航天飛行器飛行試驗總體構型定義技術研究

劉 瑜，房文林

（中國飛行試驗研究院，西安，710089）

0 引 言

近年來，隨著多種類、多型號航天飛行器的不斷發展成熟，航天飛行器飛行試驗的需求逐漸增多，作為航天飛行器研制過程中的重要一環[1]，飛行試驗由于持續周期長、構型更改頻繁、涉及多單位協同等特點，構型管理十分復雜，要求對飛行試驗全生命周期過程的構型狀態進行跟蹤和審查，要求試驗設計構型和實物構型清晰可控，追溯關系清晰可查，以確保試驗結果準確、有效、可信。這些都對飛行試驗構型管理提出了更高的要求，而總體構型定義作為一種能夠有效簡化構型管理過程、提高管理效率的技術方法，在飛行試驗中的應用尚處于空白。

航天飛行器飛行試驗總體構型定義技術由飛行器總體構型定義技術引申而來。飛行器總體構型定義核心是將以往的基于工程圖紙的構型管理變為基于模塊的構型管理，通過推行模塊化產品研發和數據組織管理，提升數據的管理和重用效率[2,3]。本文重點針對航天器型號試飛設計階段試飛總體構型定義方法，研究了試飛產品定義及分解、試飛構型庫、精簡作業流等關鍵技術，為飛行試驗設計從基于文本向基于模型和模塊轉變提供支撐，有利于簡化構型管理過程，提高試驗設計效率。

1 航天飛行器飛行試驗總體構型定義

1.1 航天飛行器飛行試驗總體構型定義管理對象

航天飛行器飛行試驗總體構型定義技術是在飛行器總體構型定義技術的基礎上借鑒發展而來。飛行試驗是航天飛行器研制過程中的重要一環，隨著基于模型的系統工程（Model Based Systems Engineering，MBSE）在研制過程中應用的不斷深入，飛行試驗業務模式同樣需要從基于圖紙和文件向基于模型模塊轉變，其中，總體構型定義是進行模塊化設計和管理的重要基礎和前提。

飛行試驗構型管理按照管理對象性質可以分為設計構型和實物構型。設計構型包括測試改裝設計構型、試飛科目設計構型、試驗任務設計構型，實物構型包括測試改裝實物構型、維護維修構型等。測試改裝設計構型、測試改裝實物構型和維護維修構型的管理對象與飛行器設計制造過程類似，可采用裝配件-組件-零件或系統-設備的方式進行模塊化管理。試飛科目設計和試驗任務設計則是飛行試驗特殊部分，是體現飛行試驗設計能力，保證飛行器研制效率和質量的關鍵。利用飛行試驗總體構型定義對試飛設計過程結構化定義和模塊化分解，從而促進試飛設計向基于模型的設計模式轉變，是實現試飛設計過程數字化轉型的重要手段。

1.2 試飛產品定義及分解

試飛總體構型定義技術可分為試飛產品定義及分解、試飛構型庫、精簡作業流等方面。飛機總體構型定義的前提是對產品結構的定義和模塊化分解，形成模塊化的產品分解結構（Product Breakdown Structure，PBS）。由于航天飛行器的研發是一項復雜的系統工程，研制周期長，技術復雜，產品數據龐大，而且不同的人員對產品數據的需求不一致，決定了單一產品結構并不能滿足所有用戶和不同研發階段的需要。因此，可以通過引入“視圖”的概念對不同的產品結構分解需求進行描述。如設計視圖、系統視圖、制造視圖等，對飛行試驗來說則應建立相應的試驗視圖。

不同視圖產品分解結構可以采用“頂層-構型層-底層”的3 層通用模型。其中，頂層和構型層是規劃產品結構分解與具體構型項定義的環境，由產品分解的不變節點構成產品結構樹，枝節點為構型項（Configuration Item，CI）并且是產品的基本組成部分，葉節點為設計模塊（Design Module，DM），是對應構型項的實例與實現，頂層與構型層屬于構型管理環境，主要由總體部門和型號管理人員進行規劃和控制。底層即DM 以下層次是產品數據設計層，由零件、組件及裝配等數字化定義結果組成。DM 下聯接零組件等詳細信息，并由設計人員負責具體的設計與管理任務。

總體構型定義側重頂層和構型層的規劃與管理。對特定航天飛行器型號來說，頂層結構是基本不變層。頂層結構用于組織管理同型號飛行器通用的、共性的信息，頂層可進一步細分，如某項目按照型號、系列、主部段、部段、ATA 章、ATA 節、ATA 段進行劃分。構型層是構型管理的核心，有效性管理和工程更改控制等主要在構型層完成。為了支持構型管理模塊化設計、多構型和單架次管理，構型層可再進一步細分。如構型項、關聯對象層和模塊層或構型項、構型方案和模塊層。

對飛行試驗來說，需要對每一型航天飛行器試驗視圖定義產品分解結構。特別是試驗設計構型需要根據飛行試驗特點，設計產品結構，進行總體構型定義。對照飛機設計過程，科目相當于組件，試驗點相當于零件，試驗單元和試驗塊相當于架機的選項和模塊，形成的試飛設計分解結構示意如圖1 所示。

圖1 典型試飛設計分解結構示意Fig.1 Typical Breakdown Structure of Flight Test Desig

在圖1 所示的試飛設計分解結構中，頂層采用型 號、階段、專業進行分解，不同型號飛行器略有差異，同一型號基本不變。其中階段按需設置，專業則可按照飛行試驗專業或飛行器系統專業進行劃分。構型層采用項目和試飛科目作為試驗構型項（Test Configuration Item，TCI）和試驗設計模塊（Test Design Module，TDM）。底層則由各專業設計人員設計試驗點等科目內容作為零組件。

對于飛行試驗實物構型，其分解結構可以參照設計制造過程的分解結構，如頂層結構按照部段進行劃分，構型層按照CI-DM 來劃分。

通過采用模塊化的設計，試飛設計構型與實物構型可以建立清晰可控的關聯關系，如圖2 所示，通過在試驗點、測試參數、測試設備、機載系統之間建立追溯關系，將試飛設計構型與實物構型進行關聯，從而建立一條單一、全面且清晰的管理主線。

圖2 設計構型與實物構型關聯Fig.2 Associative Design Configuration and Physical Configuration

1.3 試飛構型庫技術

構型庫是在飛行器研制過程中逐步建立的，是實現產品定義的數據源。對于試飛設計構型，從專業和類別建立試飛科目庫、試驗點庫，針對實物構型，則建立型號實物構型庫。在構型庫中應包含相關類別的所有選項和模塊，并確定選項與選項、選項與模塊、模塊與零組件直接的關系。

圖3 所示為以顫振項目顫振科目為例含類別、選項、選項方案、模塊、零組件等數據對象的構型庫邏輯關系。其中，選項為試飛項目，模塊表示試飛科目，當某個選項選中為某一選項方案中時，即成為CI 項，其下模塊即成為DM。模塊及其零組件本身沒有有效性，只有當其被選入某個選項且該選項方案被執行才有效，有效性記錄在特定構型表中，模塊中的試驗點等零組件記錄試驗點相關的目的、方法、風險等零組件自身的屬性內容。選項為試飛項目，是將模塊聚類為內部功能相似、之間相互獨立的集合，以便構成滿足不同用戶需求的不同選擇方案。一個選項可由一個模塊或幾個模塊構成。圖3 中，模塊為顫振科目試飛，其零組件為科目包含的試驗點，其對應選項為顫振試飛項目，屬于結構專業。

圖3 型號構型項目庫邏輯關系Fig.3 Logical Relationship of Type Configuration Library

1.4 精簡作業流

進行了產品模塊化分解及定義，并建立構型庫后，即可以實現精簡的作業流。精簡的作業流根據能力分為3 組[4]：基本項作業流TBS1、選裝項作業流TBS2和定制項作業流TBS3。TBS1 是飛行試驗基本項內容，構型始終保持不變，即每個型號飛行器均需進行的試飛項目，對應的基本模塊為穩定模塊，可以直接從構型庫中調用；TBS2 是為滿足不同試驗需求使飛行器某些構型發生變化而形成的選裝項，在需要時從構型庫中調用；TBS3 是為滿足試驗特殊需求設置的定制項，需要單獨設計，形成定制模塊，組織實施。精簡的作業流不止提高設計模塊本身的重用性，還包括與模塊相關的文檔、工藝、設備和保障等方面的資源的重用性的提高。

圖4 為根據精簡作業流，從試飛構型庫中建立選項方案形成特定飛行器構型表的過程示例。

圖4 從試飛構型庫中建立選項方案Fig.4 Build Options from Flight Test Configuration Library

在進行型號試飛總體設計時，首先依據試飛需求/要求確定選項方案，然后進行個體分配，形成特定構型表，特定構型表是記錄每型飛行器所有模塊的一份報表。當型號試飛總體設計人員根據試驗要求確定選項方案后，所有與這些選項相關的模塊加入到特定構型表中，與之相關的零組件也加入到相應模塊中。可根據選項方案和特定構型表生成試飛總案和試飛大綱中相關部分。對于TBS1 和TBS2 來說，根據設計構型與實物構型關聯關系，選項方案和特定構型表確定后，飛行器對應的測試設備和加改裝模塊也已確定，且可以重用試飛構型庫中的模塊，有利于提高研制效率。

2 飛行試驗總體構型定義技術應用

隨著數字化產品定義技術（Model Based Definition，MBD）的發展及MBSE 方法在航空航天領域的應用，總體構型定義技術發揮了越來越重要的作用。在飛行試驗過程中，對象化、模型化、模塊化的設計思想也在逐漸發展，如基于試驗點的試飛設計和管控，基于三維裝配模型的加改裝設計等實際上都體現了飛行試驗總體構型定義的思想方法。

在某型飛行器試飛及其試飛數字化平臺建設過程中，采用了模塊化設計的思想，對總體構型定義的方法進行了初步探索和應用，如圖5 所示，項目規劃了頂層、構型層和底層的3 級產品分解結構，實現了對試驗科目、試驗任務、測試改裝、維護維修等模塊產品數據結構定義，建立并清晰展示這些扁平化的設計模塊間的邏輯關系，是對從基于圖紙和文件向基于模型和模塊的業務模式數字化轉型的嘗試。

圖5 某項目產品結構分解應用Fig.5 Application of Product Breakdown Structure for a Project

3 結束語

未來的航天飛行器試飛設計有采用基于模塊設計的趨勢，本文在此基礎上，提出了飛行試驗總體構型定義方法，對其中的關鍵點進行了研究。通過該項技術的研究和應用，實現模塊重用性，簡化構型管理過程，使型號試飛總體設計過程顯性化、規范化，提高試飛過程設計和管理效率。