美国航天器热设计建模仿真标准分析及启示

吕建伟,刘 欣,杨 勇

(中国运载火箭技术研究院 研发中心,北京 100076)



美国航天器热设计建模仿真标准分析及启示

吕建伟,刘 欣,杨 勇

(中国运载火箭技术研究院 研发中心,北京 100076)

介绍了NASA于2008年发布的NASA-STD-7009建模与仿真标准。此标准内容包括项目管理、模型发展、仿真执行、结果验证及不确定量分析、推荐学习案例、训练方法、建模及仿真可信度评估、结果报告八个方面，对仿真建模过程建立了一系列可靠性评估方法，提升仿真结果的可信度和支撑项目的决策。基于喷气推进实验室(JPL)的火星探路者(MER)探测器热设计案例，阐述了建模及仿真可信度评估中可信度评估因子分类、等级、打分方法，以及评估打分结果应用等过程。结合我国航天发展的需求，提出了相关标准建立、可信度评价体系发展和软件基础提升等建议，可为后续的相关研究和应用提供参考。

航天器； 热设计； 建模与仿真； NASA-STD-7009建模与仿真标准； 风险评估； 可信度因子； 火星探路者探测器

0 引言

航天器热设计建模仿真可分析不同热控措施的效果，既能满足总体设计过程快速迭代的要求，又可节省大量试验费用的作用，对建模仿真的可靠性提出极严格的要求。目前，随着空间探索的加速发展，认识到通过建立数学模型及仿真分析开展工作的状况呈现更多、更复杂的趋势，特别是项目需做重大决策的关键时刻，建模及仿真分析提供的结果是否可信至关重要。因此，需制定一个确保建模及仿真过程可信的标准方法，为项目论证、研制乃至应用阶段的决策者提供保证。2008年，NASA发布了一份关于建模及仿真过程的标准(NASA-STD-7009)[1]。此标准内容涵盖了项目管理、模型发展、仿真执行、结果验证及不确定量分析、训练方法、推荐学习案例、建模及仿真可信度评估、结果报告八个部分。美国喷气推进实验室(JPL)参与了该标准的制订与研究，并首先应用于火星探路者(MER)巡航阶段热设计等项目的研制[2]。目前，该标准中的一系列验证及评估等方法被食品药品监督管理局(FDA)、美国国立卫生研究院(NIH)、美国机械工程师协会(ASME)借鉴并广泛采用。本文结合JPL实验室的一个MER热设计案例，介绍了该标准的建模及仿真可信度评估。

1 航天器热设计建模及仿真风险评价必要性

目前，建模及仿真分析是航天器热设计过程中的重要工作之一，该工作产生的结果甚至直接对项目决策产生重要的影响[3]。因此，需要对建模及仿真分析造成的风险进行评估，建模及仿真风险评估矩阵见表1。 表中：R代表红色区域，该区域意味建模及仿真分析非常重要，一旦结果出现问题将对项目产生灾难性后果；Y代表黄色区域，该区域意味建模及仿真分析较为重要，一旦结果出现问题将对项目造成较严重的影响；G代表绿色区域，该区域意味建模及仿真分析对决策的影响微小。

表1 建模及仿真风险评估

目前，高低温工况是热控工程师在航天器热分析建模与仿真过程中作为热设计余量分析的基本概念。高低温工况代表了热分析建模及仿真结果的上、下边界。但考虑建模及仿真分析中的各种不确定因素可能会造成相应的误差，热分析建模及仿真分析的温度必然是一个近似的结果。如航天器热分析中，热交换的因素(内部结构紧凑、形状特殊，使各部分间换热极为复杂，同时还有随时间变化的内、外热源影响)、不确定的重要热物参数(热容、热耗、表面光学特性、接触热阻等)等的叠加，必然成为热分析建模及仿真过程中的影响因素。为保证热设计的可信度，热分析过程一般还应在热设计上、下边界留有一定余量。余量范围(一般表现为建模及仿真的温度结果不确定性)常通过敏感性分析进行估计。

过去，模型和仿真结果的可信度是通过高低温工况的温度范围余量与允许的飞行温度比较进行评估的，如图1所示。根据上述分析，余量足够大不一定能保证决策足够安全，余量也不能代表影响可靠性的全部因素。此外，还有能量平衡、热流的流动图，以及试验数据换算等多种检查方法和仿真可信度的方法。

图1 目前JPL热设计要求Fig.1 JPL’s current thermal design requirements

但在多数情况下，对模型及仿真结果的解读常通过工程师进行，没有针对模型及仿真结果本身可信度的评估。显然，这在工程师与决策者间的沟通过程中掺杂了过多主观与客观的相互作用。

2 NASA-STD-7009标准应用分析

2.1 火星探测器及任务

为寻找火星上液态水存在的痕迹，美国于2003年6、7月，先后发射了勇气号(Spirit)和机遇号(Opportunity)的火星探测器。在经历了约7个月的飞行，两个探测器顺利到达了火星表面。它们的设计借鉴了1996年发射的火星探路者探测器的成功经验，包括了巡航级、着陆防护系统、着陆器和火星车四个部件，如图2所示。火星探测器几何数学模型及实物如图3所示。

图2 火星探测器配置Fig.2 MER flight system configuration

图3 火星探测器几何数学模型及实物Fig.3 MER flight system and geometric math model (GMM)

2.2 探测器巡航级热设计

在从地球飞向火星的途中，巡航级提供姿态控制、动力及电能。火星车被包覆在着陆防护系统中，提供飞行计算和通信功能。巡航热设计的核心是热排散系统(HRS)。这是一个单相机械泵流体回路，工质为CFC-11，位于巡航级。巡航段的主要热源来自通信系统硬件、电池中6个放射性同位元素加热单位(RHUs)，以及位于火星车内的电子加热设备(WEB)。流体回路将火星车的废热输送至巡航级外部的辐射散热器排散。

吸收了火星探路者热设计的经验，巡航级动力系统的热设计具备了新特点：飞行软件控制加热器，而不是机械的双金属自动调温器；设置8个不同的加热分区，而不是采用统一、均匀的加热分区。每个控制区域有加热器防止单点失效域2个。飞行软件能控制16路加热器，并设置了触发设定装置防止同一区域的两路加热器同时工作。采用双金属自动调温器控制的加热器用于飞行器其他需要控温的区域。在太阳敏感器、太阳阵结构、辐射器上的特定加热装置用于维持允许的飞行温度范围。巡航阶段的电子模块(CEM)需要一个辐射散热器以满足不断变化的功率的需求。隔热组件用于多数的巡航级硬件，单层的隔热组件用于防热外壳减少热损失。

2.3 探测器巡航级热分析模型

巡航阶段热模型包括：几何数学模型(GMM)，确定探测器的辐射耦合及环境加热；热数学模型(TMM)，确定探测器的温度。火星探测器模型及实物如图4所示。

图4 火星探测器热模型及实物Fig.4 MER CS flight system and thermal model

2.4 建模及仿真可信度评估

2.4.1 可信度评估因子分类

根据NASA-STD-7009标准，可信度的评估由三大类共8个因子组成，分别是模型建立类(验证、确认)、仿真操作类(模型输入表、结果的不确定性、结果的鲁棒性)及其他类(应用历史、模型及仿真管理、人员资格)。每个评估因子相互独立，并能进行客观的评估(分为5个等级)。8个因子说明如下。

a)正确性：模型建立及测试是否正确？数值的误差是什么？

b)有效性：模型及仿真结果是否合理、有效？

c)模型输入：目前输入数据是否可靠？

d)结果的不确定性：当前模型及仿真结果中的不确定度是多少？

e)结果的鲁棒性：当前模型及仿真结果的敏感性如何获得？

f)应用历史：当前模型及仿真是否应用过？

g)模型及仿真管理：如何很好地管理模型及仿真的过程？

h)人员资格：人员具备的资格？

其中，模型建立类(包括正确性和有效性)、仿真操作类(包括模型输入、结果的不确定性、结果的鲁棒性)因子还包括同行技术评价子因子。

2.4.2 可信度评估因子等级

根据NASA-STD-7009定义，可信度因子等级的评估见表2。

2.4.3 可信度评估打分方法

根据NASA-STD-7009定义，可信度因子的打分规则为：权重为[0，1]；每个因子的所有子因子之和为1；每个因子的技术评估权重不大于0.3。

对火星探测器巡航级热设计进行打分，正确性的打分结果见表3。 每项因子按照上述表格打分后，汇总得到总分数，总分按全部因子最低的分数计算，见表4。 8个因子打分后，用雷达图可直观显示每个因子的分布，如图5所示。

表3 单项因子卷积打分

表4 全部因子总得分

图5 因子分数雷达图Fig.5 Radar pot for factor scores

表2 可信度因子等级的评估分数

2.4.4 评估打分结果应用

可信度评估分数作为可供决策的依据，需通过阈值的设置进行判断。一般，影响模型及仿真可信度阈值的因素有：所从事项目全寿命周期变化；依赖于决策风险的严重程度。

一般，若可信度评估分数大于/等于阈值，则可信度评估的8个因子均满足条件，模型及仿真分析的结果完全可使用；若可信度评估分数低于阈值但不低于阈值0.5，则认为可信度评估评估因子在可信度要求的范围，建模及仿真结果可使用；若可信度评估分数低于阈值0.5但不低于阈值1.0，则建模及仿真结果需谨慎使用；若可信度评估分数低于阈值1.0，则建模及仿真结果不推荐使用(如图6所示)。根据上述原则，若本案例模型及仿真的可信度阈值为3.0，由上述可信度评估结果1.7，可认为所用模型及仿真分析结果的可信度太低，不推荐应用，需对模型的鲁棒性进行改进。

图6 评估结果的应用Fig.6 Application of assessment results

综上，NASA-STD-7009标准用途是确保建模及仿真的可信度，并将信息正确的传递给决策者。本文结合火星探测器的案例主要介绍了模型及仿真可信度的评估方法(即该标准的第7部分)。

该标准的具体要求涵盖项目管理；模型建立；仿真分析；验证、确认及不确定量；推荐练习案例；训练方法；可信度评估；建模及仿真结果分析报告8个方面。此外，为更好地贯彻执行该标准，NASA还发布了《NASA-HDBK-7009建模及仿真标准辅导手册》，建立了基于表单的可信度管理方法。目前，在JPL内部的Voyager，Galileo，Cassini等重要任务的建模及仿真过程中均采用了与此标准的主要目标完全一致的要求。

3 结束语

本文以JPL试验室的一个火星探测器热设计为案例，介绍了NASA建模及仿真的标准。通过分析其实施过程，发现它不但有助于提升建模及仿真分析提供的结果可信度，而且能以量化的方式为项目决策提供有效的支撑。结合我国航天发展的需求，可考虑采取以下措施。第一，为提高在未来航天型号设计方面软实力，可建立具有我国航天特色的热设计建模及仿真的标准规范。建模及仿真分析能力作为型号设计“软实力”，在未来航天型号研制过程中所占比重将逐渐加大。特别是在事关项目决策的关键时刻，建模及仿真的重要作用日益凸显。因此，应建立具中国航天特色的热设计建模及仿真的标准规范，尽量涵盖技术与管理两条线，摒弃以主观经验为主的结果评估，确保建模及仿真分析结果在决策过程中有高可信度。第二，可信度评估权重模型与计算打分方法是建立统一模型及仿真分析标准的关键，应根据实际情况确立合适的可信度评估体系。可信度评估体系涉及模型发展及维护、仿真过程执行、结果分析及展示、模型及仿真训练方法、标准学习案例、建模及仿真可信度评估方法、建模及仿真结果分析报告等。热控制是航天型号研制过程中决定航天器工作任务成败的重要、必不可少的技术保障系统之一，须建立相关的可信度评估权重模型、计算打分方法和规范，全面形成可信度评估体系，为航天器热设计及优化提供可靠的支撑。第三，积极开展基础的热分析应用软件研究，重视自主热分析建模及仿真软件工具的可信度。过去40年航天热设计的经验表明：高可信度的软件是开展热设计的基础。随着我国空间探索的加速发展，一方面可通过热分析软件在项目中的应用，不断验证软件的有效性，另一方面开展热分析应用软件的基础研究，进一步提高软件工具自身的鲁棒性，最终不断提高热分析建模及仿真的可信度。

[1] RYSCHKEWITSCH M G. NASA-STD-7009 standards for models and simulations[S]. NASA, 2008.

[2] ARTURO A. JPL thermal design modeling philosophy and NASA-STD-7009 standard for models and simulations——a case study[R]. AIAA, 2011-5268, 2011.

[3] GILMORE D G. Spacecraft thermal control handbook (Volume I)[M]. EL Segundo: The Aerospace Press, 2002.

American Standards Analysis of Models and Simulations for Spacecraft Thermal Design

LV Jian-wei, LIU Xin, YANG Yong

(Research & Development Center, China Academy of Launch Vehicle Technology, Beijing 100076, China)

The NASA-STD-7009 standard for models and simulations released by NASA in 2008 was introduced in this paper. The standard covered 8 parts which were program and project management, models, simulations and analyses, verification and validation as well as uncertainty quantification, recommended practices, training, credibility assessment, and reporting results to decision makers. The series credibility assessment methods were established for M & S to improve the credibility of the simulation results and support the decision of the program. Based on a sample of thermal control system M&S activity for Mars Exploration Rover (MER) of JPL, the classification, level, grading of the credibility factor in evaluation were introduced, and so was the application of the evaluation result. Based on our spaceflight developments requirements, the suggestions on standard establishment, credibility assessment and technique foundation were put forward, which could be served as the reference for relative studies and applications.

Spacecraft; Thermal design; Models and simulations; NASA-STD-7009 standard for models and simulations; Risk assessment; Credibility factor; Mars Exploration Rover

1006-1630(2016)04-0119-05

2016-04-28；

2016-06-02

吕建伟(1978—)，男，博士，高级工程师，主要研究方向为航天器热控制设计及优化。

TP391.9； T-651

A

10.19328/j.cnki.1006-1630.2016.04.020