載人航天器數字化研制方法與應用

李 濤, 敬 錚, 王 為, 何向君, 羅 皓

(北京空間飛行器總體設計部, 北京 100090)

1 引言

隨著人類探索太空的不斷發展,以空間站為代表的載人航天器系統規模、技術難度進一步提高。受運載火箭發射重量約束,大型載人航天器需要通過多次發射在軌組裝才能完成建造,在軌構型多,能源、環境控制、熱控、信息、姿軌控、推進等系統工作模式復雜,同時載人航天器單件小批量,可靠性要求高[1]。型號研制過程中,功能性能指標、多學科仿真模型、專業分析數據、產品接口信息、測試和試驗數據等信息耦合性和交互量龐大[2],傳統的文檔交互模式已無法滿足研制需求。隨著信息化技術的發展,載人航天器的研制呈現出與信息化融合發展的趨勢。

袁家軍[1]、張柏楠等[2]針對當前載人航天器研制參數化和模型化程度不高、基于模型的系統綜合仿真驗證不足、研制各環節缺乏數字化集成等問題,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節中不同模型間的傳遞與關聯關系。王建軍等[3-4]為提升航天器系統工程研制管理能力,剖析航天器系統工程研制管理難點和需求,提出借助信息化技術實現以研制流程為驅動、以工作包為核心、以產品結構為紐帶的精益協同智能研制管理模式。張佳朋等[5]分析航天器裝配執行層面總體流程特點,給出了面向航天器裝配質量的數字孿生建模方法,以及面向數字孿生構建的產品監控與數據管理方法,提出一種基于灰度關聯的裝配過程質量綜合預測方法,可用于航天器裝配質量預測。朱光辰等[6]、康焱等[7]針對航天器管路和電纜總裝設計提出了數字化協同設計方法,實現了機電一體化設計,提高了研制效率。王自軍等[8]針對衛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,實現了面向衛星總體總裝信息的多層級集成融合。萬畢樂等[9]針對航天器手工裝配過程,以設計三維模型和模型補充表格為輸入,構建出了面向航天器總體裝配的工藝數字樣機。郭堅等[10]針對航天器信息流提出基于網絡的信息流數字化協同設計系統架構,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]針對航天器大型熱試驗和綜合測試提出了數字化設計系統,提升了試驗和測試效率。劉治鋼等[13]基于數字孿生提出了航天器供配電數字伴飛系統,通過測試數據動態修改供配電模型,實現了測試和飛行狀態監視與仿真。綜上,以往載人航天器研制數字化研究主要針對仿真、生產或總裝測試等單一環節提出了針對性的數字化方法,本文對載人航天器全生命周期的研制、運營數字化方法進行研究,并以某大型載人航天器為例進行了實踐以期為后續航天器數字化研制提供借鑒。

2 載人航天器研制現狀

2.1 主要特點

經過30 多年的發展,中國已研制出載人飛船、貨運飛船、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特點:

1)系統復雜,規模龐大。載人航天器單體艙段重量一般在10 ～20 t,通過交會對接和組裝,形成總重超過100 t 的組合體,2022 年發射的問天和夢天實驗艙重23 t,是世界現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、熱控、環境控制與生命保障等多個分系統組成,產品研制涉及機械、通信、供配電、微生物、環境控制和軟件等多個學科和專業,同時航天器發射入軌后,又存在三軸穩定、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,其平臺設置15個分系統,分系統一級配套產品超1000 臺,二級配套產品超1500 臺,是一般大型衛星的近10 倍,繼承但有較大改動和新研產品占比達到90%,供電電纜、以太網電纜、總線電纜、光纜等接點數超過20 萬,元器件60 萬只,CPU 軟件和FPGA 軟件超過300 項,系統復雜,規模龐大,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,在軌運行壽命要求一般超過10 年。為實現高可靠性、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計。以產品固有可靠性、安全性設計為基礎,維修性設計為保障,確保航天器壽命期內安全可靠穩定運行。針對密封結構、發動機、對接機構等無法在軌維修的產品,開展使用模式和長壽設計與試驗驗證,確保滿足壽命要求;針對機構、電子等現有技術無法實現全任務周期壽命的產品,通過在軌維修更換實現壽命要求,同時加強產品壽命期內固有可靠性和安全性設計,并通過單機冗余和裕度設計、系統級自主健康管理和功能重構等措施,提高航天器任務安全性和可靠性。

3)研制流程復雜,成本高,風險大。載人航天器新技術多、批量小、系統復雜,可靠性和安全性要求高,因此需開展大量的單機、分系統和系統級仿真、測試、試驗和迭代優化,同時還要開展系統間匹配試驗,經歷方案、初樣和正樣研制階段,研制流程復雜。產品研制包括電性件、鑒定件和正樣件,原材料、元器件為宇航級,力學試驗、真空熱試驗等環境試驗使用專用振動臺和超大型真空罐,生產和試驗成本高。總裝過程中大型太陽電池翼、再生生保設備、科學試驗機柜等產品安裝,以及艙段起吊、翻轉和對接等操作難度大,高空作業風險高。艙外電纜、管路被輻射器遮蓋,艙內通風管道、電纜等鋪設在承力板和產品背面角隔區內,安裝后不可見不可達,總裝過程不可逆,一旦出現技術狀態更改,將導致大量返工、質量風險和時間成本高。

2.2 研制難點

中國航天工業經過60 余年的發展,形成了完備的工業生產體系,但隨著載人航天器功能、性能需求的提高,傳統的研制方法出現了以下的難點:

1)基于文檔的傳統研制模式難以滿足需求。隨著載人航天技術的不斷發展,用戶對航天器的功能性能、性價比要求越來越高,系統復雜度顯著增加,分系統間耦合性增強。傳統基于文檔分而治之的研制模式在跨學科、跨專業一體化設計和試驗驗證方面,面臨極大的挑戰。以空間站為代表的大型組合體載人航天器系統復雜、規模龐大,需多個可獨立飛行的20 噸級航天器通過組裝建造完成。空間站系統各飛行器既要各自獨立,又要在形成組合體后相互融合、有機統一,因此其功能、性能和產品配置需統一設計,同時兼顧融合使用和相互切換。系統復雜度高,傳統基于文檔的研制模式在信息溝通和迭代優化方面,已無法滿足要求,需通過數字化方法保障研制質量和效率。

2)基于圖紙的生產制造效率和準確性較低。航天器結構產品設計方面已開展了數字化工作,但工藝和制造過程仍采用傳統的二維圖紙和二維表格化,三維數字化CAD/CAM 一體化技術應用較少。載人航天器小批量、高成本的研制特點,要求航天器從設計仿真到加工生產的各個環節必須進行快速的一體化迭代優化和方案收斂,傳統的二維模式制約著載人航天器結構工藝和總裝工藝的設計效率和周期。電纜網研制方面,以往主要采用二維設計+分支長度圖和二維設計+模板電纜下廠模式,總體電路設計師從設備接口數據單中提取接點信息,轉換為分支圖,總裝設計師根據電纜連接關系圖在二維設備布局圖中進行電纜平面走向,根據二維布線結果估算電纜長度,手動繪制分支長度圖,最終以分支長度圖或模板電纜下廠。該模式設計周期長、工作量大,基于二維圖進行電纜長度設計余量偏大。

3)信息管理模式難以滿足全壽命周期要求。傳統航天器研制模式和組織模式,存在系統-分系統-單機-原材料、元器件和設計-制造-測試-運行2 個維度,圍繞型號產品研制過程中的質量信息數據的采集與傳遞過程,信息傳遞鏈條長,導致航天器研制過程中型號產品數據傳遞差錯、滯后、數據多處存儲以及產品數據非結構化,數據查詢分析困難問題。因此需要確保質量數據的有效性和唯一性,為型號研制、型號管理、故障處理所涉及的人員提供單一數據來源,為各種專業工具提供有效、可靠的數據輸入。

3 基于數字化的載人航天器研制方法

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

1)設計階段。開展體系論證與效能仿真,對型號系統狀態和效能進行快速仿真,確定型號總體技術方向;同時,通過功能和性能分解,將頂層要求逐級向下分解,利用數字化工具建立初步的產品機電熱信息模型,并開展仿真驗證工作,確定型號初步技術基線。

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

3)測試試驗階段。開展全過程自動化綜合測試、仿真與測試相結合的半物理測試、虛擬大型試驗和試驗數據分析與管理。

同時,在產品研制全生命周期需要開展產品信息存儲和管理,確保產品信息可追溯。

3.1 設計階段

為保證載人航天器研制方案正確性,提高設計迭代效率,降低產品反復風險,需要在型號研制中,持續采用多學科仿真,對型號設計方案進行仿真分析與驗證,并通過試驗數據完善仿真模型,設計仿真和迭代完善流程如圖1 所示。設計階段,根據用戶需求和大系統約束條件,在繼承以往產品研制基礎上,開展航天器飛行軌道、構型與布局等總體設計,并完成分系統、單機功能性能以及機電熱、信息等設計工作,在完成初步設計后,通過結構力學、羽流、能量平衡、交會對接等多學科建模與仿真,驗證單機和整艙方案設計的正確性和匹配性;制造集成階段在型號轉入生產階段后,通過多學科仿真輔助設計整艙試驗條件,確保覆蓋在軌工況和邊界條件;在單機試驗、整艙綜合測試、大型試驗和大系統接口試驗后,利用地面試驗數據修改完善產品仿真模型,進一步確認產品技術狀態滿足飛行任務要求。發射入軌后,通過在軌飛行數據迭代優化產品仿真模型,為航天器的運行維護、產品升級和擴展提供支持。

圖1 多學科仿真流程Fig.1 Multidisciplinary simulation process

載人航天器多學科仿真系統一般由數字功能樣機建模仿真子系統、環境條件建模仿真子系統、故障仿真子系統、調配子系統4 個部分組成。數字功能樣機建模仿真是指針對載人航天器能源、環熱控、信息、姿軌控、推進等部件功能進行數學建模并進行系統集成,仿真產品或者部件的運行情況;環境條件建模仿真是指對除航天器物理設備外仿真所需要的環境條件進行建模仿真,例如軌道、環境力矩、陽光遮擋、外熱流、進出測控區情況等;故障仿真提供故障狀態仿真預示、故障處置策略有效性驗證等故障仿真支持手段;數字功能樣機建模仿真子系統、環境條件建模仿真子系統各模塊之間通過分布式仿真支撐環境進行數據交互。調配子系統包含能源調配策略輔助規劃、散熱調配策略輔助規劃、信息調配策略輔助規劃等功能,如圖2 所示。

圖2 多學科仿真系統組成Fig.2 Framework of multidisciplinary simulation system

3.2 制造集成階段

載人航天器產品生產制造包括單機產品、管路、電纜、總裝直屬件的生產和總體總裝。以往單機生產采用二維圖紙下廠方式,為打通產品三維設計與生產制造的通路,需要采取自頂向下的全三維數字化協同設計思路,按照成熟度將三維模型劃分為4 個層次,逐層細化,形成從整器構型到總裝詳細設計的不同層次的模型。總體、分系統、單機單位及其制造和總裝部門基于統一的協同設計系統、在同一個幾何模型下開展協同設計。產品設計、制造與裝配完全基于三維模型進行,如圖3 所示。

針對單機產品涉及部門多、數據源不統一、數據傳遞途徑易出錯的問題,采用面向系統級設計與分析的單機產品三維數字化模式。單機設備是指由分系統提供的航天器設備配套表中除電纜網、熱控材料以外的有唯一編號的航天器單機產品,是組成航天器產品的基本單位。單機設備模型包括單機外觀模型、輔助模型、緊固件模型等,外觀模型用于反映從設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備三維模型,輔助模型用于總體設計與分析,在設備上不真實存在的模型,如精測通道模型、視場模型、羽流模型等,單機產品協同流程如圖4 所示。

圖4 基于三維模型的單機產品協同流程Fig.4 Product collaborative-design flow based on 3D model

3.3 測試試驗階段

載人航天器測試與試驗,按規模分為單機、分系統、系統和大系統級,其中系統級綜合測試持續時間長、工況復雜,整器狀態最接近在軌狀態。為提升測試質量和效率,保證測試有效性和覆蓋性,需利用數字化方法提高綜合測試自動化程度。研制自動化測試系統開展自動測試、判讀、綜合分析,自動完成測試項目生成、指令操作、狀態監控、過程記錄、數據判讀、結果分析和報告生成等,降低人工操作,實現測試自動化。同時,按照飛行任務剖面,通過半物理仿真系統驅動地面模擬器,模擬在軌各種環境激勵,加載到航天器各敏感器和設備上,使航天器地面測試環境輸入與在軌環境一致。

自動化測試流程如圖5 所示,準備階段,利用自動化測試系統,將設計的參數表、指令表、判讀規程等導入測試系統,生成參數指令庫、判讀庫。測試階段,首先將測試大綱、要求轉化為最小測試單元和測試程序,其次根據整器狀態和約束條件,將測試單元組合為測試項目,生成每日測試計劃,最后在測試過程中自動發送指令,存儲遙測數據,并對指令和遙測進行實時判讀。評估階段,利用自動化測試系統對指令覆蓋性、參數曲線、關聯性等進行綜合分析與評價,確保測試有效性和覆蓋性。

3.4 全生命周期產品信息管理

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

產品驗收是產品交付前的最后質量把關環節,需要對設計-制造-測試-交付全過程的產品數據進行管理和審查。從元器件與原材料選用、單機研制、分系統研制、航天器系統研制不同層次,建立多級產品數據體系,規范各類專業參數接口標準,實現設計指標自頂向下分解傳遞,實測數據自底向上收集驗證的質量信息數據管控模式,如圖6 所示。

圖6 航天器單機產品數據包形成過程Fig.6 Formation process of spacecraft product data packet

4 大型復雜載人航天器實踐

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、電纜和密封結構的加工制造等諸多方面,研制過程數字化是在已有航天工業生產體系和發展成果基礎上循序漸進。本文以某大型載人航天器研制為例,選取設計與制造交互性、耦合性最強的生產、管理環節,闡述了型號研制全周期的數字化系統及其應用情況。

4.1 基于Cradle 的條目化需求管理系統

采用商用軟件Cradle 二次開發,建立了型號需求管理系統,實現條目化的技術要求管理。建立總體-艙段-分系統結構的需求管理體系,實現型號技術要求條目化管控,并與任務功能指標體系建立關聯,確保技術要求與任務功能指標一致性、覆蓋性。

4.2 基于模型的多學科設計仿真系統

研制基于MathWorks 軟件研制多學科仿真系統,系統數字功能樣機建模以Modelica 建模語言為主,結合C 語言建模等其他建模方式開展。根據航天器的系統功能組成,對能源、環熱控、信息、姿軌控、推進等功能層次分別進行建模,然后將各功能層次的模型整合得到整個載人航天器的數字功能樣機模型。

模型集成過程中,針對采用Modelica 語言建立的功能模型,如環熱控、能源、姿軌控、信息等專業模型,通過Modelica 模型圖形化集成窗口,將同一設備不同專業的模型進行封裝形成設備的多學科功能樣機模型。封裝后不同專業學科模型代表的數字公式將在Mwork 軟件平臺后臺聯立求解,從而實現多學科專業模型的耦合仿真。針對采用非Modelica 語言建立的異構模型,如C/C++語言建立的模型、Matlab/Simulink 軟件建立的模型,多學科仿真平臺提供了相應的模型集成與聯合仿真方法。集成后的多學科仿真模型系統如圖7 所示[2],開展了某大型載人航天器轉位、機械臂爬行等仿真驗證,解決了地面無法進行實物驗證的問題。

圖7 載人航天器多學科仿真系統實現Fig.7 M u ltidiscip linary simu lation system of manned spacecraft

4.3 基于三維模型的生產制造系統

4.3.1 電纜網三維下廠系統

研制了電纜網三維下廠與數據管理系統,打通總體設計和電纜生產的閉環數據鏈路,實現全三維的數字化模式,自動生成分支走向圖,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 電纜網數字化研制流程Fig.8 Digital development process of electric cables

針對電纜網三維數字化研制,通過提取Pro/E 三維線纜信息,自動生成中間線纜數據文檔,輔助工藝人員檢查正確性,并依此自動生成線纜長度分支圖和點膠記錄表,簡化工藝準備過程。

根據接點表計算每根電纜各分支中使用導線的規格和根數,并將電纜分支長度圖處理成結構化數據,完成導線長度的自動計算,最終生成電纜導線下廠技術要求,并在三維工藝系統中受控。對型號研制過程中,通過電纜網三維下廠系統后的電纜生產時間統計分析,表明從技術要求下發到電纜交付時間平均縮短了40%。

4.3.2 管路三維下廠系統

Pro/E 軟件二次開發的基于三維模型的管路三維下廠系統,在管路設計完成后,設計結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化為生產工藝,設計結果快速轉化成產品,并安裝到位。通過該系統在型號的實際應用,建立了管路及其組件三維標準庫,實現了管路組件三維模型規范化、標準化、參數化,實現了標準、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。同時采用基于三維模型的管路走位、固定方法,提高管路系統溫度分布仿真的準確性,為管路多層包覆和加熱帶設計加工提供輸入,降低在真空熱試驗中發生管路凍結的風險,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 產品數據包采集與驗收管理系統

產品數據包是產品設計要求和產品制造、組裝、調試、檢驗、試驗各環節的量化要求與實現情況的實測記錄。載人航天器型號產品數據包分為單機、分系統和系統3 個層次,數據包的生成隨著產品的實現同時完成。利用已有的信息網絡,研制的單機產品數據包系統,為研制人員提供了一個跨地域、透明、安全的協同平臺。系統作為整個型號研制體系中核心數據的共享數據源,對設計、制造、測試試驗、交付和維護進行管控,實現了載人航天器研制全周期質量數據過程監控、數據共享和追溯,避免了研制人員面對面的問答式驗收。從驗收時間分析,總體驗收效率提高了50%以上。

4.5 載人航天器在軌運營仿真系統

型號在研制階段積累的仿真模型基礎上,利用Mworks 等多學科仿真軟件二次開發,建立了載人航天器在軌運營仿真系統,如圖10 所示,系統集成1600 余臺單機模型,并完成在軌遙測數據對單機模型和參數校正,仿真模型總規模超150 萬方程組。利用運營仿真系統完成了各次在軌任務的能量平衡、散熱能力、出艙過程艙壓等仿真分析和預示,為出艙活動、機械臂操作等任務決策和方案設計提供支持,確保任務成功。

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

5 結論

1)采用多學科仿真分析方法和系統,可以有效整合總體、分系統和單機的多學科數字模型,實現復雜耦合系統的仿真分析,提高迭代效率,解決地面無法進行實物試驗的問題。

2)采用基于三維模型的電纜、管路設計與生產制造系統,使電纜生產從技術要求下發到交付時間平均縮短40%,降低了異形管路的實物取樣和試裝工作量,提高設計生產效率。

3)采用產品全生命周期需求管理,數據包收集與管理方法與系統,可實現產品技術要求條目化管理,實現信息的跨地域收集、監控、共享和追溯,使驗收效率提高50%。

4)采用在軌遙測數據校正后的載人航天器仿真模型可有效預示航天器在軌飛行狀態,為任務決策和實施提供有力支持。