载人航天器数字化研制方法与应用

李 涛, 敬 铮, 王 为, 何向君, 罗 皓

(北京空间飞行器总体设计部, 北京 100090)

1 引言

随着人类探索太空的不断发展,以空间站为代表的载人航天器系统规模、技术难度进一步提高。受运载火箭发射重量约束,大型载人航天器需要通过多次发射在轨组装才能完成建造,在轨构型多,能源、环境控制、热控、信息、姿轨控、推进等系统工作模式复杂,同时载人航天器单件小批量,可靠性要求高[1]。型号研制过程中,功能性能指标、多学科仿真模型、专业分析数据、产品接口信息、测试和试验数据等信息耦合性和交互量庞大[2],传统的文档交互模式已无法满足研制需求。随着信息化技术的发展,载人航天器的研制呈现出与信息化融合发展的趋势。

袁家军[1]、张柏楠等[2]针对当前载人航天器研制参数化和模型化程度不高、基于模型的系统综合仿真验证不足、研制各环节缺乏数字化集成等问题,提出了面向载人航天器全生命周期的模型体系,并深入探索了各研制环节中不同模型间的传递与关联关系。王建军等[3-4]为提升航天器系统工程研制管理能力,剖析航天器系统工程研制管理难点和需求,提出借助信息化技术实现以研制流程为驱动、以工作包为核心、以产品结构为纽带的精益协同智能研制管理模式。张佳朋等[5]分析航天器装配执行层面总体流程特点,给出了面向航天器装配质量的数字孪生建模方法,以及面向数字孪生构建的产品监控与数据管理方法,提出一种基于灰度关联的装配过程质量综合预测方法,可用于航天器装配质量预测。朱光辰等[6]、康焱等[7]针对航天器管路和电缆总装设计提出了数字化协同设计方法,实现了机电一体化设计,提高了研制效率。王自军等[8]针对卫星总体总装提出一种基于抽象、聚类和分层融合的信息化管理方法,实现了面向卫星总体总装信息的多层级集成融合。万毕乐等[9]针对航天器手工装配过程,以设计三维模型和模型补充表格为输入,构建出了面向航天器总体装配的工艺数字样机。郭坚等[10]针对航天器信息流提出基于网络的信息流数字化协同设计系统架构,提升了航天器研制效率,降低了研制成本。谢吉慧等[11]、杨硕等[12]针对航天器大型热试验和综合测试提出了数字化设计系统,提升了试验和测试效率。刘治钢等[13]基于数字孪生提出了航天器供配电数字伴飞系统,通过测试数据动态修改供配电模型,实现了测试和飞行状态监视与仿真。综上,以往载人航天器研制数字化研究主要针对仿真、生产或总装测试等单一环节提出了针对性的数字化方法,本文对载人航天器全生命周期的研制、运营数字化方法进行研究,并以某大型载人航天器为例进行了实践以期为后续航天器数字化研制提供借鉴。

2 载人航天器研制现状

2.1 主要特点

经过30 多年的发展,中国已研制出载人飞船、货运飞船、空间站等型谱的载人航天器,载人航天器的研制具有以下技术特点:

1)系统复杂,规模庞大。载人航天器单体舱段重量一般在10 ～20 t,通过交会对接和组装,形成总重超过100 t 的组合体,2022 年发射的问天和梦天实验舱重23 t,是世界现役重量最大的单体舱段。载人航天器由GNC(Guidance, Navigation and Control)、电源、推进、热控、环境控制与生命保障等多个分系统组成,产品研制涉及机械、通信、供配电、微生物、环境控制和软件等多个学科和专业,同时航天器发射入轨后,又存在三轴稳定、惯性飞行、轨道控制等多种正常和故障的飞行控制模式。以某载人航天器为例,其平台设置15个分系统,分系统一级配套产品超1000 台,二级配套产品超1500 台,是一般大型卫星的近10 倍,继承但有较大改动和新研产品占比达到90%,供电电缆、以太网电缆、总线电缆、光缆等接点数超过20 万,元器件60 万只,CPU 软件和FPGA 软件超过300 项,系统复杂,规模庞大,研制周期超10 年。

2)可靠性、安全性和长寿命要求高。载人航天器是高可靠、高安全和长寿命航天器,在轨运行寿命要求一般超过10 年。为实现高可靠性、安全性和长寿命要求,需开展可靠性、安全性、长寿命与维修性的一体化设计。以产品固有可靠性、安全性设计为基础,维修性设计为保障,确保航天器寿命期内安全可靠稳定运行。针对密封结构、发动机、对接机构等无法在轨维修的产品,开展使用模式和长寿设计与试验验证,确保满足寿命要求;针对机构、电子等现有技术无法实现全任务周期寿命的产品,通过在轨维修更换实现寿命要求,同时加强产品寿命期内固有可靠性和安全性设计,并通过单机冗余和裕度设计、系统级自主健康管理和功能重构等措施,提高航天器任务安全性和可靠性。

3)研制流程复杂,成本高,风险大。载人航天器新技术多、批量小、系统复杂,可靠性和安全性要求高,因此需开展大量的单机、分系统和系统级仿真、测试、试验和迭代优化,同时还要开展系统间匹配试验,经历方案、初样和正样研制阶段,研制流程复杂。产品研制包括电性件、鉴定件和正样件,原材料、元器件为宇航级,力学试验、真空热试验等环境试验使用专用振动台和超大型真空罐,生产和试验成本高。总装过程中大型太阳电池翼、再生生保设备、科学试验机柜等产品安装,以及舱段起吊、翻转和对接等操作难度大,高空作业风险高。舱外电缆、管路被辐射器遮盖,舱内通风管道、电缆等铺设在承力板和产品背面角隔区内,安装后不可见不可达,总装过程不可逆,一旦出现技术状态更改,将导致大量返工、质量风险和时间成本高。

2.2 研制难点

中国航天工业经过60 余年的发展,形成了完备的工业生产体系,但随着载人航天器功能、性能需求的提高,传统的研制方法出现了以下的难点:

1)基于文档的传统研制模式难以满足需求。随着载人航天技术的不断发展,用户对航天器的功能性能、性价比要求越来越高,系统复杂度显著增加,分系统间耦合性增强。传统基于文档分而治之的研制模式在跨学科、跨专业一体化设计和试验验证方面,面临极大的挑战。以空间站为代表的大型组合体载人航天器系统复杂、规模庞大,需多个可独立飞行的20 吨级航天器通过组装建造完成。空间站系统各飞行器既要各自独立,又要在形成组合体后相互融合、有机统一,因此其功能、性能和产品配置需统一设计,同时兼顾融合使用和相互切换。系统复杂度高,传统基于文档的研制模式在信息沟通和迭代优化方面,已无法满足要求,需通过数字化方法保障研制质量和效率。

2)基于图纸的生产制造效率和准确性较低。航天器结构产品设计方面已开展了数字化工作,但工艺和制造过程仍采用传统的二维图纸和二维表格化,三维数字化CAD/CAM 一体化技术应用较少。载人航天器小批量、高成本的研制特点,要求航天器从设计仿真到加工生产的各个环节必须进行快速的一体化迭代优化和方案收敛,传统的二维模式制约着载人航天器结构工艺和总装工艺的设计效率和周期。电缆网研制方面,以往主要采用二维设计+分支长度图和二维设计+模板电缆下厂模式,总体电路设计师从设备接口数据单中提取接点信息,转换为分支图,总装设计师根据电缆连接关系图在二维设备布局图中进行电缆平面走向,根据二维布线结果估算电缆长度,手动绘制分支长度图,最终以分支长度图或模板电缆下厂。该模式设计周期长、工作量大,基于二维图进行电缆长度设计余量偏大。

3)信息管理模式难以满足全寿命周期要求。传统航天器研制模式和组织模式,存在系统-分系统-单机-原材料、元器件和设计-制造-测试-运行2 个维度,围绕型号产品研制过程中的质量信息数据的采集与传递过程,信息传递链条长,导致航天器研制过程中型号产品数据传递差错、滞后、数据多处存储以及产品数据非结构化,数据查询分析困难问题。因此需要确保质量数据的有效性和唯一性,为型号研制、型号管理、故障处理所涉及的人员提供单一数据来源,为各种专业工具提供有效、可靠的数据输入。

3 基于数字化的载人航天器研制方法

载人航天器按照系统工程思想,开展从系统-分系统-单机全过程的数字化研制,主要从三方面开展数字化研制工作:

1)设计阶段。开展体系论证与效能仿真,对型号系统状态和效能进行快速仿真,确定型号总体技术方向;同时,通过功能和性能分解,将顶层要求逐级向下分解,利用数字化工具建立初步的产品机电热信息模型,并开展仿真验证工作,确定型号初步技术基线。

2)制造集成阶段。开展基于模型的智能制造、智能集成和单机制造过程数字化状态管理。

3)测试试验阶段。开展全过程自动化综合测试、仿真与测试相结合的半物理测试、虚拟大型试验和试验数据分析与管理。

同时,在产品研制全生命周期需要开展产品信息存储和管理,确保产品信息可追溯。

3.1 设计阶段

为保证载人航天器研制方案正确性,提高设计迭代效率,降低产品反复风险,需要在型号研制中,持续采用多学科仿真,对型号设计方案进行仿真分析与验证,并通过试验数据完善仿真模型,设计仿真和迭代完善流程如图1 所示。设计阶段,根据用户需求和大系统约束条件,在继承以往产品研制基础上,开展航天器飞行轨道、构型与布局等总体设计,并完成分系统、单机功能性能以及机电热、信息等设计工作,在完成初步设计后,通过结构力学、羽流、能量平衡、交会对接等多学科建模与仿真,验证单机和整舱方案设计的正确性和匹配性;制造集成阶段在型号转入生产阶段后,通过多学科仿真辅助设计整舱试验条件,确保覆盖在轨工况和边界条件;在单机试验、整舱综合测试、大型试验和大系统接口试验后,利用地面试验数据修改完善产品仿真模型,进一步确认产品技术状态满足飞行任务要求。发射入轨后,通过在轨飞行数据迭代优化产品仿真模型,为航天器的运行维护、产品升级和扩展提供支持。

图1 多学科仿真流程Fig.1 Multidisciplinary simulation process

载人航天器多学科仿真系统一般由数字功能样机建模仿真子系统、环境条件建模仿真子系统、故障仿真子系统、调配子系统4 个部分组成。数字功能样机建模仿真是指针对载人航天器能源、环热控、信息、姿轨控、推进等部件功能进行数学建模并进行系统集成,仿真产品或者部件的运行情况;环境条件建模仿真是指对除航天器物理设备外仿真所需要的环境条件进行建模仿真,例如轨道、环境力矩、阳光遮挡、外热流、进出测控区情况等;故障仿真提供故障状态仿真预示、故障处置策略有效性验证等故障仿真支持手段;数字功能样机建模仿真子系统、环境条件建模仿真子系统各模块之间通过分布式仿真支撑环境进行数据交互。调配子系统包含能源调配策略辅助规划、散热调配策略辅助规划、信息调配策略辅助规划等功能,如图2 所示。

图2 多学科仿真系统组成Fig.2 Framework of multidisciplinary simulation system

3.2 制造集成阶段

载人航天器产品生产制造包括单机产品、管路、电缆、总装直属件的生产和总体总装。以往单机生产采用二维图纸下厂方式,为打通产品三维设计与生产制造的通路,需要采取自顶向下的全三维数字化协同设计思路,按照成熟度将三维模型划分为4 个层次,逐层细化,形成从整器构型到总装详细设计的不同层次的模型。总体、分系统、单机单位及其制造和总装部门基于统一的协同设计系统、在同一个几何模型下开展协同设计。产品设计、制造与装配完全基于三维模型进行,如图3 所示。

针对单机产品涉及部门多、数据源不统一、数据传递途径易出错的问题,采用面向系统级设计与分析的单机产品三维数字化模式。单机设备是指由分系统提供的航天器设备配套表中除电缆网、热控材料以外的有唯一编号的航天器单机产品,是组成航天器产品的基本单位。单机设备模型包括单机外观模型、辅助模型、紧固件模型等,外观模型用于反映从设备外部空间可见的外观、几何信息、与外部连接的接口信息的设备三维模型,辅助模型用于总体设计与分析,在设备上不真实存在的模型,如精测通道模型、视场模型、羽流模型等,单机产品协同流程如图4 所示。

图4 基于三维模型的单机产品协同流程Fig.4 Product collaborative-design flow based on 3D model

3.3 测试试验阶段

载人航天器测试与试验,按规模分为单机、分系统、系统和大系统级,其中系统级综合测试持续时间长、工况复杂,整器状态最接近在轨状态。为提升测试质量和效率,保证测试有效性和覆盖性,需利用数字化方法提高综合测试自动化程度。研制自动化测试系统开展自动测试、判读、综合分析,自动完成测试项目生成、指令操作、状态监控、过程记录、数据判读、结果分析和报告生成等,降低人工操作,实现测试自动化。同时,按照飞行任务剖面,通过半物理仿真系统驱动地面模拟器,模拟在轨各种环境激励,加载到航天器各敏感器和设备上,使航天器地面测试环境输入与在轨环境一致。

自动化测试流程如图5 所示,准备阶段,利用自动化测试系统,将设计的参数表、指令表、判读规程等导入测试系统,生成参数指令库、判读库。测试阶段,首先将测试大纲、要求转化为最小测试单元和测试程序,其次根据整器状态和约束条件,将测试单元组合为测试项目,生成每日测试计划,最后在测试过程中自动发送指令,存储遥测数据,并对指令和遥测进行实时判读。评估阶段,利用自动化测试系统对指令覆盖性、参数曲线、关联性等进行综合分析与评价,确保测试有效性和覆盖性。

3.4 全生命周期产品信息管理

为实现产品信息的全生命周期管理,保障产品信息正确有效和可追溯,在产品研制过程中就需要开展产品信息的收集、整理和归档。

产品验收是产品交付前的最后质量把关环节,需要对设计-制造-测试-交付全过程的产品数据进行管理和审查。从元器件与原材料选用、单机研制、分系统研制、航天器系统研制不同层次,建立多级产品数据体系,规范各类专业参数接口标准,实现设计指标自顶向下分解传递,实测数据自底向上收集验证的质量信息数据管控模式,如图6 所示。

图6 航天器单机产品数据包形成过程Fig.6 Formation process of spacecraft product data packet

4 大型复杂载人航天器实践

载人航天器的研制涉及到从元器件、原材料筛选到阀门、管路、电缆和密封结构的加工制造等诸多方面,研制过程数字化是在已有航天工业生产体系和发展成果基础上循序渐进。本文以某大型载人航天器研制为例,选取设计与制造交互性、耦合性最强的生产、管理环节,阐述了型号研制全周期的数字化系统及其应用情况。

4.1 基于Cradle 的条目化需求管理系统

采用商用软件Cradle 二次开发,建立了型号需求管理系统,实现条目化的技术要求管理。建立总体-舱段-分系统结构的需求管理体系,实现型号技术要求条目化管控,并与任务功能指标体系建立关联,确保技术要求与任务功能指标一致性、覆盖性。

4.2 基于模型的多学科设计仿真系统

研制基于MathWorks 软件研制多学科仿真系统,系统数字功能样机建模以Modelica 建模语言为主,结合C 语言建模等其他建模方式开展。根据航天器的系统功能组成,对能源、环热控、信息、姿轨控、推进等功能层次分别进行建模,然后将各功能层次的模型整合得到整个载人航天器的数字功能样机模型。

模型集成过程中,针对采用Modelica 语言建立的功能模型,如环热控、能源、姿轨控、信息等专业模型,通过Modelica 模型图形化集成窗口,将同一设备不同专业的模型进行封装形成设备的多学科功能样机模型。封装后不同专业学科模型代表的数字公式将在Mwork 软件平台后台联立求解,从而实现多学科专业模型的耦合仿真。针对采用非Modelica 语言建立的异构模型,如C/C++语言建立的模型、Matlab/Simulink 软件建立的模型,多学科仿真平台提供了相应的模型集成与联合仿真方法。集成后的多学科仿真模型系统如图7 所示[2],开展了某大型载人航天器转位、机械臂爬行等仿真验证,解决了地面无法进行实物验证的问题。

图7 载人航天器多学科仿真系统实现Fig.7 M u ltidiscip linary simu lation system of manned spacecraft

4.3 基于三维模型的生产制造系统

4.3.1 电缆网三维下厂系统

研制了电缆网三维下厂与数据管理系统,打通总体设计和电缆生产的闭环数据链路,实现全三维的数字化模式,自动生成分支走向图,采用三维模型+二维虚拟模板+分支长度图模式,其研制流程如图8 所示。

图8 电缆网数字化研制流程Fig.8 Digital development process of electric cables

针对电缆网三维数字化研制,通过提取Pro/E 三维线缆信息,自动生成中间线缆数据文档,辅助工艺人员检查正确性,并依此自动生成线缆长度分支图和点胶记录表,简化工艺准备过程。

根据接点表计算每根电缆各分支中使用导线的规格和根数,并将电缆分支长度图处理成结构化数据,完成导线长度的自动计算,最终生成电缆导线下厂技术要求,并在三维工艺系统中受控。对型号研制过程中,通过电缆网三维下厂系统后的电缆生产时间统计分析,表明从技术要求下发到电缆交付时间平均缩短了40%。

4.3.2 管路三维下厂系统

Pro/E 软件二次开发的基于三维模型的管路三维下厂系统,在管路设计完成后,设计结果以受控文件和模型的形式分别输出给总装厂和制造厂,如图9 所示,输出的文件和模型被工艺人员快速转化为生产工艺,设计结果快速转化成产品,并安装到位。通过该系统在型号的实际应用,建立了管路及其组件三维标准库,实现了管路组件三维模型规范化、标准化、参数化,实现了标准、快速的管路布线,避免了大量异形管路的取样和试装工作量。同时采用基于三维模型的管路走位、固定方法,提高管路系统温度分布仿真的准确性,为管路多层包覆和加热带设计加工提供输入,降低在真空热试验中发生管路冻结的风险,避免管路安装返工。

图9 管路下厂模型Fig.9 Product m odel of pipeline

4.4 产品数据包采集与验收管理系统

产品数据包是产品设计要求和产品制造、组装、调试、检验、试验各环节的量化要求与实现情况的实测记录。载人航天器型号产品数据包分为单机、分系统和系统3 个层次,数据包的生成随着产品的实现同时完成。利用已有的信息网络,研制的单机产品数据包系统,为研制人员提供了一个跨地域、透明、安全的协同平台。系统作为整个型号研制体系中核心数据的共享数据源,对设计、制造、测试试验、交付和维护进行管控,实现了载人航天器研制全周期质量数据过程监控、数据共享和追溯,避免了研制人员面对面的问答式验收。从验收时间分析,总体验收效率提高了50%以上。

4.5 载人航天器在轨运营仿真系统

型号在研制阶段积累的仿真模型基础上,利用Mworks 等多学科仿真软件二次开发,建立了载人航天器在轨运营仿真系统,如图10 所示,系统集成1600 余台单机模型,并完成在轨遥测数据对单机模型和参数校正,仿真模型总规模超150 万方程组。利用运营仿真系统完成了各次在轨任务的能量平衡、散热能力、出舱过程舱压等仿真分析和预示,为出舱活动、机械臂操作等任务决策和方案设计提供支持,确保任务成功。

图10 载人航天器仿真与运营支持系统Fig.10 O rbital operation simulation system of m anned spacecraft

5 结论

1)采用多学科仿真分析方法和系统,可以有效整合总体、分系统和单机的多学科数字模型,实现复杂耦合系统的仿真分析,提高迭代效率,解决地面无法进行实物试验的问题。

2)采用基于三维模型的电缆、管路设计与生产制造系统,使电缆生产从技术要求下发到交付时间平均缩短40%,降低了异形管路的实物取样和试装工作量,提高设计生产效率。

3)采用产品全生命周期需求管理,数据包收集与管理方法与系统,可实现产品技术要求条目化管理,实现信息的跨地域收集、监控、共享和追溯,使验收效率提高50%。

4)采用在轨遥测数据校正后的载人航天器仿真模型可有效预示航天器在轨飞行状态,为任务决策和实施提供有力支持。