航天器數字化研制技術應用研究與實踐

◎中國空間技術研究院 霍光 王耀東 吳延龍 馬楠 陳濤

航天器數字化研制技術應用研究與實踐

◎中國空間技術研究院 霍光 王耀東 吳延龍 馬楠 陳濤

近年來，美國、德國等世界大國不約而同地制定了工業轉型升級戰略，美國政府發布了“再工業化戰略”， 德國發布了“工業4.0”發展戰略，均將數字化技術作為未來制造業發展的重點方向之一。與此同時，NASA、波音、空客、洛馬等國際知名企業也紛紛積極研究并實踐數字化技術與航空航天產品研制過程的深入融合，通過基于模型的系統工程(MBSE)、基于模型的定義(MBD)、集成仿真、虛擬制造等一系列技術的應用，在快速響應用戶需求、優化產品研制流程、提高設計水平和創新能力等方面取得了顯著成效。

我國一直在倡導信息化和工業化融合式發展的“兩化融合”戰略，并于2015年發布了“中國制造2025”戰略，其中航空航天裝備是國家將大力推動的10個重點領域之一。從國家頂層發展戰略要求可以看出，數字化、網絡化、智能化技術將在未來航天企業轉型升級中扮演重要角色，是促進企業創新發展的必由之路。中國空間技術研究院作為我國空間事業的主力軍，也要在前期工作基礎上加速開展數字化技術在航天器研制過程中的應用研究與實踐。

一、建設思路

航天器數字化研制以建立基于統一數據源的協同研制模式為核心，通過打通宇航產品研制全過程的數據鏈路，以模型(結構化數據)替代文檔成為宇航產品研制過程信息傳遞的主要載體，構建基于數字化、網絡化的系統工程研制模式。其核心理念如下：

模型驅動。模型代替文檔成為驅動研制過程的主要載體，研制人員通過模型開展協同設計和驗證，在模型中積累知識。

構造即正確。在實物產品投產前進行全系統虛擬集成仿真和工程實施方案仿真，能用虛擬仿真發現并解決的問題不留到實物驗證階段，從而大量減少實物制造過程的迭代反復和對方案的實物驗證。

端到端集成。實現研制全過程基于模型的“端到端”數字化集成，能夠對需求、狀態和實物產品的變化進行全面、快速、正確響應。

研究院按照“2025年全面實現航天器全流程全周期的研制智能化、管理信息化、保障網絡化”的目標，重點圍繞抓規劃、抓流程、抓接口、抓規范、抓工具5個方面推進航天器數字化研制工作，在技術上通過優化流程、規范接口來建立基于模型的數字化研制模式，在管理上通過配套組織機構和實施隊伍、建立工作機制、制定工作規范來保障數字化研制工作的順利實施，同時通過配套相應軟硬件資源，為實施數字化研制工作提供基礎條件保障。

二、整體框架

航天器數字化研制工作覆蓋系統、分系統和單機3個層級，按照管理對象可分為航天器研制數字化和全周期管理信息化2個部分，如圖1所示。

其中，航天器研制數字化是整個工作的核心和重點，各部分工作重點如下：

體系論證。形成體系化仿真能力，基于數字化模型實現體系論證方案優選和定量化評估，支撐多方案快速比較和項目立項。

設計驗證。借助數字化技術進一步優化設計驗證流程，基于統一數據源，實現覆蓋總體、結構、熱控、控制、載荷等各專業的多專業并行協同設計與驗證，減少設計迭代，提升復雜系統的設計效率。

制造集成?；跀底只Ｐ?，實現提前并行開展工藝設計與仿真、工裝設計等，并使用數字化、自動化設備快速完成產品的數字化加工、檢驗、裝配等，提升產品生產效率和質量。

測試試驗?；跀底只Ｐ?，實現提前驗證實物測試與試驗設計的正確性和覆蓋性，并通過自動化測試工具實現測試過程的自動實施和測試異常的主動預警，提高測試效率。

在軌管理?；跀底只Ｐ停瑢崿F航天器在軌健康狀況的定量分析及在軌故障的快速診斷與解決，支撐在軌故障快速定位與處理。

三、推進措施

研究院構建了航天器數字化研制管理框架，從組織機構、軟件統籌、標準規范、推進機制等幾個方面全面推進航天器數字化研制工作。

1．建立數字化工作推進組織機構

數字化研制貫穿型號研制全流程，涉及型號、技術、管理等多個方面，是一項復雜的系統工程，為切實推動數字化研制工作，研究院在強化數字化研制頂層規劃并定期更新的基礎上，建立了院所兩級數字化研制推進組織機構，明確了由各單位行政正職牽頭主抓的數字化研制工作推進責任體系，為及時解決數字化研制實施過程中遇到的突出問題和困難提供了有力的組織保障。

2．統籌規劃數字化相關軟件建設

數字化系統平臺和軟件工具是型號實施數字化研制工作的重要保障，研究院在堅持自主研發與外部采購相結合的基礎上，從院頂層統籌開展專業軟件的規劃建設，建立了軟件清單，并發布了管理辦法，以有效減少選型不一致給跨單位傳遞模型帶來的障礙，并充分促進已有數字化成果在各單位的共享使用，支撐不同專業、不同單位之間的型號數字化協同研制工作。

3．建立數字化工作標準規范體系

數字化標準規范是實施航天器數字化研制的通用要求，研究院經過系統規劃建立了數字化研制標準規范體系，覆蓋基礎、技術、管理等多個維度。由于標準制定周期較長，為滿足型號應用過程中面臨的迫切需求，研究院按照“規范先行，標準跟進”的思路，以專用規范、型號文件等形式先行明確實施要求，同時通過型號實際應用不斷完善相應規范，最終總結固化形成標準，以有效固化數字化研制經驗成果，并以此指導一線設計、工藝、技能人員規范開展工作。

4．建立數字化研制推進工作機制

數字化研制模式是一種全新的研制模式，在探索應用過程中必然會遇到各種實際問題，為全面保障航天器數字化研制工作的順利實施，研究院建立了相應的保障工作機制，通過調度會、研討會、評估考核，形成了“動態跟蹤、按月調度、按年度考核”的院所兩級閉環管理模式，對存在的問題進行動態識別和管控，保障了數字化推廣應用過程中的重要、共性問題及時解決。

四、應用實踐

研究院聚焦加強體系論證關鍵能力建設、橫向建立總體與各專業數字化協同模式、縱向貫通基于三維模型的數字化設計與生產裝配鏈路3條主線，開展了航天器數字化研制技術的應用實踐。

1．體系論證

針對從單星到系列、從系列到體系、從體系到體系優化轉變的航天器體系建設發展需求，按照邊建邊用的思路，研究院在統籌梳理院內在軌、在研衛星資源基礎上，制定了體系效能協同仿真工作流程，建立了一系列衛星功能模型，并同步開發了航天器體系效能仿真系統，改變了以往依靠文件、經驗和少量仿真進行衛星體系規劃和單星論證的局面，目前初步具備了可展示、可配置的體系效能仿真能力，實現了多種論證方案任務滿足度的快速評估，并在“十三五”衛星系統項目論證中應用。

2．總體與各專業數字化橫向協同

圍繞機械三維協同設計、信息流數字化協同設計、能源流數字化協同設計3條子線開展應用實踐。機械設計方面，建立了基于統一的三維模型體系的機械協同設計模式（見圖2），并在各領域新研型號全面應用，實現了設計變更的即時通知和快速傳遞，有效避免了設計干涉問題，與原模式相比設計協調時間減少40%。信息流設計方面，建立了航天器信息流協同設計平臺并在遙感、通信領域實施推廣，實現了基于統一數據源的遙測遙控、總線數據流設計，有效避免了傳統文檔模式下數據源頭多、傳遞路徑長導致的文件更改聯動不及時、易遺漏等問題，遙測波道編排等環節效率提升50%以上，信息流協同設計新舊模式對比示意圖（見圖3）。能源流設計方面，建立了供配電大圖信息化平臺并在遙感、深空、載人等領域推廣，實現了供配電大圖的分層設計、自動生成與可視化展示，供配電大圖繪圖時間減少50%以上，有效提升了供配電設計水平與復查效率。

3．數字化設計與生產裝配鏈路縱向貫通

圍繞航天器結構產品生產和總裝工作，在設計階段基于三維模型實現了工藝設計和仿真工作模型的充分應用，結構產品生產效率平均提升10%以上，總裝現場設計更改單減少20%以上。基于三維模型的數字化制造模式如圖4所示。任重道遠。后續，研究院將密切關注數字化技術的發展方向，持續開展理論研究與工程實踐，進一步擴大總體與專業協同設計范圍，推進功率流仿真、多的并行開展，并以三維模型替代二維圖紙進行下廠制造和總裝，形成了以三維模型和結構化數據為依據、以數字仿真為支撐的數字化制造和總裝模式，并在所有新研型號中全面應用。通過三維

基于模型的航天器全周期、全流程數字化研制模式的建立是一個長期復雜的過程，經過前期的探索實踐已經取得了階段性成果，但對照建設成為國際一流宇航企業的目標，依然學科集成仿真等仿真技術研究，探索物聯網、條碼掃描等技術在制造總裝現場的應用，促進數字化技術與型號研制工作的深入融合，為研究院的轉型升級和跨越式發展提供堅實保障。