李興乾，白明生，茍仲秋，張 偉

（中國空間技術(shù)研究院 載人航天總體部，北京 100094）

0 引言

系統(tǒng)重量控制在船舶設(shè)計(jì)[1]、飛機(jī)設(shè)計(jì)[2]等行業(yè)一直是一項(xiàng)重要工作，而航天飛行器的重量控制尤為重要。航天飛行器具有系統(tǒng)復(fù)雜、技術(shù)密集及風(fēng)險(xiǎn)巨大的顯著特點(diǎn)[3]，而且其重量受制于火箭的運(yùn)載能力，因此合理控制好系統(tǒng)重量，可以提高飛行器的效費(fèi)比。反之，系統(tǒng)重量失控，輕則引起設(shè)計(jì)的反復(fù)，影響研制進(jìn)度；重則影響系統(tǒng)功能，可能導(dǎo)致型號任務(wù)研制中止。

本文依據(jù)載人航天器型號研制實(shí)踐，對系統(tǒng)重量控制方法進(jìn)行了探討研究。

1 重量控制簡析

重量控制主要是通過對系統(tǒng)重量進(jìn)行準(zhǔn)確的預(yù)測，并在研制過程中進(jìn)行動態(tài)的跟蹤和控制，最終實(shí)現(xiàn)重量設(shè)計(jì)目標(biāo)的過程。

雖然重量控制工作在載人航天器研制中持續(xù)開展，但是并未明確引入重量控制的概念。航空總體設(shè)計(jì)中設(shè)有重量工程專業(yè)[4-6]，負(fù)責(zé)飛機(jī)研制過程中的重量控制。鑒于航空總體設(shè)計(jì)的重量控制實(shí)踐，文章提出在載人航天器研制中引入重量控制概念。

2 載人航天器基本重量構(gòu)成

載人航天器為多艙段結(jié)構(gòu)，一般由2個或3個艙段構(gòu)成，而且器上搭載的設(shè)備多達(dá)600～1 000臺。因此，明確載人航天器的基本重量構(gòu)成是有效開展重量控制的前提。

載人航天器系統(tǒng)重量包括艙體結(jié)構(gòu)重量、平臺設(shè)備重量、總裝重量、電纜網(wǎng)重量、熱控材料重量、氣液工質(zhì)重量以及試驗(yàn)載荷重量等。具體的重量構(gòu)成如圖1所示。

圖1 載人航天器基本重量構(gòu)成Fig. 1 The basic weight compositions of the manned spacecraft

不同的載人航天器各重量構(gòu)成所占比例會略有差異，但大體趨勢一致。某典型載人航天器系統(tǒng)重量構(gòu)成比例如圖2所示，艙體結(jié)構(gòu)、平臺設(shè)備所占比例較大，分別占系統(tǒng)重量的 23%和 35%。由此可以看出，做好結(jié)構(gòu)和設(shè)備的重量控制是關(guān)鍵。

圖2 載人航天器各重量構(gòu)成比例圖Fig. 2 The weight percentages for components of the manned spacecraft

3 載人航天器系統(tǒng)重量控制流程

重量控制工作貫穿于載人航天器整個研制歷程。載人航天器的研制階段分為方案設(shè)計(jì)階段、初樣設(shè)計(jì)階段和正樣設(shè)計(jì)階段。各研制階段的重量控制要點(diǎn)不同但均非常關(guān)鍵。在型號研制時，須將重量控制納入航天器研制流程中，并形成重量控制的閉環(huán)與迭代。當(dāng)重量不滿足指標(biāo)要求時，要進(jìn)行方案再設(shè)計(jì)或者采取減重措施，直到滿足重量要求為止。

載人航天器典型的系統(tǒng)重量控制流程如圖 3所示。

圖3 載人航天器典型系統(tǒng)重量控制流程圖Fig. 3 Flow chart of the typical system weight control for the manned spacecraft

4 不同研制階段重量控制要點(diǎn)

4.1 方案設(shè)計(jì)階段

1）合理進(jìn)行指標(biāo)分解

方案設(shè)計(jì)階段要對系統(tǒng)指標(biāo)（包括重量）進(jìn)行分解，同時將分解后重量指標(biāo)分配到分系統(tǒng)及各責(zé)任方。指標(biāo)分解時要確保項(xiàng)目全面，特別關(guān)注直屬件、標(biāo)準(zhǔn)件、熱控材料、總裝輔料等涉及項(xiàng)目多、分配范圍廣、重量預(yù)算難的項(xiàng)目。由于是初次分配，要充分借鑒以往型號的重量分配比例等數(shù)據(jù)資料，并深入了解型號的技術(shù)狀態(tài)，明確本型號與以往型號的狀態(tài)差異，力求做到指標(biāo)分配合理，既要保證各責(zé)任方有開展詳細(xì)設(shè)計(jì)的空間，又要保證總體的設(shè)計(jì)余量。

2）預(yù)留合理的設(shè)計(jì)余量

載人航天器方案設(shè)計(jì)階段會在設(shè)計(jì)上存在一定的不確定性，而且隨著方案的完善，系統(tǒng)重量一般會逐步增加，因此在方案初期進(jìn)行重量指標(biāo)分配時總體要預(yù)留足夠的設(shè)計(jì)余量，以應(yīng)對后續(xù)重量控制風(fēng)險(xiǎn)。依據(jù)以往的載人航天器的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，在方案設(shè)計(jì)階段一般預(yù)留8%～10%的設(shè)計(jì)余量。

3）準(zhǔn)確進(jìn)行重量預(yù)估

重量指標(biāo)分配后要根據(jù)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行系統(tǒng)重量預(yù)估，可使用三維模型工具建模計(jì)算并借用以往同類型產(chǎn)品重量作參考等手段，力求預(yù)估準(zhǔn)確。

4）及時對設(shè)計(jì)方案進(jìn)行修正

對于不能滿足系統(tǒng)重量指標(biāo)的方案要及時進(jìn)行修正，若問題遺留至后續(xù)階段，將帶來時間、進(jìn)度、質(zhì)量上的多重不利影響，造成研制工作被動。

4.2 初樣設(shè)計(jì)階段

1）重量控制前移且閉環(huán)

在單機(jī)產(chǎn)品設(shè)計(jì)層面，在初樣產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段和產(chǎn)品生產(chǎn)前要進(jìn)行重量計(jì)算；在系統(tǒng)設(shè)計(jì)層面，在初樣產(chǎn)品交付前要求對系統(tǒng)重量進(jìn)行復(fù)算。對于不滿足要求的設(shè)計(jì)，要及時進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)；需要調(diào)整指標(biāo)的項(xiàng)目，必須經(jīng)過重量控制組批準(zhǔn)方可執(zhí)行。將重量控制工作作為設(shè)計(jì)階段的閉環(huán)控制環(huán)節(jié)。

2）準(zhǔn)確進(jìn)行偏差控制

要根據(jù)產(chǎn)品的成熟程度，借鑒此前的研制數(shù)據(jù)，合理確定產(chǎn)品的偏差范圍。對完全繼承的、小幅改動的和全新設(shè)計(jì)的產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)偏差區(qū)分，并按此簽訂初樣接口數(shù)據(jù)單。為保證方案的可行性，可采用偏差的上限控制方法，即將產(chǎn)品可能達(dá)到的最大重量的總和作為目前的系統(tǒng)重量。

3）利用試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行重量尋優(yōu)

初樣設(shè)計(jì)階段要開展單機(jī)鑒定試驗(yàn)、驗(yàn)收試驗(yàn)，系統(tǒng)上要開展靜力試驗(yàn)、振動試驗(yàn)和力學(xué)分析等來驗(yàn)證設(shè)計(jì)有效性。要對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，在滿足設(shè)計(jì)要求的前提下合理削減結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過度冗余，追求重量優(yōu)化。

4）做好稱重狀態(tài)控制

為進(jìn)行系統(tǒng)重量狀態(tài)的驗(yàn)證，需進(jìn)行系統(tǒng)稱重。稱重前要進(jìn)行系統(tǒng)狀態(tài)清理，完成重量預(yù)估；稱重過程中做好現(xiàn)場狀態(tài)控制；稱重后仔細(xì)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，要考慮裝器工裝重量、工藝件與真實(shí)件的差異重量、未參加稱重的產(chǎn)品重量以及氣液工質(zhì)重量等因素。根據(jù)稱重結(jié)果復(fù)核系統(tǒng)設(shè)計(jì)并進(jìn)行適應(yīng)性改進(jìn)。

4.3 正樣設(shè)計(jì)階段

1） 及時固化設(shè)計(jì)狀態(tài)

完成初樣階段工作后，應(yīng)及時固化系統(tǒng)設(shè)計(jì)狀態(tài)，轉(zhuǎn)入正樣設(shè)計(jì)階段。嚴(yán)格按照產(chǎn)品的偏差要求簽訂正樣接口數(shù)據(jù)單，并據(jù)此進(jìn)行產(chǎn)品的交付驗(yàn)收。

2） 嚴(yán)格進(jìn)行產(chǎn)品重量控制

系統(tǒng)設(shè)計(jì)狀態(tài)固化后，嚴(yán)格進(jìn)行產(chǎn)品在生產(chǎn)、實(shí)施過程中的重量控制，對超差嚴(yán)格審批把關(guān)，遵循“盡量杜絕、嚴(yán)格審議”的原則進(jìn)行超差控制。

3） 準(zhǔn)確進(jìn)行重量計(jì)算

正樣設(shè)計(jì)階段，重量控制的準(zhǔn)確度是關(guān)鍵，因?yàn)楹教炱鞯淖罱K發(fā)射重量及其質(zhì)量特性將直接影響與運(yùn)載火箭的接口，以及控制系統(tǒng)的控制模型和參數(shù)。此階段重量控制的原則是均應(yīng)采用實(shí)測值。另外，由于在發(fā)射前最后一次系統(tǒng)稱重是在推進(jìn)工質(zhì)加注前，而加注后發(fā)射狀態(tài)的準(zhǔn)確重量只能通過計(jì)算得到，因此要求對加注重量進(jìn)行精準(zhǔn)控制。

4） 制定搭載預(yù)案

系統(tǒng)設(shè)計(jì)時可根據(jù)需求設(shè)計(jì)若干可獨(dú)立、靈活進(jìn)行裝載的裝器設(shè)備或試驗(yàn)項(xiàng)目作為預(yù)案，在正樣研制后期根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)重量余量狀態(tài)進(jìn)行選擇性裝載，以提高一次飛行試驗(yàn)的效用。

5 載人航天器重量控制體會

1）建立完整配套體系

載人航天器上產(chǎn)品種類和數(shù)量很多，需要將各類產(chǎn)品按照配套管理，形成配套體系，大至艙體結(jié)構(gòu)、小至螺釘緊固件均要納入體系。配套體系一般包括設(shè)備配套、電纜配套、直屬件配套、管路配套、標(biāo)準(zhǔn)件配套及熱控材料配套等。通過配套體系的完備性保證系統(tǒng)重量狀態(tài)的可控性、準(zhǔn)確性。

2）建立重量控制體制

建立重量控制體制是保證重量控制順利進(jìn)行的關(guān)鍵性工作[7]。重量控制中要明確組織實(shí)體，對重量控制工作負(fù)責(zé)，包括總重預(yù)測、系統(tǒng)重量分析、重量動態(tài)監(jiān)控、重量超差審查以及減重措施提出等。

3）重視數(shù)據(jù)積累

注重研制型號系統(tǒng)重量數(shù)據(jù)的積累并建立數(shù)據(jù)庫，作為后續(xù)型號研制時系統(tǒng)重量預(yù)估和控制的重要參考。

4）關(guān)注大部件重量控制

艙體結(jié)構(gòu)、輻射器和推進(jìn)主模塊等部件重量較大，均超過100 kg，有的甚至超過1 000 kg。由于其占系統(tǒng)重量的比重較大，其重量控制效果直接影響系統(tǒng)重量控制效果，所以在進(jìn)行重量控制時要對此類部件進(jìn)行特別關(guān)注，由設(shè)計(jì)及管理部門制定專門的質(zhì)量保證措施，確?？刂颇繕?biāo)的實(shí)現(xiàn)。同時在出現(xiàn)系統(tǒng)重量超差時，從大部件入手制定減重措施往往能收到較好的效果。

5）深入現(xiàn)場

重量控制工作需要多部門聯(lián)合協(xié)作，同時需要深入現(xiàn)場對產(chǎn)品驗(yàn)收、整器總裝、質(zhì)量特性測試及現(xiàn)場稱重等環(huán)節(jié)進(jìn)行檢查，了解飛行器狀態(tài)，及時對重量模型進(jìn)行完善。

6）建立獎懲制度

重量控制工作是一項(xiàng)長期的工作，因此各級組織可以借鑒航空業(yè)管理模式[7]，建立重量控制工作獎懲制度，對于設(shè)計(jì)滿足重量指標(biāo)或減重措施有效的工作予以獎勵，對于超重的設(shè)計(jì)進(jìn)行懲罰。以此強(qiáng)化設(shè)計(jì)師的重量控制意識，使減重設(shè)計(jì)理念深入人心，同時提升設(shè)計(jì)水平。

6 載人航天器輕量化設(shè)計(jì)措施

1）輕質(zhì)新材料應(yīng)用

輕質(zhì)新材料在載人航天器中的應(yīng)用可大大減輕系統(tǒng)重量。目前已在載人航天器艙體和設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上成功應(yīng)用的新型材料主要有鋁合金、鈦合金、復(fù)合材料及蜂窩夾層結(jié)構(gòu)材料等。鋁合金強(qiáng)度高、抗疲勞、耐腐蝕，且其他綜合性能好；鈦合金強(qiáng)度高、韌性強(qiáng)、其他綜合性能好，而且塑性與韌性相匹配，可代替鋼件達(dá)到減重目的；復(fù)合材料除了綜合性能較好之外，質(zhì)量密度小是其突出的優(yōu)勢；蜂窩夾層結(jié)構(gòu)材料比剛度大，易于整體結(jié)構(gòu)成型，具有吸振降噪的性能[2]。

2）系統(tǒng)功能優(yōu)化

載人航天器功能復(fù)雜，設(shè)計(jì)中在保證功能實(shí)現(xiàn)的同時還要力求功能的合并與共用。比如，某載人航天器在設(shè)計(jì)熱控輻射器時，將輻射器設(shè)計(jì)成兼具防微流星和空間碎片撞擊的結(jié)構(gòu)；在設(shè)計(jì)內(nèi)部承力隔板時，將其設(shè)計(jì)成兼具密封艙內(nèi)熱控通風(fēng)回路的風(fēng)道形式。通過功能的合并與優(yōu)化實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)減重。

3）減少過度冗余

載人航天器設(shè)計(jì)遵循“一度故障?？煽?、二度故障保安全”的設(shè)計(jì)理念，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中適當(dāng)進(jìn)行備份設(shè)計(jì)，以提高系統(tǒng)可靠性。但如果配置過度冗余，一方面系統(tǒng)復(fù)雜，增加了故障發(fā)生點(diǎn)；另一方面系統(tǒng)將付出較大的重量代價。因此，可對系統(tǒng)備份設(shè)計(jì)進(jìn)行梳理，取消過度冗余的系統(tǒng)配置，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)減重。

7 結(jié)束語

載人航天器系統(tǒng)重量控制是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，應(yīng)貫穿于型號研制的各個階段。重量控制工作要力求重量指標(biāo)分配科學(xué)合理、重量分析扎實(shí)細(xì)致、減重措施恰當(dāng)可行。

重量控制工作涉及系統(tǒng)設(shè)計(jì)等多個方面，彼此間相互聯(lián)系，重量控制時要秉承局部服從整體、性能與重量控制并重的原則，同時兼顧工藝性與經(jīng)濟(jì)性，提高系統(tǒng)效能。

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