資源一號02D衛星星上管路設計方法

吳蓓蓓 張宏宇 郝剛剛 周輝 余快 蔡亞寧 王剛 陳海峰 張軍

(1 中國空間技術研究院遙感衛星總體部，北京 100094)(2 北京空間飛行器總體設計部，北京 100094)(3 北京華易卓成科技有限公司，北京 100011)

隨著數控彎管技術在衛星管路制造中使用越來越廣泛，衛星管路三維數字化模型開始逐漸取代傳統圖紙來傳遞管路系統生產及焊裝信息。基于Pro/E的管道模塊可以實現基本管道布局和實體化設計，但是由于管路系統設計工作的復雜性，管路系統設計整體效率低下。推進系統管路設計影響到貯箱、推力器布局、星表布局等重要內容，需要先期開展并且迭代更改量巨大，而整個過程單組元推進系統需要30天·人，雙組元推進系統需要45天·人，難以滿足日益緊張的衛星任務研制需求。

當前船舶管路系統設計領域均已經有了較完善的軟件增效模塊[1-6]，衛星推進系統管路設計通過三維管道走向、焊縫自動設計、模型三維標注、物料清單(BOM)輸出等，一定程度提高了管路數字化水平[7]，但管路自動化設計程度仍然較低，需要大量人工導管連接和路徑調整，設計效率亟待提升，本文結合衛星推進系統管路研制的特點，提出了一種基于原理圖驅動的資源一號02D等遙感衛星管路智能設計方法，通過頂層推進系統原理驅動衛星管路系統快速設計，結合管路系統專家庫構建，構建高效、智能的衛星管路快速設計軟件系統。

1 原理圖驅動的管路智能設計方法

典型衛星管路系統設計過程和對周期如表1所示，一個新管路系統的布局設計需要經歷管路原理圖分析(布局初步設計)、管路三維走向設計、直屬件設計、焊縫標注、管路設計檢查、管路焊裝模型送審、物料信息導出等步驟，其中管路布局和三維走向設計、直屬件設計和管路設計檢查占用整個管路設計過程近2/3的工作量，而且人工依賴程度高，精確度差，依管路設計師經驗差異設計水平也有所不同。

本文所提出的原理圖驅動的管路智能設計方法，通過規范化的管路系統原理圖，解析生成表單自動進行衛星管路系統的連接走向設計，結合管路系統專家庫構建，將頂層需求與三維模型設計直接互聯，取代原衛星管路系統中原理識別、模型轉化過程，同時反向將管路三維模型與管路原理圖對比，實現管路走向設計自動檢查復核，減少人工參與，大大提高設計效率和設計精度，如圖1所示。

表1 典型衛星管路系統設計過程和周期Table 1 Design process and cycle of typical satellite piping system

該管路智能設計方法包含管路原理圖解析、管閥件快速布局、管路智能走向設計、管路設計智能檢查共4個步驟：

1)管路原理圖解析

管路原理圖解析包含3個執行步驟：①預先通過建立模型庫，在原理圖的管路組件中預置接口關信息；②通過原理圖的繪制過程建立管閥件之間的連接邏輯關系；③通過讀取原理圖中圖形屬性、連接關系信息，形成可擴展標記語言(XML)文件用于存儲邏輯信息。

可通過對衛星推進系統產品歸納，在閥體、管路等圖例中預先制定常用屬性信息，如入口、出口、管徑，介質等屬性信息，建立衛星推進閥體、管線、管路交叉圖例庫(如圖2所示)，實現管路原理圖的快速編制。

2)管閥件快速布局

管路系統三維設計，首先應進行閥體設備的建模和布局，衛星推進系統閥體設備多為帶支架的異形設備，但一般為產品化產品，星上安裝支架及固定方式基本一致，衛星管路系統的原理也大同小異，部分模塊甚至大部分推進系統的原理基本一致，只是布局區域或應用衛星平臺有所差異，所以管閥件建模一般以復用的方式實現，人工完成效率低下。因此，管路智能設計通過對衛星推進管路系統中被2個以上衛星使用的管閥件支架組合、管閥件標準組合歸納梳理(如圖3所示)，建立常用布局模型專家庫并進行統一管理，供管路布局設計時選擇并快速裝配使用來提高設計效率[8]。

3)管路智能走向設計

傳統衛星管路走向設計需要人工解析管路原理圖識別管路連接起始端點，并且空間管道路徑連接一般需要多次路徑延伸、折彎、連接形成，操作繁瑣調整困難，原理圖驅動的管路智能走向設計可以依據原理圖自動檢查匹配模型并實現管路路徑快速連接和快速調整，具體步驟如下。

(1)閥體設備三維模型準備和管路連接關系準備：指在Pro/E系統中對照原理圖產品配套對管路系統所需的三維模型存在缺失情況進行檢查，并通過管道原理圖解析得到管路連接關系，為下一步自動管路布局設計提供依據。

(2)管路路徑快速連接和調整：管路路徑快速連接指按照解析管路原理圖，實現管道路徑的快速互連；管路路徑快速調整指在管路設置管路走向主路徑點(可為管路支架，也可為穿艙管道設計點位)，控制管路自適應布局在管路系統所在的艙板或柱形筒上，并可以通過倒角、偏移、折彎、角度調整功能快速對管路連接路徑進行調整。

圖3 通用管閥件組合Fig.3 Pipe valves combinations in common use

(3)管路設計智能檢查包含以下功能：①管路連接正確性檢查，依據原理圖，對管道連接關系的正確性、管道外徑參數和閥體設備極性檢查。②管路直管段長度檢查，對所有導管直管段長度統計計算并進行長度檢查。③管路間距計算統計，對所有導管間間距統計計算。④管路長度折彎數對比，針對雙組元推進系統，貯箱連接管道的對稱性要求，對與選定導管進行管路長度和折彎數對比。⑤X光正交雙向透照排查，所有焊縫X正交雙向透照視場干涉物檢查，不符合的高亮顯示。

通過程序遍歷訪問相關對象并讀取管路加工參數，并結合特定算法分析數據判斷設計是否符合生產標準，代替人工檢查，既能降低管路設計的錯誤率，又可提高管路設計師的工作效率。

2 設計實現與驗證

2.1 設計實現

按照上述方法和實現步驟，利用C++語言二次開發實現原理圖解析生成解析表格，利用三維設計軟件與XML的接口及其二次開發功能，在管路三維設計中實現解析后管路原理圖的打開、編輯和保存以及三維模型匹配檢查和設置。開發功能實現管路閥件快速布局、管路智能走向設計和管路設計智能檢查功能[9-10]，結合管路系統專家庫，構建從頂層原理圖驅動的衛星管路快速設計軟件系統(如圖4所示)，其中管路系統專家庫包含閥體及組合庫、閥體支架庫、管路連接件庫和管路支架庫，具體如圖5所示。

圖5 管路系統專家庫Fig.5 Expert database of piping system

2.2 應用驗證

資源一號02D衛星應用衛星管路快速設計系統進行設計，依次進行管路原理圖解析、管閥件快速布局、管路智能走向設計和管路設計檢查(如圖6～圖7所示)。經驗證，應用該管路快速設計系統可以顯著提高設計效率，設計投產周期減少一半，如圖8所示。

圖6 原理圖解析示例Fig.6 Example of digital analysis of schematic diagram of propulsion system

圖7 管路智能走向設計示例Fig.7 Example of automatic connection design of pipeline

圖8 本文方法相對傳統方法增效對比圖Fig.8 Efficiency comparison using method in this paper with traditional method

3 結束語

結合衛星推進系統管路研制的特點，提出了一種原理圖驅動的衛星管路快速設計方法，構建了衛星管路快速設計系統框架，并以此為基礎開發了相應的軟件系統，經資源一號02D衛星應用驗證，可縮短管路設計周期，充分保證設計正確率，為面向基于模型的系統工程實施夯實基礎。鑒于本方法在項目前期良好的應用效果，后續可以在其他衛星研制中推廣應用，以提升衛星管路系統研制能力。