批產(chǎn)航天器設(shè)備布局研究

周孝倫 武向軍 郝文宇 叢飛 梁翠娜

（北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094）

1 引言

航天器通常為單顆研制，難以批量設(shè)計(jì)和生產(chǎn)［1］。導(dǎo)航衛(wèi)星是一類特殊航天器，需要幾十顆相同功能的衛(wèi)星共同在軌運(yùn)行，形成星座系統(tǒng)［2-3］。全球?qū)Ш较到y(tǒng)一般由24顆以上組成，如美國(guó)GPS系統(tǒng)、歐洲Galileo和俄羅斯的Glonass導(dǎo)航系統(tǒng)衛(wèi)星數(shù)量都超過(guò)24顆，此類衛(wèi)星已達(dá)到小批量的研制條件（一般超過(guò)5顆即為小批量）。導(dǎo)航載荷是導(dǎo)航衛(wèi)星的主載荷，除導(dǎo)航載荷外，導(dǎo)航衛(wèi)星一般還配置有通信轉(zhuǎn)發(fā)、空間探測(cè)和其它探測(cè)或測(cè)試的載荷，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星平臺(tái)能力應(yīng)用的最大化和載荷功能的多元化；同導(dǎo)航載荷相比，這些載荷可稱作搭載載荷；各類軌道衛(wèi)星、同類軌道不同序號(hào)衛(wèi)星間搭載載荷通常存在差異，另外，由于不同廠家研制水平的不同，導(dǎo)致同類設(shè)備不同研制廠家之間存在技術(shù)狀態(tài)不同，決定了導(dǎo)航衛(wèi)星具有小批量、多狀態(tài)的特點(diǎn)［4］。

導(dǎo)航衛(wèi)星的出現(xiàn)，對(duì)以單星研制為主的航天器研制模式、設(shè)計(jì)慣例提出了挑戰(zhàn)；衛(wèi)星總體必須調(diào)整工作模式，滿足導(dǎo)航衛(wèi)星小批量、多狀態(tài)的需要。本文在總結(jié)前期航天器研制經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，提出了以艙板布局設(shè)計(jì)作為基本單元進(jìn)行小批量、多狀態(tài)航天器布局設(shè)計(jì)狀態(tài)控制的解決方案，并與產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了批產(chǎn)航天器的設(shè)備布局狀態(tài)管理。

2 批產(chǎn)航天器設(shè)備布局設(shè)計(jì)的難點(diǎn)分析

航天器研制是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，具有系統(tǒng)復(fù)雜、技術(shù)密集、綜合性強(qiáng)等特點(diǎn)，在系統(tǒng)層面與運(yùn)載、發(fā)射場(chǎng)、測(cè)控、運(yùn)控等大系統(tǒng)存在接口，在分系統(tǒng)層面包括十多個(gè)分系統(tǒng)，如結(jié)構(gòu)、熱控、能源、測(cè)控、控制、推進(jìn)、綜合電子、載荷等分系統(tǒng)；研制過(guò)程包括需求分析、方案設(shè)計(jì)、加工制造、總裝與測(cè)試、發(fā)射與在軌管理等階段，設(shè)計(jì)是航天器研制的一類重要活動(dòng)；航天器設(shè)計(jì)包括總體設(shè)計(jì)、分系統(tǒng)設(shè)計(jì)和設(shè)備設(shè)計(jì)等多個(gè)層次；總體設(shè)計(jì)主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)，包括總體方案設(shè)計(jì)、系統(tǒng)指標(biāo)分解、任務(wù)規(guī)劃、設(shè)備布局設(shè)計(jì)等工作［1，6］。如何在有限的尺寸包絡(luò)內(nèi)完成航天器設(shè)備布局設(shè)計(jì)，提供各設(shè)備的工作條件，達(dá)到飛行任務(wù)的各項(xiàng)指標(biāo)是航天器設(shè)備布局設(shè)計(jì)的主要問(wèn)題［1，5-6］。

相對(duì)于單星研制，批產(chǎn)航天器研制是更加復(fù)雜的系統(tǒng)工程，對(duì)總體設(shè)計(jì)提出了更高要求，總體設(shè)計(jì)應(yīng)確保不同設(shè)備配置、同類設(shè)備不同技術(shù)狀態(tài)下總裝、測(cè)試與在軌運(yùn)行，因而，設(shè)計(jì)難度更大。針對(duì)航天器多狀態(tài)（多配置），總體設(shè)計(jì)可通過(guò)兩種方式解決設(shè)備布局設(shè)計(jì)難題：①針對(duì)航天器每種配置狀態(tài)提供各自相應(yīng)的設(shè)計(jì)方案；②針對(duì)所有配置狀態(tài)提供一套兼容性設(shè)計(jì)。本文認(rèn)為第一種解決方式可行，原因是：第二種解決方式對(duì)總體設(shè)計(jì)提出了極高的要求，增加了設(shè)計(jì)難度、復(fù)雜度，且給后期生產(chǎn)、總裝測(cè)試埋下了隱患（也可能不存在滿足所有要求的兼容設(shè)計(jì)）；第一種解決方式減少了各配置之間的相互耦合，降低了設(shè)計(jì)難度，但對(duì)設(shè)計(jì)方法、布局狀態(tài)的控制，提出了更高要求；通過(guò)應(yīng)用更科學(xué)的設(shè)計(jì)模式、更先進(jìn)的信息化手段和更現(xiàn)代的管理手段，可以滿足設(shè)備布局狀態(tài)控制要求高等方面的要求。

3 基于艙板配置的設(shè)備布局方案

航天器通常包括載荷艙、服務(wù)艙和推進(jìn)艙，每個(gè)艙包括多個(gè)艙板，艙板上安裝設(shè)備、總裝直屬件、管路、電纜和熱控設(shè)施等（圖1）；對(duì)于航天器設(shè)備布局設(shè)計(jì)，艙板布局是最基本的設(shè)計(jì)單元，每個(gè)航天器都是艙板的組合；航天器設(shè)備布局設(shè)計(jì)狀態(tài)的確定，即航天器各艙板布局設(shè)計(jì)狀態(tài)的確定；對(duì)于小批量、多狀態(tài)航天器研制，完成了各種配置狀態(tài)下的艙板布局設(shè)計(jì)，即完成了多狀態(tài)批產(chǎn)航天器的基本設(shè)計(jì)，不同配置的航天器可通過(guò)相應(yīng)狀態(tài)的艙板布局組合加以實(shí)現(xiàn)。

圖1 衛(wèi)星組成Fig．1 Configuration of satellite

基于艙板配置的設(shè)備布局方案主要包括如下方面：①特殊設(shè)備識(shí)別；②配置狀態(tài)矩陣制定；③配置狀態(tài)轉(zhuǎn)化；④配置狀態(tài)編碼；⑤配置組合。為說(shuō)明此解決方案，本文通過(guò)應(yīng)用案例進(jìn)行描述。

（1）特殊設(shè)備識(shí)別。特殊設(shè)備包括搭載設(shè)備和因研制廠家不同導(dǎo)致技術(shù)狀態(tài)不同的設(shè)備，這里稱為特殊設(shè)備，其它稱為普通設(shè)備；由于特殊設(shè)備的配置不同，導(dǎo)致了同類航天器設(shè)計(jì)狀態(tài)的不同，因此，本文對(duì)特殊設(shè)備進(jìn)行識(shí)別與匯總，通過(guò)特殊設(shè)備的配置狀態(tài)確定航天器的型號(hào)特征。

這里以某衛(wèi)星星座為例對(duì)特殊設(shè)備進(jìn)行說(shuō)明。該星座特殊設(shè)備共4類，分別為設(shè)備A、B、C 和D，其中A、B和C是搭載設(shè)備，D 是多個(gè)廠家分別研制的同類設(shè)備，D 設(shè)備的研制廠家分別為X 廠、Y 廠和Z廠，研制的設(shè)備分別為D-X、D-Y 和D-Z。

（2）配置狀態(tài)矩陣制定。衛(wèi)星總體根據(jù)頂層任務(wù)要求和設(shè)備分工定點(diǎn)要求確定各類衛(wèi)星設(shè)備配置狀態(tài)。在各種配置的航天器差異性比對(duì)中，特殊設(shè)備使用情況反映了該航天器的設(shè)計(jì)特征，因此需形成各型航天器特殊設(shè)備配置狀態(tài)矩陣，通過(guò)狀態(tài)矩陣描述特殊設(shè)備配置情況。

此星座衛(wèi)星共有6種配置，各型衛(wèi)星配置情況見(jiàn)表1（標(biāo)有“√”記號(hào)表示此型衛(wèi)星配置有該設(shè)備，空白表示未配置該設(shè)備）；該配置矩陣標(biāo)明了各型衛(wèi)星的特殊設(shè)備應(yīng)用情況。

表1 設(shè)備配置狀態(tài)矩陣Table 1 Satellite configuration state matrix

（3）配置狀態(tài)轉(zhuǎn)化。配置確定后，衛(wèi)星總體按照配置開(kāi)展設(shè)備布局設(shè)計(jì)。布局過(guò)程是一種綜合考慮機(jī)、光、電、熱、磁等條件的多學(xué)科優(yōu)化過(guò)程［1，5-6］，經(jīng)過(guò)多輪的迭代設(shè)計(jì)，最終完成各設(shè)備在衛(wèi)星艙板上的布局。

對(duì)于星座衛(wèi)星，根據(jù)平臺(tái)化、模塊化和產(chǎn)品化的基本要求，衛(wèi)星總體應(yīng)確保6型衛(wèi)星（I型、II型、III型、IV型、V型和VI型）中通用設(shè)備的布局應(yīng)盡量相同，特殊設(shè)備所在艙板盡量明確，并與普通設(shè)備布局區(qū)域相對(duì)獨(dú)立，減少相互之間的耦合；對(duì)于僅安裝普通設(shè)備的艙板，在各型衛(wèi)星中布局相同，這些艙板被稱為單態(tài)板；對(duì)于安裝有特殊設(shè)備的艙板，不同衛(wèi)星中，布局情況不同，即同一艙板在不同衛(wèi)星中存在不同的布局狀態(tài)，本文將此類艙板稱為多態(tài)板。各型衛(wèi)星都是單態(tài)板和多態(tài)板的組合，衛(wèi)星的多狀態(tài)最終反映為某些艙板的多狀態(tài)。

（4）配置狀態(tài)編碼。為有效控制多態(tài)板的配置狀態(tài)，需對(duì)多態(tài)板的不同配置狀態(tài)進(jìn)行編碼，用于區(qū)分不同狀態(tài)的設(shè)計(jì)文件、模型與圖紙，進(jìn)而形成與各自狀態(tài)相對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)文件、模型與圖紙集合。

設(shè)備A 和D 安裝在艙板31-0上，設(shè)備B 和C安裝在艙板33-0上，根據(jù)表1中各型衛(wèi)星的設(shè)備配置情況，艙板31-0存在5種布局狀態(tài)，艙板33-0存在3種布局狀態(tài)，配置狀態(tài)編碼情況見(jiàn)表2。

表2 艙板設(shè)計(jì)狀態(tài)編碼Table 2 Coding for structure board design state

31-0板5種配置對(duì)應(yīng)的狀態(tài)編碼分別為：31-0＿S1、31-0＿S2、31-0＿S3、31-0＿S4和31-0＿S5，各編號(hào)對(duì)應(yīng)的配置情況見(jiàn)表2。

33-0板3中配置對(duì)應(yīng)的狀態(tài)編碼分別為：33-0＿S1、33-0＿S2和33-0＿S3，各編號(hào)對(duì)應(yīng)的配置情況見(jiàn)表2。

（5）配置組合。多態(tài)板的每種配置狀態(tài)與單態(tài)板共同組成衛(wèi)星艙板的基本狀態(tài)集合，各型衛(wèi)星是多態(tài)板的其中一個(gè)配置狀態(tài)與單態(tài)板的組合。衛(wèi)星艙板投產(chǎn)時(shí)，衛(wèi)星總體根據(jù)衛(wèi)星配置情況對(duì)單態(tài)板和多態(tài)板所對(duì)應(yīng)的艙板進(jìn)行組合。6型衛(wèi)星多態(tài)板組合情況見(jiàn)表3。

這里通過(guò)上述例子，說(shuō)明基于艙板配置的設(shè)備布局方案應(yīng)用過(guò)程：①通過(guò)特殊設(shè)備識(shí)別，確定星座中特殊設(shè)備種類情況；②根據(jù)分工定點(diǎn)，確定各衛(wèi)星上特殊設(shè)備的應(yīng)用情況，并形成設(shè)備配置狀態(tài)矩陣（表1）；③結(jié)合衛(wèi)星設(shè)備布局和配置，確定單態(tài)板和多態(tài)板；④對(duì)多態(tài)板進(jìn)行編碼（表2），形成艙板數(shù)據(jù)集；⑤根據(jù)衛(wèi)星設(shè)備配置，從艙板數(shù)據(jù)集中抽取數(shù)據(jù)，構(gòu)成對(duì)應(yīng)類型的衛(wèi)星數(shù)據(jù)（表3）。通過(guò)以上過(guò)程完成基于艙板配置的整星數(shù)據(jù)信息配置管理。

4 產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)中的設(shè)備布局狀態(tài)管理

航天器設(shè)計(jì)過(guò)程是多系統(tǒng)、多學(xué)科、多廠所協(xié)同工作的過(guò)程，設(shè)計(jì)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的設(shè)計(jì)文件、模型和圖紙等載體，這里統(tǒng)稱為數(shù)據(jù)文件。各類數(shù)據(jù)文件相互協(xié)調(diào)、共同確定航天器的設(shè)計(jì)狀態(tài)，從而，航天器設(shè)計(jì)狀態(tài)的管理可以歸結(jié)為數(shù)據(jù)文件的管理。數(shù)據(jù)文件通常借助產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)進(jìn)行管理，這些系統(tǒng)一般具有文件管理、版本管理、更改管理、送審管理、查詢管理、權(quán)限管理、借用管理等功能，使航天器文件、模型和圖紙?jiān)谘兄七^(guò)程中內(nèi)容受控、共享和再利用，實(shí)現(xiàn)信息數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)管理，提高設(shè)計(jì)的效率［7-8］。當(dāng)前，數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)有很多種，相互之間存在差異，但應(yīng)具有如下2項(xiàng)基本功能：

（1）數(shù)據(jù)管理。支持分布式異構(gòu)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、查詢和管理功能，進(jìn)行數(shù)據(jù)的檢入、修改、送審和后期利用；具備權(quán)限管理功能，通過(guò)權(quán)限管理確保許可的人，在許可的時(shí)間，以許可的方式進(jìn)行許可的操作；具備版本管理功能，通過(guò)版本區(qū)分不同時(shí)段的設(shè)計(jì)信息，從而保存中間過(guò)程的設(shè)計(jì)信息，確保設(shè)計(jì)信息的可追溯性［9-10］。

（2）產(chǎn)品結(jié)構(gòu)管理。通過(guò)視圖和明細(xì)表，實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和物料清單管理；任何產(chǎn)品通常由一系列的零件、部件組成，將部件進(jìn)一步分解，直到不能再分解，形成一個(gè)倒立分層的樹(shù)狀結(jié)構(gòu)，稱為產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹(shù)，簡(jiǎn)稱產(chǎn)品結(jié)構(gòu)。產(chǎn)品結(jié)構(gòu)反映了產(chǎn)品的零部件層次關(guān)系，使得產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)關(guān)系清晰可見(jiàn)［10-11］。

產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的上述功能在小批量、多狀態(tài)的航天器研制中廣泛應(yīng)用。數(shù)據(jù)管理功能促進(jìn)批產(chǎn)航天器數(shù)據(jù)管理與相互借用，避免重復(fù)設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)重復(fù)導(dǎo)入；產(chǎn)品結(jié)構(gòu)功能支持產(chǎn)品設(shè)計(jì)狀態(tài)分解，促進(jìn)設(shè)計(jì)改進(jìn)型快速實(shí)現(xiàn)，方便配置管理和技術(shù)狀態(tài)控制。

使用產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)備布局狀態(tài)管理時(shí)，單態(tài)板和多態(tài)艙板分別建立與之對(duì)應(yīng)的獨(dú)立節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)下包含與艙板相對(duì)應(yīng)的布局文件、模型和圖紙，任何一個(gè)艙板節(jié)點(diǎn)都是該艙板相關(guān)布局信息的數(shù)據(jù)集。小批量、多狀態(tài)航天器的任一狀態(tài)都是單態(tài)板和多態(tài)板數(shù)據(jù)集的組合，任一狀態(tài)航天器的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)都是共用艙板設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)與多態(tài)艙板設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的組合；從而降低設(shè)計(jì)的難度，給小批量、多狀態(tài)航天器設(shè)計(jì)、管理提供有效的途徑和方式。

5 導(dǎo)航衛(wèi)星設(shè)備布局方案

在導(dǎo)航衛(wèi)星研制過(guò)程中，應(yīng)用基于艙板配置的設(shè)備布局方案對(duì)衛(wèi)星設(shè)備布局狀態(tài)進(jìn)行了控制。首先確定了衛(wèi)星特殊設(shè)備，包括搭載設(shè)備4類，分別為JY01、JY02、JY03和JY04，不同技術(shù)狀態(tài)設(shè)備2類，分別為D01和D02；其中D01有兩個(gè)研制廠家X 和Y，研制的設(shè)備分別為D01X 和D01Y；D02有兩個(gè)研制廠家S和T，研制的設(shè)備分別為D02S和D02T。這些設(shè)備分別安裝在11-0、12-0和13-0艙板上，艙板11-0 共有3 種配置，艙板12-0和13-0分別有2種配置；各自的狀態(tài)編號(hào)分別為11-0＿S1、11-0＿S2、11-0＿S3、12-0＿S1、12-0＿S2、13-0＿S1和13-0＿S2，衛(wèi)星多態(tài)板及特殊設(shè)備配置情況見(jiàn)圖2。

圖2 各衛(wèi)星設(shè)備布局狀態(tài)Fig．2 Layout state for each satellite

該方案與產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了衛(wèi)星單態(tài)板和多態(tài)艙板的設(shè)備布局狀態(tài)管理，同一布局狀態(tài)的數(shù)據(jù)在系統(tǒng)中集中管理，形成產(chǎn)品數(shù)據(jù)集；并結(jié)合版本管理、有效性管理對(duì)各版本關(guān)于批發(fā)次的有效性［12］情況進(jìn)行清晰的界定，見(jiàn)圖3。

圖3 衛(wèi)星設(shè)備布局配置Fig．3 Satellite equipments layout configuration

圖3中公共數(shù)據(jù)集中管理了單態(tài)板和多態(tài)板每種狀態(tài)的布局?jǐn)?shù)據(jù)，各型衛(wèi)星，如圖3中I型衛(wèi)星數(shù)據(jù)直接從公共數(shù)據(jù)集中提取符合要求的布局?jǐn)?shù)據(jù)，即可快速構(gòu)建I型衛(wèi)星產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹(shù)，從而實(shí)現(xiàn)各型衛(wèi)星設(shè)計(jì)狀態(tài)的清晰管理。該方案解決了多方案設(shè)計(jì)中的設(shè)計(jì)狀態(tài)控制的難題，簡(jiǎn)化了控制方法，使得各衛(wèi)星的狀態(tài)準(zhǔn)確明了。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)小批量、多狀態(tài)航天器的設(shè)計(jì)狀態(tài)控制難題，提出了基于艙板配置的設(shè)備布局狀態(tài)控制方案，通過(guò)特殊設(shè)備識(shí)別、配置狀態(tài)矩陣制定、配置狀態(tài)轉(zhuǎn)化、配置狀態(tài)編碼和配置組合實(shí)現(xiàn)批產(chǎn)航天器的設(shè)備布局狀態(tài)控制，并結(jié)合產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的實(shí)施，實(shí)現(xiàn)批產(chǎn)航天器的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)管理。降低了航天器總體設(shè)計(jì)難度，提高了工程實(shí)施的可行性和可實(shí)施性。本方案實(shí)施可行，可在具有類似特點(diǎn)的航天器研制工作中加以推廣。

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