何 巍，胡久輝，趙 婷，彭 越，唐俊杰

（北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京，100076）

0 引 言

復(fù)雜裝備的研制始終遵循著螺旋上升、漸進(jìn)迭代的發(fā)展規(guī)律，全球工業(yè)依次經(jīng)歷了單一產(chǎn)品、多元產(chǎn)品、通用平臺(tái)（縮減至1～2個(gè)產(chǎn)品構(gòu)型）等3個(gè)主要階段。從“多元”走向“通用”，這種研制轉(zhuǎn)變路徑已經(jīng)在近年來國內(nèi)外的汽車、航空工業(yè)中得到了充分體現(xiàn)，部分企業(yè)已成功進(jìn)入第3階段。由于產(chǎn)品研制多元化，使得人員增加有限的前提下，已有人員的精力被不斷分化，失去了活性和創(chuàng)造力，難以發(fā)揮主觀能動(dòng)性驅(qū)使工具、方法、技術(shù)轉(zhuǎn)化為更高的研制能力。復(fù)雜裝備研制模式向通用化轉(zhuǎn)變，是應(yīng)對(duì)產(chǎn)品多元化導(dǎo)致產(chǎn)品數(shù)量和質(zhì)量難以持續(xù)提升的歷史潮流必然。

中國運(yùn)載火箭在勇于自我革新的道路上歷經(jīng)60余年的快速發(fā)展，當(dāng)前正面臨著如何應(yīng)對(duì)多元產(chǎn)品生態(tài)下的高質(zhì)量、高效率、高效益研制的“三高”挑戰(zhàn)，產(chǎn)品質(zhì)量和效率問題凸顯的現(xiàn)實(shí)表明，轉(zhuǎn)型已不可抗拒。本文分析了運(yùn)載火箭研制模式發(fā)展需求，開展了基于模型的系統(tǒng)工程與現(xiàn)有模式比較，融合錢學(xué)森時(shí)代系統(tǒng)工程的綜合集成思想[1,2]，提出將基于模型的系統(tǒng)工程（Model Based System Engineering，MBSE）融入運(yùn)載火箭總體設(shè)計(jì)的方法和總體設(shè)計(jì)框架，基于“數(shù)字化綜合集成”的思路給出基于模型的運(yùn)載火箭總體設(shè)計(jì)解決方案，并對(duì)方案的落地應(yīng)用提出可行的建議。

1 運(yùn)載火箭研制模式發(fā)展需求

中國運(yùn)載火箭早期是一種“一元化”的系統(tǒng)工程研制模式，所有專業(yè)集中于一個(gè)單位內(nèi)部，各專業(yè)充分協(xié)調(diào)交底，達(dá)到快速攻關(guān)與突破火箭研制的目的，然后逐漸轉(zhuǎn)化為一種“多元化”模式，即總體單位抓總綜合優(yōu)化，各分系統(tǒng)單位朝專業(yè)化方向深度發(fā)展。該模式下，各專業(yè)的能力得到了空前發(fā)展和巨大釋放，火箭關(guān)鍵產(chǎn)品性能與可靠性得到了極大的提升，但是隨著火箭系統(tǒng)復(fù)雜性日益增加，多元化產(chǎn)生的設(shè)計(jì)“離心力”，使得總體設(shè)計(jì)人員需要投入極大的精力來開展專業(yè)間的設(shè)計(jì)協(xié)調(diào)，以達(dá)到總體性能優(yōu)化和狀態(tài)一致性管控的目的，使得總體設(shè)計(jì)優(yōu)化與創(chuàng)新能力提升趨緩。

在建設(shè)航天強(qiáng)國的迫切需求下，亟待探索和應(yīng)用新的技術(shù)手段改善協(xié)同設(shè)計(jì)環(huán)境，釋放總體設(shè)計(jì)人員在專業(yè)協(xié)調(diào)上被禁錮的生產(chǎn)力，同時(shí)探索“數(shù)字化綜合集成”模式，提升總體與分系統(tǒng)之間協(xié)同設(shè)計(jì)能力和專業(yè)技術(shù)創(chuàng)新能力。

2 基于模型的系統(tǒng)工程模式分析比較

2.1 MBSE定義

基于模型的系統(tǒng)工程方法是由傳統(tǒng)系統(tǒng)工程理論結(jié)合先進(jìn)IT技術(shù)發(fā)展而來的，持續(xù)吸收了近年來機(jī)械、電氣、軟件等領(lǐng)域的模型驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品研發(fā)的思想與優(yōu)點(diǎn)。國際系統(tǒng)工程學(xué)會(huì)（INCOSE）給出MBSE的定義[3]：一種應(yīng)用建模方法的研制方式，用于支持系統(tǒng)需求、設(shè)計(jì)、分析、檢驗(yàn)與確認(rèn)活動(dòng)，這些活動(dòng)從概念設(shè)計(jì)階段開始，貫穿整個(gè)開發(fā)過程及后續(xù)的生命周期階段。

上述定義的建模方法，不再局限于傳統(tǒng)觀念上的參數(shù)CADCAECAM等領(lǐng)域，它將系統(tǒng)工程活動(dòng)中占主體地位的語義語言（文字、圖表、數(shù)字、符號(hào)）“翻譯、轉(zhuǎn)化”成計(jì)算機(jī)工具可解析的機(jī)器語言，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的高效準(zhǔn)確執(zhí)行，減少人工失誤、提高研制效率。

2.2 MBSE方法

MBSE方法始終遵循著“整體論與還原論的辯證統(tǒng)一”的系統(tǒng)論思想，開展系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分解與集成驗(yàn)證的研制工作。國外對(duì)MBSE的研究與應(yīng)用進(jìn)行了積極深入的探索，研究和應(yīng)用單位主要包括美國國家航空航天局（NASA）、美國國防部、歐空局、日本宇航探索局（JAXA）等政府組織和相關(guān)承包商，其中NASA的研究最為積極，相關(guān)研究和成果應(yīng)用效果也最為顯著[4～7]。

基于上述定義可以看出，MBSE方法與技術(shù)并不是運(yùn)載火箭領(lǐng)域自然科學(xué)技術(shù)的創(chuàng)新，無法直接提高運(yùn)載火箭總體指標(biāo)，或者作為是否縮減設(shè)計(jì)余量的依據(jù)（如總體關(guān)鍵參數(shù)偏差被各專業(yè)層層放大導(dǎo)致的余量問題），而是系統(tǒng)工程方法在信息化時(shí)代下的一種新范式，為信息化、數(shù)字化手段如何深度融入型號(hào)研制過程提供了新的思路和方法。

因此，基于模型的運(yùn)載火箭系統(tǒng)工程方法是以運(yùn)載火箭型號(hào)研制需求、設(shè)計(jì)方案、詳細(xì)設(shè)計(jì)、制造工藝以及性能評(píng)估等型號(hào)全生命周期的模型為基礎(chǔ)，利用上下文關(guān)聯(lián)、統(tǒng)一建模仿真等手段，對(duì)需求、方案、產(chǎn)品、工藝、試驗(yàn)等環(huán)節(jié)的模型不斷設(shè)計(jì)迭代驗(yàn)證，使產(chǎn)品在正式批產(chǎn)前能夠得到充分的驗(yàn)證，將設(shè)計(jì)質(zhì)量缺陷盡可能多的消除。這里的“模型”主要指對(duì)產(chǎn)品研制數(shù)據(jù)（文件圖紙表單）數(shù)字化以及對(duì)物理實(shí)現(xiàn)過程（生產(chǎn)制造地面試驗(yàn)飛行任務(wù)）數(shù)字化的產(chǎn)物?；谀Ｐ偷漠a(chǎn)品研制全壽命周期活動(dòng)示例如圖1所示。

圖1 基于模型的產(chǎn)品研制全壽命周期活動(dòng)示例Fig.1 An Example of Model Based Life Cycle Activity Chart of Product

2.3 MBSE與現(xiàn)有模式比較

相對(duì)于現(xiàn)有系統(tǒng)工程方法，MBSE方法將在以下兩個(gè)方面帶來顯著變化：

a）改善總體協(xié)同設(shè)計(jì)環(huán)境，提高總體設(shè)計(jì)一致性管控能力，提高研制質(zhì)量。

現(xiàn)有模式下，總體及分系統(tǒng)的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)散布于大量的研試文件和過程文件中，每當(dāng)有設(shè)計(jì)參數(shù)、接口等設(shè)計(jì)變更時(shí)，需要消耗大量的人工梳理開展變更影響性分析，以確認(rèn)變更涉及的所有系統(tǒng)、產(chǎn)品能夠一致的變化。

應(yīng)用MBSE模式，總體可以根據(jù)研制要求、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)等主要環(huán)節(jié)對(duì)應(yīng)的模型，進(jìn)行設(shè)計(jì)信息追溯和影響關(guān)聯(lián)性分析，進(jìn)而開展基于模型的設(shè)計(jì)變更控制，這將極大的提高設(shè)計(jì)一致性管理能力，避免變更不一致帶來的質(zhì)量問題。

b）探索數(shù)字化綜合集成模式，提高總體設(shè)計(jì)集成與指標(biāo)分配優(yōu)化能力。

現(xiàn)有模式下，開展大型試驗(yàn)進(jìn)行綜合集成驗(yàn)證之前，總體主要通過設(shè)計(jì)方案評(píng)審、單機(jī)驗(yàn)收評(píng)審、分系統(tǒng)驗(yàn)收評(píng)審等方式，由設(shè)計(jì)師匯總各系統(tǒng)的研試文件，在大腦中“演繹”系統(tǒng)集成得到的功能與性能，并依據(jù)經(jīng)驗(yàn)初步判定設(shè)計(jì)閉合情況。

應(yīng)用MBSE模式，設(shè)計(jì)活動(dòng)的分解工作過程與現(xiàn)有類似，唯一變化的是，設(shè)計(jì)結(jié)果由模型承載與傳遞；綜合集成驗(yàn)證工作則有顯著差異，無論是總體還是分系統(tǒng)，均可在設(shè)計(jì)階段開展大量的基于模型的綜合集成驗(yàn)證，對(duì)系統(tǒng)功能、性能的符合性，接口匹配性等進(jìn)行驗(yàn)證與確認(rèn)。

相對(duì)于現(xiàn)有研制模式，綜合集成驗(yàn)證的前移，將縮短“設(shè)計(jì)-試驗(yàn)驗(yàn)證”的閉合迭代周期，即使部分仿真手段無法取代物理試驗(yàn)，設(shè)計(jì)階段開展充分的數(shù)字化綜合集成驗(yàn)證，也能夠大幅提升試驗(yàn)的成功率，促成“設(shè)計(jì)一次成功、試驗(yàn)一次成功”的目標(biāo)。

3 基于模型的運(yùn)載火箭總體設(shè)計(jì)框架

根據(jù)中國運(yùn)載火箭專業(yè)劃分和產(chǎn)品特點(diǎn)，充分繼承現(xiàn)有數(shù)字化設(shè)計(jì)驗(yàn)證基礎(chǔ)，提出將MBSE融入運(yùn)載火箭總體設(shè)計(jì)的方法：圍繞需求分解、需求驗(yàn)證兩大主線，以數(shù)據(jù)中心和總體協(xié)同設(shè)計(jì)與驗(yàn)證平臺(tái)為基礎(chǔ)支撐，以總體設(shè)計(jì)模型為核心，實(shí)現(xiàn)基于模型的運(yùn)載火箭總體設(shè)計(jì)框架，如圖2所示。

圖2 基于模型的運(yùn)載火箭設(shè)計(jì)框架Fig.2 Model Based Launch Vehicle Design Framework

數(shù)據(jù)中心為運(yùn)載火箭總體設(shè)計(jì)提供統(tǒng)一的公共數(shù)據(jù)庫，是設(shè)計(jì)流程中全部數(shù)據(jù)管理和交換的節(jié)點(diǎn)，總體設(shè)計(jì)模型的輸入和輸出均存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)中心。

總體協(xié)同設(shè)計(jì)與驗(yàn)證平臺(tái)為不同專業(yè)模型提供了統(tǒng)一的設(shè)計(jì)環(huán)境，從數(shù)據(jù)中心抽取模型的輸入數(shù)據(jù)，模型之間數(shù)據(jù)通過在線或者離線形式交換，實(shí)現(xiàn)了總體設(shè)計(jì)模型之間的松耦合設(shè)計(jì)。

總體設(shè)計(jì)模型用于描述總體、電氣、結(jié)構(gòu)、動(dòng)力等運(yùn)載火箭總體設(shè)計(jì)信息，在協(xié)同設(shè)計(jì)與驗(yàn)證平臺(tái)中根據(jù)研制環(huán)節(jié)逐漸產(chǎn)生，并關(guān)聯(lián)存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)中心。

3.1 數(shù)據(jù)中心

數(shù)據(jù)中心是總體設(shè)計(jì)與驗(yàn)證的數(shù)據(jù)庫，核心功能不在于設(shè)計(jì)計(jì)算，而是對(duì)運(yùn)載火箭設(shè)計(jì)全生命周期的專業(yè)模型及設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一關(guān)聯(lián)管理，確保不同專業(yè)和系統(tǒng)數(shù)據(jù)的一致性。通過對(duì)運(yùn)載火箭總體設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)化管理，制定協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)、多專業(yè)耦合分析平臺(tái)、集成驗(yàn)證平臺(tái)的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)接口，實(shí)現(xiàn)平臺(tái)與數(shù)據(jù)中心之間的交互，設(shè)計(jì)過程數(shù)據(jù)可記錄、可受控、可追溯，設(shè)計(jì)流程進(jìn)度可視。

3.2 總體協(xié)同設(shè)計(jì)與驗(yàn)證平臺(tái)

總體協(xié)同設(shè)計(jì)與驗(yàn)證平臺(tái)定義了運(yùn)載火箭總體設(shè)計(jì)的流程模板，在數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)上控制數(shù)據(jù)流方向，不同專業(yè)在數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)下完成相應(yīng)的設(shè)計(jì)工作，實(shí)現(xiàn)多專業(yè)離線協(xié)同設(shè)計(jì)。專業(yè)間的數(shù)據(jù)交換由平臺(tái)實(shí)現(xiàn)，提高了設(shè)計(jì)效率，避免了非結(jié)構(gòu)化文檔傳遞信息的人為失誤。協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)兼具知識(shí)管理功能，在設(shè)計(jì)過程中可將質(zhì)量要求、設(shè)計(jì)規(guī)范等推送給設(shè)計(jì)人員。

3.3 總體設(shè)計(jì)模型

根據(jù)運(yùn)載火箭總體設(shè)計(jì)的特點(diǎn)以及覆蓋的學(xué)科領(lǐng)域，總體設(shè)計(jì)模型可分為總體參數(shù)模型（動(dòng)力學(xué)樣機(jī)）、電氣系統(tǒng)模型（電氣樣機(jī)）、結(jié)構(gòu)系統(tǒng)模型（結(jié)構(gòu)樣機(jī)）、動(dòng)力系統(tǒng)模型（動(dòng)力樣機(jī)）4大類，總體參數(shù)模型用于描述運(yùn)載火箭總體構(gòu)型、彈道、姿控、氣動(dòng)、載荷等特性；電氣系統(tǒng)模型描述電氣系統(tǒng)架構(gòu)、功能、性能、電氣接口等特性；結(jié)構(gòu)系統(tǒng)模型描述結(jié)構(gòu)系統(tǒng)架構(gòu)、功能、性能、機(jī)械接口等特性；動(dòng)力系統(tǒng)模型描述動(dòng)力系統(tǒng)架構(gòu)、功能、性能、氣液接口等特性。

按照研制全生命周期以及產(chǎn)品特性劃分，模型可分為需求模型、架構(gòu)模型（功能模型）、幾何模型和性能模型。其中，需求模型等同于現(xiàn)有的任務(wù)書文件，替代任務(wù)書、設(shè)計(jì)要求、產(chǎn)品圖紙等圖文檔作為下游設(shè)計(jì)、制造、試驗(yàn)、測(cè)試發(fā)射的依據(jù)，以條目化、層次化、全方位的表達(dá)型號(hào)產(chǎn)品研制需求；架構(gòu)模型等同于系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案報(bào)告和原理圖，包含系統(tǒng)組成、功能邏輯過程、內(nèi)部/外部接口關(guān)系、主要功能和性能指標(biāo)等設(shè)計(jì)信息；幾何模型即現(xiàn)有的CAD模型(CATIA、ProE、NX等)，用于表達(dá)產(chǎn)品尺寸與幾何約束關(guān)系；性能模型包括如動(dòng)力系統(tǒng)氣動(dòng)液壓模型、電氣系統(tǒng)控制仿真模型、結(jié)構(gòu)系統(tǒng)有限元模型等，反映產(chǎn)品的靜態(tài)與動(dòng)態(tài)特性和功能實(shí)現(xiàn)情況。

根據(jù)研制任務(wù)，專業(yè)學(xué)科4類模型和全生命周期4類模型可以進(jìn)行集成管理與驗(yàn)證，如總體及各專業(yè)的需求模型可相互關(guān)聯(lián)，電氣各專業(yè)架構(gòu)模型可一體化集成，電氣、結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品幾何模型可裝配，總體、控制、動(dòng)力的產(chǎn)品性能模型可集成驗(yàn)證等。

4 基于模型的運(yùn)載火箭總體設(shè)計(jì)解決方案

結(jié)合上述總體設(shè)計(jì)框架，按照“數(shù)字化綜合集成”思想，形成基于模型的運(yùn)載火箭總體設(shè)計(jì)解決方案：總體研制需求作為頂層要求，通過基于模型的小回路設(shè)計(jì)、大回路設(shè)計(jì)等，形成電氣系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)總體方案，提出對(duì)分系統(tǒng)的研制要求；各分系統(tǒng)根據(jù)研制要求，基于模型開展產(chǎn)品設(shè)計(jì)與驗(yàn)證，并根據(jù)耦合問題的分析需求，適時(shí)與總體模型進(jìn)行綜合集成驗(yàn)證，分系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，需要按照閉合驗(yàn)證的需求，提交模型給總體在研制各階段完成技術(shù)狀態(tài)復(fù)查、輸入輸出確認(rèn)和接口匹配性驗(yàn)證。

4.1 總體參數(shù)設(shè)計(jì)與集成驗(yàn)證

運(yùn)載火箭總體參數(shù)設(shè)計(jì)是通過彈道、姿控、氣動(dòng)等計(jì)算獲得面向飛行任務(wù)的運(yùn)載火箭總體構(gòu)型，決定了各分系統(tǒng)設(shè)計(jì)方向，方案論證階段尤為重要，如圖3所示。方案論證階段，總體構(gòu)型取決于全箭質(zhì)量特性、發(fā)動(dòng)機(jī)特性等輸入條件，而這些條件又依賴于歷史型號(hào)研制數(shù)據(jù)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)?；跉v史數(shù)據(jù)對(duì)設(shè)計(jì)模型進(jìn)行標(biāo)定，形成相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫，供總體參數(shù)設(shè)計(jì)選用。如全箭質(zhì)量特性利用相似型號(hào)產(chǎn)品模型統(tǒng)計(jì)包絡(luò)數(shù)據(jù)獲得，發(fā)動(dòng)機(jī)特性利用歷次試車數(shù)據(jù)標(biāo)定的發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品模型獲得。后續(xù)研制階段，總體參數(shù)模型則根據(jù)各專業(yè)詳細(xì)設(shè)計(jì)所得的產(chǎn)品模型獲取輸入條件進(jìn)行計(jì)算，逐漸逼近火箭的真實(shí)狀態(tài)。

基于上述輸入條件，運(yùn)用運(yùn)載火箭動(dòng)力學(xué)一體化仿真技術(shù)，開展總體-彈道-姿控-制導(dǎo)-推進(jìn)劑晃動(dòng)-彈性振動(dòng)-載荷分布的集成建模，基于統(tǒng)一的數(shù)據(jù)源，精確量化分析包括發(fā)動(dòng)機(jī)推力異常、推進(jìn)劑流量異常等偏差或故障對(duì)全箭質(zhì)量特性及飛行動(dòng)力學(xué)的影響，完成對(duì)運(yùn)載火箭總體構(gòu)型的設(shè)計(jì)與評(píng)估，從而改變現(xiàn)有各個(gè)專業(yè)串行設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)余量重復(fù)留取等不足，提升運(yùn)載火箭的綜合性能。

圖3 運(yùn)載火箭總體參數(shù)模型體系Fig.3 Configuration Parameter Model System of Launch Vehicle

4.2 電氣總體設(shè)計(jì)與集成驗(yàn)證

運(yùn)載火箭全箭電氣系統(tǒng)按照一體化功能架構(gòu)共劃分控制、測(cè)量、能源、總線通信和健康管理等5部分。電氣系統(tǒng)基于模型的研制流程如圖4所示。

圖4 基于模型的電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架Fig.4 Model Based Electrical System Design Framework

以能源系統(tǒng)為例進(jìn)行說明：

a）基于需求模型開展任務(wù)需求分析、指標(biāo)設(shè)計(jì)、分解與傳遞等工作，電氣總體完成功能設(shè)計(jì)任務(wù)書；各子系統(tǒng)基于需求模型定義功能指標(biāo)，與總體功能要求進(jìn)行鏈接，提出模型交付要求。

b）單機(jī)承研單位按照設(shè)計(jì)任務(wù)書開展單機(jī)方案設(shè)計(jì)以及模型設(shè)計(jì)工作。

c）單機(jī)交付產(chǎn)品性能模型，系統(tǒng)總體開展系統(tǒng)圖紙?jiān)O(shè)計(jì)及功能仿真驗(yàn)證（例如，基于MWorks的能源流數(shù)字化設(shè)計(jì)系統(tǒng)）。

d）單機(jī)及系統(tǒng)指標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)迭代并更新產(chǎn)品性能模型交付給總體。

e）單機(jī)開展生產(chǎn)、調(diào)試、單機(jī)環(huán)境試驗(yàn)；完成電纜網(wǎng)及系統(tǒng)文件設(shè)計(jì)；單機(jī)及電纜網(wǎng)交付系統(tǒng)，系統(tǒng)進(jìn)行綜合試驗(yàn)。

4.3 結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)與集成驗(yàn)證

運(yùn)載火箭的箭體結(jié)構(gòu)主要包括有效載荷整流罩、儀器艙、推進(jìn)劑貯箱、箱間段、級(jí)間段、后過渡段和尾段等部分。構(gòu)建基于模型的箭體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)研制流程，實(shí)現(xiàn)需求建模與分析、結(jié)構(gòu)方案選擇及參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)系統(tǒng)強(qiáng)度校核等功能，如圖5所示，在系統(tǒng)中構(gòu)建需求模型、全箭骨架模型、產(chǎn)品模型、產(chǎn)品MBD數(shù)據(jù)集模型等，實(shí)現(xiàn)各模型之間的數(shù)據(jù)鏈接。

圖5 基于模型的箭體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)研制流程Fig.5 Model Based Development Process of Launch Vehicle Structure System

a）結(jié)構(gòu)需求分析。對(duì)箭體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)研制需求（如結(jié)構(gòu)功能需求、尺寸需求、載荷與環(huán)境要求等）進(jìn)行條目化分解，并據(jù)此來約束骨架設(shè)計(jì)和產(chǎn)品設(shè)計(jì)。

b）全箭骨架定義。定義全箭三維骨架模型，建立全箭實(shí)體模型的基準(zhǔn)參照，實(shí)現(xiàn)全箭二維理論圖的三維化，給出全箭軸線、全箭坐標(biāo)系、定位點(diǎn)等。基于全箭骨架模型實(shí)現(xiàn)上游的總體設(shè)計(jì)端傳遞到下游部段級(jí)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)端。

c）參數(shù)建模?；谛枨竽Ｐ秃凸羌苣Ｐ?，實(shí)現(xiàn)火箭部段結(jié)構(gòu)方案的初步構(gòu)建和關(guān)鍵參數(shù)的初步計(jì)算，形成滿足需求模型要求的箭體結(jié)構(gòu)參數(shù)。

d）方案設(shè)計(jì)。基于箭體結(jié)構(gòu)參數(shù)計(jì)算結(jié)果，可在上游骨架模型和結(jié)構(gòu)參數(shù)驅(qū)動(dòng)下，快速生成結(jié)構(gòu)初始CAD模型，確保結(jié)構(gòu)方案關(guān)鍵參數(shù)與上游模型一致，設(shè)計(jì)人員據(jù)此開展箭體各部段結(jié)構(gòu)方案的詳細(xì)設(shè)計(jì)。

e）結(jié)構(gòu)優(yōu)化。在CAD模型基礎(chǔ)上依據(jù)輸入需求約束的載荷和邊界條件，生成CAE模型進(jìn)行分析，優(yōu)化箭體結(jié)構(gòu)方案，確保大型地面試驗(yàn)一次成功。

f）MBD數(shù)據(jù)集模型。在產(chǎn)品模型基礎(chǔ)上，附加工藝、制造、裝配等信息，并一同向設(shè)計(jì)下游的制造單位直接傳遞，使得產(chǎn)品模型作為箭體結(jié)構(gòu)生產(chǎn)制造過程中的唯一依據(jù)，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)與制造協(xié)同。

4.4 動(dòng)力總體設(shè)計(jì)與集成驗(yàn)證

以液體運(yùn)載火箭為例，箭上動(dòng)力系統(tǒng)主要包括增壓輸送系統(tǒng)和發(fā)動(dòng)機(jī)2部分，傳統(tǒng)研制方法中所有方案、接口要求等均以文檔傳遞，增壓輸送系統(tǒng)和發(fā)動(dòng)機(jī)根據(jù)物理分界面獨(dú)立論證和設(shè)計(jì)，缺少對(duì)動(dòng)力全系統(tǒng)集成后的精細(xì)化仿真驗(yàn)證；總體對(duì)需求的滿足性關(guān)注多，而對(duì)需求與設(shè)計(jì)方案的關(guān)聯(lián)性掌握較少，難以開展動(dòng)力全系統(tǒng)的故障模式分析等。

針對(duì)這些不足，提出基于模型的動(dòng)力系統(tǒng)研制總體方案如圖6所示。

圖6 基于模型的動(dòng)力系統(tǒng)研制流程Fig.6 Model Based Development Process of Propulsion System

a）以動(dòng)力系統(tǒng)需求模型為起點(diǎn)，根據(jù)總體對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)的研制要求，開展動(dòng)力系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)，利用先驗(yàn)的發(fā)動(dòng)機(jī)和增壓輸送性能模型對(duì)設(shè)計(jì)指標(biāo)進(jìn)行初步驗(yàn)證。

b）經(jīng)動(dòng)力系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)形成動(dòng)力系統(tǒng)架構(gòu)模型，以及對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)和增壓輸送的需求模型。

c）增壓輸送系統(tǒng)和發(fā)動(dòng)機(jī)根據(jù)動(dòng)力總體下發(fā)的研制要求（需求模型），開展詳細(xì)設(shè)計(jì)得到各自的架構(gòu)模型、單機(jī)的設(shè)計(jì)要求和性能模型，各自開展仿真驗(yàn)證。

d）動(dòng)力總體對(duì)分系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)后的性能模型進(jìn)行綜合集成，在實(shí)物產(chǎn)品試驗(yàn)之前，利用分系統(tǒng)產(chǎn)品性能模型進(jìn)一步驗(yàn)證與確認(rèn)動(dòng)力總體設(shè)計(jì)指標(biāo)及系統(tǒng)間接口關(guān)系。

e）動(dòng)力系統(tǒng)的分系統(tǒng)、單機(jī)需求模型、架構(gòu)模型、產(chǎn)品性能模型均參與上一層級(jí)的集成和驗(yàn)證，最終實(shí)現(xiàn)全系統(tǒng)的協(xié)同設(shè)計(jì)與驗(yàn)證。

5 未來發(fā)展展望

綜上所述，基于模型的系統(tǒng)工程是一個(gè)從各學(xué)科開始，相近學(xué)科逐漸融合，最終形成統(tǒng)一模型表述的過程?？紤]到運(yùn)載火箭設(shè)計(jì)不同學(xué)科之間的關(guān)聯(lián)性，并不一定需要把所有學(xué)科全部集中在一起。這里既需要對(duì)研究對(duì)象進(jìn)行建模研究，也要對(duì)軟件平臺(tái)進(jìn)行研究，對(duì)于運(yùn)載火箭來說，目前相關(guān)學(xué)科表達(dá)和軟件平臺(tái)發(fā)展已初步實(shí)現(xiàn)了通過4個(gè)樣機(jī)來對(duì)火箭進(jìn)行有效的表達(dá)，這些樣機(jī)之間的邏輯關(guān)系和相互耦合集成分析是未來的研究重點(diǎn)。如：新燃料電池與動(dòng)力系統(tǒng)耦合性設(shè)計(jì)、垂直回收時(shí)序事件鏈設(shè)計(jì)及垂直回收彈道控制一體化設(shè)計(jì)等。

從長遠(yuǎn)來看，應(yīng)該是把4個(gè)樣機(jī)整合在一起，通過統(tǒng)一平臺(tái)實(shí)現(xiàn)多專業(yè)統(tǒng)一建模，幾何樣機(jī)能夠很方便的生成有限元分析軟件用的性能樣機(jī)，功能樣機(jī)能夠與幾何樣機(jī)、性能樣機(jī)保持上下文一致性關(guān)聯(lián)，從而做到跨學(xué)科的集成，但需要強(qiáng)大的軟件平臺(tái)支持，還有不少底層工作需要做。平臺(tái)本身必須足夠安全可控，運(yùn)載火箭總體設(shè)計(jì)才能夠在平臺(tái)上零風(fēng)險(xiǎn)完成多專業(yè)的樣機(jī)整合。

6 結(jié) 論

本文提出了“數(shù)據(jù)中心+協(xié)同設(shè)計(jì)與驗(yàn)證平臺(tái)+總體設(shè)計(jì)模型”的“2+1”新型研制信息平臺(tái)框架，給出了基于模型的運(yùn)載火箭總體設(shè)計(jì)解決方案，通過總體與分系統(tǒng)，以及各專業(yè)間的“數(shù)字化綜合集成”，為型號(hào)的總體與分系統(tǒng)多專業(yè)設(shè)計(jì)協(xié)同提供了新的手段，以此代替總體設(shè)計(jì)師承擔(dān)多元產(chǎn)品研制模式下的技術(shù)協(xié)調(diào)、設(shè)計(jì)確認(rèn)等大量非創(chuàng)新性工作，進(jìn)一步促使設(shè)計(jì)師轉(zhuǎn)向面向通用平臺(tái)的技術(shù)創(chuàng)新與知識(shí)積累，提升運(yùn)載火箭總體設(shè)計(jì)能力。

MBSE應(yīng)用于運(yùn)載火箭總體設(shè)計(jì)，通過結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)描述型號(hào)狀態(tài)基線，能夠有效保證信息的完整性與一致性；通過集成多專業(yè)工具鏈，充當(dāng)系統(tǒng)工程過程中多學(xué)科設(shè)計(jì)的集線器，通過系統(tǒng)模型實(shí)現(xiàn)多學(xué)科協(xié)同優(yōu)化設(shè)計(jì)。基于模型的運(yùn)載火箭總體設(shè)計(jì)的落地還有很長的路要走，建議如下：

a）建立結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)及接口規(guī)范。通過規(guī)范化接口實(shí)現(xiàn)多專業(yè)程序快速運(yùn)行，提升效率，同時(shí)各專業(yè)數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)庫中以結(jié)構(gòu)化形式存在，統(tǒng)一為一套數(shù)據(jù)模型，可以據(jù)此開發(fā)種類豐富的數(shù)據(jù)分析工具。建立各總體專業(yè)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)間的聯(lián)系、分類和從屬邏輯，將設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化組織起來，形成規(guī)范；各種專業(yè)級(jí)、系統(tǒng)級(jí)的仿真模型及其平臺(tái)也可逐步實(shí)現(xiàn)自主可控，進(jìn)而打通和數(shù)據(jù)平臺(tái)接口，基于平臺(tái)開展應(yīng)用演示。可對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行版本控制、數(shù)據(jù)變化可追溯、通過松耦合的方式實(shí)現(xiàn)總體多專業(yè)程序協(xié)同運(yùn)行效率的提升。

b）強(qiáng)化基于MBSE系統(tǒng)設(shè)計(jì)的先期驗(yàn)證。傳統(tǒng)研制流程中，各專業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域利用專業(yè)模型和仿真手段對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)證，但是就系統(tǒng)工程整體而言，對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行邏輯、狀態(tài)的描述主要采用文本描述方式，系統(tǒng)整體驗(yàn)證主要依賴實(shí)物驗(yàn)證，驗(yàn)證周期長，技術(shù)狀態(tài)無法保證，先期系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的問題如果未能提前發(fā)現(xiàn)，待進(jìn)入初樣階段后的設(shè)計(jì)修正成本大幅提高，也會(huì)嚴(yán)重影響系統(tǒng)研制進(jìn)度。因此，需要通過MBSE強(qiáng)化對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的先期驗(yàn)證，前移總體與分系統(tǒng)的迭代設(shè)計(jì)，縮短迭代周期，提升設(shè)計(jì)效率。

c）突出設(shè)計(jì)協(xié)同化，提升多專業(yè)耦合精細(xì)化設(shè)計(jì)能力。協(xié)同設(shè)計(jì)有利于提高研制效率，縮短研制周期，并實(shí)現(xiàn)運(yùn)載火箭從傳統(tǒng)設(shè)計(jì)模式向數(shù)字化模式的轉(zhuǎn)變。尤其是對(duì)于需要多專業(yè)耦合的設(shè)計(jì)任務(wù)來說，可以直接獲取相關(guān)專業(yè)的最新設(shè)計(jì)參數(shù)，及時(shí)修改本專業(yè)的模型和程序并實(shí)現(xiàn)結(jié)果反饋。多專業(yè)可以實(shí)現(xiàn)并行工作，減少了設(shè)計(jì)任務(wù)不斷反復(fù)迭代的次數(shù)，極大地提高設(shè)計(jì)效率。