航天型號數(shù)字化研制模式轉(zhuǎn)型

◎中國空間技術(shù)研究院通信衛(wèi)星事業(yè)部 張鵬 楊軍 蔣小勇 曹鵬

中國空間技術(shù)研究院通信衛(wèi)星事業(yè)部是我國通信廣播、數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星的總體研制單位，近年來承擔(dān)的型號任務(wù)快速增長，呈現(xiàn)出“技術(shù)難度大、系統(tǒng)復(fù)雜、研制周期短、發(fā)射任務(wù)密集”的特點，同時面對用戶對性能多樣性和質(zhì)量可靠性要求越來越高以及競爭持續(xù)激烈的大環(huán)境，作為國際通信衛(wèi)星制造業(yè)中的重要一員，只有充分發(fā)揮先進(jìn)技術(shù)和資源優(yōu)勢，在最短的時間內(nèi)以最有效的方式生產(chǎn)出最能滿足用戶需要的產(chǎn)品，才能贏得市場。

數(shù)字化設(shè)計制造技術(shù)使傳統(tǒng)研制模式發(fā)生了革命性變革，也是當(dāng)今先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展方向，是支撐航天制造快速發(fā)展的有力保障，促進(jìn)了企業(yè)的跨越發(fā)展。通信衛(wèi)星研制在借鑒國內(nèi)外經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，開展了數(shù)字化研制的探索與實踐工作，構(gòu)建了數(shù)字化工程體系，提升了研制能力與效率，助推研制模式向產(chǎn)業(yè)能力型轉(zhuǎn)型。

一、國內(nèi)外相關(guān)行業(yè)數(shù)字化研制狀況

在國外，基于產(chǎn)品數(shù)字樣機(jī)的數(shù)字化設(shè)計與制造模式已廣泛應(yīng)用于汽車、航空航天等領(lǐng)域，為復(fù)雜產(chǎn)品的設(shè)計制造帶來了前所未有的機(jī)遇。國外航空業(yè)已全面采用先進(jìn)的電氣系統(tǒng)設(shè)計及仿真手段，使工程設(shè)計水平和飛機(jī)研制效率得到巨大的提高。在近幾年來的大型民用飛機(jī)研制中，無論是空客A380客機(jī)還是波音787客機(jī)的研制，都充分體現(xiàn)了數(shù)字化技術(shù)是企業(yè)的核心競爭力，是產(chǎn)品創(chuàng)新發(fā)展的最有力工具。洛克希德·馬丁公司的先進(jìn)聯(lián)合攻擊戰(zhàn)斗機(jī)通過全數(shù)字化研制，使設(shè)計、制造、裝配及其維護(hù)成本減少50%以上。波音公司的Delta IV火箭制造與裝配過程，以及泰勒斯阿萊尼亞航天公司的衛(wèi)星設(shè)計研制過程均通過應(yīng)用三維數(shù)字化手段取得顯著效果。

在國內(nèi)軍工企業(yè)中，航空企業(yè)是數(shù)字化研制應(yīng)用的領(lǐng)先者，沈陽飛機(jī)設(shè)計研究所形成了以計算機(jī)輔助設(shè)計、工程分析、型號管理為主的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用系統(tǒng)，具備了進(jìn)行飛機(jī)全三維數(shù)字化設(shè)計和制造的能力與手段，在使用全數(shù)字化的模式進(jìn)行設(shè)計后，生產(chǎn)周期縮短了一半；成都飛機(jī)設(shè)計研究所數(shù)字化設(shè)計水平和信息化技術(shù)應(yīng)用在國內(nèi)處于領(lǐng)先地位，建立了基于數(shù)字樣機(jī)的虛擬產(chǎn)品研發(fā)環(huán)境，特別是對于新一代飛機(jī)的全數(shù)字化樣機(jī)的成功研制。

航天企業(yè)中，中國運載火箭技術(shù)研究院自2007年起先后開展了構(gòu)建協(xié)同工作環(huán)境，創(chuàng)建包括設(shè)計、制造、裝配等跨部門組成的集成產(chǎn)品開發(fā)團(tuán)隊（IPT）組織模式，數(shù)字化產(chǎn)品并行定義，流程重構(gòu)和管理改進(jìn)五個階段的建設(shè)，實現(xiàn)了高度信息共享及并行協(xié)同設(shè)計，新一代運載火箭通過全三維數(shù)字化研制，提高了工作效率和研制質(zhì)量，降低了研制成本。

二、通信衛(wèi)星數(shù)字化研制目標(biāo)與思路

通信衛(wèi)星全數(shù)字化研制目標(biāo)為：在技術(shù)上，形成一套高效、可靠的通信衛(wèi)星數(shù)字化研制流程以及成熟的先進(jìn)設(shè)計技術(shù)應(yīng)用能力，全面支持型號協(xié)同設(shè)計、數(shù)字化模裝、數(shù)字化仿真設(shè)計、三維模型下廠加工和數(shù)字化測試，并以此形成一整套數(shù)字化管理和設(shè)計規(guī)范，從而保證各環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)與信息的無縫連接；在管理上，通過建立科學(xué)合理、創(chuàng)新、高效的組織結(jié)構(gòu)和運行管理機(jī)制，形成通信衛(wèi)星數(shù)字化設(shè)計平臺及多系統(tǒng)協(xié)同設(shè)計技術(shù)環(huán)境，確保數(shù)字化工作在型號全面推進(jìn)。

通信衛(wèi)星全三維數(shù)字化研制工作的總體思路是試點突破、總結(jié)模式、形成標(biāo)桿、健全體系、全面推廣。首先選取典型衛(wèi)星型號為試點，積極探索、全面推進(jìn)，打通上下游研制環(huán)節(jié)；通過全面總結(jié)全三維數(shù)字化研制經(jīng)驗，固化流程、標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范，建立健全數(shù)字化研制體系；建立統(tǒng)一數(shù)據(jù)源模型，在后續(xù)所有型號全面推廣，實現(xiàn)覆蓋型號設(shè)計與分析、結(jié)構(gòu)產(chǎn)品制造與部裝、AIT全流程全三維數(shù)字化研制，打造全數(shù)字化衛(wèi)星。通信衛(wèi)星數(shù)字化研制業(yè)務(wù)范圍和實施思路如圖1所示。

圖1 數(shù)字化研制業(yè)務(wù)范圍和實施路線圖

三、數(shù)字化研制實施過程

1.成立數(shù)字化研制組織，完善數(shù)字化研制機(jī)制

為切實推動通信衛(wèi)星的數(shù)字化研制工作，通信衛(wèi)星事業(yè)部成立了數(shù)字化項目辦公室，主要負(fù)責(zé)與上級、分系統(tǒng)相關(guān)研制單位進(jìn)行溝通和協(xié)調(diào)，組織落實相關(guān)工作項目和要求，及時協(xié)調(diào)解決存在的問題；制定型號全三維數(shù)字化研制標(biāo)準(zhǔn)、流程、規(guī)范以及研制專題策劃并組織實施，組織落實型號全三維數(shù)字化研制相關(guān)保障條件。同時建立數(shù)字化研制定期調(diào)度機(jī)制，及時協(xié)調(diào)設(shè)計、工藝、制造、裝配等上下游單位的研制工作。

通過建立科學(xué)合理、創(chuàng)新、高效的組織結(jié)構(gòu)（見圖2）和運行管理機(jī)制，建立通信衛(wèi)星總體數(shù)字化設(shè)計平臺及多系統(tǒng)協(xié)同設(shè)計技術(shù)環(huán)境，打造全三維設(shè)計、工藝、檢測及試驗數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理平臺，提高衛(wèi)星研制的技術(shù)水平，加快研制的整體效率，提高整體質(zhì)量。

2.搭建數(shù)字化協(xié)同設(shè)計環(huán)境

基于IPT的思想搭建數(shù)字化協(xié)同設(shè)計工作室，統(tǒng)一配置三維數(shù)字化設(shè)計與開發(fā)、分析與仿真軟件系統(tǒng)及基于模型的審簽管理系統(tǒng)，開發(fā)總體總裝工具箱，創(chuàng)建單機(jī)模型數(shù)據(jù)庫及總裝直屬件、電連接器、電纜網(wǎng)、管路模型庫，為實施全三維數(shù)字化研制創(chuàng)建軟、硬件環(huán)境，打通總體數(shù)字化設(shè)計模型與下游數(shù)字化制造、裝配單位的傳遞通道。

3.編制數(shù)字化研制標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范

通信衛(wèi)星數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范包括數(shù)字化定義、數(shù)字化分析、協(xié)同設(shè)計、數(shù)字化產(chǎn)保、通用規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，是由若干個相互依存、相互制約的數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)組成的有機(jī)整體。數(shù)字化定義標(biāo)準(zhǔn)主要涉及衛(wèi)星構(gòu)型布局及分析、管路電纜三維設(shè)計、單機(jī)、直屬件建模等方面，是為了保障數(shù)字化設(shè)計制定的標(biāo)準(zhǔn)；數(shù)字化分析規(guī)范主要針對數(shù)據(jù)交換、結(jié)構(gòu)熱分析等；協(xié)同設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)主要是審簽流程與結(jié)構(gòu)熱控、有效載荷、制造等協(xié)同的相關(guān)規(guī)范；數(shù)字化產(chǎn)品保證規(guī)范主要解決因數(shù)字化研制引發(fā)的與產(chǎn)品質(zhì)量保證相關(guān)的問題；通用規(guī)范指通用要求。

目前，我國通信衛(wèi)星數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范已制定了50余份，形成了基于模型定義（MBD）技術(shù)的通信衛(wèi)星產(chǎn)品定義標(biāo)準(zhǔn)和一整套數(shù)字化建模與協(xié)同設(shè)計規(guī)范，基本建立了數(shù)字化研制標(biāo)準(zhǔn)體系，確保型號全三維數(shù)字化研制工作有據(jù)可依。

4.建立三維數(shù)字化研制流程

通過三維數(shù)字化設(shè)計對整個型號任務(wù)研制流程進(jìn)行全過程支持，將改變以往研制流程工作支持零散的局面，設(shè)計過程具體包括構(gòu)型設(shè)計、布局設(shè)計、詳細(xì)設(shè)計、產(chǎn)品實現(xiàn)四個階段。

圖2 數(shù)字化項目辦公室組織結(jié)構(gòu)圖

構(gòu)型布局初步設(shè)計階段建立產(chǎn)品協(xié)同設(shè)計模型樹，開展大系統(tǒng)接口以及機(jī)械總體與結(jié)構(gòu)機(jī)構(gòu)分系統(tǒng)間接口設(shè)計，開展AIT廠房虛擬環(huán)境建立，對設(shè)計模型進(jìn)行精加工——將設(shè)計數(shù)據(jù)錄入通信衛(wèi)星總體總裝工具箱，納入虛擬產(chǎn)品管理（VPM）系統(tǒng)進(jìn)行審批。

構(gòu)型布局詳細(xì)設(shè)計階段開展設(shè)備布局設(shè)計，進(jìn)行總體與結(jié)構(gòu)零件、熱控部件協(xié)調(diào)設(shè)計，總裝直屬件、結(jié)構(gòu)先行件設(shè)計及力學(xué)分析，整星管路設(shè)計與分析，衛(wèi)星電纜網(wǎng)走向設(shè)計，熱試驗工裝設(shè)計，地面機(jī)械支持設(shè)備詳細(xì)設(shè)計，總裝方案設(shè)計等。

總裝設(shè)計階段開展結(jié)構(gòu)詳細(xì)設(shè)計，完成結(jié)構(gòu)加工三維模型標(biāo)注以及從CATIA到NX系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳遞；開展總裝詳細(xì)設(shè)計，完成設(shè)備安裝、電纜網(wǎng)設(shè)計、多層設(shè)計、初步人機(jī)功效設(shè)計和評價，以及總裝流程設(shè)計。

產(chǎn)品實現(xiàn)階段完成設(shè)備、推進(jìn)分系統(tǒng)管路及電纜網(wǎng)驗收，以數(shù)據(jù)表單為主，全自動生成的“釘板圖”為輔，以輕量化模型指導(dǎo)總裝現(xiàn)場實施，利用通信衛(wèi)星總體總裝工具箱實現(xiàn)機(jī)械總體總裝過程技術(shù)狀態(tài)管理，詳細(xì)人機(jī)功效設(shè)計。

四、三維數(shù)字化研制實踐

某新平臺通信衛(wèi)星是首顆全面開展機(jī)械全三維數(shù)字化研制的正樣型號，型號研制團(tuán)隊提出了一套完整的衛(wèi)星數(shù)字化模型，較傳統(tǒng)模式省去了幾十套總裝圖紙，研制效率提高40%，有效提升了研制質(zhì)量，有力地推動了通信衛(wèi)星事業(yè)部數(shù)字化應(yīng)用的進(jìn)程。全三維數(shù)字化研制包含總裝直屬件與結(jié)構(gòu)件、電纜網(wǎng)、管路、總裝。

總裝直屬件、結(jié)構(gòu)件三維數(shù)字化研制。總裝直屬件和結(jié)構(gòu)件的設(shè)計、分析與下廠采用三維數(shù)字化輕量化模型傳遞，使下游生產(chǎn)單位數(shù)控設(shè)備直接讀取三維模型信息，打通了“三維下廠”模式的技術(shù)壁壘，實現(xiàn)了44個品種愈1000件產(chǎn)品全部采用三維數(shù)字化方式投產(chǎn)。

電纜網(wǎng)三維數(shù)字化研制。電纜網(wǎng)三維設(shè)計完全實現(xiàn)了對電纜網(wǎng)走向、綁縛等物理狀態(tài)的模擬，使得模擬電纜粗細(xì)與實物能夠很好匹配，能夠獲取電纜網(wǎng)質(zhì)量特性等總體參數(shù)，使整星質(zhì)量特性計算更精確，利于總裝工作開展，縮短了總裝周期。該新衛(wèi)星平臺通過全三維研制與設(shè)計優(yōu)化，平臺電纜網(wǎng)重量減輕27千克。

管路三維數(shù)字化研制。基于三維數(shù)字化的管路建模規(guī)范完成了型號的數(shù)字化管路設(shè)計、生產(chǎn)、焊裝模型設(shè)計。管路設(shè)計三維模型直接用于加工生產(chǎn)，避免了人為差錯，有效規(guī)避了在裝配環(huán)節(jié)再暴露的設(shè)計問題；通過采用先進(jìn)的管路數(shù)控加工代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人工取樣，能夠確保產(chǎn)品質(zhì)量，提高整體研制效率，管路加工及焊接工作周期相對于傳統(tǒng)模式節(jié)省約3周，且管路可用率達(dá)到100%。

三維數(shù)字化總裝。借鑒MBD技術(shù)，首次采用了界面控制模型（ICM）技術(shù)開展數(shù)字化總裝工作，利用一套推進(jìn)艙、通信艙、服務(wù)艙、電纜、管路焊裝設(shè)計模型傳遞到總裝環(huán)節(jié)，代替?zhèn)鹘y(tǒng)模式下的幾十套總裝圖紙，提高了復(fù)雜裝配體的建模效率。同時能夠?qū)崿F(xiàn)各種執(zhí)行記錄、檢驗數(shù)值的關(guān)聯(lián)匯總，完整展現(xiàn)了航天器實物的總裝技術(shù)狀態(tài)，質(zhì)心等參數(shù)模擬結(jié)果準(zhǔn)確率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)方法的估計結(jié)果。

五、衛(wèi)星數(shù)字化發(fā)展展望

目前，我國通信衛(wèi)星在型號數(shù)字化研制方面進(jìn)行了積極的探索與實踐，實施效果表明，全面推廣一體化全數(shù)字化設(shè)計與制造模式是應(yīng)對我國航天型號高強(qiáng)度研制、高密度發(fā)射的任務(wù)形勢，提高研制能力的必由之路。通過將計算機(jī)技術(shù)、信息化技術(shù)和先進(jìn)制造技術(shù)相結(jié)合，提升系統(tǒng)設(shè)計與驗證能力，全面實現(xiàn)由傳統(tǒng)研制模式向全三維數(shù)字化研制模式轉(zhuǎn)變，助推向產(chǎn)業(yè)化研制模式轉(zhuǎn)型。后續(xù)在推進(jìn)型號全三維數(shù)字化研制方面應(yīng)重點開展以下工作：

一是在數(shù)字化設(shè)計與分析方面突破基于統(tǒng)一數(shù)據(jù)源的異地遠(yuǎn)程跨域總體設(shè)計全數(shù)字化設(shè)計與仿真分析；在數(shù)字化制造方面實現(xiàn)全型號結(jié)構(gòu)件數(shù)字化生產(chǎn)、數(shù)字化結(jié)構(gòu)部裝與總裝以及虛擬試驗驗證；在數(shù)字化測試方面大力開展電性能建模和虛擬測試研究，具備基于數(shù)字化的一體化電性能測試能力。

二是以新型號研制為牽引，大力促進(jìn)數(shù)字化與型號研制業(yè)務(wù)相融合，將數(shù)字技術(shù)與傳統(tǒng)工藝和設(shè)備結(jié)合，形成專項自動制造技術(shù)，帶動下游制造、裝配單位提升工藝設(shè)計與實現(xiàn)水平。

三是加強(qiáng)信息化與制造、管理技術(shù)的融合，構(gòu)建數(shù)字化管理信息平臺，實現(xiàn)基于企業(yè)級產(chǎn)品生命周期管理平臺的全周期數(shù)字化設(shè)計、制造、裝配、試驗和測試，全面提高敏捷制造能力和市場響應(yīng)能力。