載人航天器系統重量控制方法研究

李興乾，白明生，茍仲秋，張 偉

（中國空間技術研究院 載人航天總體部，北京 100094）

0 引言

系統重量控制在船舶設計[1]、飛機設計[2]等行業一直是一項重要工作，而航天飛行器的重量控制尤為重要。航天飛行器具有系統復雜、技術密集及風險巨大的顯著特點[3]，而且其重量受制于火箭的運載能力，因此合理控制好系統重量，可以提高飛行器的效費比。反之，系統重量失控，輕則引起設計的反復，影響研制進度；重則影響系統功能，可能導致型號任務研制中止。

本文依據載人航天器型號研制實踐，對系統重量控制方法進行了探討研究。

1 重量控制簡析

重量控制主要是通過對系統重量進行準確的預測，并在研制過程中進行動態的跟蹤和控制，最終實現重量設計目標的過程。

雖然重量控制工作在載人航天器研制中持續開展，但是并未明確引入重量控制的概念。航空總體設計中設有重量工程專業[4-6]，負責飛機研制過程中的重量控制。鑒于航空總體設計的重量控制實踐，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成

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

載人航天器系統重量包括艙體結構重量、平臺設備重量、總裝重量、電纜網重量、熱控材料重量、氣液工質重量以及試驗載荷重量等。具體的重量構成如圖1所示。

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

不同的載人航天器各重量構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重量構成比例如圖2所示，艙體結構、平臺設備所占比例較大，分別占系統重量的 23%和 35%。由此可以看出，做好結構和設備的重量控制是關鍵。

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

3 載人航天器系統重量控制流程

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計階段、初樣設計階段和正樣設計階段。各研制階段的重量控制要點不同但均非常關鍵。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與迭代。當重量不滿足指標要求時，要進行方案再設計或者采取減重措施，直到滿足重量要求為止。

載人航天器典型的系統重量控制流程如圖 3所示。

圖3 載人航天器典型系統重量控制流程圖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

4.1 方案設計階段

1）合理進行指標分解

方案設計階段要對系統指標（包括重量）進行分解，同時將分解后重量指標分配到分系統及各責任方。指標分解時要確保項目全面，特別關注直屬件、標準件、熱控材料、總裝輔料等涉及項目多、分配范圍廣、重量預算難的項目。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據資料，并深入了解型號的技術狀態，明確本型號與以往型號的狀態差異，力求做到指標分配合理，既要保證各責任方有開展詳細設計的空間，又要保證總體的設計余量。

2）預留合理的設計余量

載人航天器方案設計階段會在設計上存在一定的不確定性，而且隨著方案的完善，系統重量一般會逐步增加，因此在方案初期進行重量指標分配時總體要預留足夠的設計余量，以應對后續重量控制風險。依據以往的載人航天器的設計經驗，在方案設計階段一般預留8%～10%的設計余量。

3）準確進行重量預估

重量指標分配后要根據設計方案進行系統重量預估，可使用三維模型工具建模計算并借用以往同類型產品重量作參考等手段，力求預估準確。

4）及時對設計方案進行修正

對于不能滿足系統重量指標的方案要及時進行修正，若問題遺留至后續階段，將帶來時間、進度、質量上的多重不利影響，造成研制工作被動。

4.2 初樣設計階段

1）重量控制前移且閉環

在單機產品設計層面，在初樣產品設計階段和產品生產前要進行重量計算；在系統設計層面，在初樣產品交付前要求對系統重量進行復算。對于不滿足要求的設計，要及時進行設計改進；需要調整指標的項目，必須經過重量控制組批準方可執行。將重量控制工作作為設計階段的閉環控制環節。

2）準確進行偏差控制

要根據產品的成熟程度，借鑒此前的研制數據，合理確定產品的偏差范圍。對完全繼承的、小幅改動的和全新設計的產品進行設計偏差區分，并按此簽訂初樣接口數據單。為保證方案的可行性，可采用偏差的上限控制方法，即將產品可能達到的最大重量的總和作為目前的系統重量。

3）利用試驗結果進行重量尋優

初樣設計階段要開展單機鑒定試驗、驗收試驗，系統上要開展靜力試驗、振動試驗和力學分析等來驗證設計有效性。要對試驗結果進行分析，在滿足設計要求的前提下合理削減結構設計過度冗余，追求重量優化。

4）做好稱重狀態控制

為進行系統重量狀態的驗證，需進行系統稱重。稱重前要進行系統狀態清理，完成重量預估；稱重過程中做好現場狀態控制；稱重后仔細進行數據分析，要考慮裝器工裝重量、工藝件與真實件的差異重量、未參加稱重的產品重量以及氣液工質重量等因素。根據稱重結果復核系統設計并進行適應性改進。

4.3 正樣設計階段

1） 及時固化設計狀態

完成初樣階段工作后，應及時固化系統設計狀態，轉入正樣設計階段。嚴格按照產品的偏差要求簽訂正樣接口數據單，并據此進行產品的交付驗收。

2） 嚴格進行產品重量控制

系統設計狀態固化后，嚴格進行產品在生產、實施過程中的重量控制，對超差嚴格審批把關，遵循“盡量杜絕、嚴格審議”的原則進行超差控制。

3） 準確進行重量計算

正樣設計階段，重量控制的準確度是關鍵，因為航天器的最終發射重量及其質量特性將直接影響與運載火箭的接口，以及控制系統的控制模型和參數。此階段重量控制的原則是均應采用實測值。另外，由于在發射前最后一次系統稱重是在推進工質加注前，而加注后發射狀態的準確重量只能通過計算得到，因此要求對加注重量進行精準控制。

4） 制定搭載預案

系統設計時可根據需求設計若干可獨立、靈活進行裝載的裝器設備或試驗項目作為預案，在正樣研制后期根據實際系統重量余量狀態進行選擇性裝載，以提高一次飛行試驗的效用。

5 載人航天器重量控制體會

1）建立完整配套體系

載人航天器上產品種類和數量很多，需要將各類產品按照配套管理，形成配套體系，大至艙體結構、小至螺釘緊固件均要納入體系。配套體系一般包括設備配套、電纜配套、直屬件配套、管路配套、標準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重量狀態的可控性、準確性。

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行的關鍵性工作[7]。重量控制中要明確組織實體，對重量控制工作負責，包括總重預測、系統重量分析、重量動態監控、重量超差審查以及減重措施提出等。

3）重視數據積累

注重研制型號系統重量數據的積累并建立數據庫，作為后續型號研制時系統重量預估和控制的重要參考。

4）關注大部件重量控制

艙體結構、輻射器和推進主模塊等部件重量較大，均超過100 kg，有的甚至超過1 000 kg。由于其占系統重量的比重較大，其重量控制效果直接影響系統重量控制效果，所以在進行重量控制時要對此類部件進行特別關注，由設計及管理部門制定專門的質量保證措施，確保控制目標的實現。同時在出現系統重量超差時，從大部件入手制定減重措施往往能收到較好的效果。

5）深入現場

重量控制工作需要多部門聯合協作，同時需要深入現場對產品驗收、整器總裝、質量特性測試及現場稱重等環節進行檢查，了解飛行器狀態，及時對重量模型進行完善。

6）建立獎懲制度

重量控制工作是一項長期的工作，因此各級組織可以借鑒航空業管理模式[7]，建立重量控制工作獎懲制度，對于設計滿足重量指標或減重措施有效的工作予以獎勵，對于超重的設計進行懲罰。以此強化設計師的重量控制意識，使減重設計理念深入人心，同時提升設計水平。

6 載人航天器輕量化設計措施

1）輕質新材料應用

輕質新材料在載人航天器中的應用可大大減輕系統重量。目前已在載人航天器艙體和設備結構設計上成功應用的新型材料主要有鋁合金、鈦合金、復合材料及蜂窩夾層結構材料等。鋁合金強度高、抗疲勞、耐腐蝕，且其他綜合性能好；鈦合金強度高、韌性強、其他綜合性能好，而且塑性與韌性相匹配，可代替鋼件達到減重目的；復合材料除了綜合性能較好之外，質量密度小是其突出的優勢；蜂窩夾層結構材料比剛度大，易于整體結構成型，具有吸振降噪的性能[2]。

2）系統功能優化

載人航天器功能復雜，設計中在保證功能實現的同時還要力求功能的合并與共用。比如，某載人航天器在設計熱控輻射器時，將輻射器設計成兼具防微流星和空間碎片撞擊的結構；在設計內部承力隔板時，將其設計成兼具密封艙內熱控通風回路的風道形式。通過功能的合并與優化實現系統減重。

3）減少過度冗余

載人航天器設計遵循“一度故障保可靠、二度故障保安全”的設計理念，在系統設計中適當進行備份設計，以提高系統可靠性。但如果配置過度冗余，一方面系統復雜，增加了故障發生點；另一方面系統將付出較大的重量代價。因此，可對系統備份設計進行梳理，取消過度冗余的系統配置，實現系統減重。

7 結束語

載人航天器系統重量控制是一項系統工程，應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分配科學合理、重量分析扎實細致、減重措施恰當可行。

重量控制工作涉及系統設計等多個方面，彼此間相互聯系，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濟性，提高系統效能。

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[1]王凱. 高速鋼質客船的重量控制[J]. 船海工程, 2002(5):5-7

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[2]王哲. 飛機結構設計過程中重量控制[J]. 飛機設計,2001(1): 69-71

Wang Zhe. The weight control to the structural design of airplane[J]. Aircraft Design, 2001(1): 69-71

[3]尚志, 于瀟. “神舟七號”飛船技術狀態控制管理探討[J].航天器工程, 2008, 17(6): 1-6

Shang Zhi, Yu Xiao. Discussion of Shenzhou-7 manned spaceship configuration control and management[J].Spacecraft Engineering, 2008, 17(6): 1-6

[4]王佩君. 飛機技術狀態與重量控制[C]// 中國航空學會飛機總體專業分會重量工程專業委員會第十一次學術交流會, 2006

[5]張建福. 設計與制造中重量控制與管理[C]// 中國航空學會飛機總體專業委員會飛機重量工程專業學組第九次學術交流會, 2002

[6]楊永和. 探討航空重量工程專業的發展[C]// 中國航空學會飛機總體專業第四次交流會, 1998

[7]孫振家. 談重量控制[C]// 中國航空學會重量工程專業第七次學術會, 1998