基于成功包络线理论的载人航天器产品重量控制方法研究

韩 冬, 巩生波, 王丽俐, 杨 雷

(1.中国空间技术研究院总体设计部, 北京 100094; 2.北京卫星制造厂有限公司, 北京 100094)

1 引言

重量是载人航天器和卫星宝贵的资源,对于载人登月工程尤为重要,重量设计的优劣间接反映了系统设计能力。由于航天器系统复杂,在系统设计开发阶段,往往会面临重量指标分配不合理,设计重量超重的情况,需要进行多轮的设计迭代和重量优化,降低了系统设计效率。目前尚无指导航天器系统重量指标分配和评价重量设计优劣的方法和程序。

产品成功数据包络分析方法已在运载火箭和载人航天器单机产品关键性能数据的分析评价中得到应用,在产品实物质量风险识别与分析方面得到良好效果,但尚未应用到航天器系统设计环节。

针对上述情况,本文在系统研究空间站组装建造阶段各载人航天器和遥感卫星、通讯卫星产品实物重量数据基础上,结合系统开发设计流程,基于成功包络线分析理论[1-2],对载人航天器产品重量的一般规律进行总结,并结合其他卫星的重量数据进行对比分析,建立基于指导产品重量指标分配和评价产品设计重量优劣的量化评价模型,给出载人航天器重量存在的薄弱环节和后续优化的方向,加速系统设计的快速收敛,为载人登月工程飞行器的重量优化设计提供参考。

2 航天器重量设计参数

航天器产品包括飞行器结构、平台单机产品、电缆网和管路网,不包括航天器各类工质推进剂、飞行任务搭载产品和各种“小、远、散”产品。

2.1 系统重量参数

用WS表示航天器发射重量,用WP表示平台单机产品的总重量(即航天器所有分系统单机产品的重量和),用WJ表示舱体结构重量,用WD表示电缆网重量,用WG表示管路网重量。用下标i代表不同航天器型号,各类航天器的重量分别表示为WSi,WPi,WJi,WDi,WGi。

舱体结构、电缆网、管路网本身与各分系统单机产品有密切接口关系,自身的重量设计与系统重量紧密耦合,用Vi表示舱体结构的体积,舱体体积越大,电缆网和管路网的长度越长;用niQ代表舱体电缆网上电连接器的数量,电连接器数量越多,说明电缆网连接的电子单机数量越多,连接关系越复杂。将舱体结构、电缆网和管路网的重量作为航天器系统层面的重量进行分析,包含重量占比和重量效益指数2 类参数,其中,用a,b,r分别表示舱体结构、电缆网和管路网的重量占比;用α,β,γ分别表示舱体结构、电缆网和管路网的重量效益指数(每单位空间体积内的产品重量),其参数表达式和意义详见表1 所示。

2.2 分系统重量参数

用nij表示某航天器某分系统单机产品的总数量;用WPijO表示某航天器某分系统平均单机产品的重量占比,则WPijO=P/nij。

2.3 单机重量参数

2.3.1 按功能专业划分重量参数

根据Q/QJA750《航天单机产品分类》[3]的规定,单机产品按照功能和专业进行归类划分,某类单机产品的重量为WPik。用K代表该类单机产品重量和的重量占比,则K=100WPik/WSi。其中,k∈{1,2,…26},k的取值代表单机不同的功能专业分类,如表2 所示。

表2 航天器产品功能专业划分示意表Table 2 Discipline classification of spacecraft product functions

用nik表示某航天器某功能专业类别单机产品的总数量,用WPikO表示该类单机产品的平台每台重量,则WPikO=K/nik。

2.3.2 按关键重要程度划分重量参数

用Wz代表关键重要单机的重量,用Wzi代表某航天器所有关键重要单机的重量和,用Z代表关键重要单机的重量占比, 则Zi=100Wzi/WSi。

用niz表示某航天器关键重要单机产品的总数量,用WziO表示该飞行器平均每台关键单机的重量占比,则有WziO=Zi/niz。

2.4 重量参数小结

以某单一航天器为例,对航天器系统总体、分系统和单机产品共3 个层次与重量设计有关的参数定义和表达式进行总结,如表3 所示。

表3 航天器各级产品重量参数表达式汇总表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 航天器重量设计流程

系统设计开发一般经历如下过程:

1) 型号总体按照工程总体要求和飞行任务需求,确定系统功能性能指标,以发射重量为约束,参考以往航天器数据,与分系统进行初步迭代,确定舱体结构、电缆网和管路网等具有整船器功能的重量分配指标和各分系统重量指标的初步意见;

2) 分系统按照总体要求和分配的重量约束,开展分系统方案设计,确定分系统产品配套,并在分系统内开展各单机重量分配;

3) 按照分系统要求,单机根据产品功能和专业特点开展详细设计,确定单机产品设计重量;

4) 分系统组织识别产品关键特性,确定关键单机,汇总所有单机重量概况,对照分配的重量约束,开展重量优化迭代设计工作,满足总体对分系统的要求;

5) 系统总体对舱体结构、电缆网和管路网的重量进行优化,并汇总所有分系统、单机产品的重量设计情况,在系统重量、功耗、布局、热流等维度开展多方案比较和系统优化,进一步开展重量优化迭代设计,实现系统最优。

可以看出,系统设计开发过程的重量迭代优化设计也遵循V 型开发流程,包括自顶向下的重量分配与指标分解和自底向上的重量汇总与迭代优化2 个过程,根据航天器任务和产品不同特点,重量的迭代优化往往经历V 型,W 型或多个W型的设计过程[4-5],如图1 所示。

图1 系统开发阶段重量的设计过程示意图Fig.1 Schematic diagram of weight design process in system development stage

3.2 航天器重量设计的质量控制流程

本文按照系统总体、分系统和单机3 个层次,对自顶向下的重量预计与分配过程和自底向上的重量汇总与优化过程,识别重量设计的质量控制点,基于载人航天领域各飞行器(神舟载人飞船、天宫空间实验室、天舟货运飞船、天和核心舱和问天实验舱)重量的实际情况,建立量化的重量设计评价模型和评价标准,最大程度地减少重量设计中W 型迭代过程,用于指导后续航天器系统开发阶段的重量优化设计。

可以看出,沿着系统重量指标自顶向下的逐级分解和自底向上逐级汇总优化的过程,在系统、分系统和单机层面,分别可识别确定用于指导和预计重量指标分配和用于评价重量设计合理性,并进一步指导重量优化的质量控制点[6],在对应的研制阶段,开展重量设计效果的质量评估与控制,以实现系统设计快速收敛,以达到最优状态,质量控制点如图2 所示。将评价标准代入航天器重量设计质量控制流程中,可以得到表4 所示的控制程序。

图2 系统开发阶段重量设计的质量控制流程示意图Fig.2 Schematic diagram of quality control flow of weight design in system development stage

表4 航天器重量设计过程质量控制Q 点汇总表Table 4 Summary of quality control Q points in spacecraft weight design process

4 基于成功包络理论的航天器重量评价标准

成功数据包络线理论是一种直观的方法,通过对以往数据的分析,提炼出先前的经验信息,根据这些信息人为设定一个参考,使之成为决策时规避风险的通道,对于一个理想的通道,若产品关键指标的实测值在通道内,则放行产品,以获得较低的存伪概率;相应地,若在通道外,则拒收产品,以获得较低的弃真概率。

利用对象重量的平均值WO、最小值Wmin和最大值Wmax建立评价准则,建立重量设计评价模型和系统设计初期与重量有关的基本设计流程,设置质量控制点,提出评价重量设计质量和指导重量优化设计的方法,指导后续设计。

针对不同维度,在不同层面上,利用空间站工程5 个飞行器的重量数据,得到表3 中不同重量参数的平均值、最小值和最大值,形成如图3 所示的重量评价基准,以此开展重量设计分析。

图3 基于成功包络理论的航天器产品重量分析示意图Fig.3 Schematic diagram of spacecraft product weight analysis based on success envelope theory

将后续的航天器型号中同类对象的重量设计结果带入模型公式计算后,得到相应的结果,会落入A、B、C、D4 个区间中的某一个区间。

1)A 区间。说明当前型号设计重量占比过高,在已有的成功数据包络之外,属于不正常的情况,还有很大的重量优化设计空间,应该加大重量优化设计力度,需落在成功包络区间内;

2)B 区间。说明当前型号设计重量占比偏高,虽然在已有的成功数据包络之内,但大于平均值,属于正常范围下的不理想情况,还有重量优化的空间,需进一步优化落在C 区间内;

3)C 区间。说明当前型号设计重量占比适中,优于已有型号同类对象重量的平均水平,但减重优化是持续改进的过程,是不懈追求的目标,需要进一步优化,落到D 区间;

4)D 区间。说明当前型号重量设计占比最低,以达到历史最好水平,航天器是系统工程,这时需要与其他分系统和功能迭代优化,追求整体重量最优,因此,需要关注其他部分重量不合理的风险,必要时牺牲本部分的重量。

5 载人航天器重量评价模型

对载人航天空间站工程的载人飞船、货运飞船、空间实验室、天和核心舱、问天实验舱共5 个载人航天器产品的重量数据,对照表3 中的参数,按照型号、分系统、产品名称、专业类别、关键程度、数量、重量、重量占比进行汇总统计,得到载人航天器重量的基础数据样本。

5.1 系统层面

将基础数据代入评价模型公式,获得各类重量评价参数,得到各载人航天器结构、电缆网和管路网重量参数数据,如表5 所示。

表5 各载人航天器结构重量、电缆网重量和管路网重量基础数据汇总表Table 5 Summary of basic data of structure weight, cable network weight and pipeline network weight of manned spacecraft

由表5 基础数据,按照评价模型的公式可进一步得到载人航天器舱体结构、电缆网、管路网重量占比和重量效益指数的平均值和极值,如表6所示,以此可在系统设计开发的不同阶段用来评价重量指标分配和重量设计结果的合理性。

表6 载人航天器结构、电缆网和管路网重量占比和重量效益指数均/极值汇总表Table 6 Summary of average/extreme values of weight ratio and weight benefit index of manned spacecraft structure, cable network and pipeline network

以舱体结构的重量占比和重量效益指数为例,评价准则详见图4 和图5 所示。

图4 舱体结构在发射重量占比评价准则Fig.4 Evaluation criteria for proportion of cabin structure in launching weight

图5 舱体结构重量效益指数评价准则Fig.5 Evaluation criteria of cabin structure weight benefit index

5.2 分系统层面

将各载人航天器分系统重量和分系统单机产品数量基础数据代入评价模型计算公式,得到载人航天器分系统重量占比的均值和极值,以及载人航天器各分系统平均每台单机产品重量占比的均值和极值,如表7、表8 所示。

表7 载人航天器分系统重量占比均/极值汇总表Table 7 Summary of average/extreme weights of manned spacecraft subsystem

表8 分系统平均每台单机重量占比均/极值汇总表Table 8 Summary of average/extreme values of average weight of each single unit of subsystem

以热控分系统的分系统重量占比和分系统每台单机产品的重量占比为例,评价准则详见图6和图7 所示。

图6 热控分系统发射重量占比评价准则Fig.6 Evaluation criteria for percentage of transmitting weight of thermal control subsystem

图7 热控分系统单机平均发射总量占比评价准则Fig.7 Evaluation criteria for proportion of average total emission of single machine of thermal control subsystem

5.3 单机层面

将各载人航天器各功能专业单机产品重量和数量的基础数据代入评价模型计算公式,得到载人航天器各功能专业单机平均每台单机重量占比的均值和极值,如表9 所示。

表9 各功能专业类型单机平均每台单机重量占比均/极值汇总表Table 9 Summary of average/extreme values of average weight of each single unit of various functional disciplines %

将各载人航天器关键单机产品重量和数量的基础数据代入评价模型计算公式,得到载人航天器关键单机重量占比和平均每台关键单机重量占比的均值和极值,如表10 所示。

表10 关键单机重量占比和平均每台关键单机重量占比均/极值汇总表Table 10 Summary of weight percentage of key single machine and average/extreme value of weight percentage of each key single machine %

5.4 与其他卫星型号对比分析

查阅通讯卫星、遥感卫星分系统重量占比的相关数据,并与载人航天器产品数据对比分析,详见表11 所示。可以看出:①结构分系统、热控分系统的重量占比载人系列高于卫星系列;②推进分系统、控制分系统的重量占比载人系列与卫星系列相当;③供配电、综合电子、测控分系统的重量占比载人系列低于卫星系列。

表11 载人系列与卫星系列型号分系统重量占比统计表Table 11 Statistics of weight proportion of subsystems of manned series and satellite series models%

5.5 小结

本文通过数据分析,可以得到载人航天器各级产品重量的基本趋势,反映载人航天器研制过程与重量设计有关的基本规律。

1)系统层面。载人航天器舱体结构重量占发射总量的占比约为24%,航天器电缆网重量占航天器发射重量的比重约为5%,航天器管路网重量占发射重量的比重约为1%,载人航天器舱体结构、电缆网和管路网三者总量之和占发射重量的占比约为30%。

2)分系统层面。①载人航天器分系统重量占比中,电源、推进、GNC 和测控通信4 个负责姿轨控控制、能源动力和测控通信功能的关键分系统的重量占比最大,分别约占8%、7%、4%和2%,4 个关键分系统总重量约占发射重量的20%;②环控生保、热控、乘员和仪表照明等与载人环境有关的分系统总重量占比次之,分别约占7.5%、2.5%、1%和0.5%,总重量约占发射重量的12%;③交会对接敏感器、对接机构、机械臂和回收伞系统等具有载人航天器特点的功能部组件的重量占比依次约为3.5%、3%、3.5%和5%,约占发射重量的15%。

3)单机产品层面。①按照产品的关键重要程度分析,载人航天器关键单机产品的总重量占发射重量的占比最小值约为16%,最大值约为33%,平均值约为25%;平均每台套关键单机产品的重量占发射重量的占比中最小值约为0.1%,最大值约为0.2%,平均值约为0.15%;②按照单机产品的功能专业分析,电池、力矩陀螺、机械臂和气瓶等产品的重量占发射重量的占比最大,分别约为0.3%、0.2%、0.15%和1%,均超过0.1%;其余功能专业的单机产品重量占比均小于1%,并按照电子电气类、机械类、光机电类和机电类的顺序由小到大分布。

4)结合载人登月工程对于飞行器的重量要求非常苛刻的特点,在登月任务飞行器设计时,需要注意以下几点:①对结构分系统、环控分系统、热控分系统的重量给予关注,对飞行器的金属密封结构、防热结构开展减重优化设计;②对环热控分系统开展一体化设计,对舱内外环热控管路、回路设备、工质开展通用、共用、复用设计;③开展电气一体化设计,减少火工、供电、配电类单机数量,以降低重量;④对气瓶和电池采用高性能材料,以减少重量。

6 结论

本文以载人空间站工程神舟载人飞船、天宫空间实验室、天舟货运飞船、天和核心舱和问天实验舱中各级产品的重量基础数据为样本,建立了载人航天器系统级产品、分系统级产品和单机产品重量的成功包络线,总结得到载人航天器产品重量控制的一般规律。

梳理并细化航天器系统开发阶段有关重量的设计流程,识别系统设计过程中有关重量的质量控制点;基于成功包络线分析理论,建立基于指导产品重量指标分配和评价产品设计重量优劣的量化评价模型;探索建立了基于航天器实际设计研制能力和成功数据包络为基础的航天器重量优化设计方法和程序,为载人登月工程系统设计开发阶段重量的优化迭代和快速收敛提供了更科学的量化参考,对其他卫星型号的系统开展也具有指导和借鉴意义。通过本重量评价模型,能够加速系统最优状态的可快速迭代收敛,缩短设计开发周期,提高设计质量和效益。