滿益明，韓金鵬，羅明強2，康 軍

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

0 引言

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

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

1 系統(tǒng)設計

1.1 設計思路

空天飛行器任務剖面涵蓋地面、發(fā)射上升、長期在軌、離軌再入和進場著陸等多個階段，飛行器質量特性控制具有全程控制精確化、數(shù)據(jù)來源多樣化、設計過程全程化、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、顯示多樣化的指導思想，按照一次開發(fā)，多項目全壽命周期使用的總體設計思路，基于飛行器研制流程，構建了飛行器質量特性管理系統(tǒng)，以滿足不同研制階段、不同構型、不同權限用戶、不同層級(零部件、部組件、全飛行器級)對全飛行器質量特性的管理需求。

1.2 系統(tǒng)方案

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

圖1 管理系統(tǒng)總體框架

飛行器質量特性數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)是設計人員開展整器或部組件質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)的質量特性數(shù)據(jù)中心，在此基礎之上對飛行器質量特性開展進一步計算、分析、預測、監(jiān)控和控制。質量特性數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)建立的飛行器質量特性數(shù)據(jù)庫是設計人員開展飛行器質量特性數(shù)據(jù)分析與評估的前提。

質量特性數(shù)據(jù)分析與評估子系統(tǒng)是設計人員開展飛行器質量特性分析、動態(tài)跟蹤、監(jiān)控、預測及評估的專業(yè)設計工具，是總體設計人員控制和預測整器或部組件質量特性狀態(tài)的重要過程及手段。質量特性數(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數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，如縱向質心、質量的統(tǒng)計分析；第二類是根據(jù)各零部件的基本質量特性數(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)質量系數(shù)統(tǒng)計、材料系數(shù)統(tǒng)計、不同項目質量特性數(shù)據(jù)對比等。最后一類是飛行器質量特性的趨勢分析，這項工作是飛行器質量特性控制的關鍵環(huán)節(jié)。在缺少先驗數(shù)據(jù)的情況下，設計人員通常需要基于分析結果對飛行器質量特性的變化趨勢進行預測，給出預測重量及重量裕度。質量特性數(shù)據(jù)分析與評估子系統(tǒng)是飛行器質量特性控制的有力支撐。

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

飛行器質量特性管理系統(tǒng)業(yè)務流程如圖2所示。

圖2 飛行器質量特性管理系統(tǒng)業(yè)務流程

從圖2可以看出，飛行器質量特性數(shù)據(jù)管理、分析與評估子系統(tǒng)的相關功能模塊均圍繞飛行器質量特性數(shù)據(jù)庫展開，質量特性數(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)務需求對飛行器質量特性數(shù)據(jù)庫進行讀寫操作交換數(shù)據(jù)。質量特性數(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)的質量特性才能建立全飛行器質量特性數(shù)據(jù)庫。飛行器質量分布計算子系統(tǒng)主要功能是圍繞對應的質量特性數(shù)據(jù)和CATIA數(shù)模展開，通過構建一定的網格，利用成熟的工程算法，對數(shù)模進行質量切分，并開展質量分布計算分析。質量特性分析計算子系統(tǒng)是總體設計過程中相關專業(yè)對質量特性數(shù)據(jù)的一個典型應用。

2 關鍵子系統(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)權限管理、數(shù)據(jù)檢查等模塊，用于管理不同項目、不同設計階段、不同版本的飛行器質量特性數(shù)據(jù)分解結構樹，實現(xiàn)對質量特性數(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)飛行器質量特性數(shù)據(jù)的輸入輸出。

圖3 質量特性數(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量特性數(shù)據(jù)的層次化管理，常采用樹形結構。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構外，還需確定項目屬性表結構和屬性項類型的定義。

數(shù)據(jù)編輯模塊用于實現(xiàn)質量特性數(shù)據(jù)的直接編輯功能，包括質量特性數(shù)據(jù)版本及其分解結構樹的編輯、質量特性數(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)版本作為質量特性數(shù)據(jù)封裝單位，一個數(shù)據(jù)版本對應一個完整的質量特性數(shù)據(jù)分解結構。在項目及階段明確定義后，設計人員將以數(shù)據(jù)版本作為質量特性數(shù)據(jù)封裝單位，一個數(shù)據(jù)版本對應一個完整的質量特性數(shù)據(jù)分解結構，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)版本下開展質量分解結構樹編輯時，每個節(jié)點均可進行無限層級定義，形成質量特性分解結構樹，且具有父子關系的節(jié)點之間可支持更新計算。質量特性數(shù)據(jù)編輯的對象是質量分解結構樹下各系統(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)質量特性數(shù)據(jù)的導入導出功能。通過該功能可將滿足管理系統(tǒng)輸入接口的質量特性數(shù)據(jù)與結構樹下選中的項目、階段、版本或質量節(jié)點建立關聯(lián)關系；通過導出功能，可將選中的項目、階段、版本或質量節(jié)點的質量特性數(shù)據(jù)以一定的格式輸出，如EXCEL表格文件，當設計人員選中節(jié)點為項目、階段時，可將質量特性數(shù)據(jù)批量導出，若選中節(jié)點為數(shù)據(jù)版本或質量特性數(shù)據(jù)節(jié)點，則進行單個數(shù)據(jù)導出。

數(shù)據(jù)更新與計算主要實現(xiàn)對質量特性數(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)權限管理和數(shù)據(jù)檢查等。通過設置數(shù)據(jù)節(jié)點間相關數(shù)據(jù)項目的計算關系及設定的計算范圍，設計人員可實時進行數(shù)據(jù)更新與計算。在計算范圍內，按照提前設置好的計算公式，自底向上進行數(shù)據(jù)計算，計算過程中凍結版本的數(shù)據(jù)因無修改權限而不參與計算和更新，鎖定的數(shù)據(jù)雖無更新權限，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。典型的計算關系包括剛體的質心計算、轉動慣量計算和慣性積計算。

數(shù)據(jù)權限包括版本的修改權限和數(shù)據(jù)的更新權限，可分為版本凍結/解凍和數(shù)據(jù)鎖定/解鎖兩部分，通過該功能，設計人員可對數(shù)據(jù)狀態(tài)進行動態(tài)管理，按需進行更新計算。版本凍結狀態(tài)僅針對某個確定的版本，凍結狀態(tài)下對應的數(shù)據(jù)無法進行編輯和更新；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)允許設計人員建立多組檢查項開展切換檢查。設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)可進行自主標示，當數(shù)據(jù)被修改為正確數(shù)值后，狀態(tài)即可自動恢復。

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、飛船等飛行器質量特性的基本數(shù)據(jù)庫，對數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進行關鍵字及多條件查詢，動態(tài)監(jiān)控飛行器質量特性變化，并開展統(tǒng)計分析。

圖4 質量特性數(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)庫中的質量特性數(shù)據(jù)進行統(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)計結果。

數(shù)據(jù)查詢模塊主要是對質量特性數(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)進行查閱和條件檢索，包括基礎查詢和高級查詢。通過關鍵字進行基礎查詢，重點體現(xiàn)各專業(yè)人員對項目相關數(shù)據(jù)的查詢需求；高級查詢主要通過設置數(shù)據(jù)屬性項(如質量、材料等)的過濾實例，滿足用戶自由查詢需求，如進行部件+材料+質量范圍的查詢。

結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)設計人員對質量特性數(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量特性變化、不同項目同一階段質量特性變化等。

基礎數(shù)據(jù)庫框架是基礎數(shù)據(jù)庫建設的核心內容?；A數(shù)據(jù)庫以用戶定義的參數(shù)表為基礎，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，可調用通用數(shù)據(jù)資源庫中的實例參數(shù)進行分析；此外，基礎數(shù)據(jù)庫通常還包含飛機、航天器等質量特性相關的基本數(shù)據(jù)庫?；A數(shù)據(jù)庫框架主要由數(shù)據(jù)項維護、實例維護、實例應用以及實例分析等部分組成。

2.3 質量分布計算子系統(tǒng)方案

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

圖5 質量分布計算子系統(tǒng)功能框架

計算前處理模塊主要功能是對質量分布計算用的模型進行合規(guī)性檢查和設置質量切分所用的有限元網格。模型檢查功能可自動過濾篩選開展質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，選擇需進行質量分布計算的模型，針對選定的模型，系統(tǒng)將自動識別出其中的質量信息和可用于分布計算的實體模型。

網格切分和質量塊生成模塊利用計算前處理的有限元網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的質量特性數(shù)據(jù)，并自動生成相關結果。在切分質量特性計算結果后，通常需要補充及合并系統(tǒng)質量特性，以形成可用于質量分布用的質量特性數(shù)據(jù)。

質量分布計算模塊主要用于將各部件的質量特性數(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格節(jié)點上。

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

3 典型案例應用

目前，飛行器質量管理系統(tǒng)已應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)及全飛行器質量特性變化歷程數(shù)據(jù)庫，完成了典型部組件的質量分布計算。通過該系統(tǒng)的設計與研制，設計團隊不僅完成了質量特性原始數(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，而且還降低了設計人員重復性工作量，提高了設計效率，保證了數(shù)據(jù)準確性。

4 結束語

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