基于成功包絡線理論的載人航天器產品重量控制方法研究

韓 冬, 鞏生波, 王麗俐, 楊 雷

(1.中國空間技術研究院總體設計部, 北京 100094; 2.北京衛星制造廠有限公司, 北京 100094)

1 引言

重量是載人航天器和衛星寶貴的資源,對于載人登月工程尤為重要,重量設計的優劣間接反映了系統設計能力。由于航天器系統復雜,在系統設計開發階段,往往會面臨重量指標分配不合理,設計重量超重的情況,需要進行多輪的設計迭代和重量優化,降低了系統設計效率。目前尚無指導航天器系統重量指標分配和評價重量設計優劣的方法和程序。

產品成功數據包絡分析方法已在運載火箭和載人航天器單機產品關鍵性能數據的分析評價中得到應用,在產品實物質量風險識別與分析方面得到良好效果,但尚未應用到航天器系統設計環節。

針對上述情況,本文在系統研究空間站組裝建造階段各載人航天器和遙感衛星、通訊衛星產品實物重量數據基礎上,結合系統開發設計流程,基于成功包絡線分析理論[1-2],對載人航天器產品重量的一般規律進行總結,并結合其他衛星的重量數據進行對比分析,建立基于指導產品重量指標分配和評價產品設計重量優劣的量化評價模型,給出載人航天器重量存在的薄弱環節和后續優化的方向,加速系統設計的快速收斂,為載人登月工程飛行器的重量優化設計提供參考。

2 航天器重量設計參數

航天器產品包括飛行器結構、平臺單機產品、電纜網和管路網,不包括航天器各類工質推進劑、飛行任務搭載產品和各種“小、遠、散”產品。

2.1 系統重量參數

用WS表示航天器發射重量,用WP表示平臺單機產品的總重量(即航天器所有分系統單機產品的重量和),用WJ表示艙體結構重量,用WD表示電纜網重量,用WG表示管路網重量。用下標i代表不同航天器型號,各類航天器的重量分別表示為WSi,WPi,WJi,WDi,WGi。

艙體結構、電纜網、管路網本身與各分系統單機產品有密切接口關系,自身的重量設計與系統重量緊密耦合,用Vi表示艙體結構的體積,艙體體積越大,電纜網和管路網的長度越長;用niQ代表艙體電纜網上電連接器的數量,電連接器數量越多,說明電纜網連接的電子單機數量越多,連接關系越復雜。將艙體結構、電纜網和管路網的重量作為航天器系統層面的重量進行分析,包含重量占比和重量效益指數2 類參數,其中,用a,b,r分別表示艙體結構、電纜網和管路網的重量占比;用α,β,γ分別表示艙體結構、電纜網和管路網的重量效益指數(每單位空間體積內的產品重量),其參數表達式和意義詳見表1 所示。

2.2 分系統重量參數

用nij表示某航天器某分系統單機產品的總數量;用WPijO表示某航天器某分系統平均單機產品的重量占比,則WPijO=P/nij。

2.3 單機重量參數

2.3.1 按功能專業劃分重量參數

根據Q/QJA750《航天單機產品分類》[3]的規定,單機產品按照功能和專業進行歸類劃分,某類單機產品的重量為WPik。用K代表該類單機產品重量和的重量占比,則K=100WPik/WSi。其中,k∈{1,2,…26},k的取值代表單機不同的功能專業分類,如表2 所示。

表2 航天器產品功能專業劃分示意表Table 2 Discipline classification of spacecraft product functions

用nik表示某航天器某功能專業類別單機產品的總數量,用WPikO表示該類單機產品的平臺每臺重量,則WPikO=K/nik。

2.3.2 按關鍵重要程度劃分重量參數

用Wz代表關鍵重要單機的重量,用Wzi代表某航天器所有關鍵重要單機的重量和,用Z代表關鍵重要單機的重量占比, 則Zi=100Wzi/WSi。

用niz表示某航天器關鍵重要單機產品的總數量,用WziO表示該飛行器平均每臺關鍵單機的重量占比,則有WziO=Zi/niz。

2.4 重量參數小結

以某單一航天器為例,對航天器系統總體、分系統和單機產品共3 個層次與重量設計有關的參數定義和表達式進行總結,如表3 所示。

表3 航天器各級產品重量參數表達式匯總表Table 3 Summary of weight parameter expressions of spacecraft products at all levels

3 航天器重量控制流程

3.1 航天器重量設計流程

系統設計開發一般經歷如下過程:

1) 型號總體按照工程總體要求和飛行任務需求,確定系統功能性能指標,以發射重量為約束,參考以往航天器數據,與分系統進行初步迭代,確定艙體結構、電纜網和管路網等具有整船器功能的重量分配指標和各分系統重量指標的初步意見;

2) 分系統按照總體要求和分配的重量約束,開展分系統方案設計,確定分系統產品配套,并在分系統內開展各單機重量分配;

3) 按照分系統要求,單機根據產品功能和專業特點開展詳細設計,確定單機產品設計重量;

4) 分系統組織識別產品關鍵特性,確定關鍵單機,匯總所有單機重量概況,對照分配的重量約束,開展重量優化迭代設計工作,滿足總體對分系統的要求;

5) 系統總體對艙體結構、電纜網和管路網的重量進行優化,并匯總所有分系統、單機產品的重量設計情況,在系統重量、功耗、布局、熱流等維度開展多方案比較和系統優化,進一步開展重量優化迭代設計,實現系統最優。

可以看出,系統設計開發過程的重量迭代優化設計也遵循V 型開發流程,包括自頂向下的重量分配與指標分解和自底向上的重量匯總與迭代優化2 個過程,根據航天器任務和產品不同特點,重量的迭代優化往往經歷V 型,W 型或多個W型的設計過程[4-5],如圖1 所示。

圖1 系統開發階段重量的設計過程示意圖Fig.1 Schematic diagram of weight design process in system development stage

3.2 航天器重量設計的質量控制流程

本文按照系統總體、分系統和單機3 個層次,對自頂向下的重量預計與分配過程和自底向上的重量匯總與優化過程,識別重量設計的質量控制點,基于載人航天領域各飛行器(神舟載人飛船、天宮空間實驗室、天舟貨運飛船、天和核心艙和問天實驗艙)重量的實際情況,建立量化的重量設計評價模型和評價標準,最大程度地減少重量設計中W 型迭代過程,用于指導后續航天器系統開發階段的重量優化設計。

可以看出,沿著系統重量指標自頂向下的逐級分解和自底向上逐級匯總優化的過程,在系統、分系統和單機層面,分別可識別確定用于指導和預計重量指標分配和用于評價重量設計合理性,并進一步指導重量優化的質量控制點[6],在對應的研制階段,開展重量設計效果的質量評估與控制,以實現系統設計快速收斂,以達到最優狀態,質量控制點如圖2 所示。將評價標準代入航天器重量設計質量控制流程中,可以得到表4 所示的控制程序。

圖2 系統開發階段重量設計的質量控制流程示意圖Fig.2 Schematic diagram of quality control flow of weight design in system development stage

表4 航天器重量設計過程質量控制Q 點匯總表Table 4 Summary of quality control Q points in spacecraft weight design process

4 基于成功包絡理論的航天器重量評價標準

成功數據包絡線理論是一種直觀的方法,通過對以往數據的分析,提煉出先前的經驗信息,根據這些信息人為設定一個參考,使之成為決策時規避風險的通道,對于一個理想的通道,若產品關鍵指標的實測值在通道內,則放行產品,以獲得較低的存偽概率;相應地,若在通道外,則拒收產品,以獲得較低的棄真概率。

利用對象重量的平均值WO、最小值Wmin和最大值Wmax建立評價準則,建立重量設計評價模型和系統設計初期與重量有關的基本設計流程,設置質量控制點,提出評價重量設計質量和指導重量優化設計的方法,指導后續設計。

針對不同維度,在不同層面上,利用空間站工程5 個飛行器的重量數據,得到表3 中不同重量參數的平均值、最小值和最大值,形成如圖3 所示的重量評價基準,以此開展重量設計分析。

圖3 基于成功包絡理論的航天器產品重量分析示意圖Fig.3 Schematic diagram of spacecraft product weight analysis based on success envelope theory

將后續的航天器型號中同類對象的重量設計結果帶入模型公式計算后,得到相應的結果,會落入A、B、C、D4 個區間中的某一個區間。

1)A 區間。說明當前型號設計重量占比過高,在已有的成功數據包絡之外,屬于不正常的情況,還有很大的重量優化設計空間,應該加大重量優化設計力度,需落在成功包絡區間內;

2)B 區間。說明當前型號設計重量占比偏高,雖然在已有的成功數據包絡之內,但大于平均值,屬于正常范圍下的不理想情況,還有重量優化的空間,需進一步優化落在C 區間內;

3)C 區間。說明當前型號設計重量占比適中,優于已有型號同類對象重量的平均水平,但減重優化是持續改進的過程,是不懈追求的目標,需要進一步優化,落到D 區間;

4)D 區間。說明當前型號重量設計占比最低,以達到歷史最好水平,航天器是系統工程,這時需要與其他分系統和功能迭代優化,追求整體重量最優,因此,需要關注其他部分重量不合理的風險,必要時犧牲本部分的重量。

5 載人航天器重量評價模型

對載人航天空間站工程的載人飛船、貨運飛船、空間實驗室、天和核心艙、問天實驗艙共5 個載人航天器產品的重量數據,對照表3 中的參數,按照型號、分系統、產品名稱、專業類別、關鍵程度、數量、重量、重量占比進行匯總統計,得到載人航天器重量的基礎數據樣本。

5.1 系統層面

將基礎數據代入評價模型公式,獲得各類重量評價參數,得到各載人航天器結構、電纜網和管路網重量參數數據,如表5 所示。

表5 各載人航天器結構重量、電纜網重量和管路網重量基礎數據匯總表Table 5 Summary of basic data of structure weight, cable network weight and pipeline network weight of manned spacecraft

由表5 基礎數據,按照評價模型的公式可進一步得到載人航天器艙體結構、電纜網、管路網重量占比和重量效益指數的平均值和極值,如表6所示,以此可在系統設計開發的不同階段用來評價重量指標分配和重量設計結果的合理性。

表6 載人航天器結構、電纜網和管路網重量占比和重量效益指數均/極值匯總表Table 6 Summary of average/extreme values of weight ratio and weight benefit index of manned spacecraft structure, cable network and pipeline network

以艙體結構的重量占比和重量效益指數為例,評價準則詳見圖4 和圖5 所示。

圖4 艙體結構在發射重量占比評價準則Fig.4 Evaluation criteria for proportion of cabin structure in launching weight

圖5 艙體結構重量效益指數評價準則Fig.5 Evaluation criteria of cabin structure weight benefit index

5.2 分系統層面

將各載人航天器分系統重量和分系統單機產品數量基礎數據代入評價模型計算公式,得到載人航天器分系統重量占比的均值和極值,以及載人航天器各分系統平均每臺單機產品重量占比的均值和極值,如表7、表8 所示。

表7 載人航天器分系統重量占比均/極值匯總表Table 7 Summary of average/extreme weights of manned spacecraft subsystem

表8 分系統平均每臺單機重量占比均/極值匯總表Table 8 Summary of average/extreme values of average weight of each single unit of subsystem

以熱控分系統的分系統重量占比和分系統每臺單機產品的重量占比為例,評價準則詳見圖6和圖7 所示。

圖6 熱控分系統發射重量占比評價準則Fig.6 Evaluation criteria for percentage of transmitting weight of thermal control subsystem

圖7 熱控分系統單機平均發射總量占比評價準則Fig.7 Evaluation criteria for proportion of average total emission of single machine of thermal control subsystem

5.3 單機層面

將各載人航天器各功能專業單機產品重量和數量的基礎數據代入評價模型計算公式,得到載人航天器各功能專業單機平均每臺單機重量占比的均值和極值,如表9 所示。

表9 各功能專業類型單機平均每臺單機重量占比均/極值匯總表Table 9 Summary of average/extreme values of average weight of each single unit of various functional disciplines %

將各載人航天器關鍵單機產品重量和數量的基礎數據代入評價模型計算公式,得到載人航天器關鍵單機重量占比和平均每臺關鍵單機重量占比的均值和極值,如表10 所示。

表10 關鍵單機重量占比和平均每臺關鍵單機重量占比均/極值匯總表Table 10 Summary of weight percentage of key single machine and average/extreme value of weight percentage of each key single machine %

5.4 與其他衛星型號對比分析

查閱通訊衛星、遙感衛星分系統重量占比的相關數據,并與載人航天器產品數據對比分析,詳見表11 所示。可以看出:①結構分系統、熱控分系統的重量占比載人系列高于衛星系列;②推進分系統、控制分系統的重量占比載人系列與衛星系列相當;③供配電、綜合電子、測控分系統的重量占比載人系列低于衛星系列。

表11 載人系列與衛星系列型號分系統重量占比統計表Table 11 Statistics of weight proportion of subsystems of manned series and satellite series models%

5.5 小結

本文通過數據分析,可以得到載人航天器各級產品重量的基本趨勢,反映載人航天器研制過程與重量設計有關的基本規律。

1)系統層面。載人航天器艙體結構重量占發射總量的占比約為24%,航天器電纜網重量占航天器發射重量的比重約為5%,航天器管路網重量占發射重量的比重約為1%,載人航天器艙體結構、電纜網和管路網三者總量之和占發射重量的占比約為30%。

2)分系統層面。①載人航天器分系統重量占比中,電源、推進、GNC 和測控通信4 個負責姿軌控控制、能源動力和測控通信功能的關鍵分系統的重量占比最大,分別約占8%、7%、4%和2%,4 個關鍵分系統總重量約占發射重量的20%;②環控生保、熱控、乘員和儀表照明等與載人環境有關的分系統總重量占比次之,分別約占7.5%、2.5%、1%和0.5%,總重量約占發射重量的12%;③交會對接敏感器、對接機構、機械臂和回收傘系統等具有載人航天器特點的功能部組件的重量占比依次約為3.5%、3%、3.5%和5%,約占發射重量的15%。

3)單機產品層面。①按照產品的關鍵重要程度分析,載人航天器關鍵單機產品的總重量占發射重量的占比最小值約為16%,最大值約為33%,平均值約為25%;平均每臺套關鍵單機產品的重量占發射重量的占比中最小值約為0.1%,最大值約為0.2%,平均值約為0.15%;②按照單機產品的功能專業分析,電池、力矩陀螺、機械臂和氣瓶等產品的重量占發射重量的占比最大,分別約為0.3%、0.2%、0.15%和1%,均超過0.1%;其余功能專業的單機產品重量占比均小于1%,并按照電子電氣類、機械類、光機電類和機電類的順序由小到大分布。

4)結合載人登月工程對于飛行器的重量要求非常苛刻的特點,在登月任務飛行器設計時,需要注意以下幾點:①對結構分系統、環控分系統、熱控分系統的重量給予關注,對飛行器的金屬密封結構、防熱結構開展減重優化設計;②對環熱控分系統開展一體化設計,對艙內外環熱控管路、回路設備、工質開展通用、共用、復用設計;③開展電氣一體化設計,減少火工、供電、配電類單機數量,以降低重量;④對氣瓶和電池采用高性能材料,以減少重量。

6 結論

本文以載人空間站工程神舟載人飛船、天宮空間實驗室、天舟貨運飛船、天和核心艙和問天實驗艙中各級產品的重量基礎數據為樣本,建立了載人航天器系統級產品、分系統級產品和單機產品重量的成功包絡線,總結得到載人航天器產品重量控制的一般規律。

梳理并細化航天器系統開發階段有關重量的設計流程,識別系統設計過程中有關重量的質量控制點;基于成功包絡線分析理論,建立基于指導產品重量指標分配和評價產品設計重量優劣的量化評價模型;探索建立了基于航天器實際設計研制能力和成功數據包絡為基礎的航天器重量優化設計方法和程序,為載人登月工程系統設計開發階段重量的優化迭代和快速收斂提供了更科學的量化參考,對其他衛星型號的系統開展也具有指導和借鑒意義。通過本重量評價模型,能夠加速系統最優狀態的可快速迭代收斂,縮短設計開發周期,提高設計質量和效益。