信息技术如何为中国航天型号研制赋能?

如何打造一艘“数字化飞船”?

5月5日18时,新一代载人飞船试验船在长征五号B运载火箭的托举下成功进入预定轨道。22时,试验船迎来发动机第一次点火的关键节点。飞控大厅里,试验船任务规划人员紧盯大屏幕上的实时轨道数据,密切关注试验船的飞行动态。在接下来的两天中,试验船完成了9次变轨,动作多,难度大。

航天科技集团使用信息化手段助力新飞船研制及飞行全过程。全三维研制模式和仿真系统,让试验船从硬件到功能性能都实现数字化仿真,越来越接近一台“数字化飞船”;小到元器件和电缆接口的数字化管理,大到从北京到文昌的远程测试及飞控支持,信息化手段的应用为试验船的研制及在轨飞行保驾护航。

全三维仿真研制

新一代载人飞船试验船采用全三维研制模式,通过搭建数字样机,让试验船“所见即所得”。

“之前我们都是用手工画图,在脑海里构思设计,过程漫长、抽象,到下一步工艺人员理解也容易造成误差。”试验船结构机械主管设计师杨永彬介绍,五院载人总体部从2012年开始逐步向三维研制模式迈进,此次新飞船试验船更是最大程度使用了三维数字化的研制模式。“我们采用全三维的协同设计流程,实现了从方案设计到工艺、制造、总装全流程的三维研制模式。”

新飞船结构件系统实现无纸化设计,舱体结构件也开始三维模型下厂,管路、电缆等不同系统可并行推进,“流程化、标准化、可视化,让我们工作效率更高,设计匹配度也更高,减少了设计过程的反复。”经历过手工制图的“不便”,杨永彬对三维研制模式的优势深有体会。

不只是硬件结构上的仿真,试验船还利用机器语言实现了对GNC功能、推进功能、能源功能等分系统核心功能的建模及测试验证。

在飞船研制阶段,功能建模与性能仿真系统使“数字飞船”机、电、热、信息等功能齐全,物理架构、设备接口、系统行为等方面与真实产品一致,还覆盖了配套的关键设备。该系统支持了试验船论证阶段各功能系统方案仿真验证和优化工作。

试验船系统总体主管设计师和数字化负责人彭坤介绍,在方案设计阶段,功能仿真系统弥补了以前设计中的不足,提前验证方案正确性,减少反复修改的时间;在实际飞行过程中,通过接收实时遥测数据,对实际飞行中的外部环境进行模拟,真正的飞船在天上飞行,“数字化飞船”在地面仿真模拟,为飞船提前推演后续飞行环境。

远程测试保疫情期间任务开展

试验船试验队进驻中国文昌航天发射场期间,正逢新冠肺炎疫情在全国蔓延。试验队压缩进场人数,由原计划进场的195人,变为实际进场102人,减少了近50%的人员,给试验场的工作带来了不少问题。这段时间,远程测试平台帮了大忙。试验队队长黄震介绍,“远程测试的链路一搭起来,我们第一时间就快速使用上了。”

试验船发射成功后,文昌发射场人员留在原地,支援北京飞控中心,与北京人员共同值班,一直到返回舱安全返回。黄震解释,“前期几乎所有主任设计师都在发射场,后期必须通过远程测试网络,将前后方的经验和能力结合起来,保障飞控工作顺利进行。”

此外,全新的自动化测试2.0版本在试验船上首次应用,贯穿试验船研制设计全阶段。该版本将可模块化、序列化的成熟程序和模式提炼出来、固化下来。同时,软件化设计细则、支持自动判读等功能的应用,也降低了人工编排测试细则的难度和时间成本,大大提高测试效率。

信息化助力研制效率提升、质量提高

新一代载人飞船试验船的研制时间仅短短3年。试验船技术负责人杨雷曾介绍,此周期仅相当于同样复杂产品一半的研制时间。

研制周期短,技术难度大,就要向时间要效率,靠创新找方法。为了适应新的研制模式需求,试验船开展了多项研制流程优化。例如,电总体系统取消了整船微波暗室的EMC的实物试验,由系统级电磁兼容数字化仿真替代。“原来从准备到最终完成至少需要一个月以上,现在利用数字化手段,通过单机、设备仿真进行试验识别,一周左右就能搞定。”电总体主管设计师陈瑞勋介绍。

试验船分系统多、单机多、厂家多,元器件来源构成复杂,管理难度大。试验船团队开发了“载人航天器元器件信息管理系统”,利用信息化手段来提高元器件信息的使用效率。

试验船配套有200多根低频电缆,电缆分支高达2000余个,电缆分支多且走向复杂。为提高电缆网设计工作质量,试验船总体总装开发了电缆智能布局系统,规范电缆设计输入,将繁琐的人工操作自动化,创建了最优路径算法,更加合理敷设电缆。大大缩短设计周期,同时设计结果正确率达到100%,彻底解决了漏标、错标的低级错误,避免了设计的反复,大大提升工作效率,保障了工作质量。

彭坤表示,通过信息化和数字化手段,提高了设计工作效率、优化了设计方案、缩短了研制周期、避免了人工操作带来的低层次问题;同时通过将试验船的物理架构转化为数字化模型,可深层次摸清试验船特性,采用数字化仿真替代某些物理试验,并能对试验船后续状态进行预示、

数字世界造长五,现实能力大跨步

5月5日18时,中国文昌航天发射场,长征五号B遥一运载火箭准时点火,徐徐升空,随后灵活转身,飞向东南方。约8分钟后,火箭将飞船精准地送入预定轨道,首飞任务取得圆满成功。
实际上,在航天科技集团一院总体设计部的三维数字样机技术试验室里,长五B火箭起飞的场景已经出现了上百次。火箭飞行可能遇到的各种情况、火箭本身可能的表现,均提前在计算机中模拟出来,成为验证、优化总体设计的依据,从而未雨绸缪地解决诸多难题。

把新一代运载火箭牵引形成的数字化成果,集成应用于长五B上
一院在长征五号、长征七号运载火箭研制过程中形成的多项数字化成果,全面应用于长五B火箭。作为一型数字化运载火箭,长五B从每一颗螺钉到全箭乃至发射场全系统,都一目了然地呈现在电脑屏幕上;从设计、试验、制造到总装总测,都在“虚拟世界”提前走了N遍,许多问题得以提前发现、提前解决。
多年前,运载火箭的所有产品设计都要画在二维图纸上,每个产品还要从不同视图分别画出里里外外的样子,既不方便修改,也不方便出图和后续生产。长征五号系列火箭的零部件总数超过10万个,设计、生产难度也大大提高,整体工作量是以往火箭的3.5倍左右。
要驾驭这么大的工作量,必须采用三维数字化手段。一院总体设计部长五系列火箭数字化主任设计师皮赞介绍,使用数字化模型描绘产品十分精准,设计人员动动鼠标,各种产品随之精准定位,所见即所得。基于知识工程的三维数字样机定义技术,型号总体骨架设计、电缆敷设、管路布局、蒙皮桁条设计、贮箱结构设计过程中所积累形成的设计知识、经验、方法和流程均得以固化,大幅提高了设计效率和质量。
“长五系列火箭采用数字样机质量验收,按分系统对单机、总体对分系统的原则逐级进行,实现了数字样机质量的有效控制与量化评估。”一院总体设计部长五系列火箭数字化副主任设计师王哲说,“型号通过电子流程实现了三维模型的设计、更改和分发的过程受控,以三级审签的形式各司其职,确保了数字样机设计的质量。”
火箭部件完成数字化设计后,下发到总装车间的也不再是平面图纸,而是三维模型,工人们在总装前就能看到产品最终的模样。

全系统精细化仿真,提前发现解决问题
长五系列火箭芯级直径达到5米级,而我国液体型号直径的上一次跨越,还要追溯到1965年开始研制的东风五号。
曾参与东风五号总装的一名老工人回忆,当时总体设计人员到工厂和工人一起研究在哪摆放弹上的各种部件、单机、管路,工人们用旧箱子、废铁管摆来摆去,大家一起摸索出既满足功能要求又便于总装的布局。这一过程叫实物模装。
进入新一代运载火箭研制时期,直径从3.35米跨越到5米,实物模装费时费力效率低;若不模装大概率会有干涉问题。所谓干涉,就是“你的单机占了我的地、我的管路挡了你的路”之类的设计矛盾问题。以前,各类产品设计单位之间要靠纸质文件联系,繁重的传递工作让各单位的产品在总装前很难“见面”。
实现新跨越,要有新手段。有了三维数字化手段,就可以变实物模装为数字模装。通过“三维总装数字仿真”,设计师可以提前发现并解决干涉问题,避免返工,缩短研制周期。在进行技术协调时,各设计单位之间应用数字化三维协同设计平台,高效传递数据规模庞大的产品模型,隐蔽的设计冲突得以提前发现并解决。
一院总体设计部长五系列火箭数字化主管设计师郭逸婧介绍,除了静态干涉问题,采用三维数字化手段还可以扫描发动机实物以获取基于实物的模型,进行发动机虚拟摆动试验,发现动态干涉问题。对于火箭起飞时难以捉摸的起飞飘移问题,同样可以采用仿真手段,综合火箭、活动发射平台、地面设备设施等多个系统进行起飞安全预示,从而规避火箭起飞过程中与发射塔架碰撞的风险。
与此同时,型号上还采用了“人机工程装配仿真”,把总装人员和他们的操作放到“虚拟世界”里,和虚拟的火箭一起合练,连通虚拟与现实、科研与生产。带上VR眼镜,总装操作人员可以身临其境地进行演练,提前走一遍操作全程。到了实物总装以及发射场合练、飞行任务阶段时,干涉问题基本排除,各项操作从容不迫,工作效率大幅提高。
面对突发情况,用数字化手段迅速验证解决方案
全数字化还有一个重要优势,就是面对研制、试验任务中的各种突发情况,可以辅助研制人员迅速制定和验证解决方案,支撑决策,从而控周期、保节点。
2019年,长五系列火箭芯级使用的大推力氢氧发动机跋涉过艰辛的归零过程,终于达到了可以上箭试飞的标准。
然而,改进后的发动机产品交付总装时,与之匹配的长五遥三、长五B遥一等运载火箭其余部分已完成总装。若按常规方式、在火箭水平状态下更换发动机,工作周期太长,将严重影响接下来的发射计划。于是,型号队伍决定在火箭垂直状态下更换发动机。
这是我国首次为垂直状态下的5米大直径火箭芯级更换发动机,从火箭在厂房中起竖到具体更换发动机的每一项操作,都必须小心翼翼,不影响火箭已总装部分的状态。
面对垂直更换发动机的重重困难,数字仿真派上了大用场。设计师们在电脑中模拟了更换发动机的全过程,每一个动作、产品每时每刻的位置状态都经过提前演练,操作的难点、风险点被提前找出。操作人员同样可以使用VR技术提前熟悉操作流程,确保实际操作一次成功。
目前,一院正在研制长征八号等新一代运载火箭,并对重型运载火箭等后续型号进行深化论证与关键技术攻关。长五B火箭继承先期型号经验、集成多种数字化手段的研制历程,也将为其他型号的数字化研制工作提供宝贵经验。

文/中国航天报记者 代振莹 高一鸣

图/五院、一院、记者宿东

编辑/孙喆

审核/李东

监制/索阿娣

2020-06-14智邦网

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