載人航天器數(shù)字化研制方法與應(yīng)用

李 濤, 敬 錚, 王 為, 何向君, 羅 皓

(北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部, 北京 100090)

1 引言

隨著人類探索太空的不斷發(fā)展,以空間站為代表的載人航天器系統(tǒng)規(guī)模、技術(shù)難度進(jìn)一步提高。受運(yùn)載火箭發(fā)射重量約束,大型載人航天器需要通過多次發(fā)射在軌組裝才能完成建造,在軌構(gòu)型多,能源、環(huán)境控制、熱控、信息、姿軌控、推進(jìn)等系統(tǒng)工作模式復(fù)雜,同時(shí)載人航天器單件小批量,可靠性要求高[1]。型號(hào)研制過程中,功能性能指標(biāo)、多學(xué)科仿真模型、專業(yè)分析數(shù)據(jù)、產(chǎn)品接口信息、測(cè)試和試驗(yàn)數(shù)據(jù)等信息耦合性和交互量龐大[2],傳統(tǒng)的文檔交互模式已無法滿足研制需求。隨著信息化技術(shù)的發(fā)展,載人航天器的研制呈現(xiàn)出與信息化融合發(fā)展的趨勢(shì)。

袁家軍[1]、張柏楠等[2]針對(duì)當(dāng)前載人航天器研制參數(shù)化和模型化程度不高、基于模型的系統(tǒng)綜合仿真驗(yàn)證不足、研制各環(huán)節(jié)缺乏數(shù)字化集成等問題,提出了面向載人航天器全生命周期的模型體系,并深入探索了各研制環(huán)節(jié)中不同模型間的傳遞與關(guān)聯(lián)關(guān)系。王建軍等[3-4]為提升航天器系統(tǒng)工程研制管理能力,剖析航天器系統(tǒng)工程研制管理難點(diǎn)和需求,提出借助信息化技術(shù)實(shí)現(xiàn)以研制流程為驅(qū)動(dòng)、以工作包為核心、以產(chǎn)品結(jié)構(gòu)為紐帶的精益協(xié)同智能研制管理模式。張佳朋等[5]分析航天器裝配執(zhí)行層面總體流程特點(diǎn),給出了面向航天器裝配質(zhì)量的數(shù)字孿生建模方法,以及面向數(shù)字孿生構(gòu)建的產(chǎn)品監(jiān)控與數(shù)據(jù)管理方法,提出一種基于灰度關(guān)聯(lián)的裝配過程質(zhì)量綜合預(yù)測(cè)方法,可用于航天器裝配質(zhì)量預(yù)測(cè)。朱光辰等[6]、康焱等[7]針對(duì)航天器管路和電纜總裝設(shè)計(jì)提出了數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)方法,實(shí)現(xiàn)了機(jī)電一體化設(shè)計(jì),提高了研制效率。王自軍等[8]針對(duì)衛(wèi)星總體總裝提出一種基于抽象、聚類和分層融合的信息化管理方法,實(shí)現(xiàn)了面向衛(wèi)星總體總裝信息的多層級(jí)集成融合。萬畢樂等[9]針對(duì)航天器手工裝配過程,以設(shè)計(jì)三維模型和模型補(bǔ)充表格為輸入,構(gòu)建出了面向航天器總體裝配的工藝數(shù)字樣機(jī)。郭堅(jiān)等[10]針對(duì)航天器信息流提出基于網(wǎng)絡(luò)的信息流數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)系統(tǒng)架構(gòu),提升了航天器研制效率,降低了研制成本。謝吉慧等[11]、楊碩等[12]針對(duì)航天器大型熱試驗(yàn)和綜合測(cè)試提出了數(shù)字化設(shè)計(jì)系統(tǒng),提升了試驗(yàn)和測(cè)試效率。劉治鋼等[13]基于數(shù)字孿生提出了航天器供配電數(shù)字伴飛系統(tǒng),通過測(cè)試數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)修改供配電模型,實(shí)現(xiàn)了測(cè)試和飛行狀態(tài)監(jiān)視與仿真。綜上,以往載人航天器研制數(shù)字化研究主要針對(duì)仿真、生產(chǎn)或總裝測(cè)試等單一環(huán)節(jié)提出了針對(duì)性的數(shù)字化方法,本文對(duì)載人航天器全生命周期的研制、運(yùn)營數(shù)字化方法進(jìn)行研究,并以某大型載人航天器為例進(jìn)行了實(shí)踐以期為后續(xù)航天器數(shù)字化研制提供借鑒。

2 載人航天器研制現(xiàn)狀

2.1 主要特點(diǎn)

經(jīng)過30 多年的發(fā)展,中國已研制出載人飛船、貨運(yùn)飛船、空間站等型譜的載人航天器,載人航天器的研制具有以下技術(shù)特點(diǎn):

1)系統(tǒng)復(fù)雜,規(guī)模龐大。載人航天器單體艙段重量一般在10 ～20 t,通過交會(huì)對(duì)接和組裝,形成總重超過100 t 的組合體,2022 年發(fā)射的問天和夢(mèng)天實(shí)驗(yàn)艙重23 t,是世界現(xiàn)役重量最大的單體艙段。載人航天器由GNC(Guidance, Navigation and Control)、電源、推進(jìn)、熱控、環(huán)境控制與生命保障等多個(gè)分系統(tǒng)組成,產(chǎn)品研制涉及機(jī)械、通信、供配電、微生物、環(huán)境控制和軟件等多個(gè)學(xué)科和專業(yè),同時(shí)航天器發(fā)射入軌后,又存在三軸穩(wěn)定、慣性飛行、軌道控制等多種正常和故障的飛行控制模式。以某載人航天器為例,其平臺(tái)設(shè)置15個(gè)分系統(tǒng),分系統(tǒng)一級(jí)配套產(chǎn)品超1000 臺(tái),二級(jí)配套產(chǎn)品超1500 臺(tái),是一般大型衛(wèi)星的近10 倍,繼承但有較大改動(dòng)和新研產(chǎn)品占比達(dá)到90%,供電電纜、以太網(wǎng)電纜、總線電纜、光纜等接點(diǎn)數(shù)超過20 萬,元器件60 萬只,CPU 軟件和FPGA 軟件超過300 項(xiàng),系統(tǒng)復(fù)雜,規(guī)模龐大,研制周期超10 年。

2)可靠性、安全性和長壽命要求高。載人航天器是高可靠、高安全和長壽命航天器,在軌運(yùn)行壽命要求一般超過10 年。為實(shí)現(xiàn)高可靠性、安全性和長壽命要求,需開展可靠性、安全性、長壽命與維修性的一體化設(shè)計(jì)。以產(chǎn)品固有可靠性、安全性設(shè)計(jì)為基礎(chǔ),維修性設(shè)計(jì)為保障,確保航天器壽命期內(nèi)安全可靠穩(wěn)定運(yùn)行。針對(duì)密封結(jié)構(gòu)、發(fā)動(dòng)機(jī)、對(duì)接機(jī)構(gòu)等無法在軌維修的產(chǎn)品,開展使用模式和長壽設(shè)計(jì)與試驗(yàn)驗(yàn)證,確保滿足壽命要求;針對(duì)機(jī)構(gòu)、電子等現(xiàn)有技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)全任務(wù)周期壽命的產(chǎn)品,通過在軌維修更換實(shí)現(xiàn)壽命要求,同時(shí)加強(qiáng)產(chǎn)品壽命期內(nèi)固有可靠性和安全性設(shè)計(jì),并通過單機(jī)冗余和裕度設(shè)計(jì)、系統(tǒng)級(jí)自主健康管理和功能重構(gòu)等措施,提高航天器任務(wù)安全性和可靠性。

3)研制流程復(fù)雜,成本高,風(fēng)險(xiǎn)大。載人航天器新技術(shù)多、批量小、系統(tǒng)復(fù)雜,可靠性和安全性要求高,因此需開展大量的單機(jī)、分系統(tǒng)和系統(tǒng)級(jí)仿真、測(cè)試、試驗(yàn)和迭代優(yōu)化,同時(shí)還要開展系統(tǒng)間匹配試驗(yàn),經(jīng)歷方案、初樣和正樣研制階段,研制流程復(fù)雜。產(chǎn)品研制包括電性件、鑒定件和正樣件,原材料、元器件為宇航級(jí),力學(xué)試驗(yàn)、真空熱試驗(yàn)等環(huán)境試驗(yàn)使用專用振動(dòng)臺(tái)和超大型真空罐,生產(chǎn)和試驗(yàn)成本高?？傃b過程中大型太陽電池翼、再生生保設(shè)備、科學(xué)試驗(yàn)機(jī)柜等產(chǎn)品安裝,以及艙段起吊、翻轉(zhuǎn)和對(duì)接等操作難度大,高空作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)高。艙外電纜、管路被輻射器遮蓋,艙內(nèi)通風(fēng)管道、電纜等鋪設(shè)在承力板和產(chǎn)品背面角隔區(qū)內(nèi),安裝后不可見不可達(dá),總裝過程不可逆,一旦出現(xiàn)技術(shù)狀態(tài)更改,將導(dǎo)致大量返工、質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)和時(shí)間成本高。

2.2 研制難點(diǎn)

中國航天工業(yè)經(jīng)過60 余年的發(fā)展,形成了完備的工業(yè)生產(chǎn)體系,但隨著載人航天器功能、性能需求的提高,傳統(tǒng)的研制方法出現(xiàn)了以下的難點(diǎn):

1)基于文檔的傳統(tǒng)研制模式難以滿足需求。隨著載人航天技術(shù)的不斷發(fā)展,用戶對(duì)航天器的功能性能、性價(jià)比要求越來越高,系統(tǒng)復(fù)雜度顯著增加,分系統(tǒng)間耦合性增強(qiáng)。傳統(tǒng)基于文檔分而治之的研制模式在跨學(xué)科、跨專業(yè)一體化設(shè)計(jì)和試驗(yàn)驗(yàn)證方面,面臨極大的挑戰(zhàn)。以空間站為代表的大型組合體載人航天器系統(tǒng)復(fù)雜、規(guī)模龐大,需多個(gè)可獨(dú)立飛行的20 噸級(jí)航天器通過組裝建造完成?？臻g站系統(tǒng)各飛行器既要各自獨(dú)立,又要在形成組合體后相互融合、有機(jī)統(tǒng)一,因此其功能、性能和產(chǎn)品配置需統(tǒng)一設(shè)計(jì),同時(shí)兼顧融合使用和相互切換。系統(tǒng)復(fù)雜度高,傳統(tǒng)基于文檔的研制模式在信息溝通和迭代優(yōu)化方面,已無法滿足要求,需通過數(shù)字化方法保障研制質(zhì)量和效率。

2)基于圖紙的生產(chǎn)制造效率和準(zhǔn)確性較低。航天器結(jié)構(gòu)產(chǎn)品設(shè)計(jì)方面已開展了數(shù)字化工作,但工藝和制造過程仍采用傳統(tǒng)的二維圖紙和二維表格化,三維數(shù)字化CAD/CAM 一體化技術(shù)應(yīng)用較少。載人航天器小批量、高成本的研制特點(diǎn),要求航天器從設(shè)計(jì)仿真到加工生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)必須進(jìn)行快速的一體化迭代優(yōu)化和方案收斂,傳統(tǒng)的二維模式制約著載人航天器結(jié)構(gòu)工藝和總裝工藝的設(shè)計(jì)效率和周期。電纜網(wǎng)研制方面,以往主要采用二維設(shè)計(jì)+分支長度圖和二維設(shè)計(jì)+模板電纜下廠模式,總體電路設(shè)計(jì)師從設(shè)備接口數(shù)據(jù)單中提取接點(diǎn)信息,轉(zhuǎn)換為分支圖,總裝設(shè)計(jì)師根據(jù)電纜連接關(guān)系圖在二維設(shè)備布局圖中進(jìn)行電纜平面走向,根據(jù)二維布線結(jié)果估算電纜長度,手動(dòng)繪制分支長度圖,最終以分支長度圖或模板電纜下廠。該模式設(shè)計(jì)周期長、工作量大,基于二維圖進(jìn)行電纜長度設(shè)計(jì)余量偏大。

3)信息管理模式難以滿足全壽命周期要求。傳統(tǒng)航天器研制模式和組織模式,存在系統(tǒng)-分系統(tǒng)-單機(jī)-原材料、元器件和設(shè)計(jì)-制造-測(cè)試-運(yùn)行2 個(gè)維度,圍繞型號(hào)產(chǎn)品研制過程中的質(zhì)量信息數(shù)據(jù)的采集與傳遞過程,信息傳遞鏈條長,導(dǎo)致航天器研制過程中型號(hào)產(chǎn)品數(shù)據(jù)傳遞差錯(cuò)、滯后、數(shù)據(jù)多處存儲(chǔ)以及產(chǎn)品數(shù)據(jù)非結(jié)構(gòu)化,數(shù)據(jù)查詢分析困難問題。因此需要確保質(zhì)量數(shù)據(jù)的有效性和唯一性,為型號(hào)研制、型號(hào)管理、故障處理所涉及的人員提供單一數(shù)據(jù)來源,為各種專業(yè)工具提供有效、可靠的數(shù)據(jù)輸入。

3 基于數(shù)字化的載人航天器研制方法

載人航天器按照系統(tǒng)工程思想,開展從系統(tǒng)-分系統(tǒng)-單機(jī)全過程的數(shù)字化研制,主要從三方面開展數(shù)字化研制工作:

1)設(shè)計(jì)階段。開展體系論證與效能仿真,對(duì)型號(hào)系統(tǒng)狀態(tài)和效能進(jìn)行快速仿真,確定型號(hào)總體技術(shù)方向;同時(shí),通過功能和性能分解,將頂層要求逐級(jí)向下分解,利用數(shù)字化工具建立初步的產(chǎn)品機(jī)電熱信息模型,并開展仿真驗(yàn)證工作,確定型號(hào)初步技術(shù)基線。

2)制造集成階段。開展基于模型的智能制造、智能集成和單機(jī)制造過程數(shù)字化狀態(tài)管理。

3)測(cè)試試驗(yàn)階段。開展全過程自動(dòng)化綜合測(cè)試、仿真與測(cè)試相結(jié)合的半物理測(cè)試、虛擬大型試驗(yàn)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析與管理。

同時(shí),在產(chǎn)品研制全生命周期需要開展產(chǎn)品信息存儲(chǔ)和管理,確保產(chǎn)品信息可追溯。

3.1 設(shè)計(jì)階段

為保證載人航天器研制方案正確性,提高設(shè)計(jì)迭代效率,降低產(chǎn)品反復(fù)風(fēng)險(xiǎn),需要在型號(hào)研制中,持續(xù)采用多學(xué)科仿真,對(duì)型號(hào)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行仿真分析與驗(yàn)證,并通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)完善仿真模型,設(shè)計(jì)仿真和迭代完善流程如圖1 所示。設(shè)計(jì)階段,根據(jù)用戶需求和大系統(tǒng)約束條件,在繼承以往產(chǎn)品研制基礎(chǔ)上,開展航天器飛行軌道、構(gòu)型與布局等總體設(shè)計(jì),并完成分系統(tǒng)、單機(jī)功能性能以及機(jī)電熱、信息等設(shè)計(jì)工作,在完成初步設(shè)計(jì)后,通過結(jié)構(gòu)力學(xué)、羽流、能量平衡、交會(huì)對(duì)接等多學(xué)科建模與仿真,驗(yàn)證單機(jī)和整艙方案設(shè)計(jì)的正確性和匹配性;制造集成階段在型號(hào)轉(zhuǎn)入生產(chǎn)階段后,通過多學(xué)科仿真輔助設(shè)計(jì)整艙試驗(yàn)條件,確保覆蓋在軌工況和邊界條件;在單機(jī)試驗(yàn)、整艙綜合測(cè)試、大型試驗(yàn)和大系統(tǒng)接口試驗(yàn)后,利用地面試驗(yàn)數(shù)據(jù)修改完善產(chǎn)品仿真模型,進(jìn)一步確認(rèn)產(chǎn)品技術(shù)狀態(tài)滿足飛行任務(wù)要求。發(fā)射入軌后,通過在軌飛行數(shù)據(jù)迭代優(yōu)化產(chǎn)品仿真模型,為航天器的運(yùn)行維護(hù)、產(chǎn)品升級(jí)和擴(kuò)展提供支持。

圖1 多學(xué)科仿真流程Fig.1 Multidisciplinary simulation process

載人航天器多學(xué)科仿真系統(tǒng)一般由數(shù)字功能樣機(jī)建模仿真子系統(tǒng)、環(huán)境條件建模仿真子系統(tǒng)、故障仿真子系統(tǒng)、調(diào)配子系統(tǒng)4 個(gè)部分組成。數(shù)字功能樣機(jī)建模仿真是指針對(duì)載人航天器能源、環(huán)熱控、信息、姿軌控、推進(jìn)等部件功能進(jìn)行數(shù)學(xué)建模并進(jìn)行系統(tǒng)集成,仿真產(chǎn)品或者部件的運(yùn)行情況;環(huán)境條件建模仿真是指對(duì)除航天器物理設(shè)備外仿真所需要的環(huán)境條件進(jìn)行建模仿真,例如軌道、環(huán)境力矩、陽光遮擋、外熱流、進(jìn)出測(cè)控區(qū)情況等;故障仿真提供故障狀態(tài)仿真預(yù)示、故障處置策略有效性驗(yàn)證等故障仿真支持手段;數(shù)字功能樣機(jī)建模仿真子系統(tǒng)、環(huán)境條件建模仿真子系統(tǒng)各模塊之間通過分布式仿真支撐環(huán)境進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。調(diào)配子系統(tǒng)包含能源調(diào)配策略輔助規(guī)劃、散熱調(diào)配策略輔助規(guī)劃、信息調(diào)配策略輔助規(guī)劃等功能,如圖2 所示。

圖2 多學(xué)科仿真系統(tǒng)組成Fig.2 Framework of multidisciplinary simulation system

3.2 制造集成階段

載人航天器產(chǎn)品生產(chǎn)制造包括單機(jī)產(chǎn)品、管路、電纜、總裝直屬件的生產(chǎn)和總體總裝。以往單機(jī)生產(chǎn)采用二維圖紙下廠方式,為打通產(chǎn)品三維設(shè)計(jì)與生產(chǎn)制造的通路,需要采取自頂向下的全三維數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)思路,按照成熟度將三維模型劃分為4 個(gè)層次,逐層細(xì)化,形成從整器構(gòu)型到總裝詳細(xì)設(shè)計(jì)的不同層次的模型。總體、分系統(tǒng)、單機(jī)單位及其制造和總裝部門基于統(tǒng)一的協(xié)同設(shè)計(jì)系統(tǒng)、在同一個(gè)幾何模型下開展協(xié)同設(shè)計(jì)。產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造與裝配完全基于三維模型進(jìn)行,如圖3 所示。

針對(duì)單機(jī)產(chǎn)品涉及部門多、數(shù)據(jù)源不統(tǒng)一、數(shù)據(jù)傳遞途徑易出錯(cuò)的問題,采用面向系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)與分析的單機(jī)產(chǎn)品三維數(shù)字化模式。單機(jī)設(shè)備是指由分系統(tǒng)提供的航天器設(shè)備配套表中除電纜網(wǎng)、熱控材料以外的有唯一編號(hào)的航天器單機(jī)產(chǎn)品,是組成航天器產(chǎn)品的基本單位。單機(jī)設(shè)備模型包括單機(jī)外觀模型、輔助模型、緊固件模型等,外觀模型用于反映從設(shè)備外部空間可見的外觀、幾何信息、與外部連接的接口信息的設(shè)備三維模型,輔助模型用于總體設(shè)計(jì)與分析,在設(shè)備上不真實(shí)存在的模型,如精測(cè)通道模型、視場(chǎng)模型、羽流模型等,單機(jī)產(chǎn)品協(xié)同流程如圖4 所示。

圖4 基于三維模型的單機(jī)產(chǎn)品協(xié)同流程Fig.4 Product collaborative-design flow based on 3D model

3.3 測(cè)試試驗(yàn)階段

載人航天器測(cè)試與試驗(yàn),按規(guī)模分為單機(jī)、分系統(tǒng)、系統(tǒng)和大系統(tǒng)級(jí),其中系統(tǒng)級(jí)綜合測(cè)試持續(xù)時(shí)間長、工況復(fù)雜,整器狀態(tài)最接近在軌狀態(tài)。為提升測(cè)試質(zhì)量和效率,保證測(cè)試有效性和覆蓋性,需利用數(shù)字化方法提高綜合測(cè)試自動(dòng)化程度。研制自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)開展自動(dòng)測(cè)試、判讀、綜合分析,自動(dòng)完成測(cè)試項(xiàng)目生成、指令操作、狀態(tài)監(jiān)控、過程記錄、數(shù)據(jù)判讀、結(jié)果分析和報(bào)告生成等,降低人工操作,實(shí)現(xiàn)測(cè)試自動(dòng)化。同時(shí),按照飛行任務(wù)剖面,通過半物理仿真系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)地面模擬器,模擬在軌各種環(huán)境激勵(lì),加載到航天器各敏感器和設(shè)備上,使航天器地面測(cè)試環(huán)境輸入與在軌環(huán)境一致。

自動(dòng)化測(cè)試流程如圖5 所示,準(zhǔn)備階段,利用自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng),將設(shè)計(jì)的參數(shù)表、指令表、判讀規(guī)程等導(dǎo)入測(cè)試系統(tǒng),生成參數(shù)指令庫、判讀庫。測(cè)試階段,首先將測(cè)試大綱、要求轉(zhuǎn)化為最小測(cè)試單元和測(cè)試程序,其次根據(jù)整器狀態(tài)和約束條件,將測(cè)試單元組合為測(cè)試項(xiàng)目,生成每日測(cè)試計(jì)劃,最后在測(cè)試過程中自動(dòng)發(fā)送指令,存儲(chǔ)遙測(cè)數(shù)據(jù),并對(duì)指令和遙測(cè)進(jìn)行實(shí)時(shí)判讀。評(píng)估階段,利用自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)對(duì)指令覆蓋性、參數(shù)曲線、關(guān)聯(lián)性等進(jìn)行綜合分析與評(píng)價(jià),確保測(cè)試有效性和覆蓋性。

3.4 全生命周期產(chǎn)品信息管理

為實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品信息的全生命周期管理,保障產(chǎn)品信息正確有效和可追溯,在產(chǎn)品研制過程中就需要開展產(chǎn)品信息的收集、整理和歸檔。

產(chǎn)品驗(yàn)收是產(chǎn)品交付前的最后質(zhì)量把關(guān)環(huán)節(jié),需要對(duì)設(shè)計(jì)-制造-測(cè)試-交付全過程的產(chǎn)品數(shù)據(jù)進(jìn)行管理和審查。從元器件與原材料選用、單機(jī)研制、分系統(tǒng)研制、航天器系統(tǒng)研制不同層次,建立多級(jí)產(chǎn)品數(shù)據(jù)體系,規(guī)范各類專業(yè)參數(shù)接口標(biāo)準(zhǔn),實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)指標(biāo)自頂向下分解傳遞,實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)自底向上收集驗(yàn)證的質(zhì)量信息數(shù)據(jù)管控模式,如圖6 所示。

圖6 航天器單機(jī)產(chǎn)品數(shù)據(jù)包形成過程Fig.6 Formation process of spacecraft product data packet

4 大型復(fù)雜載人航天器實(shí)踐

載人航天器的研制涉及到從元器件、原材料篩選到閥門、管路、電纜和密封結(jié)構(gòu)的加工制造等諸多方面,研制過程數(shù)字化是在已有航天工業(yè)生產(chǎn)體系和發(fā)展成果基礎(chǔ)上循序漸進(jìn)。本文以某大型載人航天器研制為例,選取設(shè)計(jì)與制造交互性、耦合性最強(qiáng)的生產(chǎn)、管理環(huán)節(jié),闡述了型號(hào)研制全周期的數(shù)字化系統(tǒng)及其應(yīng)用情況。

4.1 基于Cradle 的條目化需求管理系統(tǒng)

采用商用軟件Cradle 二次開發(fā),建立了型號(hào)需求管理系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)條目化的技術(shù)要求管理。建立總體-艙段-分系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的需求管理體系,實(shí)現(xiàn)型號(hào)技術(shù)要求條目化管控,并與任務(wù)功能指標(biāo)體系建立關(guān)聯(lián),確保技術(shù)要求與任務(wù)功能指標(biāo)一致性、覆蓋性。

4.2 基于模型的多學(xué)科設(shè)計(jì)仿真系統(tǒng)

研制基于MathWorks 軟件研制多學(xué)科仿真系統(tǒng),系統(tǒng)數(shù)字功能樣機(jī)建模以Modelica 建模語言為主,結(jié)合C 語言建模等其他建模方式開展。根據(jù)航天器的系統(tǒng)功能組成,對(duì)能源、環(huán)熱控、信息、姿軌控、推進(jìn)等功能層次分別進(jìn)行建模,然后將各功能層次的模型整合得到整個(gè)載人航天器的數(shù)字功能樣機(jī)模型。

模型集成過程中,針對(duì)采用Modelica 語言建立的功能模型,如環(huán)熱控、能源、姿軌控、信息等專業(yè)模型,通過Modelica 模型圖形化集成窗口,將同一設(shè)備不同專業(yè)的模型進(jìn)行封裝形成設(shè)備的多學(xué)科功能樣機(jī)模型。封裝后不同專業(yè)學(xué)科模型代表的數(shù)字公式將在Mwork 軟件平臺(tái)后臺(tái)聯(lián)立求解,從而實(shí)現(xiàn)多學(xué)科專業(yè)模型的耦合仿真。針對(duì)采用非Modelica 語言建立的異構(gòu)模型,如C/C++語言建立的模型、Matlab/Simulink 軟件建立的模型,多學(xué)科仿真平臺(tái)提供了相應(yīng)的模型集成與聯(lián)合仿真方法。集成后的多學(xué)科仿真模型系統(tǒng)如圖7 所示[2],開展了某大型載人航天器轉(zhuǎn)位、機(jī)械臂爬行等仿真驗(yàn)證,解決了地面無法進(jìn)行實(shí)物驗(yàn)證的問題。

圖7 載人航天器多學(xué)科仿真系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)Fig.7 M u ltidiscip linary simu lation system of manned spacecraft

4.3 基于三維模型的生產(chǎn)制造系統(tǒng)

4.3.1 電纜網(wǎng)三維下廠系統(tǒng)

研制了電纜網(wǎng)三維下廠與數(shù)據(jù)管理系統(tǒng),打通總體設(shè)計(jì)和電纜生產(chǎn)的閉環(huán)數(shù)據(jù)鏈路,實(shí)現(xiàn)全三維的數(shù)字化模式,自動(dòng)生成分支走向圖,采用三維模型+二維虛擬模板+分支長度圖模式,其研制流程如圖8 所示。

圖8 電纜網(wǎng)數(shù)字化研制流程Fig.8 Digital development process of electric cables

針對(duì)電纜網(wǎng)三維數(shù)字化研制,通過提取Pro/E 三維線纜信息,自動(dòng)生成中間線纜數(shù)據(jù)文檔,輔助工藝人員檢查正確性,并依此自動(dòng)生成線纜長度分支圖和點(diǎn)膠記錄表,簡化工藝準(zhǔn)備過程。

根據(jù)接點(diǎn)表計(jì)算每根電纜各分支中使用導(dǎo)線的規(guī)格和根數(shù),并將電纜分支長度圖處理成結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù),完成導(dǎo)線長度的自動(dòng)計(jì)算,最終生成電纜導(dǎo)線下廠技術(shù)要求,并在三維工藝系統(tǒng)中受控。對(duì)型號(hào)研制過程中,通過電纜網(wǎng)三維下廠系統(tǒng)后的電纜生產(chǎn)時(shí)間統(tǒng)計(jì)分析,表明從技術(shù)要求下發(fā)到電纜交付時(shí)間平均縮短了40%。

4.3.2 管路三維下廠系統(tǒng)

Pro/E 軟件二次開發(fā)的基于三維模型的管路三維下廠系統(tǒng),在管路設(shè)計(jì)完成后,設(shè)計(jì)結(jié)果以受控文件和模型的形式分別輸出給總裝廠和制造廠,如圖9 所示,輸出的文件和模型被工藝人員快速轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)工藝,設(shè)計(jì)結(jié)果快速轉(zhuǎn)化成產(chǎn)品,并安裝到位。通過該系統(tǒng)在型號(hào)的實(shí)際應(yīng)用,建立了管路及其組件三維標(biāo)準(zhǔn)庫,實(shí)現(xiàn)了管路組件三維模型規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化、參數(shù)化,實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)、快速的管路布線,避免了大量異形管路的取樣和試裝工作量。同時(shí)采用基于三維模型的管路走位、固定方法,提高管路系統(tǒng)溫度分布仿真的準(zhǔn)確性,為管路多層包覆和加熱帶設(shè)計(jì)加工提供輸入,降低在真空熱試驗(yàn)中發(fā)生管路凍結(jié)的風(fēng)險(xiǎn),避免管路安裝返工。

圖9 管路下廠模型Fig.9 Product m odel of pipeline

4.4 產(chǎn)品數(shù)據(jù)包采集與驗(yàn)收管理系統(tǒng)

產(chǎn)品數(shù)據(jù)包是產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求和產(chǎn)品制造、組裝、調(diào)試、檢驗(yàn)、試驗(yàn)各環(huán)節(jié)的量化要求與實(shí)現(xiàn)情況的實(shí)測(cè)記錄。載人航天器型號(hào)產(chǎn)品數(shù)據(jù)包分為單機(jī)、分系統(tǒng)和系統(tǒng)3 個(gè)層次,數(shù)據(jù)包的生成隨著產(chǎn)品的實(shí)現(xiàn)同時(shí)完成。利用已有的信息網(wǎng)絡(luò),研制的單機(jī)產(chǎn)品數(shù)據(jù)包系統(tǒng),為研制人員提供了一個(gè)跨地域、透明、安全的協(xié)同平臺(tái)。系統(tǒng)作為整個(gè)型號(hào)研制體系中核心數(shù)據(jù)的共享數(shù)據(jù)源,對(duì)設(shè)計(jì)、制造、測(cè)試試驗(yàn)、交付和維護(hù)進(jìn)行管控,實(shí)現(xiàn)了載人航天器研制全周期質(zhì)量數(shù)據(jù)過程監(jiān)控、數(shù)據(jù)共享和追溯,避免了研制人員面對(duì)面的問答式驗(yàn)收。從驗(yàn)收時(shí)間分析,總體驗(yàn)收效率提高了50%以上。

4.5 載人航天器在軌運(yùn)營仿真系統(tǒng)

型號(hào)在研制階段積累的仿真模型基礎(chǔ)上,利用Mworks 等多學(xué)科仿真軟件二次開發(fā),建立了載人航天器在軌運(yùn)營仿真系統(tǒng),如圖10 所示,系統(tǒng)集成1600 余臺(tái)單機(jī)模型,并完成在軌遙測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)單機(jī)模型和參數(shù)校正,仿真模型總規(guī)模超150 萬方程組。利用運(yùn)營仿真系統(tǒng)完成了各次在軌任務(wù)的能量平衡、散熱能力、出艙過程艙壓等仿真分析和預(yù)示,為出艙活動(dòng)、機(jī)械臂操作等任務(wù)決策和方案設(shè)計(jì)提供支持,確保任務(wù)成功。

圖10 載人航天器仿真與運(yùn)營支持系統(tǒng)Fig.10 O rbital operation simulation system of m anned spacecraft

5 結(jié)論

1)采用多學(xué)科仿真分析方法和系統(tǒng),可以有效整合總體、分系統(tǒng)和單機(jī)的多學(xué)科數(shù)字模型,實(shí)現(xiàn)復(fù)雜耦合系統(tǒng)的仿真分析,提高迭代效率,解決地面無法進(jìn)行實(shí)物試驗(yàn)的問題。

2)采用基于三維模型的電纜、管路設(shè)計(jì)與生產(chǎn)制造系統(tǒng),使電纜生產(chǎn)從技術(shù)要求下發(fā)到交付時(shí)間平均縮短40%,降低了異形管路的實(shí)物取樣和試裝工作量,提高設(shè)計(jì)生產(chǎn)效率。

3)采用產(chǎn)品全生命周期需求管理,數(shù)據(jù)包收集與管理方法與系統(tǒng),可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品技術(shù)要求條目化管理,實(shí)現(xiàn)信息的跨地域收集、監(jiān)控、共享和追溯,使驗(yàn)收效率提高50%。

4)采用在軌遙測(cè)數(shù)據(jù)校正后的載人航天器仿真模型可有效預(yù)示航天器在軌飛行狀態(tài),為任務(wù)決策和實(shí)施提供有力支持。