賀雷 張衛(wèi)東

摘??要：隨著互聯(lián)網(wǎng)技術及數(shù)字化技術的快速發(fā)展，國內(nèi)外各行各業(yè)在面臨日益激烈的競爭環(huán)境下，普遍將數(shù)字化轉型作為發(fā)展戰(zhàn)略，結合產(chǎn)品自身的發(fā)展需要，運用適合的數(shù)字化技術和先進模式，推動技術創(chuàng)新和研制模式創(chuàng)新，從而提升產(chǎn)品的核心競爭力。而對于液體火箭發(fā)動機這一傳統(tǒng)行業(yè)世界格局的變化，高效和創(chuàng)新成為了當前行業(yè)發(fā)展的必經(jīng)之路。通過對國內(nèi)外液體火箭發(fā)動機技術水平的差距分析，結合我國液體火箭發(fā)動機研發(fā)模式以及數(shù)字化應用的現(xiàn)狀，對后續(xù)液體火箭發(fā)動機研制模式數(shù)字化轉型提出了相應的思路和見解。

關鍵詞：液體火箭發(fā)動機??數(shù)字化轉型??研發(fā)模式??協(xié)同設計

中圖分類號：V463

Current?Situations?and?Analysis?of?the?Digital?Application?of?Liquid?Rocket?Engines

HE?Lei*??ZHANG?Weidong

Beijing?Aerospace?Propulsion?Institute，Beijing，?100076?China

Abstract：?With?the?rapid?development?of?Internet?technology?and?digital?technology，?in?the?face?of?the?increasingly?fierce?competitive?environment，?all?walks?of?life?at?home?and?abroad?generally?regard?digital?transformation?as?a?development?strategy.?Combined?with?the?development?needs?of?their?own?products，?they?use?appropriate?digital?technologies?and?advanced?models?to?promote?technological?innovation?and?research?and?development?mode?innovation，?so?as?to?enhance?the?core?competitiveness?of?their?products.?For?the?changes?in?the?world?pattern?of?the?traditional?industry?of?liquid?rocket?engines，?efficiency?and?innovation?have?become?necessary?paths?for?the?current?development?of?the?industry.?Through?analyzing?the?gap?of?the?technical?level?of?liquid?rocket?engines?at?home?and?abroad，?combined?with?the?research?and?development?mode?of?liquid?rocket?engines?and?the?current?situation?of?their?digital?application?in?China，?corresponding?ideas?and?insights?are?proposed?for?the?subsequent?digital?transformation?of?the?research?and?development?modes?of?liquid?rocket?engines.

Key?Words：?Liquid?rocket?engine;?Digital?transformation;?Research?and?development?mode;?Collaborative?design

液體火箭發(fā)動機是運載火箭的心臟，是空間基礎設施建設、深空探測、載人航天等一切航天活動的基石，決定著一個國家航天活動的規(guī)模、進出空間的能力，是一個國家科技實力的重要體現(xiàn)，是國家安全的重要保障。我國經(jīng)過60余年的發(fā)展，由最初的仿制到現(xiàn)在的自主可控，走出來一條具有我國特點的發(fā)動機研制路線，形成了發(fā)動機研制的方法、標準和規(guī)范等[1-4]，但從世界角度來看，我國的液體火箭發(fā)動機仍存在一系列差距，尤其是隨著商業(yè)航天的發(fā)展，以美國太空探索公司的“梅林”和“猛禽”發(fā)動機的應用為代表，不斷地引入互聯(lián)網(wǎng)技術和數(shù)字化技術，使發(fā)動機的研制模式、迭代速度和創(chuàng)新應用等發(fā)生了顛覆性的改革，新一輪的競爭格局即將形成[5-6]。互聯(lián)網(wǎng)技術和數(shù)字化技術的應用將成為未來提高發(fā)動機研制水平、縮短發(fā)動機研制周期的重要支撐。

1??我國液體火箭發(fā)動機數(shù)字化應用的現(xiàn)狀

目前我國液體火箭發(fā)動機的研制過程是一個由“設計—試制—試驗—改進設計—再試驗”反復迭代的串行模式，逐步實現(xiàn)技術狀態(tài)的收斂、產(chǎn)品質(zhì)量和性能的螺旋上升的過程，且以實物試驗為主，通過充分的試驗暴露設計、工藝問題并改進。當前，我國已經(jīng)成功研發(fā)了一系列的發(fā)動機，包括先進膨脹循環(huán)氫氧發(fā)動機、高壓補燃循環(huán)液氧煤油發(fā)動機以及可重復使用的液氧甲烷發(fā)動機等，此外在故障診斷方面也開展了數(shù)十年的研究。隨著技術的不斷進步，液體火箭發(fā)動機的研制過程中也采用了越來越多的數(shù)字化應用，如三維數(shù)字化協(xié)同、三維設計仿真、信息化管理等，但與國外相比仍存在相應的不足。

1.1??數(shù)字化應用呈孤島模式

當前，我國新型號液體火箭發(fā)動機的設計已全面采用了全三維數(shù)字化協(xié)同設計及仿真模式，部分設計文件、大綱等結構化需求管理在系統(tǒng)中進行審簽受控和發(fā)布等，型號數(shù)字化工作取得顯著成效，為數(shù)字化轉型發(fā)展奠定了基礎。但型號數(shù)字化應用多為單點應用，各個應用呈現(xiàn)孤島模式，缺乏耦合效應，具體體現(xiàn)在：數(shù)據(jù)管理分散在各個信息系統(tǒng)中，缺乏關聯(lián)追溯；產(chǎn)品設計特性等數(shù)據(jù)沒能實現(xiàn)設計與生產(chǎn)的線上協(xié)同，缺乏信息系統(tǒng)的支撐，還需要經(jīng)過人工傳遞和反饋；尚未完成全生命周期數(shù)據(jù)體系的系統(tǒng)梳理，缺乏統(tǒng)一化、規(guī)范化的管理能力等。上述問題導致液體火箭發(fā)動機模型驅(qū)動的數(shù)字化研發(fā)模式不能自頂向下正向貫通，與國外先進的裝備研發(fā)模式尚有差距，型號數(shù)字化能力還需實現(xiàn)由“點”到“線”再到“面”的體系化發(fā)展。

1.2??多學科協(xié)同設計能力不足

發(fā)動機系統(tǒng)方案綜合論證是一項多學科集成的復雜的系統(tǒng)性工作，研制過程中涉及流、固、熱、電等多個學科?；诂F(xiàn)有的條件，雖然在液體火箭發(fā)動機的研制過程中采用了大量CAD技術、CAE技術、CFD技術、FEA技術等新技術開展系統(tǒng)及各零組件的專業(yè)優(yōu)化仿真設計。但各個專業(yè)的仿真分析主要以專業(yè)單點的應用為主，且在研制各環(huán)節(jié)的應用范圍和深度很不均衡，也沒有形成相對成熟固化的仿真業(yè)務流程，不具備基于統(tǒng)一的數(shù)字樣機開展仿真分析能力；部分數(shù)字化模型處于信息孤島狀態(tài)，設計制造的三維數(shù)字化協(xié)同和驗證尚未全面打通，部分數(shù)字化仿真結果的精度還有待提高；各專業(yè)的仿真分析過程尚未有效集成，仿真模型與仿真結果未有效管控；部分產(chǎn)品研制還必須依靠實物模裝和試對接口進行驗證，電氣系統(tǒng)還無法擺脫散態(tài)匹配試驗驗證階段，控制系統(tǒng)與發(fā)動機無法進行集成仿真試驗驗證，這種必須依靠實物參與的驗證耗費了大量時間、人力和財力，嚴重制約型號研制效率。

1.3??并行研發(fā)模式尚未有效運行

發(fā)動機研發(fā)方面，初步建成產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理、試驗數(shù)據(jù)管理、計劃管理、質(zhì)量管理、物資管理、研發(fā)數(shù)據(jù)包等業(yè)務系統(tǒng)，形成了一套與研制任務相適應的、以實物驗證為主的“設計—仿真—生產(chǎn)—試驗”串行的跟隨創(chuàng)新研發(fā)模式，但整個過程設計仿真、工藝優(yōu)化、制造生產(chǎn)、試驗驗證等一體化能力欠缺；過程質(zhì)量數(shù)據(jù)的分析和挖掘能力不強，未能有效支撐產(chǎn)品研制與質(zhì)量保證；通過對現(xiàn)有數(shù)字化支撐條件和應用狀況的梳理與分析，在設計、制造、試驗、協(xié)同、管控、基礎支撐均存在一定差距。目前，面向產(chǎn)品、問題導向、串行跟隨的創(chuàng)新研發(fā)模式僅能夠解決產(chǎn)品的有無問題，但難以做到真正的技術引領。其原因是這種模式過于關注產(chǎn)品的實現(xiàn)，而對支撐產(chǎn)品設計的核心技術關注太少，所得到的經(jīng)驗都是在單個產(chǎn)品的實現(xiàn)過程中掌握的零散認識，很少通過拓展研究或系統(tǒng)研究歸納為指導設計的準則規(guī)范。

1.4??在線故障診斷技術尚未得到應用

我國在863計劃的支持下，開展了十多年的研究，對于火箭發(fā)動機工作過程的故障檢測與診斷取得了較大的進展，但對于重復使用發(fā)動機的健康監(jiān)測、故障診斷、智能控制的研究尚在起步階段，距離型號應用仍存在一定的差距。而國外隨著工業(yè)4.0、大數(shù)據(jù)、人工智能（AI）等新技術的不斷出現(xiàn)，數(shù)字化手段越來越先進，其在故障診斷和智能控制技術方面取得了很大的進展。尤其是在美國，美國一直致力于先進的健康管理系統(tǒng)、故障診斷和智能控制技術研究，其目的就在于建造一張發(fā)動機“信息網(wǎng)”，在此基礎上，使用智能控制等最新技術，就可以達到增強任務安全度，減少全生命周期費用等任務目標。

通過上述分析可以看出，我國液體火箭發(fā)動機在研制模式、數(shù)字貫通、先進控制等技術方面存在較大的差距，其原因不僅是我國工業(yè)軟件方面落后、功能單一，還包括整個研制流程的梳理及數(shù)字化的應用和積累深度和廣度不夠，尤其是發(fā)動機系統(tǒng)設計方面對個人經(jīng)驗依賴性強、集成程度較低、迭代周期較長、多方案比較不充分、綜合評價準確性較低等。

2??液體火箭發(fā)動機數(shù)字化應用轉型探討

要真正實現(xiàn)液體火箭發(fā)動機高質(zhì)量高水平的設計與研制，基礎能力是重要的支撐。在改進研制模式的同時，進一步提高一體化協(xié)同設計能力、數(shù)字化仿真能力、在線故障監(jiān)測與診斷能力等。

2.1??研制模式的優(yōu)化

相比于我國傳統(tǒng)航天企業(yè)采用的大循環(huán)串行研制模式，SpaceX公司采用了方案—設計—制造—試驗的小循環(huán)迭代模式。針對該種模式，SpaceX公司設計了一個集成試驗工具，對各個產(chǎn)品進行了嚴格多樣的試驗，當?shù)螖?shù)增多、周期越來越靠后時，產(chǎn)品更加接近于最終的形態(tài)，通過工具不斷的學習和訓練，可有效地提高產(chǎn)品的可靠性和適應性，從而避免系統(tǒng)相互耦合帶來的仿真和分析不到位的風險。該種方法相比于傳動的大循環(huán)單個周期而言的研制模式，可有效地實現(xiàn)快速迭代，在保證縮短周期的同時有效降低成本。

2.2??建立先進的協(xié)同設計平臺

圍繞我國液體火箭發(fā)動機研制模式優(yōu)化轉型，借鑒MBSE的理念，研究基于海量歷史數(shù)據(jù)的智能化設計方法，通過完善設計工具、集成設計平臺，結合多專業(yè)設計經(jīng)驗、知識、規(guī)范，引入并行工程方法，構建需求模型、功能模型、性能模型及數(shù)據(jù)關系模型等，打造數(shù)字液體火箭發(fā)動機研發(fā)支撐環(huán)境，實現(xiàn)人員、流程、工具、數(shù)據(jù)的無縫互連和多方案智能化并行快速迭代，形成數(shù)字化液體火箭發(fā)動機設計體系，并將數(shù)據(jù)模型與流程系統(tǒng)進行深度融合，顯著提高工作效率，實現(xiàn)型號方案在全局層次的智能化尋優(yōu)。

2.3??建立一體化仿真平臺

以模型為基礎，以數(shù)據(jù)為支撐，針對跨系統(tǒng)、跨工具、跨設備、跨單位等方面明確交換標準，確保數(shù)據(jù)表達一致性，如模型間的傳遞方式可以采用STEP格式等。構建發(fā)動機設計仿真體系，完善仿真規(guī)范、仿真流程，補充各類仿真工具，包括系統(tǒng)級綜合仿真、組件/部件級仿真、學科級仿真、工藝仿真及分析、試驗臺及集成仿真等，專業(yè)仿真成規(guī)模、系統(tǒng)仿真上水平，最終形成工具齊全、系統(tǒng)完整、結果準確的先進仿真體系，推動研制流程從設計、試驗向設計、仿真、試驗轉變。實現(xiàn)虛實結合的大型化實物試驗和特殊環(huán)境下的試驗驗證能力，滿足新技術和新產(chǎn)品試驗驗證需求，提高液體火箭發(fā)動機的一體化仿真試驗驗證水平。

2.4??面向數(shù)字孿生的設計與驗證評估平臺

針對在線故障診斷和智能控制技術等，以大數(shù)據(jù)挖掘、數(shù)字孿生、元宇宙等技術為手段，構建驗證評估的虛擬環(huán)境，引入試驗數(shù)據(jù)進行設計的閉環(huán)驗證與評估；通過對試驗數(shù)據(jù)的參數(shù)化、結構化管理，為試驗結果和仿真模型之間的虛實結合與對比驗證提供思路；通過數(shù)字模型與實物模型之間的數(shù)據(jù)映射與傳遞，實現(xiàn)試驗數(shù)據(jù)與設計數(shù)據(jù)、仿真數(shù)據(jù)的閉環(huán)反饋，提高試驗數(shù)據(jù)利用率；通過建立試驗數(shù)據(jù)與仿真模型的關聯(lián)驗證機制來檢驗數(shù)字模型的正確性，并進一步推動仿真模型的修正與優(yōu)化，建立可重復使用技術的設計、評估與健康監(jiān)測平臺，實現(xiàn)對故障的在線診斷。

2.5??形成高效智能的制造和批產(chǎn)能力

針對數(shù)字化、信息化技術的引入，傳統(tǒng)的生產(chǎn)區(qū)域面臨著廠房布局緊湊、設備狀態(tài)及先進性參差不齊、部分設備老舊嚴重、功能落后、與智能化設備無法兼容等情況，現(xiàn)代化改造更新的條件不足，需結合整體性的能力布局規(guī)劃，開辟建設高效智能的生產(chǎn)線。加強生產(chǎn)制造過程單元化、自動化、數(shù)字化、信息化建設，改進和優(yōu)化生產(chǎn)模式，打造多類型優(yōu)化組合、國際一流液體火箭發(fā)動機生產(chǎn)線，提升批次性生產(chǎn)能力。通過建設分布式協(xié)同生產(chǎn)模式，構建全三維數(shù)字化制造能力以及新材料的加工能力，達到敏捷制造，精益生產(chǎn)的目標。

3??結語

數(shù)字化轉型是行業(yè)模式轉換的必由之路，圍繞液體火箭發(fā)動機的數(shù)字化轉型，要以體系化、協(xié)同化、數(shù)字化為主線，通過加強頂層設計、推進專業(yè)協(xié)同、打通數(shù)字鏈路，實現(xiàn)體系發(fā)展、快速迭代和模式轉型。要深度融合信息化、自動化技術，建設發(fā)動機研發(fā)平臺，實現(xiàn)知識顯性、流程模板化、驗證虛擬化、產(chǎn)品數(shù)字化、知識推送自動化，消除信息孤島，構建數(shù)字化發(fā)動機的同時，通過優(yōu)化流程、轉變模式提高體系效能；強化基礎研究，深化機理認識，構建發(fā)動機技術知識體系，提升核心技術創(chuàng)新能力，提高設計階段方案的正確性，從而做到“縮周期，降成本，提性能”。在此基礎上，解放人力、設備資源，使其專注于前沿技術探索研究，從而構建以數(shù)字化、“設計—仿真”小循環(huán)迭代為特征的自主創(chuàng)新研發(fā)模式。

參?考?文?獻

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