虛擬樣機技術在載人航天發射場中的應用

賈立德，鄭永煌，李建忠，徐曉婭

(中國酒泉衛星發射中心試驗技術部，蘭州732750)

1 引言

載人航天發射場是飛船、運載火箭等產品測試發射過程中使用的所有地面設施設備總稱［1］。隨著航天發射任務的日益增多，對發射場設施設備的可靠性安全性和精細化維修保障能力要求越來越高。傳統的基于定性手段和經驗的維修保障方法已經越來越不適應新的任務要求［1］。

虛擬樣機技術是上世紀90年代中后期隨著計算機技術的發展而發展起來的。在美國、德國、日本等發達國家，虛擬樣機技術的應用領域涵蓋了航空航天、工程機械、造船等多個方面，如火星探測器“探路號”的設計，波音777飛機的設計，以及重大故障問題和過程的再現與分析等［2，3］。

虛擬樣機技術是指基于產品計算機仿真模型的數字化設計、分析與優化方法。它以計算機仿真和建模為依托，融合智能化設計技術、并行工程、仿真工程等，最終目標是對產品的設計、使用性能進行精確、量化分析與預測，從而達到設計和維護使用管理的最優化［2-7］。

虛擬樣機技術是在CAD/CAM/CAE和物理樣機的基礎上發展起來的，其基礎為多體系統動力學、結構有限元理論、其他領域物理系統的建模與仿真理論等，是產品的多領域數字化建模的集合體，包含有真實產品的所有關鍵特征。虛擬樣機的三個要素為:進行功能分析的仿真模型;表達集合形狀與機構的CAD模型;用于實現可視化與表達的虛擬環境模型［2-7］。

本文對近年來在載人航天發射場綜合維修保障領域開展的虛擬樣機技術研究與應用情況進行了系統總結，對虛擬樣機技術在載人航天發射場的應用特點進行了分析。

2 應用領域和特點

2.1 應用領域

載人航天發射場設施設備按照專業領域，可以劃分為非標機械設備、電控設備、加注供氣設備、空調消防設備和供配電設備幾大類。載人航天發射場虛擬樣機技術應用就是圍繞上述設備的綜合維修保障分析等開展的，可以分為結構分析和流場分析兩大內容，具體包括:結構的三維建模與仿真、結構的力學特性分析、發射場各種物理場(溫度場、電磁場)的建模與仿真等多個方面。

載人航天發射場虛擬樣機技術的典型應用領域如圖1所示。

圖1 載人航天發射場虛擬樣機技術應用領域Fig.1 Application field of virtual prototype technology in manned space launch site

2.2 應用特點

與其他領域相比，載人航天發射場設施設備的高可靠性安全性要求特點決定了虛擬樣機技術在發射場中的應用具有自身的特點和特殊性。

1)設施設備全壽命周期綜合應用

載人航天發射場設施設備的復雜性和特殊性，決定了發射場虛擬樣機技術的應用首先具有面向設施設備全壽命周期綜合應用的顯著特點。也就是說，發射場虛擬樣機技術的應用不僅注重設施設備的設計開發，同時也注重在設施設備使用、維修、保障等方面發揮作用，即面向全生命周期的綜合應用，如圖2所示。

圖2 全生命周期的虛擬樣機技術應用框圖Fig.2 Schematic of full life-cycle application of virtual prototype technology

2)涵蓋發射場的主要專業和分系統

雖然載人航天發射場設施設備種類繁多，但本質上是一個機、電、液、氣綜合系統。由圖1可以看出，虛擬樣機技術的應用領域能夠涵蓋發射場的主要專業和分系統，如非標機械設備的結構剛強度分析、三維可視化建模和控制性能分析;加注供氣系統的熱分析以及空調保障系統的溫度場分析等。因此，虛擬樣機技術在發射場具備廣泛應用和從根本上提升發射場綜合維修保障能力的前提條件。

3)以結構分析和流場分析為主要內容

虛擬樣機技術在載人航天發射場的應用涵蓋了發射場的主要專業和分系統。從虛擬樣機技術在發射場應用的專業理論領域來看，虛擬樣機技術應用主要是以結構分析和流場分析為主要內容。也就是說，主要用到的是結構力學、有限元分析、場分析、數值傳熱等領域的基礎理論。

3 典型應用

3.1 關鍵設備三維可視化建模

建立臍帶塔等發射場關鍵設備的三維可視化模型，能夠為快速、準確的開展箭塔接口協調、技術會商提供一種有效、精確、直觀的技術手段［4-7］。

在Pro/E平臺上，建立了載人航天發射塔零部件和裝配體三維可視化模型，如圖3所示。同時設計開發了模型管理數據庫，實現對大量的零部件模型和裝配體模型的高效組織、管理、存儲和使用。系統主要功能包括:

1)零部件設計、工藝信息的存儲與顯示。系統在形象、完整顯示零部件三維構型的基礎上，同時根據設計圖紙，完整記錄各零部件的尺寸、材料、裝配工藝等信息。

2)零部件信息的檢索查詢。系統能夠根據零部件名稱等檢索關鍵詞對零部件信息進行查詢，方便技術協調和會商。

3)動態演示設備運行原理。系統利用Pro/E軟件的裝配體設計與動畫演示模塊，對關鍵部件的運行原理、裝配/拆卸順序進行動態演示，便于更加形象直觀地掌握設備原理和狀態。

圖3 載人航天發射塔三維可視化模型Fig.3 Visual 3D models of manned-space launch tower

3.2 基于有限元法的結構靜動特性分析

準確掌握臍帶塔回轉平臺等關鍵結構在各種復雜載荷作用下靜動特性，對于準確掌握設備使用維護規律，確保設施設備可靠性安全性具有重要意義［8，9］。

利用有限元軟件平臺Nastran，對臍帶塔回轉平臺的結構靜動特性進行了分析建模，如圖4所示，其中圖4(a)為第三組回轉平臺的有限元模型，圖4(b)為其第一階振型計算結果。

風載荷是影響發射時刻臍帶塔回轉平臺展開的重要因素［10，11］，尤其是 2009 年臍帶塔回轉平臺由原來的非封閉狀態改造為封閉狀態，回轉平臺受風面積大大增加，結構靜動特性發生變化。利用上述有限元分析結果能夠對臍帶塔回轉平臺受風載荷的影響進行準確評估。由圖4可以看出，封閉后的回轉平臺一階固有頻率為1.8 Hz，高于常見風振頻率(0.5 Hz)，因此從結構風振的角度分析，封閉后的回轉平臺是安全的。

圖4 臍帶塔第三組回轉平臺有限元分析結果Fig.4 Finite element analysis of the 3rdrotating platform

3.3 發射場電控設備虛擬仿真與訓練

計算機和電氣控制是發射場關鍵設備的主要控制方式。開發發射場電控設備虛擬仿真與訓練平臺，對提高崗位人員故障分析處置能力具有重要意義。

利用Visual Graph圖形插件建立了臍帶塔回轉平臺、電纜擺桿控制系統的虛擬電控仿真系統，如圖5所示。系統主要功能如下:

1)在操作面板、工作原理仿真界面中，所有元器件均可根據操作實時、動態同步動作，準確再現系統工作原理和過程;

2)設備運行過程中的模擬量參數，可在操作面板儀表盤上實時顯示出來，并與系統真實狀態相同;

3)控制原理、工作原理界面可單獨用來進行動態原理分析，在圖中能反映實際設備的運行原理和過程，可用來進行交互故障診斷分析;

4)開發了虛擬專家腳本數據，可以仿真系統正常的操作運行過程，或仿真顯示不同器件故障的運行原理及設備狀態信息。

3.4 臍帶塔封閉區溫度場建模與評估

神舟飛船、運載火箭等產品對臍帶塔測試封閉區的環境溫濕度有嚴格的要求。但長期以來，發射場主要依靠經驗和定性分析手段對臍帶塔封閉區環境溫度進行簡要分析與估計，誤差較大。尤其是對于推遲發射等特殊情況下需要對臍帶塔封閉區環境溫度保障能力進行精確計算、評估時顯得手段不足［1］。

利用Fluent軟件，建立了臍帶塔封閉區溫度場的數值模型。為了提高計算效率，選取臍帶塔封閉區的一半建立數值模型，對稱面為封閉區的閉合界面。根據結構建立相應的模型，采用六面體結構化網格和非結構四面體網格組成的混合網格，中間以楔形網格進行過渡，減少網格數量，加快收斂速度和結果精度［12］。

結果如圖6所示，其中(a)為臍帶塔封閉區內部對稱面上穩定情況下溫度分布趨勢云圖，由圖可知，整個封閉區內部溫度分布符合流體力學規律，上部空間溫度較高，越接近下部，溫度越低;(b)為臍帶塔封閉區內部穩定情況下對稱面上部、下部溫度分布等值線圖。由圖6可知，溫度變化較為劇烈的位置主要集中在空調出風口位置以及封閉區邊界狹縫處，可知由于空調系統的效應，造成內外空間的溫差并形成強烈的對流熱交換。

圖5 臍帶塔電纜擺桿控制系統虛擬電控仿真平臺Fig.5 Virtual simulaton platform of cable swinging rod control system

圖6 臍帶塔封閉區溫度場建模與評估Fig.6 Modelling and evaluation of temperature feld of the closed-space

4 應用體會

4.1 發揮的作用

信息化、數字化是未來航天發射場的必然發展趨勢。通過作者最近幾年的相關研究工作，可以看到，虛擬樣機技術在未來發射場建設，尤其是信息化建設中必將起到重要作用。概括起來，可以分為以下幾個方面:

1)為實現發射場關鍵設備功能特性的精確、定量評估奠定重要技術基礎。對發射場關鍵設備的功能、性能指標進行精確、量化分析與評估是發射場未來建設發展的必然要求。通過可視化建模、數值分析、有限元計算等方法，為上述目標的實現提供了具體而可行的技術手段。

2)為人員訓練、能力評估提供直觀、可視的平臺。虛擬樣機技術的應用使原來抽象、復雜的設備原理和結構形象化、具體化、直觀化，從而為崗位人員的訓練、能力評估提供了便捷的平臺和手段。

3)為接口協調、技術會商、設備維修改造提供技術支持手段。虛擬樣機技術的應用，使得我們在火箭與地面設備接口協調、技術會商和設備維修改造中能夠及時、準確的掌握設備技術狀態變化情況，確保接口的匹配性、協調性，改造的準確性、合理性。

4.2 經驗體會

結合虛擬樣機技術在載人航天發射場實際應用中遇到的技術問題，可以得出以下經驗體會:

1)模型的精確性和復雜性問題。結果的準確性必然要求模型的精確性。但在實際工程應用中，如果不對實際模型進行適當的簡化，就必然導致模型過于龐大和復雜，主要表現在模型數據量大、仿真運算速度慢，一些次要的現象和結果往往掩飾事物的主要規律和矛盾。因此，在實際應用中，必須要處理好模型的精確性和復雜性之間的矛盾問題。具體而言，就是針對需要的結果和分析對象，將模型進行充分的簡化，將不影響主要規律和結果的次要問題進行簡化，例如在回轉平臺結構有限元分析中，就可以將結構中的非承力件簡化。

2)推廣應用平臺的構建問題。虛擬樣機技術在航天發射場的應用必須要依賴良好的應用平臺。如前所述，虛擬樣機技術的應用包括很多基于不同軟件和技術構建的具體模型和分析仿真結果。這些模型和分析結果的應用，尤其是在操作崗位的應用，必須要有一種基于統一平臺的多種類資源應用系統，能夠方便、快捷地實現交互操作和仿真運行，這樣才能適應高密度常態化試驗任務要求。作者體會，基于交互式電子技術手冊的應用平臺就是一種可行的選擇。

5 結論

通過對發射場虛擬樣機技術幾個典型應用的分析介紹，可以發現，虛擬樣機技術是發射場信息化建設和未來發展的重要技術基礎;是發射場設計、建設、使用與維修保障，逐漸由功能性分析向性能性分析，由定性分析向定量分析，由經驗分析向精確分析轉變的必然要求;也是計算機技術和軟件技術在發射場不斷應用的必然結果。

虛擬樣機技術是一個非常廣泛的技術領域，在發射場的應用也必將隨著發射場的建設發展而不斷深入。充分發揮虛擬樣機技術在發射場的作用和效能，提升發射場綜合技術水平，仍是一個重要的課題和努力的方向。

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