航天型號復合材料設計研制管理研究

◎北京臨近空間飛行器系統(tǒng)工程研究所 任晶志 雷凈 馬戎燕 陳敏

中國運載火箭技術研究院 耿林妍

航天型號復合材料設計研制管理研究

◎北京臨近空間飛行器系統(tǒng)工程研究所 任晶志 雷凈 馬戎燕 陳敏

中國運載火箭技術研究院 耿林妍

某型號在立項之初就確定采用米級復合材料，作為飛行器防熱主承力一體化結構，大尺寸復合材料具有研制周期長、工藝復雜等特點，其技術難度大、指標要求高。為盡快突破該復合材料關鍵技術，依托某型號研制需求，針對復合材料設計流程、技術狀態(tài)管理、試驗方法、風險控制等方面開展全面的部署，積累了該類復合材料的管理方法和流程，為型號研制提供了有力支撐。

近年來，不斷有國家級的科技工程立項研制，這些科技工程技術難度大、時間跨度長、投資規(guī)模大，對國家技術能力提升、技術水平發(fā)展提出了更高的要求。在眾多新技術中，大尺寸復合材料技術發(fā)展需求旺盛，材料技術作為各工程牽引的需求，涉及到國家的基礎工業(yè)體系、生產能力和工藝水平，是國家制造業(yè)發(fā)展水平的集中體現(xiàn)。

針對某工程應用的大尺寸復合材料研制管理經驗，筆者進行了初步總結，主要包括技術狀態(tài)管理、設計流程、試驗驗證途徑、制造成熟度應用等幾個方面。

一、技術狀態(tài)管理

1.軟件框架設計

采用基于VPM的CATIA三維設計工具，完成飛行器的三維設計、校對和批準，制定各專業(yè)開展設計工作數(shù)字化大綱，對各專業(yè)職責分工、工具方法、模型表述、數(shù)據(jù)傳遞流程和方法等進行了明確，有效地控制技術狀態(tài)，提高了設計效率。

臨近空間飛行器三維設計制造協(xié)同研制模式示意圖如圖1所示。

總體與分系統(tǒng)各專業(yè)(結構、防隔熱、氣動、電氣等)采用自頂向下設計流程和關聯(lián)設計并行開展工作，各專業(yè)間通過反饋迭代逐步優(yōu)化和細化設計內容。

設計部門與制造部門、分系統(tǒng)單位采用工藝提前介入、緊密耦合設計的模式開展協(xié)同，并以相互協(xié)調的數(shù)據(jù)傳遞格式和方式進行數(shù)據(jù)的發(fā)放、接受、更改和受控;通過質量體系介入進行技術狀態(tài)的管控;同時，兼顧了與Avidm系統(tǒng)、檔案管理系統(tǒng)等的交互，有效保障了設計制造協(xié)同的順利開展。

2.流程管理

在項目研制之初，制定了飛行器數(shù)字化設計大綱，規(guī)定了飛行器數(shù)字化設計要求，明確了在研制過程中要開展的數(shù)字化工作項目及基本要求，目的是通過規(guī)范化的工程和管理工作保證飛行器由傳統(tǒng)研制方式向先進的數(shù)字化研制方式的轉變，以壓縮設計周期與成本，提高飛行器的設計效率與質量。數(shù)字化大綱明確了總體單位和生產單位需要完成的文件和模型等工作，見表1。

表1 飛行器數(shù)字樣機設計工作項目實施表（復合材料部分）

二、設計流程

1.基于IPT的聯(lián)合設計模式

根據(jù)復合材料研制進展，在2015年11月成立了結構協(xié)同設計組。其目標是:完成攻關工藝試驗件設計與攻關結構方案論證。根據(jù)需求，集中辦公的專業(yè)包括總體、結構、強度、熱環(huán)境、防熱、隔熱、溫控等專業(yè)。

為了確保IPT目標的順利實現(xiàn)，將IPT團隊分為領導小組、總體組、結構組、防隔熱組與資源保障組等10個小組，如圖2所示。

2.對熱結構設計的認識

經過幾年的工作，研制隊伍逐漸認識到這類飛行器的設計需從以前的“防熱承力一體化”提升為“防熱承力隔熱一體化” 設計，要用好復合材料就要做到設計和工藝等各專業(yè)的“復合”。并且，隔熱專業(yè)具有結構專業(yè)的特點，隔熱的繪圖工作量較大。

熱結構設計要“趨利避害”，復合材料最重要的特點就是其可設計性，要充分了解、認識熱結構材料的生產過程、工藝過程，這樣才能在設計時充分考慮其對總體性能的影響。熱結構試驗要“量力而行”，這包含時間和空間2個緯度，時間上試驗產品前期經過哪些試驗、受過哪些損傷;空間上試驗方案是否按照設計的力熱傳遞路徑進行，這些都將影響試驗目的的達到。

某型號在設計過程中，防熱承力的復合材料和內壁隔熱關系緊密，隔熱專業(yè)作為影響飛行器方案成立的主要專業(yè)地位突顯，因此對原有總體專業(yè)間設計流程進行了重新梳理。在原有結構專業(yè)內回路論證過程中，主要考慮的約束有質量、總裝流程、強剛度等，而復合材料結構設計能否滿足艙內設備溫度條件是強約束，這個問題要靠隔熱專業(yè)回答。數(shù)據(jù)交換流程如圖3所示，與原有專業(yè)設計相比，增加了隔熱溫度場數(shù)據(jù)分析，隔熱溫度場分析能否達到要求是決定方案成立所必需考慮的約束。

三、試驗驗證途徑

由于復合材料研制周期長，試驗準備復雜，試驗又是確定產品狀態(tài)的重要途徑，因此針對復合材料試驗順序和流程進行了詳細規(guī)劃，制定了從材料級、平板級到組件級、艙段級的積木式試驗流程，明確了試驗預示是試驗方案的一部分，以降低復合材料試驗風險。

積木式驗證途徑的優(yōu)點是:充分揭示失效模式、獲得結構設計許用值，驗證分析方法與工藝，降低研制風險和研制費用。在熱結構關鍵技術攻關還在進行材料級測試時，就提出了吸取先進國家在航空領域復合材料研制的經驗，在大型復雜艙段熱結構研制時充分應用積木式驗證的技術途徑。

有關離散性、尺寸效應、環(huán)境效應等的結構設計許用值需要通過材料、元件、組件和艙段積木式的大量試驗子樣來積累，并針對特定結構方案建立起積木式各環(huán)節(jié)力學特性之間的關系。通過數(shù)值計算對于強度破壞的把握是不可靠的，而提前開展的理論計算主要是認識到結構的哪個局部是最危險的部位、以及危險部位的載荷受力條件。對于這個典型元件是否滿足強度要求，則主要應通過試驗考核。對設計方案的驗證試驗應盡可能在小尺寸的結構件上來完成。積木式驗證方案如圖4所示。

四、制造成熟度

在復合材料研制過程中，引入了制造成熟度(MRL)的方法，根據(jù)復合材料的研制水平，合理確定其制造成熟度等級，并按照制造成熟度概念規(guī)劃后續(xù)工作，以突破關鍵技術。

美國國防部的MRL定義分為10個等級。制造成熟度與技術成熟度(TRL)密不可分，產品技術或設計不穩(wěn)定的話，制造工藝的成熟就無從談起。因此，每一級MRL定義中都包含了相應一級的TRL作為先決條件，如表2所示。

在MRL的10個級別中，1～3級對應武器裝備采辦中的裝備方案分析階段結束之前，包括基礎研究和應用研究，基礎研究主要關注新材料、新工藝的確定，應用研究則關注新材料與工藝的優(yōu)化;4～6級可以直接用于先期技術演示(ATD)或制造技術(ManTech)等科研項目;7～10級重點關注生產，尤其是批量生產問題。

采用制造成熟度評價方法，更加系統(tǒng)規(guī)范化地檢查熱結構當前各項關鍵制造已經具備的條件和能力，在哪些方面還存在問題以及如何應對這些問題，為管理和控制某工程熱結構制造風險提供支撐。

采用“先試點，再推廣”的工作思路:研究掌握國外制造成熟度評價方法和最佳實踐，結合熱結構特點形成適用于戰(zhàn)略武器的制造成熟度評價方法，編寫制造成熟度培訓材料，為明年正式出版制造成熟度專著做好積累;選取某工程中的關鍵制造部段，開展制造成熟度評價試點，首先由承研單位設計師自評價，然后組織專家評價，單位做好評價支撐工作，共同做好評價意見閉合工作;總結試點經驗并完善評價方法，管理機關和工程“兩總”根據(jù)試點情況在復合材料、金屬材料、電子元器件等關鍵制造中推廣使用;總結在熱結構中開展制造成熟度工作的經驗，策劃和推動開展制造成熟度評價和制造能力提升機制建設。

表2 制造成熟度等級定義

目前，已經梳理出21項關鍵制造，并選取了端頭、舵等熱結構作為第一期試點。通過總體單位和材料研制單位探討，開展了3個關鍵制造的制造成熟度評價工作，并依據(jù)制造成熟度對后續(xù)工作進行了計劃。

五、實踐效果

經過多年攻關，北京臨近空間飛行器系統(tǒng)工程研究所已經初步掌握了大尺寸熱結構復合材料從設計、分析、生產、試驗全過程的手段和方法，研制的大尺寸復合材料經過了地面試驗驗證。結果表明，設計分析正確、方案合理可行，能夠滿足總體指標要求。同時，積累了熱結構組織管理方面的經驗，對熱結構從材料級到大尺寸的研制流程和方法以及其生產周期、試驗周期、經費需求有了比較清晰的掌握，為后續(xù)其它型號研制積累了寶貴的經驗。

后續(xù)，研究所將進一步整理技術和管理方面取得的成果，形成標準體系和管理流程，建立一套適應復合材料研制的標準規(guī)范體系。