張旺軍 申振榮 李群智 吉龍

(北京空間飛行器總體設計部, 北京 100094)

月球巡視器的系統(tǒng)設計優(yōu)化方法研究

張旺軍 申振榮 李群智 吉龍

(北京空間飛行器總體設計部, 北京 100094)

通過月球巡視器的任務分析，指出了巡視器設計中遇到的難題。針對這些難題，在系統(tǒng)工程方法的基礎上，借鑒多學科設計優(yōu)化的思想，提出了月球巡視器的系統(tǒng)設計優(yōu)化方法。該方法基于月球巡視器的約束條件，在系統(tǒng)層和產品層兩個層面開展設計優(yōu)化，每層分成三個階段。系統(tǒng)層強調系統(tǒng)設計，保證系統(tǒng)方案的最優(yōu)，產品層強調單機或部組件設計，確保產品方案最優(yōu)。嫦娥三號巡視器通過該方法的應用，使其在滿足多項約束的前提下各項性能指標達到最優(yōu)，也驗證了該方法的正確性和合理性。此方法對功能復雜、約束嚴格的航天器具有一定的參考價值。

月球巡視器；系統(tǒng)設計優(yōu)化方法；功能集成設計；功能復用設計

1 引言

月球巡視器是能在月球表面進行移動探測的空間探測器，主要完成在月面移動、通信和科學探測任務，并具有熱控保障、能源提供、14天月夜生存、局部路徑規(guī)劃、月面環(huán)境感知和自主導航與遙操作控制的能力。為了完成這些任務，月球巡視器功能復雜，國內無相關的航天器可以借鑒。月球巡視器不僅要適應復雜的月面環(huán)境，還要滿足質量特性、包絡尺寸和功耗三個方面的約束，它的設計是一個復雜系統(tǒng)的設計問題。

針對這種復雜系統(tǒng)的航天器設計問題，國內外通常采用系統(tǒng)工程方法，美國的勇氣號/機遇號、好奇心號火星巡視器都是系統(tǒng)工程方法應用的典范[1-3]。系統(tǒng)工程方法從任務需求出發(fā)，綜合多種專業(yè)技術，通過分析-綜合-試驗的反復迭代，使得航天器滿足任務需求[4]。近年來，系統(tǒng)工程方法也逐步引入到我國航天器的研制中，但是針對月球巡視器“小而復雜”的多約束特點，目前國內的系統(tǒng)工程方法還無法提供全面的解決手段[5]。

針對多約束的航天器設計問題，國內外提出并深入研究的有多學科設計優(yōu)化方法，并開展了大量的實驗性應用[6-8]。在國外，完成了某通信衛(wèi)星的發(fā)射質量和系統(tǒng)可靠性兩個系統(tǒng)指標優(yōu)化設計[9]、某導彈預警的天基紅外星座的概念優(yōu)化設計[10]、某低軌地球觀測微小衛(wèi)星的概念優(yōu)化設計等[11-12]。在國內，開展了遙感衛(wèi)星、對地觀測衛(wèi)星和月球探測器總體參數的優(yōu)化設計研究[13-14]。但是，目前在航天器設計領域的多學科設計優(yōu)化具有以下不足：所建立的學科分析模型多數基于統(tǒng)計數據、經驗公式或工程估算，計算精度偏低，優(yōu)化結果可信度差；多學科優(yōu)化模型多數僅考慮幾個子系統(tǒng)之間的耦合或為子系統(tǒng)級的多學科問題，不能全面反映衛(wèi)星總體設計的整體性和層次性；多數集中于航天器的概念設計，缺少與全生命周期設計的融合。這種方法對于要達到優(yōu)化目標明確、評價準則清晰、優(yōu)化參數量化還有一定差距，還無法完全解決復雜航天器的系統(tǒng)優(yōu)化設計問題。

因此，需要找到一種適合月球巡視器功能復雜、約束嚴格特點的方法，使得巡視器在滿足各種約束條件下設計指標達到最優(yōu)。本文結合月球巡視器自身的特點，在系統(tǒng)工程方法的基礎上，借鑒多學科設計優(yōu)化的思想，提出了月球巡視器的系統(tǒng)設計優(yōu)化方法，在嫦娥三號巡視器上的應用，證明了該方法的正確性和合理性。

2 月球巡視器任務分析

月球巡視器任務相對以往地球軌道航天器有很大不同，主要表現出以下幾個方面的難點。

1)嚴酷的月面工作環(huán)境

月球的溫度、光照等環(huán)境與一般地球軌道航天器不同。月壤和月塵等特殊環(huán)境在國內也是首次出現，盡管有大量的研究，但是還有很大的不確定性[15-17]，在設計時需要采取有效的措施。

月球表面光照條件變化大，晝夜溫差大，月面溫度變化范圍從-180～+120 ℃。對于月晝，面臨著高溫下的熱排散問題，對于長達14天的月夜，則面臨著無太陽能可利用條件下，如何保證能源供給和溫度環(huán)境適應的問題。

月球巡視器工作的月面覆蓋著厚度不等的月壤層，并存在著大小不等的月坑和巖石。月壤物理力學特性和月表地形都與巡視器移動性能直接相關，如何選擇移動系統(tǒng)構形參數，降低移動裝置的承載比，也是巡視器設計必須解決的難題。

2)巡視器自身功能的復雜性

巡視器要完成月面移動、通信和科學探測等任務，并具備獨立的月面生存能力，尤其是要適應漫長的月夜低溫環(huán)境，這些要求使得月球巡視器的功能和組成十分復雜[18]。為此，巡視器需要配備能活動的桅桿，輔助光學敏感器進行月面環(huán)境感知；配備能活動的定向天線，輔助完成指向地球并下傳數據；配備能收攏壓緊的太陽翼，適應發(fā)射和月面工作的需求，太陽翼還應具備喚醒巡視器、對日定向和遮擋陽光的需求。此外，還需要配備相應的電子設備完成局部路徑規(guī)劃等自主導航功能。

3)質量特性、包絡尺寸和功耗的約束

月球巡視器不僅功能復雜，還在質量特性、包絡尺寸和功耗等方面受到嚴格的約束，如何減輕整器質量，進行輕小型化、一體化和集成化設計是必須解決的難題。

(1)質量特性。一方面，整器質量受到移動裝置、轉移釋放機構的承載限制和發(fā)射質量的限制，另一方面，月球巡視器橫向質心受到移動性能的嚴格約束。

(2)包絡尺寸。一方面，巡視器布局空間小；另一方面，巡視器發(fā)射時收攏壓緊在著陸器上，著陸月面后，展開駛離著陸器，巡視器的包絡尺寸受到著陸器的嚴格限制。

(3)功耗。整器的功耗受到太陽翼面積和蓄電池組容量的嚴格限制。

綜上所述，為了解決這些設計難題，設計中需要采用一種方法，能綜合統(tǒng)籌總體到分系統(tǒng)、整器到單機、整體到局部的各個方面，使得巡視器在滿足各項約束條件下的設計指標達到最優(yōu)。

3 月球巡視器系統(tǒng)設計優(yōu)化方法

月球巡視器系統(tǒng)設計優(yōu)化方法，是為了實現整器設計方案的最優(yōu)化而采取的一套設計方法。該方法自頂而下，分階段、分領域實施。在系統(tǒng)層面，梳理整器各個組成部分的功能和性能需求，并進行規(guī)劃，確保整個系統(tǒng)層方案的最優(yōu)，同時提出了產品層的優(yōu)化目標；產品層在此基礎上，開展二次規(guī)劃，分析影響性能的關鍵設計參數，以確保產品層設計方案的最優(yōu)。

3.1系統(tǒng)層規(guī)劃和設計優(yōu)化

系統(tǒng)層規(guī)劃和設計優(yōu)化，是基于巡視器系統(tǒng)及其組成部分的功能、性能和布局位置，對系統(tǒng)進行功能的組合和空間關系的調整，以確保系統(tǒng)關鍵指標最優(yōu)的設計流程。這是一種積極主動的調優(yōu)模式，采用自頂向下的設計流程，如圖1所示。

圖1 月球巡視器系統(tǒng)層規(guī)劃和設計優(yōu)化流程

1)規(guī)劃階段

方案篩選要選擇國內外具備可比性、參考性的航天器系統(tǒng)進行深度分析，借鑒它的分析方法、規(guī)劃方法、系統(tǒng)方案設計理念，方案篩選還要結合國內的生產水平。方案篩選對系統(tǒng)的設計有導向的作用，因此系統(tǒng)方案的篩選應遵循專家團隊的意見，選擇切實可行的系統(tǒng)進行分析。其中可比性和參考性較強的有勇氣號/機遇號火星巡視器和蘇聯的Luna-1/2月球巡視器[19]。

概念規(guī)劃根據系統(tǒng)功能分類和篩選方案對系統(tǒng)的組成進行規(guī)劃，明確概念性設計意圖，這是設計的草案。

2)設計優(yōu)化階段

在明確巡視器系統(tǒng)的接口、復雜度、相互關系及設計流程后，結合國內軟硬件可實現性進行系統(tǒng)方案設計，在系統(tǒng)方案設計過程中，重點對系統(tǒng)的可用性、可靠性、接口關系進行深入的論證和規(guī)劃，由于系統(tǒng)方案對整個系統(tǒng)至關重要，需要引入相關專業(yè)的專家團隊，確保系統(tǒng)方案的合理性，為整個系統(tǒng)的正確性奠定堅實的基礎。巡視器的系統(tǒng)方案設計主要在方案階段完成，包括活動部件構型的設計、整器構型方案的設計、布局設計、數據管理方案設計等。

在系統(tǒng)方案設計的基礎上，開展全面的設計，對系統(tǒng)全部的功能和性能關鍵點進行全面的分析。過程中，在系統(tǒng)約束的框架下，通過各種分析和優(yōu)化手段實現系統(tǒng)的最優(yōu)化。

在設計完畢后，應以功能需求為輸入，對巡視器全生命周期中所有工作剖面下的各種工作模式進行推演，系統(tǒng)推演的結果對需求分析、系統(tǒng)方案設計的修正產生重要指導。

品詩品人，走近“詩圣”—杜甫詩歌鑒賞專題的教學設計中，學生們自尋伙伴，自愿結為6組，課前對詩歌內容進行初步研討。小組內合作查找資料，解決學習中的問題，把不能解決的問題記錄下來，留在課堂上通過師生研討得以解決。在這個過程中，學生的感悟和體會是任何一位教師的講授都無法替代的，少一些名詞術語的糾纏，多一些對一詞一句的把握和品味，多一些與文本對話，與作者對話，這才是對語文本質的回歸。

在規(guī)劃階段和設計初期，設計了使用同位素核源發(fā)電提供能源過月夜的方案，但是考慮到國內核電轉換的成熟性，取消了核源發(fā)電的功能，僅保留了核源提供熱能的功能。

3)設計確認階段

在系統(tǒng)推演完成并確保系統(tǒng)方案正確后，方可開始系統(tǒng)的全面詳細設計和建造。試驗和測試是系統(tǒng)質量的基本保障，并對測試過程中出現的問題進行閉環(huán)控制，實現設計方案的不斷完善和最優(yōu)化。

通過結合專業(yè)經驗、專業(yè)團隊對整個系統(tǒng)的方案的正確性、可行性、可靠性等核心指標進行客觀評價，從而全面地對系統(tǒng)質量進行評價，對評審過程中發(fā)現的問題，專家團隊可以給出專業(yè)的修正指導意見，有助于進一步對系統(tǒng)修正，從而提高系統(tǒng)的質量。

3.2產品層規(guī)劃和設計優(yōu)化

產品層規(guī)劃和設計優(yōu)化是在巡視器系統(tǒng)方案確定的情況下，識別影響主結構、總裝直屬件、設備、電纜等專業(yè)領域優(yōu)化目標的參數和狀態(tài)，并采用相應的優(yōu)化設計手段，確保優(yōu)化目標實現的過程。

這是在頂層明確優(yōu)化目標后而采取的一種優(yōu)化模式，是產品層規(guī)劃和設計優(yōu)化流程，如圖2所示。這些優(yōu)化集中在專業(yè)領域，因為系統(tǒng)方案成型，可調整的空間有限，專業(yè)領域的調整相對而言空間較大，對某一專業(yè)領域的調整優(yōu)化，通常能在一定程度上改善系統(tǒng)的能力。

圖2 月球巡視器產品層規(guī)劃和設計優(yōu)化流程圖

1)規(guī)劃階段

在進入具體的產品層優(yōu)化階段后，首要的任務是獲得頂層需求。根據頂層的需求，分解出本層設計優(yōu)化的目標，辨識出影響設計優(yōu)化目標的參數和狀態(tài)，所識別的要素即是開展優(yōu)化設計最直接的方向和領域。很多時候，在頂層需求不明確的情況下完成的某些設計，往往不能滿足更新后的頂層需求，此時還需按照上述的流程開展設計的修改或者重新設計。

2)設計優(yōu)化階段

在關鍵特性滿足要求的前提下，根據識別出的影響優(yōu)化目標的領域開展方案篩選；在均衡性能需求、功能組成、軟硬件技術的基礎上選擇可接受、可實施的方案。方案篩選后，就進入產品層設計優(yōu)化的核心階段，進一步細化方案的每個環(huán)節(jié)、步驟和方法，確保方案的可實施性。這個階段主要集中在初樣設計前期，包括結構(含次結構)設計、產品設計、電纜網設計等。

在優(yōu)化方案確定后，需要對方案的效果進行分析和評估，評估的方法通常采用比對法。比對優(yōu)化方案和常規(guī)方案的優(yōu)缺點，明確優(yōu)化方案的風險點。對風險點需要制定細致周全、量化的控制措施，確保風險可控并能接受。

3)設計確認階段

在設計確認階段，主要是對前期的優(yōu)化方法、過程、實施結果進行總結、規(guī)范和固化，并編制文件歸檔保存，從而進一步推動整器方案日趨堅實。

3.3月球巡視器設計中主要設計優(yōu)化手段

針對月球巡視器的特點，在系統(tǒng)層設計優(yōu)化過程中，主要采用功能集成、功能復用和布局優(yōu)化的手段。在產品層設計優(yōu)化過程中，主要采用結構優(yōu)化、電纜優(yōu)化和單機優(yōu)化的手段完成了巡視器整個設計周期的設計優(yōu)化工作，各種手段與優(yōu)化目標之間的關系如圖3所示。

圖3 優(yōu)化設計手段和設計目標關系示意圖

1)功能集成

功能集成是對功能相近的單機或部組件進行組合的一種優(yōu)化設計方法。該方法摒棄了每項功能的硬件由一臺單機實現的常規(guī)設備設計理念，將多項功能的硬件集成到一個機箱中，實現產品的輕小型化，縮小產品包絡，減小產品質量和功耗，減少產品與外圍的接口關系，實現了產品的“高內聚，低耦合”。

2)功能復用

功能復用是對功能相似的單機或部組件進行組合的一種設計方法。該方法不是簡單的組合，而是從系統(tǒng)的角度綜合分析各個功能的設計要求和要素，通過對成熟技術修改或擴充，在滿足任務要求的前提下對系統(tǒng)的功能重新整合。

3)布局優(yōu)化

布局優(yōu)化是將一組給定的設備或部組件合理地布置在特定的位置上，使設計目標達到最優(yōu)，并滿足給定的約束條件。

4)結構優(yōu)化

通過采用優(yōu)化結構形式、優(yōu)選結構材料的手段，不僅降低了主結構的質量，而且提高了整器的構形布局空間。

5)單機優(yōu)化

各單機根據總體給出的設備優(yōu)化目標采用了材料優(yōu)選、結構優(yōu)化、形狀優(yōu)化、高集成度器件優(yōu)選等多種形式的設計和優(yōu)化。

6)電纜優(yōu)化

在電纜網設計過程中，采用了數字化的電纜三維走向設計、優(yōu)選電纜線徑/線型、優(yōu)選輕質高密度電連接器、減少過渡插頭數量等多種手段，完成了電纜網的設計和優(yōu)化。

4 方法驗證

該套方法針對月球巡視器的任務特點提出，融入到月球巡視器頂層和底層設計的各個方面，取得了顯著的效果。下文以功能集成、功能復用和構形布局優(yōu)化在嫦娥三號巡視器上的應用，來驗證該方法的適用性和正確性。

4.1功能集成

嫦娥三號巡視器上比較典型的集成設計有綜合電子單元、有效載荷電控箱和慣性測量單元，如圖4所示。綜合電子單元集成效果見表1所示，從表中可見，集成設計后，體積、質量和功耗分別降低了59%、53.4%和49.7%。對于整個系統(tǒng)來說，集成帶來的效率會優(yōu)于表中的效果。

圖4 電子學設備集成設計示意圖

表1 綜合電子單元集成前后關鍵指標對比

4.2功能復用

嫦娥三號巡視器桅桿主要用于輔助安裝其上的兩對立體相機的成像工作，需要具備三自由度轉動的能力，而定向天線為了實現頻繁地指向地球并下傳數據，也需要具備雙軸轉動能力。如果設計兩套機構，不僅增加了機構的重量，還給布局帶來較大困難。為此，綜合分析了桅桿和定向天線的設計要素，見表2。對設計要素進行綜合，通過選擇合適的機構電機，使得桅桿和天線組合體滿足定向天線的指向要求，對于因運動范圍變小損失的指向空間，在程序設計時予以考慮，合理規(guī)避。

表2 桅桿與定向天線設計要素對比

功能復用后，定向天線與兩對相機共用一套展開機構和偏航機構，定向天線設計成桅桿的一部分，如圖5所示，桅桿的復用設計不僅節(jié)省質量、實現輕巧化，還減少了接口的復雜度，節(jié)約了成本且便于控制。復用前后的效果對比見表3，從表中可以看出優(yōu)化后，質量和功耗分別降低了27.9%和19.4%。

圖5 桅桿與定向天線的功能復用設計示意圖

表3 桅桿復用設計前后關鍵技術指標對比

4.3布局優(yōu)化

由于嫦娥三號巡視器頂板下表面集中了器上大部分的設備，因此，重點開展了頂板下表面的設備布局優(yōu)化設計。

巡視器艙內空間小，設備的容積率高達56%，布局設計中，采用了分階段開展的策略。首先考慮結構內部預埋的冷凝器和儲液器，確定結構板的禁布區(qū)域；抓住整器質心限制的最主要矛盾，優(yōu)先布置質量大的設備，在此基礎上，綜合考慮電纜通道、電纜插拔操作、總裝便利性、熱控適應性等方面要求，確定設備的最優(yōu)位置，同時對設備的電連接器位置提出反要求。優(yōu)化結果如圖6所示。

圖6 艙內布局優(yōu)化示意圖

從圖6中可以看出設備的布局更加合理，質量較大設備被優(yōu)化到后部，同時設備整體向右方平移，留出了電纜通道。優(yōu)化前后整器橫向質心見表4，可見整器橫向質心與目標值吻合較好。

表4 布局優(yōu)化前后整器橫向質心位置對比

4.4嫦娥三號巡視器主要關鍵技術指標優(yōu)化結果比較

通過月球探測器系統(tǒng)設計優(yōu)化方法的應用，嫦娥三號巡視器主要關鍵技術指標的優(yōu)化效果見表5，從表中可以看出，整器關鍵技術指標均滿足指標要求。

表5 嫦娥三號巡視器系統(tǒng)關鍵指標優(yōu)化效果

綜上所述，通過系統(tǒng)設計優(yōu)化方法的應用，設計出了質量和質心較優(yōu)、載荷比和承載比較高的方案，解決了多活動部件在狹小空間下的布局，通過合理布局提高了艙內容積率，突破了電子設備集成、輕小型化機構、月夜生存及休眠喚醒技術，最終巡視器功能全部實現，各項約束全部滿足，且各項指標達到最優(yōu)。

嫦娥三號巡視器成為我國首個地外天體移動探測平臺，在月球表面開展了微波、紅外、可見光、X射線等多譜段的科學探測。和同類巡視器相比，嫦娥三號巡視器在移動承載比上優(yōu)于大小相當的勇氣號/機遇號火星巡視器，詳細對比結果見表6。

表6 嫦娥三號巡視器和同類巡視器關鍵技術指標對比

5 結束語

通過對月球巡視器系統(tǒng)設計優(yōu)化方法的研究，確立了該方法的應用過程、設計內容，總結了常用的優(yōu)化設計手段。該方法實現了設計和優(yōu)化的一體化，綜合考慮了月面環(huán)境和月球巡視器的約束等難點，適用于功能集成度高、約束嚴格的月球巡視器的設計，不僅減少了設計迭代、提高了設計效率，而且順應了月球巡視器輕小型化、低功耗和輕質量的發(fā)展趨勢，實現了月球巡視器研制的“快，好，省”。通過嫦娥三號巡視器的應用，驗證了該方法的適用性和正確性。

這種方法以系統(tǒng)工程方法為基礎，吸收了多學科設計優(yōu)化的優(yōu)點，形成了針對月球巡視器設計的一套體系，在嫦娥三號巡視器上應用效果良好，這對于其他類型的巡視器有一定的借鑒意義，對其他類型的深空探測器或者其他領域的航天器也有一定的參考價值。

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(編輯：張小琳)

Study on System Design and Optimization Method of Lunar Rover

ZHANG Wangjun SHEN Zhenrong LI Qunzhi JI Long

(Beijing Instituete of Spacecraft System Engineering, Beijing 100094, China)

Lunar rover’s mission analysis is carried out and some obstacles in the design are identified. Lunar rover’s system design and optimization method is proposed based on system engineering method and multidiscipline design and optimization method is referenced. The method is based on lunar rover’s constraints; design and optimization is performed in two layers, system layer and product layer, and each layer is divided into three stages. The system layer focuses on system plan and its optimization, and the product layer focuses on equipment and assembly plan and their optimization. The application of the method on the Chang’e-3 lunar rover design makes all specifications optimized in compliance with the many constraints. And the validity and rationality of the method is verified. The method can benifit to those spacecraft with complex functions and strict constraints.

lunar rover; system design and optimization; function-integration design; function-reuse design

2014-03-31；

：2014-05-04

國家重大科技專項工程

張旺軍，男，工程師，從事航天器總體設計和總裝設計工作。Email：zhaa4561@sina.com。

V411

：ADOI：10.3969/j.issn.1673-8748.2014.03.002