一種基于系統工程的標準接口設計方法

田 昀， 姚 旗

（北京衛星制造廠有限公司， 北京100094）

0 引言

隨著人類對空間研究、開發與利用的不斷深入，各種任務對航天器性能要求越來越高，航天器結構、組成日趨復雜，空間重型、大型結構不斷涌現；另一方面，增強性能、延長使用壽命、降低研制和維護成本、減少風險，成為航天器重要發展需求[1]。可在軌維修維護的基于模塊化設計思想的航天器是未來發展方向， 因此支持模塊化航天器的機電熱集成標準接口技術是關鍵技術之一， 其產品的技術水平和應用能力直接影響著在軌服務操作的難易程度、效果和應用范圍。 那么如何實現標準化接口單機產品的預先研究，以此來適應復雜的航天任務需求，就要從系統工程層面進行分析和分解， 以此來實現標準化接口的優化設計來滿足通用需求。

1 系統工程

1.1 內涵

航天器系統工程的內涵是把特定空間任務目標的需求轉換為最優實現目標的系統， 確保方案的各方面都被充分考慮，并集成為一個協調的航天器整體，一般來講航天器系統工程是一門科學和工程，也是一門藝術[2]。 航天器系統工程不但是指導工作的一種設計方法更是一種有利于工程工作的思維模式。 這種全局的、自上而下的設計方法不但有利于總體設計師權衡各項總體參數來選擇最優解，也同樣有益于分系統乃至單機設計師，使其跳出專業局限，拓展思維模式，提升系統性的全面分析能力。 這種思維模式對于單機設計師而言， 應用到實際產品的設計過程中，其效果和收益十分顯著。

1.2 單機在航天器系統工程中的定位

就單機產品本身而言在整個航天器系統中處于底層，一般由多個單機組成子系統，由多個子系統組成分系統，再由多個分系統組成系統，多個系統又會組成工程大系統，那么單機一般就成為系統的基本元素，但對于某些特定載荷單機而言，其又可以作為系統的服務對象，因此單機在系統中作為基本元素的定位決定了其不是孤立存在的，一定是與其它單機乃至系統存在物理上或功能上的聯系，其設計過程也必然是與其他單機存在耦合關系。

1.3 需求和指標的分析和分解

目前單機的指標獲得通常是由總體進行分解， 這種分解一般采用自上而下逐級的“拋過墻”式的分解方法[3]，由工程系統總體提出系統的任務目標及系統級任務指標，“拋”到分系統層面，分系統分解出詳細的分系統技術指標并“拋”到單機層面，單機根據指標繼續分解各部組件直至分解到制造裝配環節， 制造環節根據情況會繼續分解到各工序及檢測工序， 這種信息傳遞方式是一種單向的有效的溝通方式，但是，這種分解方式對于“上層”設計師的能力要求很強， 需要不僅對于本層的技術十分掌握，而且對于下層技術也應有相應延伸的了解，才能避免指標傳遞的不完整。然而，單機設計師與系統總體設計師一般很少見面，很難能夠深入理解系統的總體需求，導致單機追求的自身最優設計方案未必是系統的最優解決方案。 當然，為避免這種現象，可以考慮通過協同設計的方法來進行信息傳遞， 但是協同設計需要多個層面設計師一定時間內集同，成本的代價比較大，通常不會被采用。這種情況下就需要單機設計師能夠不斷增強對系統了解能力，能夠站在總體設計師的角度上考慮問題，對整個單機產品的設計方案提供更優的解決途徑。

2 系統工程在標準接口設計的應用

“模塊化、系列化、接口標準化”是未來航天器在軌服務發展的方向[4]，其中可服務航天器接口的標準化更是先于模塊化和系列化必須解決的關鍵， 模塊化設計的復雜性主要體現在接口設計上。因此，標準化接口的設計是航天器發展的重中之重。

2.1 單機角度考慮接口指標體系

接口單機是用于模塊化衛星載荷在軌建立或斷開機械、電氣、傳熱的途徑的關鍵單機[5]，能夠使多個功能模塊（系統模塊、載荷模塊等）之間通過物理組合形成任務系統。當從單機本身考慮其指標體系時，設計師往往更加關注的是連接時間、解鎖時間、容差能力、連接力、連接后剛度、外形尺寸包絡、機械接口、功耗、重量、工作環境溫度、工作壽命、存儲壽命等等。設計師關注這些指標可以用于指導分解出機構、結構的詳細設計參數，但這些參數僅從單機/裝置本身角度出發，并未在系統級使用層面適度考慮，因此設計出的單機/裝置雖然自身“可用”但未必在系統中“好用”。

2.2 系統角度考慮接口設計需求和指標體系

標準化接口單機在軌實現模塊化載荷的連接與分離，就勢必要滿足標準化需求，并且還與推進、姿軌控、結構機構、控制、機械臂等多個分系統存在耦合關系，因此，設計前必須充分考慮多個分系統的綜合需求， 對于裝置本身的需求和指標體系進行分析、細化和分解，得到更加全面的指標體系。

2.2.1 標準接口的設計需求分析

針對對接技術未來發展、 國際合作和空間救援等現實需求，航天器模塊化和接口標準化已經引起了美國、德國、日本、英國等國家的高度重視并開始致力于研究[6，7]，制定了一些可用于指導航天器設計的標準體系[8，9]，最具代表性的是MCB 推出的國際對接系統標準（IDSS）的接口定義文件（IDD）。 參考國際標準，也為后續國際合作提供技術支持， 在標準接口的研究中主要從以下幾方面開展工作：

（1）模塊化航天器對標準接口的應用需求分析研究。模塊化航天器之間相互層次關系及其接口連接需求分析：調研和分析模塊化衛星、通用平臺、載荷、服務機器人、末端執行器、工具等在軌相互層次關系和連接需求，包括功能、結構、材料和工藝需求等。

（2）不同模塊功能、分解策略及其接口標準化需求：研究模塊的不同功能，如數據計算和處理功能、整體姿態感知、地面通訊功能、陀螺、電推進、特定任務所需的傳感器等載荷對標準接口需求的影響； 研究不同的模塊分解策略，如中心模塊、推進模塊、載荷模塊等，對標準接口需求的影響。

（3）模塊構型、布局模式及其接口性能需求：研究分析不同模塊堆棧、布局模式和構型（如橫向拼接、垂直疊加、堆砌成塊等）對接口連接形式[10]、接口標準化需求的影響，從載荷質量比、連接可靠性、連接設計難度、模塊可擴展性等方面分析各類接口的優劣和應用范圍， 建立堆棧、連接形式的最優組合及連接性能。

（4）接口標準化設計準則：針對標準接口功能作用和在軌連接分離方式要求，研究提出標準接口設計準則，保證接口的安全性、空間操作的便利性、容錯性、魯棒性、集成化和一體化[11]。

（5）接口標準化體系構建[12]：從需求層面，全面比較不同軌道、有人/無人/有無人結合、快速響應成本代價、載荷類別異同等維度， 構建接口標準化體系， 包括總體構型、幾何物理接口（周邊硬件布局、配合機構幾何尺寸、周邊硬件載荷特性）、覆蓋大部分在軌服務任務和設計條件的參考任務和條件的通用設計參數選取。

在研制中不僅要先期對其標準化進行需求分析，設計過程中還要考慮標準接口的性能評價方法建立， 建立接口效果評價指標體系， 確定性能參數對接口效果的定量/定性分析方法。 對于產品還要開展地面模擬裝配與測試技術研究，開展機械、電、流體、熱性能測試方法研究，分析各種性能相互之間的影響關系，力環境、真空、微重力環境等對接口組合/分離特性的影響；開展接口在軌服務的動作策略、模擬裝配技術研究，建立快速裝配、集成和測試技術。

2.2.2 結構機構分系統對接口設計約束

接口作為機械的連接結點與傳力路徑， 需要考慮在結構機構分系統中的作用， 首先要明確在發射時接口單機是否參與承受發射載荷，當參與承受發射過載時，則必須關注機構的抗過載能力設計，采用抗過載機構、結構方案；當不需要承受發射過載時，則更多考慮與其他連接機構配合使用過程，實現兩者傳力路徑解耦設計；在軌工作期間需要重點考慮連接后的界面剛度， 以滿足多個模塊組裝后的整體剛度需要， 同時需要與模塊承載結構之間實現傳力路徑的綜合設計； 為滿足多自由體在軌組合過程的動力學特性需求， 也需要對整個結構組合過程沖擊產生與傳遞特性給予關注。

2.2.3 機械臂分系統對接口設計約束

模塊化載荷及衛星的無人自主在軌操作需要機械臂的全程參與， 因此接口單機與機械臂分系統的耦合不可避免。

（1）容差能力（6 個自由度）是與機械臂系統耦合最直接的指標， 涉及了機械臂在軌操作及測量的精度控制策略反向約束。

（2）由于在導向接觸后接口連接的驅動能力約束了機械臂在對接后期的動作策略，機械臂的運動速度、輸出力要與接口自身的驅動速度及驅動力進行耦合設計。

（3）由于機械連接過程中電氣及液路接口也存在連接力的需求，且力的需求是個動態變化的過程，因此，與機械臂的耦合設計也是變化的過程，當然，分離過程接口的驅動力與驅動速度同樣要和機械臂系統相匹配設計。

（4）機械臂的測量系統與接口之間的耦合度更加緊密，如采用基于視覺技術的測量系統需要考慮視場遮擋問題，當采用基于力反饋技術的閉環控制，則需要考慮的力的有效傳遞途徑及精確到位反饋功能。

（5）接口單機通用性及互換性設計需要針對機械臂系統全生命周期的任務開展規劃，給予全面考慮。

2.2.4 電源分系統對接口設計約束

各模塊間的供電也同樣是靠接口來建立通道， 那么與電源分系統耦合設計必不可少。

（1）電接插件的熱插拔性可行性決定了整個供電系統的整體方案選取。

（2）電通斷過程中引起的浪涌變化也同樣是電源分系統所關心的反向約束指標， 而這些參數又與機械機構的運動速度和執行動作策略息息相關。

（3）多次實現在軌反復通斷后搭接以及絕緣電阻的變化同樣要給出量化的關系， 以便電源系統充分評估整個系統的性能。

（4）真空拉弧放電的防護及抑制也同樣是系統所關心的重要性能。 然而上述這些性能往往是單機設計師所容易忽視的， 如果簡單的采用傳統的接插件的電能傳輸方案， 對于滿足上述的系統需求所需要花費的系統代價很大，而如果能在方案設計初期考慮采用其他方案代替，如觸點式及無線傳輸等新型電能傳輸方案， 可以降低電源分系統整體的設計難度， 當然在選用的設計方案也需要根據技術成熟度和進度周期等約束來評價， 并非僅在技術角度考慮。

2.2.5 姿軌控分系統對接口設計約束

模塊航天器在軌操作與地面不同， 是空間自由體的微重力環境下的組合過程， 對于接口的設計需要充分考慮姿軌控分系統的約束。 當采用兩個空間自由體的在軌對接分離的系統方案時（如圖1 所示），其方案需要盡量采用“捕獲式”類型的超大容差機構方案以減輕姿軌控系統壓力； 而當采用同一剛體上的不同模塊對接系統方案時（如圖2 所示），則可以選用“對接式”的方案以節省包絡資源。

圖1 空間自由體組裝

圖2 同一剛體上組裝

2.2.6 熱控分系統對接口設計約束

標準接口是模塊間熱傳遞路徑的關鍵節點， 同樣與熱控分系統存在耦合關系， 當采用熱控工質的熱傳遞方案， 則需要對于接口連接前后的氣液路密封性能保證進行重點評估， 以及對流路系統接口處的流阻需要給出明確的指標， 以便熱控系統在整體方案設計時給予充分考慮；當系統采用接觸熱傳導方案時，則需要重點關注提升接口接觸界面間的熱傳導系數，這對接口界面的精度、接觸面積及接觸力有著比較大的約束， 需要在接口裝置設計時給予充分考慮。

2.2.7 制造過程對接口設計約束

接口單機本身不但要向上延伸考慮了多個分系統的耦合，更加要向下（制造裝配測試等）考慮，實現設計構型及精度的制造可設計性， 滿足裝調過程中基準選取的可測試性及統一性， 這些約束的綜合考慮才能實現最優的方案求解。

3 應用效果

通過方案階段的系統分析和體系建設， 標準接口研制出了樣機并總裝成模塊， 根據某項目需求搭建了地面演示驗證系統， 結合空間機械臂進行了平臺的在軌系統部分單元的搭建，其中包括電源分系統、熱控分系統、遙測遙控分系統等多個主要有代表性的分系統， 并通過模擬空間對接和組裝工況進行了演示試驗驗證， 試驗證明了各分系統機械連接簡單可靠，電源、信息、氣液能源傳輸效果良好，能夠滿足空間模塊構建航天器的基本需求，以此說明模塊化標準接口的研制實現了工程目標， 可為后續同類技術產品的研制提供工程參考經驗。

圖3 模塊化航天器地面模擬組裝試驗

4 結束語

標準接口作為模塊化航天器在軌重復連接分離的關鍵部件， 是一種典型的與多個分系統有耦合關系的單機產品，其任務多工況復雜分系統覆蓋廣，采用系統工程的思維方式來對其進行需求分析和指標體系建立， 通過樣機研制和試驗驗證表明，產品原理可行，能夠滿足在軌可重復連接分離需求， 同時可以實現各分系統對標準接口的功能需求， 并能夠適應與之協調操作的機械臂等分系統的現有能力， 做到了即繼承成熟技術又體現了機電信液一體化功能的技術創新性， 以此說明系統工程設計方法的有效性和實用性。同時以標準接口設計實例為參考，對后續同類技術的機構產品設計提出以下建議：

重點把關產品的設計初步方案， 從系統層面分析將其功能性能細化，確定設計原則，找出優化路徑，確保后續詳細設計工作的有效性，保證并縮短研制周期。

注重機電熱一體化設計技術，跟蹤國際高科技發展，跨界整合資源，提高機構專業技術水平和競爭能力。

以提高航天器系統最優設計為目標， 分析和均衡各分系統需求和指標的優化，從而折中航天器系統自身的優化，切實做到減少多余強度、剛度和重量的設計，真正做到產品的功能實現和降低研制成本，提高設計可靠性。

進一步提升設計人員的綜合設計能力， 發展綜合性人才，做到系統設計到單項技術研究，從試驗技術到工藝設計等全面技術發展， 這樣才能實現新技術新產品的加速研發和產品設計的標準化，從而有能力領跑國內技術，加入國際市場，達到戰略合作的目標。