烈，在載荷作用下主捆綁處助推器相對(duì)于芯級(jí)還會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，連接裝配操作空間受限嚴(yán)重，分離過程中插頭及電纜自由運(yùn)動(dòng)嚴(yán)格受控，與常規(guī)情況下分離電纜布局在捆綁連桿的情況完全不同。

在布局布線設(shè)計(jì)中，CZ-5火箭采用以波紋結(jié)構(gòu)為核心的組合防護(hù)罩進(jìn)行綜合防護(hù)，能同時(shí)滿足結(jié)構(gòu)接口匹配、裝配操作工藝、箭體變形適應(yīng)、產(chǎn)品防熱防水、可靠分離及多余物控制等需求。組合防護(hù)罩各組成部分相互之間通過插接和螺紋連接形成整體，以金屬材料性能確保強(qiáng)度、以波紋可壓縮特性確保變形補(bǔ)償、以外表面防熱涂層和縫隙防水涂層確保防護(hù)。

3.3 減振設(shè)計(jì)

CZ-5火箭對(duì)增壓輸送系統(tǒng)管路元件壓力的監(jiān)測(cè)一般通過引出獨(dú)立小導(dǎo)管連接傳感器實(shí)現(xiàn)，連接后傳感器作為導(dǎo)管末端的集中質(zhì)量載荷，如沿用傳統(tǒng)的布局設(shè)計(jì)方案以鈑金支架或帶彈簧的鈑金支架作為其安裝結(jié)構(gòu)，在運(yùn)輸、飛行過程中將放大力學(xué)環(huán)境的影響，是引起小導(dǎo)管末端焊縫開裂、推進(jìn)劑泄露甚至火箭爆炸的潛在風(fēng)險(xiǎn)。

在管路測(cè)壓傳感器布局設(shè)計(jì)中，CZ-5火箭創(chuàng)新采用非金屬材料臥式支架結(jié)構(gòu)形式對(duì)傳感器進(jìn)行固定，使傳感器最大程度貼近安裝部位所依附的箭體結(jié)構(gòu)，減小壓力傳感器作為集中質(zhì)量對(duì)導(dǎo)管引起的附加載荷，使連接后的導(dǎo)管和壓力傳感器對(duì)載荷環(huán)境的響應(yīng)盡量一致；同時(shí)，對(duì)傳感器進(jìn)行夾持限位，大幅減小壓力傳感器作為集中質(zhì)量在載荷作用下的響應(yīng)振幅,以此消除導(dǎo)管末端接管嘴焊縫的開裂風(fēng)險(xiǎn)。

3.4 防水防潮設(shè)計(jì)

文昌發(fā)射場(chǎng)自然環(huán)境為高濕多雨高鹽霧，CZ-5火箭加注低溫推進(jìn)劑后箭體內(nèi)外表面產(chǎn)生大量冷凝水，電氣系統(tǒng)的防水防潮性能面臨比以往其它運(yùn)載火箭更為嚴(yán)苛的挑戰(zhàn)，故防水防潮設(shè)計(jì)應(yīng)從產(chǎn)品提升、環(huán)境改善等多個(gè)切入點(diǎn)主動(dòng)提高電氣系統(tǒng)適應(yīng)性。

在進(jìn)行布局布線設(shè)計(jì)時(shí)，首先從提高儀器電纜自身防水性能入手，通過選用防水元器件從基礎(chǔ)上提高電氣系統(tǒng)防水能力臺(tái)階，通過在儀器電纜生產(chǎn)過程中增加防水工藝措施，如電連接器尾罩灌膠、電纜外包防水套管等進(jìn)一步提高電氣系統(tǒng)自身防水能力；在前述工作基礎(chǔ)上，通過設(shè)計(jì)電連接器插接方向、增加縱向電纜反向打彎、在必要位置增加儀器電纜防水包覆等，進(jìn)一步使電氣系統(tǒng)隔離水環(huán)境；同時(shí)，要求箭體結(jié)構(gòu)在易儲(chǔ)水位置增加排水孔引流、在火箭外部凸起物上增加導(dǎo)流擋水條、增加艙段熱氮吹除等改善環(huán)境濕度，進(jìn)一步優(yōu)化電氣系統(tǒng)所處的箭上環(huán)境。

4 布局布線的工藝性設(shè)計(jì)

CZ-5火箭作為中國(guó)首個(gè)芯級(jí)直徑達(dá)到5 m的新一代運(yùn)載火箭，電氣系統(tǒng)在總裝、運(yùn)輸、測(cè)試、發(fā)射等流程中各項(xiàng)工作的可實(shí)現(xiàn)性、可操作性、流程規(guī)劃合理性是布局布線方案設(shè)計(jì)中需要專項(xiàng)設(shè)計(jì)、驗(yàn)證和優(yōu)化的重要方面，是決定一發(fā)火箭發(fā)射任務(wù)順利開展、持續(xù)推進(jìn)的基礎(chǔ)。

4.1 人機(jī)工程仿真驗(yàn)證

CZ-5火箭的規(guī)模之大已無法基于實(shí)物進(jìn)行各項(xiàng)設(shè)計(jì)驗(yàn)證和優(yōu)化迭代，否則將對(duì)研制周期有非常明顯的影響，難以滿足發(fā)射任務(wù)的進(jìn)度需求。CZ-5火箭設(shè)計(jì)使用數(shù)字化工具建立了全箭級(jí)的數(shù)字樣機(jī)和發(fā)射場(chǎng)數(shù)字樣機(jī)，電氣系統(tǒng)布局布線設(shè)計(jì)以數(shù)字樣機(jī)為基礎(chǔ)，針對(duì)關(guān)鍵產(chǎn)品、難操作產(chǎn)品、特殊操作流程進(jìn)行人機(jī)工程仿真。在初步規(guī)劃工藝過程的前提下，以最接近操作實(shí)際情況的人員、工具、環(huán)境對(duì)特定產(chǎn)品和特定流程進(jìn)行仿真，除了驗(yàn)證布局布線設(shè)計(jì)合理性之外，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)特定產(chǎn)品和特定流程操作步驟調(diào)整優(yōu)化、提出專用工具工裝設(shè)計(jì)要求、調(diào)整儀器電纜布局方案、細(xì)化箭地接口協(xié)調(diào)內(nèi)容，確保電氣系統(tǒng)的布局布線方案設(shè)計(jì)符合工藝實(shí)施需求，仿真優(yōu)化見圖4。

圖4 布局布線仿真優(yōu)化Fig.4 Simulation and Optimization of Placement and Routing

4.2 關(guān)鍵產(chǎn)品操作風(fēng)險(xiǎn)控制

將CZ-5火箭分離火工品點(diǎn)火電纜連接、固定及防護(hù)的操作作為關(guān)鍵項(xiàng)目，必須在控制系統(tǒng)各級(jí)電纜網(wǎng)分別實(shí)施短路保護(hù)后進(jìn)行，此流程設(shè)計(jì)方案導(dǎo)致部分點(diǎn)火電纜的相關(guān)操作受限于火箭箭體的方位和操作位置的高度以及具體操作實(shí)施空間，成為易錯(cuò)難操作項(xiàng)目，操作工藝性差、完成可靠性低。僅通過增加必要的電纜網(wǎng)分支短路保護(hù)并提前實(shí)施，即使得上述操作工藝性差的點(diǎn)火電纜相關(guān)操作在條件更有保障、可靠性更高的情況下提前完成，且對(duì)火箭測(cè)發(fā)主流程不產(chǎn)生任何影響，實(shí)現(xiàn)以最小代價(jià)消除火工品點(diǎn)火電纜易錯(cuò)難操作風(fēng)險(xiǎn)。

圖5 操作工藝人機(jī)工程仿真Fig.5 Human-machine Engineering Simulation of Operating Process

5 基于數(shù)字樣機(jī)的布局布線三維設(shè)計(jì)協(xié)同

CZ-5火箭電氣系統(tǒng)規(guī)模龐大，連接關(guān)系尤其復(fù)雜，加之火箭總裝、運(yùn)輸、測(cè)試、發(fā)射、飛行等階段工作對(duì)電氣系統(tǒng)要求繁多、特點(diǎn)突出，故儀器電纜布局布線設(shè)計(jì)難度和復(fù)雜程度急劇增加。

5.1 三維數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)

在全箭數(shù)字樣機(jī)建立的基礎(chǔ)上，開展電氣系統(tǒng)與其他系統(tǒng)布局布線設(shè)計(jì)協(xié)同，以參數(shù)化數(shù)據(jù)約束的方式，首次實(shí)現(xiàn)無實(shí)物的機(jī)械接口協(xié)調(diào)和技術(shù)狀態(tài)協(xié)定，并通過自頂向下模式提出布局布線方案對(duì)其他系統(tǒng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的改進(jìn)要求。數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)成果有力支撐數(shù)字化研制及數(shù)據(jù)管理的標(biāo)準(zhǔn)體系建立，為新一代運(yùn)載火箭數(shù)字化研制打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

5.2 布局布線的三維數(shù)字化設(shè)計(jì)

在全型號(hào)開展數(shù)字化研制之初，所使用的三維建模軟件CREO 2.0電纜模塊（CABLIN）無法勝任大型運(yùn)載火箭多系統(tǒng)、多艙段、多電纜的復(fù)雜布線設(shè)計(jì)，故采用對(duì)CREO 2.0軟件進(jìn)行二次開發(fā)的THINKER智能布局工具，規(guī)劃布線主干及分支網(wǎng)絡(luò)、調(diào)用電氣原理關(guān)系、導(dǎo)入邏輯參照信息實(shí)現(xiàn)電纜的快速布線，形成的布線數(shù)字化模型具備直徑、撓性、質(zhì)量等電纜特性，電纜更加準(zhǔn)確和真實(shí)，并且可實(shí)現(xiàn)隨總體設(shè)計(jì)方案的變化保持電纜布線模型的自動(dòng)更新，解決了布線工藝性和電纜網(wǎng)重量?jī)?yōu)化的兩大難題。

6 展 望

隨著CZ-5火箭進(jìn)入在役火箭行列，繼續(xù)承擔(dān)國(guó)家重大航天工程的發(fā)射任務(wù)，電氣系統(tǒng)布局布線設(shè)計(jì)技術(shù)將更加側(cè)重于快速響應(yīng)發(fā)射應(yīng)用對(duì)火箭提出的具體需求，在質(zhì)心配平、減重分析、維修性分析、機(jī)構(gòu)動(dòng)作分析、自動(dòng)布局和布線優(yōu)化等方面進(jìn)行進(jìn)一步研究，開展設(shè)計(jì)工具和設(shè)計(jì)平臺(tái)的針對(duì)性建設(shè)，以進(jìn)一步提高電氣系統(tǒng)布局布線設(shè)計(jì)的迭代優(yōu)化效率和準(zhǔn)確率，進(jìn)而促進(jìn)方案設(shè)計(jì)的可靠性提升。