浅论数字化运载火箭体系构建

◎中国航天科技集团公司 凌国厚 褚洪杰

浅论数字化运载火箭体系构建

◎中国航天科技集团公司 凌国厚 褚洪杰

运载火箭是人类开展航天活动的重要工具，是实现航天器快速部署、重构、扩充和维护，以及大规模开发和利用太空资源的前提与基础。进入21世纪后，信息化、自动化技术得到了迅速发展，将当前先进的计算机、通信、软件、管理等技术融合到运载火箭的研发过程中，有助于缩短研制周期，提高研发质量，实现基于数字化技术的运载火箭高效研制是未来运载火箭研制的必由之路。

一、国内外现状

1.国外现状

国际上，数字化设计、制造、仿真等技术已经在航空航天领域得到广泛应用，并取得巨大效益。NASA、ESA、波音、洛马、SpaceX等机构与公司分别建立了各自的数字化协同设计平台。通过数字化的协同设计、仿真分析、虚拟装配与制造等技术手段，极大地提高了设计与制造效率，减少了设计更改和工程反复，大幅度缩短了研制周期，较为显著地降低了研制成本。

波音最早在B777大型客机的研制过程中就采用了全数字化设计制造技术和协同并行工程，实现了全生命周期的数字化定义、预装配、并行设计、协同流程管理，建立了第一个全数字化飞机样机，取消了实物模装，减少了90%的工程更改与返工，机身装配精度提高了50倍。

SpaceX在产品设计、仿真和数据管理方面采用西门子的产品生命周期管理软件，集成从设计到制造的整个流程，并通过仿真分析实现了在设计阶段对产品性能的预测，在降低开发成本的同时增强了效率和协作。

在NASA最新的航天产品研制过程中，数字模型的作用不再局限于简单的三维可视化，数字模型开始广泛应用于数字化试验与仿真分析等多种业条中。数字模型的数据架构也开始由扁平的单层数据结构向多层数据结构转变。

2.国内现状

在国内航天系统中，大量商业或自主开发的设计工具及产品数据管理（PDM）、产品全生命周期管理（PLM）等系统已经在火箭的各专业、各分系统、各设备的设计、生产、试验等环节发挥了重要作用，初步实现了结构、电气等分系统的数字化设计、制造，以及运载火箭基本的信息化管理。

各种信息化平台的建立，在一定程度上提升了企业的产品研制效率，降低了企业的研发成本，改善了产品质量，但大量信息技术的应用也给企业带来了新的挑战，如系统繁多、功能重叠、信息割裂、数据格式不一致、协同困难、流程孤立、集成困难等。

笔者基于NASA的航天产品最新研制理念，结合运载火箭的数字化研制经验，整合现有的数字化建设项目，从顶层有序规划后期数字化建设内容，建立基于数字化技术的运载火箭研制新体系，以期助力运载火箭的研制。

二、数字化运载火箭体系

1.建设目标与核心思想

数字化运载火箭体系建设的目标包括以下几个方面：

——构建以数字样机贯穿全生命周期的一体化运载火箭设计、仿真、制造、试验、验证与评估能力，创新研制模式转变，打造基于数字化技术的运载火箭研制流程与模式。支撑高密度发射的快速设计能力与运载火箭的优化设计能力；

——瞄准未来运载火箭核心能力需求，配套建设数字化设计、仿真、试验与制造平台；

——实现背景型号预先研究的小回路多学科闭环设计和原理样机的验证能力，提升低成本、高可靠、快响应、多用途运载火箭的研制水平；

——系统性规划运载火箭数字化建设，提高不同能力单元模块的综合应用水平，实现运载火箭全流程的数字化研制与管理；

——满足未来全系列运载火箭“快速优化设计、可信全程仿真、规范高效试验、柔性批量生产、综合保障管理”的目标。

数字化运载火箭体系建设的核心思想是：以运载火箭研制流程为基础，系统性构建能力单元模块，通过业条流程驱动能力单元模块，运用数字化手段全面提升研制流程中各重要节点的研制效率和技术状态控制。

2.框架体系

数字化运载火箭体系的框架如图1所示，主要由研制业条模型、产品行为模型和产品工程模型共同组成，并分别从不同角度、不同层面对运载火箭研制活动的开展方式及研制内容进行描述。

研制业条模型是运载火箭研制流程的集合，描述火箭研制业条涉及的业条部门、业条对象、业条资源之间的关系，以及它们的属性、需要遵从的业条规范等能够保证研制业条顺利流转的相关内容。研制业条模型对现有的运载火箭研制流程进行固化和封装，并依据研制经验和研制能力变化对研制流程进行优化，分析研制流程中的瓶颈节点，提供能力单元建设实施意见。研制流程由众多的业条模块依据运载火箭研制计划灵活组合而成，每个业条模块中定义了该模块的工作内容、输入输出要求、执行部门、所需遵从的标准规范等信息。

产品行为模型是数字化运载火箭体系的核心内容，包括各专业或系统设计所需要的一切数字化手段，是专业能力的核心体现，是完成各类业条模块的能力单元的集合。能力单元以各系统或各专业的研制为最小集合，对应研制流程中的各项研制业条模块，力求采用先进的数字化技术和手段，固化和优化专业研制工作流程，采用行为建模的方式，面向任条和指标快速地完成本专业相关设计、研发和制造等工作。产品行为模型（即能力单元）受研制业条流程驱动，可以生成各类产品工程模型。通过在研制业条模型中对研制业条流程进行分析，针对研制过程中的瓶颈和重点业条节点，梳理业条节点输入输出格式，分析现有的业条执行工作流程，引入数字化技术，优化设计过程，建立数字化设计能力单元，减少设计师的重复劳动，实现快速、高质量设计。

产品工程模型是各业条模块输出的集合，包含了不同详细程度、组织形式、表现形式、应用方式等各种类型的传统工程模型。此外，还包含各类产品研制信息、管理信息、试验数据等各类信息和数据。产品工程模型是与业条模块配套的各能力单元的输出结果，根据业条模块所处业条阶段及业条模块内工作内容的定义不同，产品工程模型便有了相应的众多业条属性定义。基于这些属性，按产品研制阶段划分，可以生成原理样机、初样样机、正样样机、制造样机、保障样机等；按照表现形式划分，可以生成几何样机、功能样机、性能样机等。

图1 数字化运载火箭体系

数字化运载火箭体系是由产品研制业条驱动的系统模型，是一个多层次、多形式、可以不断迭代演化的动态模型，其主要应用过程如下：

首先，根据型号研制技术流程，定义和优化总体、分系统及制造等业条流程模型，明确业条流程中各节点的工作内容及输入输出；其次，根据型号研制任条需求挑选出与之相关的业条模块，组合成支持型号研制任条的业条模型；再次，利用各业条模块内部关于业条内容的定义，驱动各能力单元，完成各类研制、生产任条；最后，各能力单元中形成的各类数据存贮于PDM、仿真数据管理系统（SDM）、试验数据管理系统（TDM）等底层平台，并进行技术状态控制和管理。

三、数字化运载火箭体系建设内容

1.建设思路

数字化运载火箭体系是一个庞大的运载火箭研制体系，基于最新的数字化、信息化手段，综合了国际上最新的运载火箭研制思路，结合运载火箭研制业条需求和现有研制条件，数字化运载火箭建设思路为：

——组织各系统梳理和论证运载火箭研制流程的优化与固化，选取典型案例，验证研制流程驱动能力单元的可行性，形成闭环；

——梳理研制流程中各研制业条的输入输出和完成时间，以此为基础构建顶层流程管控平台，实现业条流程的仿真与分析；

——调查和分析研制业条模块特点并结合流程分析结果，分层次、分步骤、由点到面建设能力单元群，提升专业研制能力；

——依据各能力单元模块的实际需求和数据管控规则，建设基础平台和基础数据库，实现设计数据、仿真数据、试验数据、研发信息等各类数据的有效管理和安全可控；

——依托数字化运载火箭体系的核心内容，配套与之相适用的质量管理与信息平台、可靠性平台、ERP及各类企业管理系统，提升型号研制的管理能力。

2.基础平台建设

在信息化管理战略思想和系统论方法的指导下，构建数字化运载火箭体系需建设1个顶层流程管控平台，4个基础数据管控平台，6类基础数据库。

顶层流程管控平台主要实现运载火箭研制业条流程的固化和封装，并依据业条流驱动各种能力单元，实现研制业条的顶层规划与管理。

4个基础数据管控平台分别为PDM、SDM、TDM、型号研发信息平台（PDI）。PDM平台主要接收和管理各能力单元产生的设计数据；SDM平台主要接收和管理各能力单元产生的仿真数据；TDM平台主要接收和管理各能力单元产生的试验数据；PDI主要接收和管理型号的研发信息。

6类基础数据库分别为标准件与元器件库、材料库、模板库、知识库、工艺数据库、试验数据库。基础数据库主要存储各种标准件、通用件、通用模板、通用材料属性、设计规则、工艺经验数据、试验反馈数据等设计资源，为各种能力单元的构建提供基础数据。

同时，为支撑整个数字化运载火箭体系有效运转，提高运载火箭研制管理和生产制造管理的数字化运用水平，需要搭建各种管理支撑平台与数字化运载火箭体系的密切联系，主要包括质量管理与信息平台、可靠性平台、ERP及各类企业管理系统。

3.能力单元建设

为满足未来运载火箭快速研制、快速生产、高密度发射的需求，综合现役运载火箭研制流程和业条工作需求，分别规划了总体、结构系统、电气与软件系统、增压输送系统、地面支持系统、环境与可靠性、制造及总装和电源系统数字化改造项目。

总体需要建设总体性能快速设计、总体快速布局、总体动力快速设计、总体分离设计、总体电气设计、动力学总体设计等能力单元模块，完成研制流程中理论图设计、初始数据设计、结构方案设计、动力系统选型、制导与导航设计等相对应的总体业条模块，提高总体设计能力。

结构系统需要建设结构快速设计、结构优化设计、“六性”设计、质量与可靠性管理等能力单元模块，完成研制流程中对应的各舱段可靠性设计、强度设计、结构设计等结构系统业条模块。

电气系统需要建设电气系统综合协同设计、电缆网协同设计、微波电路设计、数字电路设计、试验设计等能力单元模块，完成研制流程中对应的测量系统方案设计、控制系统方案设计、天基测控方案设计、姿控系统方案设计、线路综合方案设计等电气与软件系统业条模块。

增压输送系统需要建设增压输送系统仿真、阀门仿真实验、管路快速设计、密封优化设计、预冷仿真设计等能力单元模块，完成研制流程中对应的活门附件设计、系统安装设计、管路密封试验、预冷试验、冷流试验等增压输送系统业条模块。

地面支持系统需要建设结构仿真设计、加注设备设计、供气设备设计、地面设备仿真实验等能力单元模块，完成研制流程中对应的运输起吊设备设计、加注设备设计、供气设备设计、发射设备设计等地面支持系统业条模块。

环境与可靠性需要建设可靠性设计与仿真、力学环境条件设计与仿真、热环境集成仿真设计、“六性”综合管理等能力单元模块，完成研制流程中对应的环境与可靠性预估、环境与可靠性分析、环境与可靠性试验、可靠性分配等环境与可靠性业条模块。

制造及总装需要建设设计制造协同、自动化加工制造、加工工艺仿真、大型试验综合管控、自动化设备集成、数字化装配等能力单元模块，完成研制流程中对应的备料准备与开展、工艺设计、工装设计、工艺攻关、工艺试验等制造及总装业条模块。

四、关键技术

1.流程固化与优化技术

流程固化与优化是指基于PetriNet网络技术，通过不同系统、不同专业、不同阶段、不同层次的研制业条流程及各个研制业条模块的输入输出和工作内容定义各个研制业条之间的关联关系与业条流转顺序，将业条流程转换为计算机模型，实现业条流转过程的仿真与优化。运载火箭研制流程是运载火箭研制业条流转的总指挥，直接关系着研制进程和研制质量，合理的研制流程可以高效调配研制过程中的各种物资和人员，实现人尽其责、物尽其用。

2.多平台信息交流技术

要实现业条流程驱动能力单元，顶层流程管控平台必须获取业条模块输入输出的实时信息，包括创建、受控、更改等。研制业条的输入输出数据即产品工程模型存储在各类数据管控平台中。因此，顶层的流程管控平台需要实现与PDM、TDM、SDM等平台的实时信息交换，同时型号研发信息需要与质量管控平台、企业管理系统等外部管理和控制系统通信，满足企业正常运转需求。

3.基础数据库构建技术

为支撑各种能力单元的建设，需要建设标准件与元器件库、材料库、模板库、知识库、工艺数据库、试验数据库等各类基础数据库，各类数据库应当可以满足不同能力单元对基础数据库的格式要求，并建立良好的扩建和管控机制。

4.研制数据管控技术

运载火箭研制过程中的各类数据包括设计模型、设计文件、试验数据、仿真数据、研发信息等均应该进行合理管理和控制，建立以型号产品结构树为核心的产品结构管理模式和基于全生命周期的工作流程管理模式，保证研制数据的有效存储和状态控制。

5.系统整合与集成技术

数字化运载火箭体系包含大量基础管控平台、基础数据库、能力单元模块，各模块独立完成相关功能，相互之间又需要实时的数据交换。在产品研制过程中，顶层流程管控平台在基础数据管控平台中获取输入文件、模型等输入数据，然后依据研制流程驱动能力单元调用基础数据库完成各个研制业条节点，由各能力单元产生的数据在数据管控平台中存储和管理。在研制业条流转过程中，各平台及各能力单元之间只有相互协调，有序运作，才能促使研制业条高速流转，一旦相互之间出现数据交换困难、通信不及时等情形，就会形成局部堵塞，延误研制进程。将完成类似或相邻业条的能力单元整合和集成，就可以降低能力单元之间的数据交换需求，提高数据在能力单元间的流转速度；基于基础管控平台集成各种能力单元模块，实现数据管控平台与能力单元之间的直接通信，可以提高研制效率。

数字化运载火箭体系是一个基于最新数字化技术的运载火箭研制体系，通过分析现役和在研运载火箭的研制流程和研制方法，提出了数字化运载火箭体系的建设内容和关键技术。通过该体系建设，形成能力完备、任条适应性强的运载火箭研制体系，从而提升运载火箭整体研发与制造能力，满足跨越式发展的需求。该体系的建设将为我国运载火箭核心专业配备较完善的数字化设计及仿真分析手段，构建涵盖专业设计分析、试验验证预示和制造工艺仿真的研制能力体系。通过数字化运载火箭体系建设，实现基于三维模型的数字化设计、仿真、制造与试验，形成以信息化为支撑、体系完整、功能完善、布局合理、自主创新能力强、科技发展水平高、多地域协同研发的运载火箭核心研发和制造能力体系。