空天飛行器總體布局快速設計系統研究與實現

滿益明，韓金鵬，江凌彤，陳 稗，羅明強

(1.中國運載火箭技術研究院，北京 100076； 2.海鷹航空通用裝備有限責任公司，北京 100074；3.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[1-2]，其研制屬于典型的系統工程。空天飛行器總體布局設計(包括外形設計、結構布置、系統布置等)是飛行器總體設計的重要工作，與總體、氣動、結構、載荷、控制等專業高度耦合，與飛行器總體性能和技術指標密切相關，直接影響飛行器的綜合性能及全壽命周期費用[3-6]。方案設計階段，總體布局設計約束高度耦合、更改來源多，涉及面廣，常需要詳細設計、反復迭代、逐步逼近、多輪優化，才能形成滿足用戶需求，技術、經濟和工程實施均可行的總體布局方案[7-9]。傳統航天器總體布局所采用的工程估算方法、線性疊加方法，既無法滿足空天飛行器復雜空間曲面的精確表征、氣動特性的精確分析、質量特性的精確控制、儀器設備電纜布置空間的精確估算等設計需求，也無法滿足方案設計階段，飛行器總體方案快速迭代評估與集成優化的需求。

本文基于空天飛行器總體布局“五約束”，明確了總體布局設計的“六要求”和“十流程”，基于CAD參數化建模技術，提出了空天飛行器總體布局快速設計系統總體技術方案，基于CAA C++和CATIA VPM數字化設計環境，開發了飛行器總體布局快速設計系統，解決了飛行器復雜外形、結構布置、系統布置難以參數化、實體化、可視化，質量特性難以動態分析與評估，專業間多參數快速共享等方案設計階段總體布局設計過程中所面臨的難題，提高了總體布局設計的經濟性、時效性和準確性。

1 總體布局設計要求與流程

1.1 總體布局設計約束

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，飛行器總體布局應能適應全任務剖面氣動特性精確分析、質量特性變化范圍小、軌道再入全速域壓心變化范圍小、長期在軌與軌道再入異類執行機構復合控制策略復雜、緊湊空間儀器設備布局難及調節能力有限等特點。空天飛行器總體布局設計約束主要包括五方面：起降方式、質量特性、性能指標、內部空間、制造裝配約束等。

1)起降方式約束：飛行器采用的起降方式對總體布局影響至關重要，如：飛行器起飛規模、發射方式、著陸方式、機場跑道條件等。起飛規模決定了飛行器的質量規模，主要由飛行器有效載荷能力確定；起飛方式包括自主水平起飛、自主垂直起飛、運載火箭垂直發射等，其決定著飛行器的外形規模，著陸方式主要有著陸滑跑裝置、氣囊、傘降、滑撬等；機場跑道條件主要包括跑道長度、寬度及海拔高度等，決定著飛行器外形規模，著陸系統方案和著陸質量規模。

2)性能指標約束：在飛行器初步方案的快速迭代過程中，總體設計人員主要關注的性能指標包括攜帶有效載荷入軌和再入返回的能力，速度增量，控制精度和穩定度，最大著陸速度，機翼翼載，軌道再入過程中的最大熱流、最大過載、最大動壓等。

3)質量特性約束：飛行器全任務剖面內面臨“五化”難點，需要滿足五方面設計要求[1]，總體設計人員需要將質量特性設計要求轉化為對總體布局的要求，如貯箱體積、飛行器結構外形尺寸、典型結構形式的選擇、全任務剖面質量特性變化范圍等。

4)內部空間約束：空天飛行器長期在軌的任務需求及攜帶有效載荷再入返回的能力要求對飛行器內部空間提出了較為嚴苛的要求。考慮到平臺的通用化需求，結合飛行器任務剖面，按照功能獨立的設計原則，飛行器總體布局按照儀器艙、有效載荷艙和推進艙分開設計各艙內部空間。儀器艙主要用來布置電氣設備，有效載荷艙主要為有效載荷提供足夠的空間包絡和通用化、模塊化、標準化的機電熱接口。推進艙主要用于布置貯箱、氣瓶、發動機等動力系統設備。除此以外，內部空間設計還需考慮機構類產品的運動包絡、高精度設備的標定等其他特殊要求。

5)制造裝配約束：總體布局設計過程中，需要考慮冷、熱結構的材料體系及工藝水平，零部件及組件產品生產的工藝性、可加工性和裝配性，盡可能降低對生產設備、工裝桁架、裝配流程的要求，確保總體方案的可實現性和經濟性。

1.2 總體布局設計要求

飛行器總體布局設計是飛行器總體方案設計的重要工作之一，設計要求主要來源六方面。

1)氣動特性要求：總體布局中的一項重要工作是確定飛行器外形，供氣動專業開展氣動特性分析與評估。空天飛行器常采用升力體外形，氣動特性要求主要來自于再入返回段，主要包括最大熱流、最大熱載、升力特性、阻力特性、升阻比特性及對特征部位特征尺寸的特殊要求等。空間運行段氣動阻力矩很小，總體布局設計可忽略其影響。發射上升段是否考慮氣動特性要求取決于飛行器發射方式。

2)質量特性精確控制要求：質量特性精確控制需求主要來源于控制系統，質量特性的變化范圍主要通過飛行器結構布置、系統布置和儀器設備布置等總體布局設計過程保證。此外，總體布局設計還應預留一定空間，以應對詳細設計過程中的不確定性變化。

3)內部空間最大化要求：空天飛行器內部空間的需求主要來自于三方面：按照目前有效載荷設計水平，飛行器有效載荷能力的首要約束來自于空間包絡；其次，飛行器上安裝了大量機構組件，總體布局設計還應重點考慮機構運動路徑及動態包絡對空間的需求；最后，考慮到儀器設備安裝及特殊設備標定等操作需求，尤其是需要借助外部工裝和光學設備對安裝精度進行標定的設備，在總體布局設計過程中，應予以重點關注。

4)可維修性要求[10]：空天飛行器具有重復使用特點，可維修性設計是總體布局設計的一項重要工作，主要包括儀器設備、儀器安裝板及儀器設備安裝、更換及后期維護過程中的人員可操作性，裝配可達性，設備檢修的可檢測性等。

5)可加工性要求：飛行器總體布局設計與生產制造過程環節密切相關，如空間異型曲面、特種材料的可加工性及成品率，生產制造的工藝穩定性等。可加工性將對產品生產制造周期、方案的工程可實現性和經濟性都有較大影響，嚴重時可對方案造成顛覆性影響。

6)低關聯度要求：總體布局設計一方面應按照低關聯度和功能獨立的要求將飛行器分成不同艙段，如儀器艙、有效載荷艙和推進艙等，以減少不同艙段間管路及電纜的耦合，降低對內部空間的布置需求；另一方面，分系統間界面應盡量簡單、少耦合，對于三個系統以上的耦合設計，要嚴格控制，降低系統集成難度及設計更改時對其他系統和總體的影響。

圖1 總體布局設計流程

1.3 總體布局設計流程

空天飛行器總體布局設計是飛行器總體設計的重要工作，設計流程共有10個步驟(如圖1所示)：(1)確定約束條件；(2)外形快速設計/重構；(3)總體布置快速設計；(4)分析；(5)系統集成與優化；(6)性能指標、設計準則滿足性復核；(7)確定飛行器初步總體方案；(8)各分系統方案初步設計；(9)確定總體布局基線；(10)確定飛行器總體方案。從圖中可以看出，飛行器總體布局設計涉及多個專業多個分系統，需通過反復迭代、多輪逼近，并綜合和平衡各方面需求，才能得到初步總體方案。在確定初步總體方案后，各系統將按照總體提出設計要求/設計任務書開展方案設計，在此基礎上，總體再開展系統集成與優化，確定飛行器總體布局，只有其滿足設計準則和設計約束條件時，才能最終確定飛行器總體布局，進而確定飛行器總體方案。本文研究內容主要涉及初步總體方案確定前需快速開展的總體布局設計與優化工作，即設計流程中的(1)至(7)。

2 系統方案

2.1 設計思路

針對總體布局設計的“四約束”、“六要求”和“十流程”特點，基于CATIA VPM數字化設計環境，按照系統集成化、功能模塊化、接口通用化、顯示多樣化、維護便捷化的總體設計思想，采用CAD參數化建模技術，構建空天飛行器總體布局快速設計系統，以滿足不同項目、不同研制階段、不同構型、不同專業、多人并行開發對飛行器總體布局快速迭代優化和總體設計精細化的設計需求。

2.2 邏輯架構

飛行器總體布局快速設計系統邏輯架構如圖2所示，包含應用層、功能層、數據層、基礎層。

基礎層是飛行器總體布局快速設計系統的基礎平臺，主要基于Microsoft Visual C++和CATIA CAA開發，用于實現參數化建模算法和質量特性分析算法，包括CATIA軟件、參數化外形生成算法模塊、空間布局算法模塊、質量特性算法模塊。

數據層用于完成功能層和基礎層間的數據交互，獲取功能層輸入的外形設計、結構布置、系統布置等參數，提取基礎層生成的質量特性數據。此外，數據層還自動實現了系統內各模塊間的數據交換和格式轉換。

功能層用于完成飛行器外形的參數化創建，結構布置、關鍵系統和儀器設備的系統布置和全飛行器質量特性的快速分析，包括外形設計、結構布置、系統布置、質量特性分析等核心功能模塊，各模塊均可單獨運行。

應用層是面向用戶的使用產品，即飛行器總體布局快速設計系統。基于CATIA 軟件二次開發實現，通過定義面向用戶的個性化菜單，集成了該系統全部功能模塊。

圖2 系統總體架構圖

2.3 功能模塊

飛行器總體布局快速設計系統主要包括六個功能模塊：基礎功能、外形設計、結構布置、系統布置、質量特性分析和基礎庫配置，如圖3所示。

圖3 系統功能架構示意圖

基礎功能用于創建CATIA解決方案，導入已有CATIA方案、重新渲染并生成三維模型等，包括方案創建、導入方案、及模型重生成等子模塊。

外形設計模塊采用文獻[11]提出的參數化建模方法，快速生成飛行器外形三維數模，包括機身外形、通用機身外形、翼面外形、通用翼面外形設計等子模塊。機身類外形設計采用輪廓線和站位面剖面曲線相結合的方式，機翼類外形設計采用參數化定義機翼平面形狀和站位面翼型剖面相結合的方式。

結構布置模塊采用基于參數化建模的結構快速設計方法[12-13]，通過先批量布置結構件，再局部優化實現飛行器框、梁、桁架等主要承力結構的快速設計與調整，包括機身結構、通用機身結構、翼面結構、通用翼面結構、通用結構布置、冷熱結構設計6個子模塊。

系統布置采用一種基于參數化模型庫的快速布置方法，以簡化飛行器系統布置工作[13]，實現對機構、動力、著陸裝置等主要分系統及電氣設備的快速布局設計，包括機構組件、動力裝置、著陸裝置、關鍵設備及安裝板布局、有效載荷布局、天線布局和其他布局等子模塊。

質量特性分析模塊基于模型法的基本原理，通過應用統計分析、統一坐標系下自動轉換及質量特性相關算法[2,14]，可快速、批量、動態計算并圖形化輸出各三維實體模型和集成方案的質量特性數據，包括整器、艙段、分系統、特定工況質量特性分析等子模塊。

為充分集成和借鑒已有翼型成果和材料屬性，實現參數化模型的快速實體化，基礎庫模塊集成了翼型庫和常用材料庫。

2.4 模塊化間關聯關系

各功能模塊間的關聯關系如圖4所示。從圖中可以看出，外形設計、結構布置、系統布置與質量特性分析模塊之間具有耦合的關聯關系。圖中以實線箭頭連接的各模塊之間為必要依賴關系，即僅當上一模塊輸出有效數據時，后續模塊功能才處于可用狀態；以短虛線箭頭連接的各模塊之間為參考或引用關系，可單獨運行。

圖4 模塊間關聯關系示意圖

2.5 關鍵技術

2.5.1 外形參數化建模技術

飛行器外形設計和三維建模是飛行器總體設計的一項重要工作。方案設計前期，總體方案常需要反復迭代、多輪優化，飛行器CAD模型將被反復修改和重建，因此，需要建立快速生成飛行器三維外形模型的方法。外形參數化建模技術是快速生成飛行器三維外形模型的有效途徑。考慮到飛行器外形曲面的連續性和可加工性要求，外形建模時需確保外形曲面光滑連續，且二次導數連續，不能有明顯的瑕疵。飛行器外形參數化建模技術主要包括機身類部件和翼面類部件參數化建模。

機身類部件可根據需要分為若干子部件分段造型，每個子部件基于輪廓線和剖面線通過放樣的方式生成外形曲面模型。每個機身部件都包括一個或幾個子部件，每個子部件的描述參數主要包括部件名稱、部件定位點坐標、部件長度、部件輪廓線的信息列表和部件剖面線的信息列表[12，15-16]。空天飛行器翼面類部件包括機翼、水平尾翼、垂直尾翼和鴨翼等部件，且都具有文獻[13]提到的三類特點，每個翼面類部件由一個或多個翼段[17]組成，每個翼段由平面形狀參數、空間定義參數、定位參數及翼型數據四部分參數描述。

2.5.2 參數化模型數據庫技術

為提升飛行器系統布置設計迭代效率，提高既有模型資源的重用程度，確保模型數據準確性和可追溯性，統一管理三維模型，在方案設計階段，采用參數化方法建立系統布置的幾何模型，構建面向飛行器布局設計的模型庫至關重要。參數化模型庫構建流程如圖5所示[13]。從圖5中可知，模型庫主要功能包括兩部分：與模型儲存、管理、瀏覽等相關的參數化模型庫管理功能；與模型布置設計相關的參數化模型選擇、模型參數設置、模型布局等功能。從圖中可以看出，參數化模型庫的構建首先需要搜集資料和數據，提取共性幾何特征，利用參數化建模方法，建立參數化模型，并按照一定格式提交數據庫存儲；需使用模型庫中模型時，按需從參數化模型庫中提取可用模型，并布局中設置具體位置。文獻[13]詳細給出了參數化模型布置功能實現流程及應用模型庫進行快速布置的6個步驟：模型插入節點的選擇、參數化模型類別的選擇、模型參數定義、模型定位參數、參數化模型材料屬性或質量特性定義、參數化模型預覽與生成等，詳見圖6。

圖5 參數化模型庫構建流程示意圖

圖6 系統布置過程示意圖

3 典型案例應用

目前，飛行器總體布局快速設計系統已應用于某項目研制工作。方案設計過程中，基于CATIA數字化設計環境，總體設計人員利用飛行器總體布局快速設計系統，通過外形設計、結構布置、系統布置、質量特性分析模塊等，快速完成了飛行器機身、機翼、舵面等外形，機身、機翼(見圖7)、舵面等結構布置，機構組件、動力裝置、著陸裝置、儀器設備、安裝板、載荷等系統布置，建立了全飛行器數字化三維模型，獲得了多個狀態下的質量特性數據。經多輪優化，快速確定了飛行器總體布局。該系統的應用不僅實現了總體布局設計的參數化、實體化和質量特性的快速評估，而且還降低了設計人員方案迭代過程中的重復性工作量，提高了設計效率，保證了數據準確性。

圖7 翼面結構布置示意圖

4 結束語

本文從空天飛行器研制出發，明確了總體布局五方面約束條件，梳理了飛行器總體布局“十步”設計流程，完成了飛行器總體布局快速設計系統建設，并在航天項目中進行了工程應用。工程應用結果表明，該系統滿足了飛行器總體布局的參數化、實體化、具體化、可視化設計和質量特性的精細化設計需求及總體布局設計結果的動態分析和快速評估，降低了設計人員方案迭代過程中的重復性工作量，大大提高了設計效率，保證了數據準確性。飛行器總體布局快速設計系統的相關成果，后續還可推廣應用于其他航天器總體布局設計優化。