空天飛行器質量特性管理系統設計與實現

滿益明，韓金鵬，羅明強2，康 軍

(1.中國運載火箭技術研究院，北京 100076；2.北京航空航天大學 航空科學與工程學院，北京 100191)

0 引言

空天飛行器是指一種集航空、航天技術于一體，兼有航空和航天功能，既能在軌執行任務又能在機場水平著陸的飛行器[1]。空天飛行器質量特性(質量、質心、轉動慣量和慣量積)是飛行器總體設計的重要依據和關鍵控制參數，與飛行器總體性能和技術指標密切相關，其設計與控制貫穿于空天飛行器全壽命研制周期[2-7]。

隨著先進數字化技術和三維數字樣機技術的發展與工程應用[7-12]，空天飛行器質量特性控制變得相對容易，易于實現，可有效解決傳統設計模式下全飛行器質量特性數據難以統一管理，難以精確控制和評估的難題，從而降低設計成本，提高質量特性設計工作的準確性和時效性。基于CATIA VPM數字化設計環境，本文提出了空天飛行器質量特性管理系統總體技術方案，開發了飛行器質量特性管理系統，通過工程應用，證明了總體設計思路的合理性與正確性。相比于傳統質量特性管理手段，該系統計算速度更快、數據更為準確，實現了飛行器質量特性全壽命周期的動態可控、可見和可追溯。

1 系統設計

1.1 設計思路

空天飛行器任務剖面涵蓋地面、發射上升、長期在軌、離軌再入和進場著陸等多個階段，飛行器質量特性控制具有全程控制精確化、數據來源多樣化、設計過程全程化、數據分析動態化、三維數模數據海量化和多專業需求差異化等特點[1]。針對上述特點，空天飛行器質量特性管理系統采用功能層次化、軟件模塊化、平臺通用化、數據動態化、顯示多樣化的指導思想，按照一次開發，多項目全壽命周期使用的總體設計思路，基于飛行器研制流程，構建了飛行器質量特性管理系統，以滿足不同研制階段、不同構型、不同權限用戶、不同層級(零部件、部組件、全飛行器級)對全飛行器質量特性的管理需求。

1.2 系統方案

飛行器質量特性管理系統主要包括三部分:質量特性數據管理子系統、質量特性數據分析與評估子系統和質量分布計算子系統，總體框架如圖1所示。

圖1 管理系統總體框架

飛行器質量特性數據管理子系統是設計人員開展整器或部組件質量特性管理和控制的基本數據依據，管理的目的在于有效地將各類來源的質量特性數據管理起來，建立一個統一的、有依據的質量特性數據中心，在此基礎之上對飛行器質量特性開展進一步計算、分析、預測、監控和控制。質量特性數據管理子系統建立的飛行器質量特性數據庫是設計人員開展飛行器質量特性數據分析與評估的前提。

質量特性數據分析與評估子系統是設計人員開展飛行器質量特性分析、動態跟蹤、監控、預測及評估的專業設計工具，是總體設計人員控制和預測整器或部組件質量特性狀態的重要過程及手段。質量特性數據分析工作主要分為三類：第一類是各專業提出的某一項或幾項相關數據的統計分析，如縱向質心、質量的統計分析；第二類是根據各零部件的基本質量特性數據與歷史統計數據開展的對比分析，如系統/分系統質量系數統計、材料系數統計、不同項目質量特性數據對比等。最后一類是飛行器質量特性的趨勢分析，這項工作是飛行器質量特性控制的關鍵環節。在缺少先驗數據的情況下，設計人員通常需要基于分析結果對飛行器質量特性的變化趨勢進行預測，給出預測重量及重量裕度。質量特性數據分析與評估子系統是飛行器質量特性控制的有力支撐。

隨著計算機技術和設計手段的進步，飛行器總體設計工作越來越精細化。飛行器質量特性分布計算子系統為設計人員開展質量特性的分布計算、載荷及強度的精細化設計與分析、零部件或部組件的結構與傳力路線的優化設計、質量特性的優化設計提供了可能。因此，質量特性分布計算子系統是飛行器質量特性控制的重要手段，與質量特性精確化設計與優化、質量特性的預測與控制密切相關。

飛行器質量特性管理系統業務流程如圖2所示。

圖2 飛行器質量特性管理系統業務流程

從圖2可以看出，飛行器質量特性數據管理、分析與評估子系統的相關功能模塊均圍繞飛行器質量特性數據庫展開，質量特性數據庫不單獨作為功能模塊，各功能模塊分別依照其業務需求對飛行器質量特性數據庫進行讀寫操作交換數據。質量特性數據庫作為該系統的核心，只有基于各零部件、部組件、分系統的質量特性才能建立全飛行器質量特性數據庫。飛行器質量分布計算子系統主要功能是圍繞對應的質量特性數據和CATIA數模展開，通過構建一定的網格，利用成熟的工程算法，對數模進行質量切分，并開展質量分布計算分析。質量特性分析計算子系統是總體設計過程中相關專業對質量特性數據的一個典型應用。

2 關鍵子系統方案

2.1 數據管理子系統方案

飛行器質量特性數據管理子系統包括項目及階段管理、數據編輯、數據權限管理、數據檢查等模塊，用于管理不同項目、不同設計階段、不同版本的飛行器質量特性數據分解結構樹，實現對質量特性數據的數據編輯、數據更新、數據檢查和數據權限管理等功能。同時，還可為外部系統提供數據接口，實現飛行器質量特性數據的輸入輸出。

圖3 質量特性數據管理子系統功能框架

項目及階段管理模塊主要實現不同項目或同一項目不同階段質量特性數據的層次化管理，常采用樹形結構。項目啟動時，除需按照項目的需求建立項目及項目分類的層次結構外，還需確定項目屬性表結構和屬性項類型的定義。

數據編輯模塊用于實現質量特性數據的直接編輯功能，包括質量特性數據版本及其分解結構樹的編輯、質量特性數據編輯等。項目及階段確定后，管理系統將以數據版本作為質量特性數據封裝單位，一個數據版本對應一個完整的質量特性數據分解結構。在項目及階段明確定義后，設計人員將以數據版本作為質量特性數據封裝單位，一個數據版本對應一個完整的質量特性數據分解結構，其中的數據屬性表與項目的屬性表定義保持一致，且父子節點下的數據可包含繼承特性。在數據版本下開展質量分解結構樹編輯時，每個節點均可進行無限層級定義，形成質量特性分解結構樹，且具有父子關系的節點之間可支持更新計算。質量特性數據編輯的對象是質量分解結構樹下各系統、子系統及部組件等節點下的各屬性項數據。

數據接口模塊主要實現質量特性數據的導入導出功能。通過該功能可將滿足管理系統輸入接口的質量特性數據與結構樹下選中的項目、階段、版本或質量節點建立關聯關系；通過導出功能，可將選中的項目、階段、版本或質量節點的質量特性數據以一定的格式輸出，如EXCEL表格文件，當設計人員選中節點為項目、階段時，可將質量特性數據批量導出，若選中節點為數據版本或質量特性數據節點，則進行單個數據導出。

數據更新與計算主要實現對質量特性數據的計算和檢查功能，包括數據更新與計算、數據權限管理和數據檢查等。通過設置數據節點間相關數據項目的計算關系及設定的計算范圍，設計人員可實時進行數據更新與計算。在計算范圍內，按照提前設置好的計算公式，自底向上進行數據計算，計算過程中凍結版本的數據因無修改權限而不參與計算和更新，鎖定的數據雖無更新權限，但仍可向上一級節點傳遞本節點數據，并參與上一級節點的計算與數據更新。典型的計算關系包括剛體的質心計算、轉動慣量計算和慣性積計算。

數據權限包括版本的修改權限和數據的更新權限，可分為版本凍結/解凍和數據鎖定/解鎖兩部分，通過該功能，設計人員可對數據狀態進行動態管理，按需進行更新計算。版本凍結狀態僅針對某個確定的版本，凍結狀態下對應的數據無法進行編輯和更新；數據鎖定/解鎖狀態僅針對某一數據節點，解鎖狀態的數據節點不參與上一節點的數據更新。

數據檢查的對象為某個數據版本，包括區域碼檢查和數據合規性檢查，系統允許設計人員建立多組檢查項開展切換檢查。設計人員可按需配置檢查規則，對每一組檢查項的出錯狀態可進行自主標示，當數據被修改為正確數值后，狀態即可自動恢復。

2.2 數據分析與評估子系統方案

數據分析與評估子系統包括基礎數據庫、數據查詢、數據統計分析、數據對比分析等模塊，主要功能是建立飛機、衛星、飛船等飛行器質量特性的基本數據庫，對數據庫中的數據進行關鍵字及多條件查詢，動態監控飛行器質量特性變化，并開展統計分析。

圖4 質量特性數據分析與評估子系統功能框架

數據統計分析模塊用于按需對數據庫中的質量特性數據進行統計分析，獲取整器或分系統/部組件等的共性或特殊類型信息，如分系統質量系數統計、材料系數統計等，并以直觀圖示展示統計結果。

數據查詢模塊主要是對質量特性數據庫中不同項目、不同階段、不同版本下的各類數據進行查閱和條件檢索，包括基礎查詢和高級查詢。通過關鍵字進行基礎查詢，重點體現各專業人員對項目相關數據的查詢需求；高級查詢主要通過設置數據屬性項(如質量、材料等)的過濾實例，滿足用戶自由查詢需求，如進行部件+材料+質量范圍的查詢。

結合各零部件基本特性和統計特性，數據對比模塊主要用于滿足各專業設計人員對質量特性數據信息的對比分析需求，如不同項目同一種材料的所占百分比、同一項目不同階段質量特性變化、不同項目同一階段質量特性變化等。

基礎數據庫框架是基礎數據庫建設的核心內容。基礎數據庫以用戶定義的參數表為基礎，輔以數據查詢、分析及分類管理等，提供與通用數據資源庫的接口，可調用通用數據資源庫中的實例參數進行分析；此外，基礎數據庫通常還包含飛機、航天器等質量特性相關的基本數據庫。基礎數據庫框架主要由數據項維護、實例維護、實例應用以及實例分析等部分組成。

2.3 質量分布計算子系統方案

飛行器質量分布計算子系統通過對數模的前處理和網格劃分，可快速完成飛行器及其主要部件的質量塊生成及質量分布計算，以圖像化形式顯示計算結果，輸出特定格式數據。質量分布計算子系統功能框架如圖5所示。

圖5 質量分布計算子系統功能框架

計算前處理模塊主要功能是對質量分布計算用的模型進行合規性檢查和設置質量切分所用的有限元網格。模型檢查功能可自動過濾篩選開展質量分布計算所需的實體模型。通過直接在建模環境中選擇節點的方式，選擇需進行質量分布計算的模型，針對選定的模型，系統將自動識別出其中的質量信息和可用于分布計算的實體模型。

網格切分和質量塊生成模塊利用計算前處理的有限元網格劃分信息完成對所選中數字模型的切分計算，以Panel單元形式統計切分落入各單元內的質量特性數據，并自動生成相關結果。在切分質量特性計算結果后，通常需要補充及合并系統質量特性，以形成可用于質量分布用的質量特性數據。

質量分布計算模塊主要用于將各部件的質量特性數據按照一定的工程計算方法(如面積法、虛功原理法等)合理等效地分布在給定的有限元網格節點上。

結果后處理模塊主要用來實現對計算結果及有限元網格的瀏覽查閱，通常以圖片或表格的形式顯示處理結果，如以圖形化三維顯示方式展示質量分布計算結果時，常包括各質量塊、質量塊的質點、質量分布節點、分布質量大小等。

3 典型案例應用

目前，飛行器質量管理系統已應用于某項目研制工作，并形成了不同研制階段各零部件、部組件、子系統、分系統及全飛行器質量特性變化歷程數據庫，完成了典型部組件的質量分布計算。通過該系統的設計與研制，設計團隊不僅完成了質量特性原始數據的高效、集中、統一管理和精確的、持續的動態評估，實現了全飛行器質量特性數據的全過程動態可控、可見和可追溯，而且還降低了設計人員重復性工作量，提高了設計效率，保證了數據準確性。

4 結束語

本文針對空天飛行器質量特性控制的特點與難點，基于數字化設計環境和飛行器數字樣機，提出了飛行器質量特性管理系統方案，結合工程應用需求，完成了飛行器質量特性管理系統建設與應用。工程應用結果表明，該系統可有效提高設計效率，確保質量特性變化歷程的準確性和時效性，實現全飛行器質量特性數據的全過程動態可控、可見和可追溯。飛行器質量特性管理系統的相關成果，后續還可推廣應用于其他航天器的質量特性控制。