IPT模式在液體火箭發動機數字化設計中的應用

秦紅強，張相盟，陳 暉，王 猛，楊 颯

（西安航天動力研究所，西安，710100）

0 引 言

隨著信息化和數字化技術的發展，三維數字化設計已在航空、航天、航海和化工等行業得到了高度重視和廣泛應用，并顯示出了顯著優勢，已逐漸成為機械產品設計行業的發展趨勢。如何進一步發揮三維數字化設計的優勢、進一步優化液體火箭發動機設計流程和提高研制效率，已經成為液體動力領域高度關注的問題。

本文結合大推力液氧煤油發動機研制現狀，論述了三維數字化協同設計在火箭發動機領域的應用，并重點介紹了基于集成產品開發團隊（Integrated Product Team，IPT）的數字化設計模式，體現了IPT模式對于優化數字化設計流程及提高研制效率所發揮的重要作用，使IPT模式與三維數字化設計緊密結合，促進了該模式的應用和推廣。

1 IPT模式及其應用現狀

1.1 IPT 模式

IPT是指在產品研制過程中，按照并行工程的思想，由各職能部門的設計、工藝、制造、物資、管理等人員組成的、采取聯合辦公形式的工作團隊。IPT是一個多部門多專業相互聯絡的矩陣式工作機構，是開展并行工程的組織基礎[1]。

1.2 國外應用情況

IPT模式的應用最早源于波音公司。在波音 777項目之前，波音公司在飛機研制項目上基本采用傳統的串行組織形式。在波音777項目之初，公司面臨客戶要求高、研制周期短、資金有限的巨大挑戰，公司最后在組織結構和數字化設計上大膽創新，通過采用并行工程理念和無紙化設計制造技術，以較低成本在較短周期內取得了巨大成功，因此波音777項目成為全球范圍內并行設計工程的成功典范。該公司在實施并行工程理念時，成立了238個IPT。在IPT中，生產工藝提前介入設計過程，減少了生產返工和設計更改的次數，保證了產品設計生產一次成功[2～4]。

1.3 中國應用情況

在中國，IPT模式已廣泛應用于航空航天領域[5,6]。在航空領域，大型客機項目被譽為“現代工業皇冠”，為了做成這件“不平凡的事”，中國商用飛機有限責任公司從2014年起，全面推進IPT建設，成立氣動設計與特性2級IPT，并取得了顯著成效。

在航天領域，長征七號運載火箭是中國第1枚“數字化”火箭，打通了從設計到制造的全三維流程（全三維協同、全三維設計、全三維制造、數字仿真試驗、數字化發射服務），在其研制過程中專門組建了不同專業、不同系統的IPT，用較少的研制人員在短期內完成了火箭研制，使中國運載火箭邁入了全生命周期數字化的時代[7]。

IPT組織形式的深入推進，使得溝通更加順暢，從而工作效率更高。同時根據型號研制任務的需要，及時調整IPT編制，實現人員動態管理，大大加快了項目研制進程。

2 液體火箭發動機設計模式對比

現有液體火箭發動機設計大多采用傳統的串行模式[8]，設計流程如圖1所示。

圖1 傳統設計流程 Fig.1 Flow Chart of Traditional Design

基于 IPT的三維數字化協同設計采用并行模式，設計流程如圖2所示。

由圖2可以看出，基于IPT模式的三維數字化協同設計具有以下優勢：

a）采用全三維數字化設計手段，用三維模型完全替代了傳統研制模式中的二維圖紙，三維模型成為產品研制流程的唯一數據源，易于實現產品狀態控制；

b）工藝提前介入產品結構方案設計，確保產品結構方案不出現較大反復，且工藝可同步開展備料、工裝設計等工作，顯著縮短研制周期，降低研制成本；

c）基于三維模型的仿真分析結果更加準確，可有效優化方案，提高方案可靠性，仿真分析成為研制過程的重要組成部分；

d）不同部門集中處理產品設計過程中的問題，可有效提高研制效率。

3 IPT模式在液體火箭發動機中的應用

為了創新液體火箭發動機研制模式，以大推力液氧煤油發動機研制為契機，基于Pro/E+Intralink協同設計平臺，首次實現了液體火箭發動機三維數字化協同設計[8]。在項目實施過程中，為了進一步提高研制效率，并有力推進數字化設計在液體火箭發動機研制中的應用，將IPT模式和數字化協同設計進行了有效結合。

3.1 IPT 小組

為了順利推進數字化協同設計，結合液氧煤油發動機特點、研制思路以及工作分工，按專業成立了以下IPT小組（組織結構見圖3）：

a）總裝元件IPT：負責開展機架、燃氣搖擺裝置、起動箱、點火導管和總裝管路等IPT設計；

b）燃燒組件IPT：負責開展燃氣發生器、推力室IPT設計；

c）渦輪泵IPT：負責開展燃料預壓渦輪泵、氧化劑預壓渦輪泵和主渦輪泵IPT設計；

d）自動器IPT：負責開展液氧主閥、發生器燃料閥、節流閥和流量調節器等IPT設計；

e）數字化技術IPT：負責協調Pro/E、Intralink、Avidm和三維標準件庫等工作；

f）標準化技術 IPT：負責協調數字化設計管理規定、三維標準件庫和標審等工作；

g）仿真分析IPT：負責開展各組件及整機流場、氣動、傳熱、強度等仿真計算。

在主要設計IPT小組中，包含主管設計、校對、審核、工藝、物資、標審、仿真、調度和批準人員。各小組按照任務分工和節點要求開展相關設計工作。

在設計過程中，同時考慮了發動機與試車臺和火箭總體的IPT協調，并結合發動機三維模型進行了模擬運輸、翻轉、對接以及在箭體內的布局分析。

3.2 基于模型成熟度的IPT流程

在項目研制初期，設計團隊以為只要成立IPT就可以順利開展工作。但是在項目運行初期，發現產品設計過程中的IPT次數相對較多，導致設計周期很長。在借鑒國內外相關研制經驗的基礎上[9～11]，結合液體火箭發動機特點和研制思路，提出了基于三維模型成熟度的IPT研制流程。

按照三維模型設計及與工藝協同程度，將三維模型分為初步模型、協調模型、詳細模型、審查模型和下廠模型共5個等級，稱為5級成熟度劃分，并由低到高依次記為M1～M5。5級成熟度劃分反映了數字化協同設計的 5個階段，在每個階段有著不同的工作內容和完成標志，詳見表1。

三維模型成熟度等級直接體現在模型屬性中，并成為設計、仿真、工藝、工裝和物資等開展各自工作的參考依據。只有完成當前成熟度等級所規定的工作內容時，三維模型才可提升成熟度等級。

表1 三維模型成熟度等級 Tab.1 The Maturity of 3D Model

3.3 應用效果

通過采用基于 IPT的三維數字化協同設計模式，項目組在不到2年的時間內完成了大推力液氧煤油發動機20余種新研組件和聯試裝置三維模型下廠，打通了液體火箭發動機數字化設計之路。目前所有下廠組件均已完成產品加工和特性試驗，并完成了產品裝配和熱試考核。項目團隊形成共性認識：IPT是提高三維協同設計效率的有力工具。

4 結 論

本文研究可得以下結論：

a）和傳統的串行研制模式相比，基于IPT的三維數字化協同模式實現了并行設計，可顯著提高產品研制效率；

b）大推力液氧煤油發動機采用基于IPT的三維數字化協同模式，在中國首次實現了液體火箭發動機全三維數字化設計。目前三維下廠組件均已完成產品加工，并通過了冷態和熱態試驗考核，液體火箭發動機三維數字化設計之路已徹底打通；

c）三維數字化協同設計模式已成為航天產品設計的發展趨勢和強有力工具，后續應在其它型號中推廣應用，進一步提升液體火箭發動機數字化水平。