航天器数字化研制技术应用研究与实践

◎中国空间技术研究院 霍光 王耀东 吴延龙 马楠 陈涛

航天器数字化研制技术应用研究与实践

◎中国空间技术研究院 霍光 王耀东 吴延龙 马楠 陈涛

近年来，美国、德国等世界大国不约而同地制定了工业转型升级战略，美国政府发布了“再工业化战略”， 德国发布了“工业4.0”发展战略，均将数字化技术作为未来制造业发展的重点方向之一。与此同时，NASA、波音、空客、洛马等国际知名企业也纷纷积极研究并实践数字化技术与航空航天产品研制过程的深入融合，通过基于模型的系统工程(MBSE)、基于模型的定义(MBD)、集成仿真、虚拟制造等一系列技术的应用，在快速响应用户需求、优化产品研制流程、提高设计水平和创新能力等方面取得了显著成效。

我国一直在倡导信息化和工业化融合式发展的“两化融合”战略，并于2015年发布了“中国制造2025”战略，其中航空航天装备是国家将大力推动的10个重点领域之一。从国家顶层发展战略要求可以看出，数字化、网络化、智能化技术将在未来航天企业转型升级中扮演重要角色，是促进企业创新发展的必由之路。中国空间技术研究院作为我国空间事业的主力军，也要在前期工作基础上加速开展数字化技术在航天器研制过程中的应用研究与实践。

一、建设思路

航天器数字化研制以建立基于统一数据源的协同研制模式为核心，通过打通宇航产品研制全过程的数据链路，以模型(结构化数据)替代文档成为宇航产品研制过程信息传递的主要载体，构建基于数字化、网络化的系统工程研制模式。其核心理念如下：

模型驱动。模型代替文档成为驱动研制过程的主要载体，研制人员通过模型开展协同设计和验证，在模型中积累知识。

构造即正确。在实物产品投产前进行全系统虚拟集成仿真和工程实施方案仿真，能用虚拟仿真发现并解决的问题不留到实物验证阶段，从而大量减少实物制造过程的迭代反复和对方案的实物验证。

端到端集成。实现研制全过程基于模型的“端到端”数字化集成，能够对需求、状态和实物产品的变化进行全面、快速、正确响应。

研究院按照“2025年全面实现航天器全流程全周期的研制智能化、管理信息化、保障网络化”的目标，重点围绕抓规划、抓流程、抓接口、抓规范、抓工具5个方面推进航天器数字化研制工作，在技术上通过优化流程、规范接口来建立基于模型的数字化研制模式，在管理上通过配套组织机构和实施队伍、建立工作机制、制定工作规范来保障数字化研制工作的顺利实施，同时通过配套相应软硬件资源，为实施数字化研制工作提供基础条件保障。

二、整体框架

航天器数字化研制工作覆盖系统、分系统和单机3个层级，按照管理对象可分为航天器研制数字化和全周期管理信息化2个部分，如图1所示。

其中，航天器研制数字化是整个工作的核心和重点，各部分工作重点如下：

体系论证。形成体系化仿真能力，基于数字化模型实现体系论证方案优选和定量化评估，支撑多方案快速比较和项目立项。

设计验证。借助数字化技术进一步优化设计验证流程，基于统一数据源，实现覆盖总体、结构、热控、控制、载荷等各专业的多专业并行协同设计与验证，减少设计迭代，提升复杂系统的设计效率。

制造集成。基于数字化模型，实现提前并行开展工艺设计与仿真、工装设计等，并使用数字化、自动化设备快速完成产品的数字化加工、检验、装配等，提升产品生产效率和质量。

测试试验。基于数字化模型，实现提前验证实物测试与试验设计的正确性和覆盖性，并通过自动化测试工具实现测试过程的自动实施和测试异常的主动预警，提高测试效率。

在轨管理。基于数字化模型，实现航天器在轨健康状况的定量分析及在轨故障的快速诊断与解决，支撑在轨故障快速定位与处理。

三、推进措施

研究院构建了航天器数字化研制管理框架，从组织机构、软件统筹、标准规范、推进机制等几个方面全面推进航天器数字化研制工作。

1．建立数字化工作推进组织机构

数字化研制贯穿型号研制全流程，涉及型号、技术、管理等多个方面，是一项复杂的系统工程，为切实推动数字化研制工作，研究院在强化数字化研制顶层规划并定期更新的基础上，建立了院所两级数字化研制推进组织机构，明确了由各单位行政正职牵头主抓的数字化研制工作推进责任体系，为及时解决数字化研制实施过程中遇到的突出问题和困难提供了有力的组织保障。

2．统筹规划数字化相关软件建设

数字化系统平台和软件工具是型号实施数字化研制工作的重要保障，研究院在坚持自主研发与外部采购相结合的基础上，从院顶层统筹开展专业软件的规划建设，建立了软件清单，并发布了管理办法，以有效减少选型不一致给跨单位传递模型带来的障碍，并充分促进已有数字化成果在各单位的共享使用，支撑不同专业、不同单位之间的型号数字化协同研制工作。

3．建立数字化工作标准规范体系

数字化标准规范是实施航天器数字化研制的通用要求，研究院经过系统规划建立了数字化研制标准规范体系，覆盖基础、技术、管理等多个维度。由于标准制定周期较长，为满足型号应用过程中面临的迫切需求，研究院按照“规范先行，标准跟进”的思路，以专用规范、型号文件等形式先行明确实施要求，同时通过型号实际应用不断完善相应规范，最终总结固化形成标准，以有效固化数字化研制经验成果，并以此指导一线设计、工艺、技能人员规范开展工作。

4．建立数字化研制推进工作机制

数字化研制模式是一种全新的研制模式，在探索应用过程中必然会遇到各种实际问题，为全面保障航天器数字化研制工作的顺利实施，研究院建立了相应的保障工作机制，通过调度会、研讨会、评估考核，形成了“动态跟踪、按月调度、按年度考核”的院所两级闭环管理模式，对存在的问题进行动态识别和管控，保障了数字化推广应用过程中的重要、共性问题及时解决。

四、应用实践

研究院聚焦加强体系论证关键能力建设、横向建立总体与各专业数字化协同模式、纵向贯通基于三维模型的数字化设计与生产装配链路3条主线，开展了航天器数字化研制技术的应用实践。

1．体系论证

针对从单星到系列、从系列到体系、从体系到体系优化转变的航天器体系建设发展需求，按照边建边用的思路，研究院在统筹梳理院内在轨、在研卫星资源基础上，制定了体系效能协同仿真工作流程，建立了一系列卫星功能模型，并同步开发了航天器体系效能仿真系统，改变了以往依靠文件、经验和少量仿真进行卫星体系规划和单星论证的局面，目前初步具备了可展示、可配置的体系效能仿真能力，实现了多种论证方案任务满足度的快速评估，并在“十三五”卫星系统项目论证中应用。

2．总体与各专业数字化横向协同

围绕机械三维协同设计、信息流数字化协同设计、能源流数字化协同设计3条子线开展应用实践。机械设计方面，建立了基于统一的三维模型体系的机械协同设计模式（见图2），并在各领域新研型号全面应用，实现了设计变更的即时通知和快速传递，有效避免了设计干涉问题，与原模式相比设计协调时间减少40%。信息流设计方面，建立了航天器信息流协同设计平台并在遥感、通信领域实施推广，实现了基于统一数据源的遥测遥控、总线数据流设计，有效避免了传统文档模式下数据源头多、传递路径长导致的文件更改联动不及时、易遗漏等问题，遥测波道编排等环节效率提升50%以上，信息流协同设计新旧模式对比示意图（见图3）。能源流设计方面，建立了供配电大图信息化平台并在遥感、深空、载人等领域推广，实现了供配电大图的分层设计、自动生成与可视化展示，供配电大图绘图时间减少50%以上，有效提升了供配电设计水平与复查效率。

3．数字化设计与生产装配链路纵向贯通

围绕航天器结构产品生产和总装工作，在设计阶段基于三维模型实现了工艺设计和仿真工作模型的充分应用，结构产品生产效率平均提升10%以上，总装现场设计更改单减少20%以上。基于三维模型的数字化制造模式如图4所示。任重道远。后续，研究院将密切关注数字化技术的发展方向，持续开展理论研究与工程实践，进一步扩大总体与专业协同设计范围，推进功率流仿真、多的并行开展，并以三维模型替代二维图纸进行下厂制造和总装，形成了以三维模型和结构化数据为依据、以数字仿真为支撑的数字化制造和总装模式，并在所有新研型号中全面应用。通过三维

基于模型的航天器全周期、全流程数字化研制模式的建立是一个长期复杂的过程，经过前期的探索实践已经取得了阶段性成果，但对照建设成为国际一流宇航企业的目标，依然学科集成仿真等仿真技术研究，探索物联网、条码扫描等技术在制造总装现场的应用，促进数字化技术与型号研制工作的深入融合，为研究院的转型升级和跨越式发展提供坚实保障。