空天飛行器質(zhì)量特性管理系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

滿益明，韓金鵬，羅明強2，康 軍

(1.中國運載火箭技術(shù)研究院，北京 100076；2.北京航空航天大學(xué) 航空科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100191)

0 引言

空天飛行器是指一種集航空、航天技術(shù)于一體，兼有航空和航天功能，既能在軌執(zhí)行任務(wù)又能在機場水平著陸的飛行器[1]?？仗祜w行器質(zhì)量特性(質(zhì)量、質(zhì)心、轉(zhuǎn)動慣量和慣量積)是飛行器總體設(shè)計的重要依據(jù)和關(guān)鍵控制參數(shù)，與飛行器總體性能和技術(shù)指標(biāo)密切相關(guān)，其設(shè)計與控制貫穿于空天飛行器全壽命研制周期[2-7]。

隨著先進(jìn)數(shù)字化技術(shù)和三維數(shù)字樣機技術(shù)的發(fā)展與工程應(yīng)用[7-12]，空天飛行器質(zhì)量特性控制變得相對容易，易于實現(xiàn)，可有效解決傳統(tǒng)設(shè)計模式下全飛行器質(zhì)量特性數(shù)據(jù)難以統(tǒng)一管理，難以精確控制和評估的難題，從而降低設(shè)計成本，提高質(zhì)量特性設(shè)計工作的準(zhǔn)確性和時效性?；贑ATIA VPM數(shù)字化設(shè)計環(huán)境，本文提出了空天飛行器質(zhì)量特性管理系統(tǒng)總體技術(shù)方案，開發(fā)了飛行器質(zhì)量特性管理系統(tǒng)，通過工程應(yīng)用，證明了總體設(shè)計思路的合理性與正確性。相比于傳統(tǒng)質(zhì)量特性管理手段，該系統(tǒng)計算速度更快、數(shù)據(jù)更為準(zhǔn)確，實現(xiàn)了飛行器質(zhì)量特性全壽命周期的動態(tài)可控、可見和可追溯。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 設(shè)計思路

空天飛行器任務(wù)剖面涵蓋地面、發(fā)射上升、長期在軌、離軌再入和進(jìn)場著陸等多個階段，飛行器質(zhì)量特性控制具有全程控制精確化、數(shù)據(jù)來源多樣化、設(shè)計過程全程化、數(shù)據(jù)分析動態(tài)化、三維數(shù)模數(shù)據(jù)海量化和多專業(yè)需求差異化等特點[1]。針對上述特點，空天飛行器質(zhì)量特性管理系統(tǒng)采用功能層次化、軟件模塊化、平臺通用化、數(shù)據(jù)動態(tài)化、顯示多樣化的指導(dǎo)思想，按照一次開發(fā)，多項目全壽命周期使用的總體設(shè)計思路，基于飛行器研制流程，構(gòu)建了飛行器質(zhì)量特性管理系統(tǒng)，以滿足不同研制階段、不同構(gòu)型、不同權(quán)限用戶、不同層級(零部件、部組件、全飛行器級)對全飛行器質(zhì)量特性的管理需求。

1.2 系統(tǒng)方案

飛行器質(zhì)量特性管理系統(tǒng)主要包括三部分:質(zhì)量特性數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)、質(zhì)量特性數(shù)據(jù)分析與評估子系統(tǒng)和質(zhì)量分布計算子系統(tǒng)，總體框架如圖1所示。

圖1 管理系統(tǒng)總體框架

飛行器質(zhì)量特性數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)是設(shè)計人員開展整器或部組件質(zhì)量特性管理和控制的基本數(shù)據(jù)依據(jù)，管理的目的在于有效地將各類來源的質(zhì)量特性數(shù)據(jù)管理起來，建立一個統(tǒng)一的、有依據(jù)的質(zhì)量特性數(shù)據(jù)中心，在此基礎(chǔ)之上對飛行器質(zhì)量特性開展進(jìn)一步計算、分析、預(yù)測、監(jiān)控和控制。質(zhì)量特性數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)建立的飛行器質(zhì)量特性數(shù)據(jù)庫是設(shè)計人員開展飛行器質(zhì)量特性數(shù)據(jù)分析與評估的前提。

質(zhì)量特性數(shù)據(jù)分析與評估子系統(tǒng)是設(shè)計人員開展飛行器質(zhì)量特性分析、動態(tài)跟蹤、監(jiān)控、預(yù)測及評估的專業(yè)設(shè)計工具，是總體設(shè)計人員控制和預(yù)測整器或部組件質(zhì)量特性狀態(tài)的重要過程及手段。質(zhì)量特性數(shù)據(jù)分析工作主要分為三類：第一類是各專業(yè)提出的某一項或幾項相關(guān)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，如縱向質(zhì)心、質(zhì)量的統(tǒng)計分析；第二類是根據(jù)各零部件的基本質(zhì)量特性數(shù)據(jù)與歷史統(tǒng)計數(shù)據(jù)開展的對比分析，如系統(tǒng)/分系統(tǒng)質(zhì)量系數(shù)統(tǒng)計、材料系數(shù)統(tǒng)計、不同項目質(zhì)量特性數(shù)據(jù)對比等。最后一類是飛行器質(zhì)量特性的趨勢分析，這項工作是飛行器質(zhì)量特性控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在缺少先驗數(shù)據(jù)的情況下，設(shè)計人員通常需要基于分析結(jié)果對飛行器質(zhì)量特性的變化趨勢進(jìn)行預(yù)測，給出預(yù)測重量及重量裕度。質(zhì)量特性數(shù)據(jù)分析與評估子系統(tǒng)是飛行器質(zhì)量特性控制的有力支撐。

隨著計算機技術(shù)和設(shè)計手段的進(jìn)步，飛行器總體設(shè)計工作越來越精細(xì)化。飛行器質(zhì)量特性分布計算子系統(tǒng)為設(shè)計人員開展質(zhì)量特性的分布計算、載荷及強度的精細(xì)化設(shè)計與分析、零部件或部組件的結(jié)構(gòu)與傳力路線的優(yōu)化設(shè)計、質(zhì)量特性的優(yōu)化設(shè)計提供了可能。因此，質(zhì)量特性分布計算子系統(tǒng)是飛行器質(zhì)量特性控制的重要手段，與質(zhì)量特性精確化設(shè)計與優(yōu)化、質(zhì)量特性的預(yù)測與控制密切相關(guān)。

飛行器質(zhì)量特性管理系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程如圖2所示。

圖2 飛行器質(zhì)量特性管理系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程

從圖2可以看出，飛行器質(zhì)量特性數(shù)據(jù)管理、分析與評估子系統(tǒng)的相關(guān)功能模塊均圍繞飛行器質(zhì)量特性數(shù)據(jù)庫展開，質(zhì)量特性數(shù)據(jù)庫不單獨作為功能模塊，各功能模塊分別依照其業(yè)務(wù)需求對飛行器質(zhì)量特性數(shù)據(jù)庫進(jìn)行讀寫操作交換數(shù)據(jù)。質(zhì)量特性數(shù)據(jù)庫作為該系統(tǒng)的核心，只有基于各零部件、部組件、分系統(tǒng)的質(zhì)量特性才能建立全飛行器質(zhì)量特性數(shù)據(jù)庫。飛行器質(zhì)量分布計算子系統(tǒng)主要功能是圍繞對應(yīng)的質(zhì)量特性數(shù)據(jù)和CATIA數(shù)模展開，通過構(gòu)建一定的網(wǎng)格，利用成熟的工程算法，對數(shù)模進(jìn)行質(zhì)量切分，并開展質(zhì)量分布計算分析。質(zhì)量特性分析計算子系統(tǒng)是總體設(shè)計過程中相關(guān)專業(yè)對質(zhì)量特性數(shù)據(jù)的一個典型應(yīng)用。

2 關(guān)鍵子系統(tǒng)方案

2.1 數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)方案

飛行器質(zhì)量特性數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)包括項目及階段管理、數(shù)據(jù)編輯、數(shù)據(jù)權(quán)限管理、數(shù)據(jù)檢查等模塊，用于管理不同項目、不同設(shè)計階段、不同版本的飛行器質(zhì)量特性數(shù)據(jù)分解結(jié)構(gòu)樹，實現(xiàn)對質(zhì)量特性數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)編輯、數(shù)據(jù)更新、數(shù)據(jù)檢查和數(shù)據(jù)權(quán)限管理等功能。同時，還可為外部系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)接口，實現(xiàn)飛行器質(zhì)量特性數(shù)據(jù)的輸入輸出。

圖3 質(zhì)量特性數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)功能框架

項目及階段管理模塊主要實現(xiàn)不同項目或同一項目不同階段質(zhì)量特性數(shù)據(jù)的層次化管理，常采用樹形結(jié)構(gòu)。項目啟動時，除需按照項目的需求建立項目及項目分類的層次結(jié)構(gòu)外，還需確定項目屬性表結(jié)構(gòu)和屬性項類型的定義。

數(shù)據(jù)編輯模塊用于實現(xiàn)質(zhì)量特性數(shù)據(jù)的直接編輯功能，包括質(zhì)量特性數(shù)據(jù)版本及其分解結(jié)構(gòu)樹的編輯、質(zhì)量特性數(shù)據(jù)編輯等。項目及階段確定后，管理系統(tǒng)將以數(shù)據(jù)版本作為質(zhì)量特性數(shù)據(jù)封裝單位，一個數(shù)據(jù)版本對應(yīng)一個完整的質(zhì)量特性數(shù)據(jù)分解結(jié)構(gòu)。在項目及階段明確定義后，設(shè)計人員將以數(shù)據(jù)版本作為質(zhì)量特性數(shù)據(jù)封裝單位，一個數(shù)據(jù)版本對應(yīng)一個完整的質(zhì)量特性數(shù)據(jù)分解結(jié)構(gòu)，其中的數(shù)據(jù)屬性表與項目的屬性表定義保持一致，且父子節(jié)點下的數(shù)據(jù)可包含繼承特性。在數(shù)據(jù)版本下開展質(zhì)量分解結(jié)構(gòu)樹編輯時，每個節(jié)點均可進(jìn)行無限層級定義，形成質(zhì)量特性分解結(jié)構(gòu)樹，且具有父子關(guān)系的節(jié)點之間可支持更新計算。質(zhì)量特性數(shù)據(jù)編輯的對象是質(zhì)量分解結(jié)構(gòu)樹下各系統(tǒng)、子系統(tǒng)及部組件等節(jié)點下的各屬性項數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)接口模塊主要實現(xiàn)質(zhì)量特性數(shù)據(jù)的導(dǎo)入導(dǎo)出功能。通過該功能可將滿足管理系統(tǒng)輸入接口的質(zhì)量特性數(shù)據(jù)與結(jié)構(gòu)樹下選中的項目、階段、版本或質(zhì)量節(jié)點建立關(guān)聯(lián)關(guān)系；通過導(dǎo)出功能，可將選中的項目、階段、版本或質(zhì)量節(jié)點的質(zhì)量特性數(shù)據(jù)以一定的格式輸出，如EXCEL表格文件，當(dāng)設(shè)計人員選中節(jié)點為項目、階段時，可將質(zhì)量特性數(shù)據(jù)批量導(dǎo)出，若選中節(jié)點為數(shù)據(jù)版本或質(zhì)量特性數(shù)據(jù)節(jié)點，則進(jìn)行單個數(shù)據(jù)導(dǎo)出。

數(shù)據(jù)更新與計算主要實現(xiàn)對質(zhì)量特性數(shù)據(jù)的計算和檢查功能，包括數(shù)據(jù)更新與計算、數(shù)據(jù)權(quán)限管理和數(shù)據(jù)檢查等。通過設(shè)置數(shù)據(jù)節(jié)點間相關(guān)數(shù)據(jù)項目的計算關(guān)系及設(shè)定的計算范圍，設(shè)計人員可實時進(jìn)行數(shù)據(jù)更新與計算。在計算范圍內(nèi)，按照提前設(shè)置好的計算公式，自底向上進(jìn)行數(shù)據(jù)計算，計算過程中凍結(jié)版本的數(shù)據(jù)因無修改權(quán)限而不參與計算和更新，鎖定的數(shù)據(jù)雖無更新權(quán)限，但仍可向上一級節(jié)點傳遞本節(jié)點數(shù)據(jù)，并參與上一級節(jié)點的計算與數(shù)據(jù)更新。典型的計算關(guān)系包括剛體的質(zhì)心計算、轉(zhuǎn)動慣量計算和慣性積計算。

數(shù)據(jù)權(quán)限包括版本的修改權(quán)限和數(shù)據(jù)的更新權(quán)限，可分為版本凍結(jié)/解凍和數(shù)據(jù)鎖定/解鎖兩部分，通過該功能，設(shè)計人員可對數(shù)據(jù)狀態(tài)進(jìn)行動態(tài)管理，按需進(jìn)行更新計算。版本凍結(jié)狀態(tài)僅針對某個確定的版本，凍結(jié)狀態(tài)下對應(yīng)的數(shù)據(jù)無法進(jìn)行編輯和更新；數(shù)據(jù)鎖定/解鎖狀態(tài)僅針對某一數(shù)據(jù)節(jié)點，解鎖狀態(tài)的數(shù)據(jù)節(jié)點不參與上一節(jié)點的數(shù)據(jù)更新。

數(shù)據(jù)檢查的對象為某個數(shù)據(jù)版本，包括區(qū)域碼檢查和數(shù)據(jù)合規(guī)性檢查，系統(tǒng)允許設(shè)計人員建立多組檢查項開展切換檢查。設(shè)計人員可按需配置檢查規(guī)則，對每一組檢查項的出錯狀態(tài)可進(jìn)行自主標(biāo)示，當(dāng)數(shù)據(jù)被修改為正確數(shù)值后，狀態(tài)即可自動恢復(fù)。

2.2 數(shù)據(jù)分析與評估子系統(tǒng)方案

數(shù)據(jù)分析與評估子系統(tǒng)包括基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析、數(shù)據(jù)對比分析等模塊，主要功能是建立飛機、衛(wèi)星、飛船等飛行器質(zhì)量特性的基本數(shù)據(jù)庫，對數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)鍵字及多條件查詢，動態(tài)監(jiān)控飛行器質(zhì)量特性變化，并開展統(tǒng)計分析。

圖4 質(zhì)量特性數(shù)據(jù)分析與評估子系統(tǒng)功能框架

數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析模塊用于按需對數(shù)據(jù)庫中的質(zhì)量特性數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，獲取整器或分系統(tǒng)/部組件等的共性或特殊類型信息，如分系統(tǒng)質(zhì)量系數(shù)統(tǒng)計、材料系數(shù)統(tǒng)計等，并以直觀圖示展示統(tǒng)計結(jié)果。

數(shù)據(jù)查詢模塊主要是對質(zhì)量特性數(shù)據(jù)庫中不同項目、不同階段、不同版本下的各類數(shù)據(jù)進(jìn)行查閱和條件檢索，包括基礎(chǔ)查詢和高級查詢。通過關(guān)鍵字進(jìn)行基礎(chǔ)查詢，重點體現(xiàn)各專業(yè)人員對項目相關(guān)數(shù)據(jù)的查詢需求；高級查詢主要通過設(shè)置數(shù)據(jù)屬性項(如質(zhì)量、材料等)的過濾實例，滿足用戶自由查詢需求，如進(jìn)行部件+材料+質(zhì)量范圍的查詢。

結(jié)合各零部件基本特性和統(tǒng)計特性，數(shù)據(jù)對比模塊主要用于滿足各專業(yè)設(shè)計人員對質(zhì)量特性數(shù)據(jù)信息的對比分析需求，如不同項目同一種材料的所占百分比、同一項目不同階段質(zhì)量特性變化、不同項目同一階段質(zhì)量特性變化等。

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫框架是基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫建設(shè)的核心內(nèi)容?；A(chǔ)數(shù)據(jù)庫以用戶定義的參數(shù)表為基礎(chǔ)，輔以數(shù)據(jù)查詢、分析及分類管理等，提供與通用數(shù)據(jù)資源庫的接口，可調(diào)用通用數(shù)據(jù)資源庫中的實例參數(shù)進(jìn)行分析；此外，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫通常還包含飛機、航天器等質(zhì)量特性相關(guān)的基本數(shù)據(jù)庫。基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫框架主要由數(shù)據(jù)項維護(hù)、實例維護(hù)、實例應(yīng)用以及實例分析等部分組成。

2.3 質(zhì)量分布計算子系統(tǒng)方案

飛行器質(zhì)量分布計算子系統(tǒng)通過對數(shù)模的前處理和網(wǎng)格劃分，可快速完成飛行器及其主要部件的質(zhì)量塊生成及質(zhì)量分布計算，以圖像化形式顯示計算結(jié)果，輸出特定格式數(shù)據(jù)。質(zhì)量分布計算子系統(tǒng)功能框架如圖5所示。

圖5 質(zhì)量分布計算子系統(tǒng)功能框架

計算前處理模塊主要功能是對質(zhì)量分布計算用的模型進(jìn)行合規(guī)性檢查和設(shè)置質(zhì)量切分所用的有限元網(wǎng)格。模型檢查功能可自動過濾篩選開展質(zhì)量分布計算所需的實體模型。通過直接在建模環(huán)境中選擇節(jié)點的方式，選擇需進(jìn)行質(zhì)量分布計算的模型，針對選定的模型，系統(tǒng)將自動識別出其中的質(zhì)量信息和可用于分布計算的實體模型。

網(wǎng)格切分和質(zhì)量塊生成模塊利用計算前處理的有限元網(wǎng)格劃分信息完成對所選中數(shù)字模型的切分計算，以Panel單元形式統(tǒng)計切分落入各單元內(nèi)的質(zhì)量特性數(shù)據(jù)，并自動生成相關(guān)結(jié)果。在切分質(zhì)量特性計算結(jié)果后，通常需要補充及合并系統(tǒng)質(zhì)量特性，以形成可用于質(zhì)量分布用的質(zhì)量特性數(shù)據(jù)。

質(zhì)量分布計算模塊主要用于將各部件的質(zhì)量特性數(shù)據(jù)按照一定的工程計算方法(如面積法、虛功原理法等)合理等效地分布在給定的有限元網(wǎng)格節(jié)點上。

結(jié)果后處理模塊主要用來實現(xiàn)對計算結(jié)果及有限元網(wǎng)格的瀏覽查閱，通常以圖片或表格的形式顯示處理結(jié)果，如以圖形化三維顯示方式展示質(zhì)量分布計算結(jié)果時，常包括各質(zhì)量塊、質(zhì)量塊的質(zhì)點、質(zhì)量分布節(jié)點、分布質(zhì)量大小等。

3 典型案例應(yīng)用

目前，飛行器質(zhì)量管理系統(tǒng)已應(yīng)用于某項目研制工作，并形成了不同研制階段各零部件、部組件、子系統(tǒng)、分系統(tǒng)及全飛行器質(zhì)量特性變化歷程數(shù)據(jù)庫，完成了典型部組件的質(zhì)量分布計算。通過該系統(tǒng)的設(shè)計與研制，設(shè)計團(tuán)隊不僅完成了質(zhì)量特性原始數(shù)據(jù)的高效、集中、統(tǒng)一管理和精確的、持續(xù)的動態(tài)評估，實現(xiàn)了全飛行器質(zhì)量特性數(shù)據(jù)的全過程動態(tài)可控、可見和可追溯，而且還降低了設(shè)計人員重復(fù)性工作量，提高了設(shè)計效率，保證了數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。

4 結(jié)束語

本文針對空天飛行器質(zhì)量特性控制的特點與難點，基于數(shù)字化設(shè)計環(huán)境和飛行器數(shù)字樣機，提出了飛行器質(zhì)量特性管理系統(tǒng)方案，結(jié)合工程應(yīng)用需求，完成了飛行器質(zhì)量特性管理系統(tǒng)建設(shè)與應(yīng)用。工程應(yīng)用結(jié)果表明，該系統(tǒng)可有效提高設(shè)計效率，確保質(zhì)量特性變化歷程的準(zhǔn)確性和時效性，實現(xiàn)全飛行器質(zhì)量特性數(shù)據(jù)的全過程動態(tài)可控、可見和可追溯。飛行器質(zhì)量特性管理系統(tǒng)的相關(guān)成果，后續(xù)還可推廣應(yīng)用于其他航天器的質(zhì)量特性控制。