摘""要：隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及數(shù)字化技術(shù)的快速發(fā)展，國內(nèi)外各行各業(yè)在面臨日益激烈的競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境下，普遍將數(shù)字化轉(zhuǎn)型作為發(fā)展戰(zhàn)略，結(jié)合產(chǎn)品自身的發(fā)展需要，運(yùn)用適合的數(shù)字化技術(shù)和先進(jìn)模式，推動(dòng)技術(shù)創(chuàng)新和研制模式創(chuàng)新，從而提升產(chǎn)品的核心競(jìng)爭(zhēng)力。而對(duì)于液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)這一傳統(tǒng)行業(yè)世界格局的變化，高效和創(chuàng)新成為了當(dāng)前行業(yè)發(fā)展的必經(jīng)之路。通過對(duì)國內(nèi)外液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)水平的差距分析，結(jié)合我國液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)模式以及數(shù)字化應(yīng)用的現(xiàn)狀，對(duì)后續(xù)液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)研制模式數(shù)字化轉(zhuǎn)型提出了相應(yīng)的思路和見解。

關(guān)鍵詞：液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)""數(shù)字化轉(zhuǎn)型""研發(fā)模式""協(xié)同設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：V463

Current"Situations"and"Analysis"of"the"Digital"Application"of"Liquid"Rocket"Engines

HE"Lei*""ZHANG"Weidong

Beijing"Aerospace"Propulsion"Institute，Beijing，"100076"China

Abstract："With"the"rapid"development"of"Internet"technology"and"digital"technology，"in"the"face"of"the"increasingly"fierce"competitive"environment，"all"walks"of"life"at"home"and"abroad"generally"regardnbsp;digital"transformation"as"a"development"strategy."Combined"with"the"development"needs"of"their"own"products，"they"use"appropriate"digital"technologies"and"advanced"models"tonbsp;promote"technological"innovation"and"research"and"development"mode"innovation，"so"as"to"enhance"the"core"competitiveness"of"their"products."For"the"changes"in"the"world"pattern"of"the"traditional"industry"of"liquid"rocket"engines，"efficiency"and"innovation"have"become"necessary"paths"for"the"current"development"of"the"industry."Through"analyzing"the"gap"of"the"technical"level"of"liquid"rocket"engines"at"home"and"abroad，"combined"with"the"research"and"development"mode"of"liquid"rocket"engines"and"the"current"situation"of"their"digital"application"in"China，"corresponding"ideas"and"insights"are"proposed"for"the"subsequent"digital"transformation"of"the"research"and"development"modes"of"liquid"rocket"engines.

Key"Words："Liquid"rocket"engine;"Digital"transformation;"Research"and"development"mode;"Collaborative"design

液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)是運(yùn)載火箭的心臟，是空間基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、深空探測(cè)、載人航天等一切航天活動(dòng)的基石，決定著一個(gè)國家航天活動(dòng)的規(guī)模、進(jìn)出空間的能力，是一個(gè)國家科技實(shí)力的重要體現(xiàn)，是國家安全的重要保障。我國經(jīng)過60余年的發(fā)展，由最初的仿制到現(xiàn)在的自主可控，走出來一條具有我國特點(diǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)研制路線，形成了發(fā)動(dòng)機(jī)研制的方法、標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范等[1-4]，但從世界角度來看，我國的液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)仍存在一系列差距，尤其是隨著商業(yè)航天的發(fā)展，以美國太空探索公司的“梅林”和“猛禽”發(fā)動(dòng)機(jī)的應(yīng)用為代表，不斷地引入互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和數(shù)字化技術(shù)，使發(fā)動(dòng)機(jī)的研制模式、迭代速度和創(chuàng)新應(yīng)用等發(fā)生了顛覆性的改革，新一輪的競(jìng)爭(zhēng)格局即將形成[5-6]?；ヂ?lián)網(wǎng)技術(shù)和數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用將成為未來提高發(fā)動(dòng)機(jī)研制水平、縮短發(fā)動(dòng)機(jī)研制周期的重要支撐。

1""我國液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字化應(yīng)用的現(xiàn)狀

目前我國液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的研制過程是一個(gè)由“設(shè)計(jì)—試制—試驗(yàn)—改進(jìn)設(shè)計(jì)—再試驗(yàn)”反復(fù)迭代的串行模式，逐步實(shí)現(xiàn)技術(shù)狀態(tài)的收斂、產(chǎn)品質(zhì)量和性能的螺旋上升的過程，且以實(shí)物試驗(yàn)為主，通過充分的試驗(yàn)暴露設(shè)計(jì)、工藝問題并改進(jìn)。當(dāng)前，我國已經(jīng)成功研發(fā)了一系列的發(fā)動(dòng)機(jī)，包括先進(jìn)膨脹循環(huán)氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)、高壓補(bǔ)燃循環(huán)液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)以及可重復(fù)使用的液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)等，此外在故障診斷方面也開展了數(shù)十年的研究。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的研制過程中也采用了越來越多的數(shù)字化應(yīng)用，如三維數(shù)字化協(xié)同、三維設(shè)計(jì)仿真、信息化管理等，但與國外相比仍存在相應(yīng)的不足。

1.1""數(shù)字化應(yīng)用呈孤島模式

當(dāng)前，我國新型號(hào)液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)已全面采用了全三維數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)及仿真模式，部分設(shè)計(jì)文件、大綱等結(jié)構(gòu)化需求管理在系統(tǒng)中進(jìn)行審簽受控和發(fā)布等，型號(hào)數(shù)字化工作取得顯著成效，為數(shù)字化轉(zhuǎn)型發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。但型號(hào)數(shù)字化應(yīng)用多為單點(diǎn)應(yīng)用，各個(gè)應(yīng)用呈現(xiàn)孤島模式，缺乏耦合效應(yīng)，具體體現(xiàn)在：數(shù)據(jù)管理分散在各個(gè)信息系統(tǒng)中，缺乏關(guān)聯(lián)追溯；產(chǎn)品設(shè)計(jì)特性等數(shù)據(jù)沒能實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)與生產(chǎn)的線上協(xié)同，缺乏信息系統(tǒng)的支撐，還需要經(jīng)過人工傳遞和反饋；尚未完成全生命周期數(shù)據(jù)體系的系統(tǒng)梳理，缺乏統(tǒng)一化、規(guī)范化的管理能力等。上述問題導(dǎo)致液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)模型驅(qū)動(dòng)的數(shù)字化研發(fā)模式不能自頂向下正向貫通，與國外先進(jìn)的裝備研發(fā)模式尚有差距，型號(hào)數(shù)字化能力還需實(shí)現(xiàn)由“點(diǎn)”到“線”再到“面”的體系化發(fā)展。

1.2""多學(xué)科協(xié)同設(shè)計(jì)能力不足

發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)方案綜合論證是一項(xiàng)多學(xué)科集成的復(fù)雜的系統(tǒng)性工作，研制過程中涉及流、固、熱、電等多個(gè)學(xué)科?；诂F(xiàn)有的條件，雖然在液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的研制過程中采用了大量CAD技術(shù)、CAE技術(shù)、CFD技術(shù)、FEA技術(shù)等新技術(shù)開展系統(tǒng)及各零組件的專業(yè)優(yōu)化仿真設(shè)計(jì)。但各個(gè)專業(yè)的仿真分析主要以專業(yè)單點(diǎn)的應(yīng)用為主，且在研制各環(huán)節(jié)的應(yīng)用范圍和深度很不均衡，也沒有形成相對(duì)成熟固化的仿真業(yè)務(wù)流程，不具備基于統(tǒng)一的數(shù)字樣機(jī)開展仿真分析能力；部分?jǐn)?shù)字化模型處于信息孤島狀態(tài)，設(shè)計(jì)制造的三維數(shù)字化協(xié)同和驗(yàn)證尚未全面打通，部分?jǐn)?shù)字化仿真結(jié)果的精度還有待提高；各專業(yè)的仿真分析過程尚未有效集成，仿真模型與仿真結(jié)果未有效管控；部分產(chǎn)品研制還必須依靠實(shí)物模裝和試對(duì)接口進(jìn)行驗(yàn)證，電氣系統(tǒng)還無法擺脫散態(tài)匹配試驗(yàn)驗(yàn)證階段，控制系統(tǒng)與發(fā)動(dòng)機(jī)無法進(jìn)行集成仿真試驗(yàn)驗(yàn)證，這種必須依靠實(shí)物參與的驗(yàn)證耗費(fèi)了大量時(shí)間、人力和財(cái)力，嚴(yán)重制約型號(hào)研制效率。

1.3""并行研發(fā)模式尚未有效運(yùn)行

發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)方面，初步建成產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理、試驗(yàn)數(shù)據(jù)管理、計(jì)劃管理、質(zhì)量管理、物資管理、研發(fā)數(shù)據(jù)包等業(yè)務(wù)系統(tǒng)，形成了一套與研制任務(wù)相適應(yīng)的、以實(shí)物驗(yàn)證為主的“設(shè)計(jì)—仿真—生產(chǎn)—試驗(yàn)”串行的跟隨創(chuàng)新研發(fā)模式，但整個(gè)過程設(shè)計(jì)仿真、工藝優(yōu)化、制造生產(chǎn)、試驗(yàn)驗(yàn)證等一體化能力欠缺；過程質(zhì)量數(shù)據(jù)的分析和挖掘能力不強(qiáng)，未能有效支撐產(chǎn)品研制與質(zhì)量保證；通過對(duì)現(xiàn)有數(shù)字化支撐條件和應(yīng)用狀況的梳理與分析，在設(shè)計(jì)、制造、試驗(yàn)、協(xié)同、管控、基礎(chǔ)支撐均存在一定差距。目前，面向產(chǎn)品、問題導(dǎo)向、串行跟隨的創(chuàng)新研發(fā)模式僅能夠解決產(chǎn)品的有無問題，但難以做到真正的技術(shù)引領(lǐng)。其原因是這種模式過于關(guān)注產(chǎn)品的實(shí)現(xiàn)，而對(duì)支撐產(chǎn)品設(shè)計(jì)的核心技術(shù)關(guān)注太少，所得到的經(jīng)驗(yàn)都是在單個(gè)產(chǎn)品的實(shí)現(xiàn)過程中掌握的零散認(rèn)識(shí)，很少通過拓展研究或系統(tǒng)研究歸納為指導(dǎo)設(shè)計(jì)的準(zhǔn)則規(guī)范。

1.4""在線故障診斷技術(shù)尚未得到應(yīng)用

我國在863計(jì)劃的支持下，開展了十多年的研究，對(duì)于火箭發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程的故障檢測(cè)與診斷取得了較大的進(jìn)展，但對(duì)于重復(fù)使用發(fā)動(dòng)機(jī)的健康監(jiān)測(cè)、故障診斷、智能控制的研究尚在起步階段，距離型號(hào)應(yīng)用仍存在一定的差距。而國外隨著工業(yè)4.0、大數(shù)據(jù)、人工智能（AI）等新技術(shù)的不斷出現(xiàn)，數(shù)字化手段越來越先進(jìn)，其在故障診斷和智能控制技術(shù)方面取得了很大的進(jìn)展。尤其是在美國，美國一直致力于先進(jìn)的健康管理系統(tǒng)、故障診斷和智能控制技術(shù)研究，其目的就在于建造一張發(fā)動(dòng)機(jī)“信息網(wǎng)”，在此基礎(chǔ)上，使用智能控制等最新技術(shù)，就可以達(dá)到增強(qiáng)任務(wù)安全度，減少全生命周期費(fèi)用等任務(wù)目標(biāo)。

通過上述分析可以看出，我國液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)在研制模式、數(shù)字貫通、先進(jìn)控制等技術(shù)方面存在較大的差距，其原因不僅是我國工業(yè)軟件方面落后、功能單一，還包括整個(gè)研制流程的梳理及數(shù)字化的應(yīng)用和積累深度和廣度不夠，尤其是發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面對(duì)個(gè)人經(jīng)驗(yàn)依賴性強(qiáng)、集成程度較低、迭代周期較長(zhǎng)、多方案比較不充分、綜合評(píng)價(jià)準(zhǔn)確性較低等。

2""液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字化應(yīng)用轉(zhuǎn)型探討

要真正實(shí)現(xiàn)液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)高質(zhì)量高水平的設(shè)計(jì)與研制，基礎(chǔ)能力是重要的支撐。在改進(jìn)研制模式的同時(shí)，進(jìn)一步提高一體化協(xié)同設(shè)計(jì)能力、數(shù)字化仿真能力、在線故障監(jiān)測(cè)與診斷能力等。

2.1""研制模式的優(yōu)化

相比于我國傳統(tǒng)航天企業(yè)采用的大循環(huán)串行研制模式，SpaceX公司采用了方案—設(shè)計(jì)—制造—試驗(yàn)的小循環(huán)迭代模式。針對(duì)該種模式，SpaceX公司設(shè)計(jì)了一個(gè)集成試驗(yàn)工具，對(duì)各個(gè)產(chǎn)品進(jìn)行了嚴(yán)格多樣的試驗(yàn)，當(dāng)?shù)螖?shù)增多、周期越來越靠后時(shí)，產(chǎn)品更加接近于最終的形態(tài)，通過工具不斷的學(xué)習(xí)和訓(xùn)練，可有效地提高產(chǎn)品的可靠性和適應(yīng)性，從而避免系統(tǒng)相互耦合帶來的仿真和分析不到位的風(fēng)險(xiǎn)。該種方法相比于傳動(dòng)的大循環(huán)單個(gè)周期而言的研制模式，可有效地實(shí)現(xiàn)快速迭代，在保證縮短周期的同時(shí)有效降低成本。

2.2""建立先進(jìn)的協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)

圍繞我國液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)研制模式優(yōu)化轉(zhuǎn)型，借鑒MBSE的理念，研究基于海量歷史數(shù)據(jù)的智能化設(shè)計(jì)方法，通過完善設(shè)計(jì)工具、集成設(shè)計(jì)平臺(tái)，結(jié)合多專業(yè)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)、知識(shí)、規(guī)范，引入并行工程方法，構(gòu)建需求模型、功能模型、性能模型及數(shù)據(jù)關(guān)系模型等，打造數(shù)字液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)支撐環(huán)境，實(shí)現(xiàn)人員、流程、工具、數(shù)據(jù)的無縫互連和多方案智能化并行快速迭代，形成數(shù)字化液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)體系，并將數(shù)據(jù)模型與流程系統(tǒng)進(jìn)行深度融合，顯著提高工作效率，實(shí)現(xiàn)型號(hào)方案在全局層次的智能化尋優(yōu)。

2.3""建立一體化仿真平臺(tái)

以模型為基礎(chǔ)，以數(shù)據(jù)為支撐，針對(duì)跨系統(tǒng)、跨工具、跨設(shè)備、跨單位等方面明確交換標(biāo)準(zhǔn)，確保數(shù)據(jù)表達(dá)一致性，如模型間的傳遞方式可以采用STEP格式等。構(gòu)建發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)仿真體系，完善仿真規(guī)范、仿真流程，補(bǔ)充各類仿真工具，包括系統(tǒng)級(jí)綜合仿真、組件/部件級(jí)仿真、學(xué)科級(jí)仿真、工藝仿真及分析、試驗(yàn)臺(tái)及集成仿真等，專業(yè)仿真成規(guī)模、系統(tǒng)仿真上水平，最終形成工具齊全、系統(tǒng)完整、結(jié)果準(zhǔn)確的先進(jìn)仿真體系，推動(dòng)研制流程從設(shè)計(jì)、試驗(yàn)向設(shè)計(jì)、仿真、試驗(yàn)轉(zhuǎn)變。實(shí)現(xiàn)虛實(shí)結(jié)合的大型化實(shí)物試驗(yàn)和特殊環(huán)境下的試驗(yàn)驗(yàn)證能力，滿足新技術(shù)和新產(chǎn)品試驗(yàn)驗(yàn)證需求，提高液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的一體化仿真試驗(yàn)驗(yàn)證水平。

2.4""面向數(shù)字孿生的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證評(píng)估平臺(tái)

針對(duì)在線故障診斷和智能控制技術(shù)等，以大數(shù)據(jù)挖掘、數(shù)字孿生、元宇宙等技術(shù)為手段，構(gòu)建驗(yàn)證評(píng)估的虛擬環(huán)境，引入試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)計(jì)的閉環(huán)驗(yàn)證與評(píng)估；通過對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的參數(shù)化、結(jié)構(gòu)化管理，為試驗(yàn)結(jié)果和仿真模型之間的虛實(shí)結(jié)合與對(duì)比驗(yàn)證提供思路；通過數(shù)字模型與實(shí)物模型之間的數(shù)據(jù)映射與傳遞，實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、仿真數(shù)據(jù)的閉環(huán)反饋，提高試驗(yàn)數(shù)據(jù)利用率；通過建立試驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真模型的關(guān)聯(lián)驗(yàn)證機(jī)制來檢驗(yàn)數(shù)字模型的正確性，并進(jìn)一步推動(dòng)仿真模型的修正與優(yōu)化，建立可重復(fù)使用技術(shù)的設(shè)計(jì)、評(píng)估與健康監(jiān)測(cè)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)故障的在線診斷。

2.5""形成高效智能的制造和批產(chǎn)能力

針對(duì)數(shù)字化、信息化技術(shù)的引入，傳統(tǒng)的生產(chǎn)區(qū)域面臨著廠房布局緊湊、設(shè)備狀態(tài)及先進(jìn)性參差不齊、部分設(shè)備老舊嚴(yán)重、功能落后、與智能化設(shè)備無法兼容等情況，現(xiàn)代化改造更新的條件不足，需結(jié)合整體性的能力布局規(guī)劃，開辟建設(shè)高效智能的生產(chǎn)線。加強(qiáng)生產(chǎn)制造過程單元化、自動(dòng)化、數(shù)字化、信息化建設(shè)，改進(jìn)和優(yōu)化生產(chǎn)模式，打造多類型優(yōu)化組合、國際一流液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)線，提升批次性生產(chǎn)能力。通過建設(shè)分布式協(xié)同生產(chǎn)模式，構(gòu)建全三維數(shù)字化制造能力以及新材料的加工能力，達(dá)到敏捷制造，精益生產(chǎn)的目標(biāo)。

3""結(jié)語

數(shù)字化轉(zhuǎn)型是行業(yè)模式轉(zhuǎn)換的必由之路，圍繞液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型，要以體系化、協(xié)同化、數(shù)字化為主線，通過加強(qiáng)頂層設(shè)計(jì)、推進(jìn)專業(yè)協(xié)同、打通數(shù)字鏈路，實(shí)現(xiàn)體系發(fā)展、快速迭代和模式轉(zhuǎn)型。要深度融合信息化、自動(dòng)化技術(shù)，建設(shè)發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)知識(shí)顯性、流程模板化、驗(yàn)證虛擬化、產(chǎn)品數(shù)字化、知識(shí)推送自動(dòng)化，消除信息孤島，構(gòu)建數(shù)字化發(fā)動(dòng)機(jī)的同時(shí)，通過優(yōu)化流程、轉(zhuǎn)變模式提高體系效能；強(qiáng)化基礎(chǔ)研究，深化機(jī)理認(rèn)識(shí)，構(gòu)建發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)知識(shí)體系，提升核心技術(shù)創(chuàng)新能力，提高設(shè)計(jì)階段方案的正確性，從而做到“縮周期，降成本，提性能”。在此基礎(chǔ)上，解放人力、設(shè)備資源，使其專注于前沿技術(shù)探索研究，從而構(gòu)建以數(shù)字化、“設(shè)計(jì)—仿真”小循環(huán)迭代為特征的自主創(chuàng)新研發(fā)模式。

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