◎中國空間技術研究院 霍光 王耀東 吳延龍 馬楠 陳濤

航天器數(shù)字化研制技術應用研究與實踐

◎中國空間技術研究院 霍光 王耀東 吳延龍 馬楠 陳濤

近年來，美國、德國等世界大國不約而同地制定了工業(yè)轉型升級戰(zhàn)略，美國政府發(fā)布了“再工業(yè)化戰(zhàn)略”， 德國發(fā)布了“工業(yè)4.0”發(fā)展戰(zhàn)略，均將數(shù)字化技術作為未來制造業(yè)發(fā)展的重點方向之一。與此同時，NASA、波音、空客、洛馬等國際知名企業(yè)也紛紛積極研究并實踐數(shù)字化技術與航空航天產(chǎn)品研制過程的深入融合，通過基于模型的系統(tǒng)工程(MBSE)、基于模型的定義(MBD)、集成仿真、虛擬制造等一系列技術的應用，在快速響應用戶需求、優(yōu)化產(chǎn)品研制流程、提高設計水平和創(chuàng)新能力等方面取得了顯著成效。

我國一直在倡導信息化和工業(yè)化融合式發(fā)展的“兩化融合”戰(zhàn)略，并于2015年發(fā)布了“中國制造2025”戰(zhàn)略，其中航空航天裝備是國家將大力推動的10個重點領域之一。從國家頂層發(fā)展戰(zhàn)略要求可以看出，數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化技術將在未來航天企業(yè)轉型升級中扮演重要角色，是促進企業(yè)創(chuàng)新發(fā)展的必由之路。中國空間技術研究院作為我國空間事業(yè)的主力軍，也要在前期工作基礎上加速開展數(shù)字化技術在航天器研制過程中的應用研究與實踐。

一、建設思路

航天器數(shù)字化研制以建立基于統(tǒng)一數(shù)據(jù)源的協(xié)同研制模式為核心，通過打通宇航產(chǎn)品研制全過程的數(shù)據(jù)鏈路，以模型(結構化數(shù)據(jù))替代文檔成為宇航產(chǎn)品研制過程信息傳遞的主要載體，構建基于數(shù)字化、網(wǎng)絡化的系統(tǒng)工程研制模式。其核心理念如下：

模型驅動。模型代替文檔成為驅動研制過程的主要載體，研制人員通過模型開展協(xié)同設計和驗證，在模型中積累知識。

構造即正確。在實物產(chǎn)品投產(chǎn)前進行全系統(tǒng)虛擬集成仿真和工程實施方案仿真，能用虛擬仿真發(fā)現(xiàn)并解決的問題不留到實物驗證階段，從而大量減少實物制造過程的迭代反復和對方案的實物驗證。

端到端集成。實現(xiàn)研制全過程基于模型的“端到端”數(shù)字化集成，能夠對需求、狀態(tài)和實物產(chǎn)品的變化進行全面、快速、正確響應。

研究院按照“2025年全面實現(xiàn)航天器全流程全周期的研制智能化、管理信息化、保障網(wǎng)絡化”的目標，重點圍繞抓規(guī)劃、抓流程、抓接口、抓規(guī)范、抓工具5個方面推進航天器數(shù)字化研制工作，在技術上通過優(yōu)化流程、規(guī)范接口來建立基于模型的數(shù)字化研制模式，在管理上通過配套組織機構和實施隊伍、建立工作機制、制定工作規(guī)范來保障數(shù)字化研制工作的順利實施，同時通過配套相應軟硬件資源，為實施數(shù)字化研制工作提供基礎條件保障。

二、整體框架

航天器數(shù)字化研制工作覆蓋系統(tǒng)、分系統(tǒng)和單機3個層級，按照管理對象可分為航天器研制數(shù)字化和全周期管理信息化2個部分，如圖1所示。

其中，航天器研制數(shù)字化是整個工作的核心和重點，各部分工作重點如下：

體系論證。形成體系化仿真能力，基于數(shù)字化模型實現(xiàn)體系論證方案優(yōu)選和定量化評估，支撐多方案快速比較和項目立項。

設計驗證。借助數(shù)字化技術進一步優(yōu)化設計驗證流程，基于統(tǒng)一數(shù)據(jù)源，實現(xiàn)覆蓋總體、結構、熱控、控制、載荷等各專業(yè)的多專業(yè)并行協(xié)同設計與驗證，減少設計迭代，提升復雜系統(tǒng)的設計效率。

制造集成。基于數(shù)字化模型，實現(xiàn)提前并行開展工藝設計與仿真、工裝設計等，并使用數(shù)字化、自動化設備快速完成產(chǎn)品的數(shù)字化加工、檢驗、裝配等，提升產(chǎn)品生產(chǎn)效率和質量。

測試試驗?；跀?shù)字化模型，實現(xiàn)提前驗證實物測試與試驗設計的正確性和覆蓋性，并通過自動化測試工具實現(xiàn)測試過程的自動實施和測試異常的主動預警，提高測試效率。

在軌管理?；跀?shù)字化模型，實現(xiàn)航天器在軌健康狀況的定量分析及在軌故障的快速診斷與解決，支撐在軌故障快速定位與處理。

三、推進措施

研究院構建了航天器數(shù)字化研制管理框架，從組織機構、軟件統(tǒng)籌、標準規(guī)范、推進機制等幾個方面全面推進航天器數(shù)字化研制工作。

1．建立數(shù)字化工作推進組織機構

數(shù)字化研制貫穿型號研制全流程，涉及型號、技術、管理等多個方面，是一項復雜的系統(tǒng)工程，為切實推動數(shù)字化研制工作，研究院在強化數(shù)字化研制頂層規(guī)劃并定期更新的基礎上，建立了院所兩級數(shù)字化研制推進組織機構，明確了由各單位行政正職牽頭主抓的數(shù)字化研制工作推進責任體系，為及時解決數(shù)字化研制實施過程中遇到的突出問題和困難提供了有力的組織保障。

2．統(tǒng)籌規(guī)劃數(shù)字化相關軟件建設

數(shù)字化系統(tǒng)平臺和軟件工具是型號實施數(shù)字化研制工作的重要保障，研究院在堅持自主研發(fā)與外部采購相結合的基礎上，從院頂層統(tǒng)籌開展專業(yè)軟件的規(guī)劃建設，建立了軟件清單，并發(fā)布了管理辦法，以有效減少選型不一致給跨單位傳遞模型帶來的障礙，并充分促進已有數(shù)字化成果在各單位的共享使用，支撐不同專業(yè)、不同單位之間的型號數(shù)字化協(xié)同研制工作。

3．建立數(shù)字化工作標準規(guī)范體系

數(shù)字化標準規(guī)范是實施航天器數(shù)字化研制的通用要求，研究院經(jīng)過系統(tǒng)規(guī)劃建立了數(shù)字化研制標準規(guī)范體系，覆蓋基礎、技術、管理等多個維度。由于標準制定周期較長，為滿足型號應用過程中面臨的迫切需求，研究院按照“規(guī)范先行，標準跟進”的思路，以專用規(guī)范、型號文件等形式先行明確實施要求，同時通過型號實際應用不斷完善相應規(guī)范，最終總結固化形成標準，以有效固化數(shù)字化研制經(jīng)驗成果，并以此指導一線設計、工藝、技能人員規(guī)范開展工作。

4．建立數(shù)字化研制推進工作機制

數(shù)字化研制模式是一種全新的研制模式，在探索應用過程中必然會遇到各種實際問題，為全面保障航天器數(shù)字化研制工作的順利實施，研究院建立了相應的保障工作機制，通過調度會、研討會、評估考核，形成了“動態(tài)跟蹤、按月調度、按年度考核”的院所兩級閉環(huán)管理模式，對存在的問題進行動態(tài)識別和管控，保障了數(shù)字化推廣應用過程中的重要、共性問題及時解決。

四、應用實踐

研究院聚焦加強體系論證關鍵能力建設、橫向建立總體與各專業(yè)數(shù)字化協(xié)同模式、縱向貫通基于三維模型的數(shù)字化設計與生產(chǎn)裝配鏈路3條主線，開展了航天器數(shù)字化研制技術的應用實踐。

1．體系論證

針對從單星到系列、從系列到體系、從體系到體系優(yōu)化轉變的航天器體系建設發(fā)展需求，按照邊建邊用的思路，研究院在統(tǒng)籌梳理院內在軌、在研衛(wèi)星資源基礎上，制定了體系效能協(xié)同仿真工作流程，建立了一系列衛(wèi)星功能模型，并同步開發(fā)了航天器體系效能仿真系統(tǒng)，改變了以往依靠文件、經(jīng)驗和少量仿真進行衛(wèi)星體系規(guī)劃和單星論證的局面，目前初步具備了可展示、可配置的體系效能仿真能力，實現(xiàn)了多種論證方案任務滿足度的快速評估，并在“十三五”衛(wèi)星系統(tǒng)項目論證中應用。

2．總體與各專業(yè)數(shù)字化橫向協(xié)同

圍繞機械三維協(xié)同設計、信息流數(shù)字化協(xié)同設計、能源流數(shù)字化協(xié)同設計3條子線開展應用實踐。機械設計方面，建立了基于統(tǒng)一的三維模型體系的機械協(xié)同設計模式（見圖2），并在各領域新研型號全面應用，實現(xiàn)了設計變更的即時通知和快速傳遞，有效避免了設計干涉問題，與原模式相比設計協(xié)調時間減少40%。信息流設計方面，建立了航天器信息流協(xié)同設計平臺并在遙感、通信領域實施推廣，實現(xiàn)了基于統(tǒng)一數(shù)據(jù)源的遙測遙控、總線數(shù)據(jù)流設計，有效避免了傳統(tǒng)文檔模式下數(shù)據(jù)源頭多、傳遞路徑長導致的文件更改聯(lián)動不及時、易遺漏等問題，遙測波道編排等環(huán)節(jié)效率提升50%以上，信息流協(xié)同設計新舊模式對比示意圖（見圖3）。能源流設計方面，建立了供配電大圖信息化平臺并在遙感、深空、載人等領域推廣，實現(xiàn)了供配電大圖的分層設計、自動生成與可視化展示，供配電大圖繪圖時間減少50%以上，有效提升了供配電設計水平與復查效率。

3．數(shù)字化設計與生產(chǎn)裝配鏈路縱向貫通

圍繞航天器結構產(chǎn)品生產(chǎn)和總裝工作，在設計階段基于三維模型實現(xiàn)了工藝設計和仿真工作模型的充分應用，結構產(chǎn)品生產(chǎn)效率平均提升10%以上，總裝現(xiàn)場設計更改單減少20%以上?；谌S模型的數(shù)字化制造模式如圖4所示。任重道遠。后續(xù)，研究院將密切關注數(shù)字化技術的發(fā)展方向，持續(xù)開展理論研究與工程實踐，進一步擴大總體與專業(yè)協(xié)同設計范圍，推進功率流仿真、多的并行開展，并以三維模型替代二維圖紙進行下廠制造和總裝，形成了以三維模型和結構化數(shù)據(jù)為依據(jù)、以數(shù)字仿真為支撐的數(shù)字化制造和總裝模式，并在所有新研型號中全面應用。通過三維

基于模型的航天器全周期、全流程數(shù)字化研制模式的建立是一個長期復雜的過程，經(jīng)過前期的探索實踐已經(jīng)取得了階段性成果，但對照建設成為國際一流宇航企業(yè)的目標，依然學科集成仿真等仿真技術研究，探索物聯(lián)網(wǎng)、條碼掃描等技術在制造總裝現(xiàn)場的應用，促進數(shù)字化技術與型號研制工作的深入融合，為研究院的轉型升級和跨越式發(fā)展提供堅實保障。