液體火箭發動機數字化應用現狀與分析

摘""要：隨著互聯網技術及數字化技術的快速發展，國內外各行各業在面臨日益激烈的競爭環境下，普遍將數字化轉型作為發展戰略，結合產品自身的發展需要，運用適合的數字化技術和先進模式，推動技術創新和研制模式創新，從而提升產品的核心競爭力。而對于液體火箭發動機這一傳統行業世界格局的變化，高效和創新成為了當前行業發展的必經之路。通過對國內外液體火箭發動機技術水平的差距分析，結合我國液體火箭發動機研發模式以及數字化應用的現狀，對后續液體火箭發動機研制模式數字化轉型提出了相應的思路和見解。

關鍵詞：液體火箭發動機""數字化轉型""研發模式""協同設計

中圖分類號：V463

Current"Situations"and"Analysis"of"the"Digital"Application"of"Liquid"Rocket"Engines

HE"Lei*""ZHANG"Weidong

Beijing"Aerospace"Propulsion"Institute，Beijing，"100076"China

Abstract："With"the"rapid"development"of"Internet"technology"and"digital"technology，"in"the"face"of"the"increasingly"fierce"competitive"environment，"all"walks"of"life"at"home"and"abroad"generally"regardnbsp;digital"transformation"as"a"development"strategy."Combined"with"the"development"needs"of"their"own"products，"they"use"appropriate"digital"technologies"and"advanced"models"tonbsp;promote"technological"innovation"and"research"and"development"mode"innovation，"so"as"to"enhance"the"core"competitiveness"of"their"products."For"the"changes"in"the"world"pattern"of"the"traditional"industry"of"liquid"rocket"engines，"efficiency"and"innovation"have"become"necessary"paths"for"the"current"development"of"the"industry."Through"analyzing"the"gap"of"the"technical"level"of"liquid"rocket"engines"at"home"and"abroad，"combined"with"the"research"and"development"mode"of"liquid"rocket"engines"and"the"current"situation"of"their"digital"application"in"China，"corresponding"ideas"and"insights"are"proposed"for"the"subsequent"digital"transformation"of"the"research"and"development"modes"of"liquid"rocket"engines.

Key"Words："Liquid"rocket"engine;"Digital"transformation;"Research"and"development"mode;"Collaborative"design

液體火箭發動機是運載火箭的心臟，是空間基礎設施建設、深空探測、載人航天等一切航天活動的基石，決定著一個國家航天活動的規模、進出空間的能力，是一個國家科技實力的重要體現，是國家安全的重要保障。我國經過60余年的發展，由最初的仿制到現在的自主可控，走出來一條具有我國特點的發動機研制路線，形成了發動機研制的方法、標準和規范等[1-4]，但從世界角度來看，我國的液體火箭發動機仍存在一系列差距，尤其是隨著商業航天的發展，以美國太空探索公司的“梅林”和“猛禽”發動機的應用為代表，不斷地引入互聯網技術和數字化技術，使發動機的研制模式、迭代速度和創新應用等發生了顛覆性的改革，新一輪的競爭格局即將形成[5-6]。互聯網技術和數字化技術的應用將成為未來提高發動機研制水平、縮短發動機研制周期的重要支撐。

1""我國液體火箭發動機數字化應用的現狀

目前我國液體火箭發動機的研制過程是一個由“設計—試制—試驗—改進設計—再試驗”反復迭代的串行模式，逐步實現技術狀態的收斂、產品質量和性能的螺旋上升的過程，且以實物試驗為主，通過充分的試驗暴露設計、工藝問題并改進。當前，我國已經成功研發了一系列的發動機，包括先進膨脹循環氫氧發動機、高壓補燃循環液氧煤油發動機以及可重復使用的液氧甲烷發動機等，此外在故障診斷方面也開展了數十年的研究。隨著技術的不斷進步，液體火箭發動機的研制過程中也采用了越來越多的數字化應用，如三維數字化協同、三維設計仿真、信息化管理等，但與國外相比仍存在相應的不足。

1.1""數字化應用呈孤島模式

當前，我國新型號液體火箭發動機的設計已全面采用了全三維數字化協同設計及仿真模式，部分設計文件、大綱等結構化需求管理在系統中進行審簽受控和發布等，型號數字化工作取得顯著成效，為數字化轉型發展奠定了基礎。但型號數字化應用多為單點應用，各個應用呈現孤島模式，缺乏耦合效應，具體體現在：數據管理分散在各個信息系統中，缺乏關聯追溯；產品設計特性等數據沒能實現設計與生產的線上協同，缺乏信息系統的支撐，還需要經過人工傳遞和反饋；尚未完成全生命周期數據體系的系統梳理，缺乏統一化、規范化的管理能力等。上述問題導致液體火箭發動機模型驅動的數字化研發模式不能自頂向下正向貫通，與國外先進的裝備研發模式尚有差距，型號數字化能力還需實現由“點”到“線”再到“面”的體系化發展。

1.2""多學科協同設計能力不足

發動機系統方案綜合論證是一項多學科集成的復雜的系統性工作，研制過程中涉及流、固、熱、電等多個學科。基于現有的條件，雖然在液體火箭發動機的研制過程中采用了大量CAD技術、CAE技術、CFD技術、FEA技術等新技術開展系統及各零組件的專業優化仿真設計。但各個專業的仿真分析主要以專業單點的應用為主，且在研制各環節的應用范圍和深度很不均衡，也沒有形成相對成熟固化的仿真業務流程，不具備基于統一的數字樣機開展仿真分析能力；部分數字化模型處于信息孤島狀態，設計制造的三維數字化協同和驗證尚未全面打通，部分數字化仿真結果的精度還有待提高；各專業的仿真分析過程尚未有效集成，仿真模型與仿真結果未有效管控；部分產品研制還必須依靠實物模裝和試對接口進行驗證，電氣系統還無法擺脫散態匹配試驗驗證階段，控制系統與發動機無法進行集成仿真試驗驗證，這種必須依靠實物參與的驗證耗費了大量時間、人力和財力，嚴重制約型號研制效率。

1.3""并行研發模式尚未有效運行

發動機研發方面，初步建成產品數據管理、試驗數據管理、計劃管理、質量管理、物資管理、研發數據包等業務系統，形成了一套與研制任務相適應的、以實物驗證為主的“設計—仿真—生產—試驗”串行的跟隨創新研發模式，但整個過程設計仿真、工藝優化、制造生產、試驗驗證等一體化能力欠缺；過程質量數據的分析和挖掘能力不強，未能有效支撐產品研制與質量保證；通過對現有數字化支撐條件和應用狀況的梳理與分析，在設計、制造、試驗、協同、管控、基礎支撐均存在一定差距。目前，面向產品、問題導向、串行跟隨的創新研發模式僅能夠解決產品的有無問題，但難以做到真正的技術引領。其原因是這種模式過于關注產品的實現，而對支撐產品設計的核心技術關注太少，所得到的經驗都是在單個產品的實現過程中掌握的零散認識，很少通過拓展研究或系統研究歸納為指導設計的準則規范。

1.4""在線故障診斷技術尚未得到應用

我國在863計劃的支持下，開展了十多年的研究，對于火箭發動機工作過程的故障檢測與診斷取得了較大的進展，但對于重復使用發動機的健康監測、故障診斷、智能控制的研究尚在起步階段，距離型號應用仍存在一定的差距。而國外隨著工業4.0、大數據、人工智能（AI）等新技術的不斷出現，數字化手段越來越先進，其在故障診斷和智能控制技術方面取得了很大的進展。尤其是在美國，美國一直致力于先進的健康管理系統、故障診斷和智能控制技術研究，其目的就在于建造一張發動機“信息網”，在此基礎上，使用智能控制等最新技術，就可以達到增強任務安全度，減少全生命周期費用等任務目標。

通過上述分析可以看出，我國液體火箭發動機在研制模式、數字貫通、先進控制等技術方面存在較大的差距，其原因不僅是我國工業軟件方面落后、功能單一，還包括整個研制流程的梳理及數字化的應用和積累深度和廣度不夠，尤其是發動機系統設計方面對個人經驗依賴性強、集成程度較低、迭代周期較長、多方案比較不充分、綜合評價準確性較低等。

2""液體火箭發動機數字化應用轉型探討

要真正實現液體火箭發動機高質量高水平的設計與研制，基礎能力是重要的支撐。在改進研制模式的同時，進一步提高一體化協同設計能力、數字化仿真能力、在線故障監測與診斷能力等。

2.1""研制模式的優化

相比于我國傳統航天企業采用的大循環串行研制模式，SpaceX公司采用了方案—設計—制造—試驗的小循環迭代模式。針對該種模式，SpaceX公司設計了一個集成試驗工具，對各個產品進行了嚴格多樣的試驗，當迭代次數增多、周期越來越靠后時，產品更加接近于最終的形態，通過工具不斷的學習和訓練，可有效地提高產品的可靠性和適應性，從而避免系統相互耦合帶來的仿真和分析不到位的風險。該種方法相比于傳動的大循環單個周期而言的研制模式，可有效地實現快速迭代，在保證縮短周期的同時有效降低成本。

2.2""建立先進的協同設計平臺

圍繞我國液體火箭發動機研制模式優化轉型，借鑒MBSE的理念，研究基于海量歷史數據的智能化設計方法，通過完善設計工具、集成設計平臺，結合多專業設計經驗、知識、規范，引入并行工程方法，構建需求模型、功能模型、性能模型及數據關系模型等，打造數字液體火箭發動機研發支撐環境，實現人員、流程、工具、數據的無縫互連和多方案智能化并行快速迭代，形成數字化液體火箭發動機設計體系，并將數據模型與流程系統進行深度融合，顯著提高工作效率，實現型號方案在全局層次的智能化尋優。

2.3""建立一體化仿真平臺

以模型為基礎，以數據為支撐，針對跨系統、跨工具、跨設備、跨單位等方面明確交換標準，確保數據表達一致性，如模型間的傳遞方式可以采用STEP格式等。構建發動機設計仿真體系，完善仿真規范、仿真流程，補充各類仿真工具，包括系統級綜合仿真、組件/部件級仿真、學科級仿真、工藝仿真及分析、試驗臺及集成仿真等，專業仿真成規模、系統仿真上水平，最終形成工具齊全、系統完整、結果準確的先進仿真體系，推動研制流程從設計、試驗向設計、仿真、試驗轉變。實現虛實結合的大型化實物試驗和特殊環境下的試驗驗證能力，滿足新技術和新產品試驗驗證需求，提高液體火箭發動機的一體化仿真試驗驗證水平。

2.4""面向數字孿生的設計與驗證評估平臺

針對在線故障診斷和智能控制技術等，以大數據挖掘、數字孿生、元宇宙等技術為手段，構建驗證評估的虛擬環境，引入試驗數據進行設計的閉環驗證與評估；通過對試驗數據的參數化、結構化管理，為試驗結果和仿真模型之間的虛實結合與對比驗證提供思路；通過數字模型與實物模型之間的數據映射與傳遞，實現試驗數據與設計數據、仿真數據的閉環反饋，提高試驗數據利用率；通過建立試驗數據與仿真模型的關聯驗證機制來檢驗數字模型的正確性，并進一步推動仿真模型的修正與優化，建立可重復使用技術的設計、評估與健康監測平臺，實現對故障的在線診斷。

2.5""形成高效智能的制造和批產能力

針對數字化、信息化技術的引入，傳統的生產區域面臨著廠房布局緊湊、設備狀態及先進性參差不齊、部分設備老舊嚴重、功能落后、與智能化設備無法兼容等情況，現代化改造更新的條件不足，需結合整體性的能力布局規劃，開辟建設高效智能的生產線。加強生產制造過程單元化、自動化、數字化、信息化建設，改進和優化生產模式，打造多類型優化組合、國際一流液體火箭發動機生產線，提升批次性生產能力。通過建設分布式協同生產模式，構建全三維數字化制造能力以及新材料的加工能力，達到敏捷制造，精益生產的目標。

3""結語

數字化轉型是行業模式轉換的必由之路，圍繞液體火箭發動機的數字化轉型，要以體系化、協同化、數字化為主線，通過加強頂層設計、推進專業協同、打通數字鏈路，實現體系發展、快速迭代和模式轉型。要深度融合信息化、自動化技術，建設發動機研發平臺，實現知識顯性、流程模板化、驗證虛擬化、產品數字化、知識推送自動化，消除信息孤島，構建數字化發動機的同時，通過優化流程、轉變模式提高體系效能；強化基礎研究，深化機理認識，構建發動機技術知識體系，提升核心技術創新能力，提高設計階段方案的正確性，從而做到“縮周期，降成本，提性能”。在此基礎上，解放人力、設備資源，使其專注于前沿技術探索研究，從而構建以數字化、“設計—仿真”小循環迭代為特征的自主創新研發模式。

參"考"文"獻

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