基于模型的运载火箭总体设计方法初探

何 巍，胡久辉，赵 婷，彭 越，唐俊杰

（北京宇航系统工程研究所，北京，100076）

0 引 言

复杂装备的研制始终遵循着螺旋上升、渐进迭代的发展规律，全球工业依次经历了单一产品、多元产品、通用平台（缩减至1～2个产品构型）等3个主要阶段。从“多元”走向“通用”，这种研制转变路径已经在近年来国内外的汽车、航空工业中得到了充分体现，部分企业已成功进入第3阶段。由于产品研制多元化，使得人员增加有限的前提下，已有人员的精力被不断分化，失去了活性和创造力，难以发挥主观能动性驱使工具、方法、技术转化为更高的研制能力。复杂装备研制模式向通用化转变，是应对产品多元化导致产品数量和质量难以持续提升的历史潮流必然。

中国运载火箭在勇于自我革新的道路上历经60余年的快速发展，当前正面临着如何应对多元产品生态下的高质量、高效率、高效益研制的“三高”挑战，产品质量和效率问题凸显的现实表明，转型已不可抗拒。本文分析了运载火箭研制模式发展需求，开展了基于模型的系统工程与现有模式比较，融合钱学森时代系统工程的综合集成思想[1,2]，提出将基于模型的系统工程（Model Based System Engineering，MBSE）融入运载火箭总体设计的方法和总体设计框架，基于“数字化综合集成”的思路给出基于模型的运载火箭总体设计解决方案，并对方案的落地应用提出可行的建议。

1 运载火箭研制模式发展需求

中国运载火箭早期是一种“一元化”的系统工程研制模式，所有专业集中于一个单位内部，各专业充分协调交底，达到快速攻关与突破火箭研制的目的，然后逐渐转化为一种“多元化”模式，即总体单位抓总综合优化，各分系统单位朝专业化方向深度发展。该模式下，各专业的能力得到了空前发展和巨大释放，火箭关键产品性能与可靠性得到了极大的提升，但是随着火箭系统复杂性日益增加，多元化产生的设计“离心力”，使得总体设计人员需要投入极大的精力来开展专业间的设计协调，以达到总体性能优化和状态一致性管控的目的，使得总体设计优化与创新能力提升趋缓。

在建设航天强国的迫切需求下，亟待探索和应用新的技术手段改善协同设计环境，释放总体设计人员在专业协调上被禁锢的生产力，同时探索“数字化综合集成”模式，提升总体与分系统之间协同设计能力和专业技术创新能力。

2 基于模型的系统工程模式分析比较

2.1 MBSE定义

基于模型的系统工程方法是由传统系统工程理论结合先进IT技术发展而来的，持续吸收了近年来机械、电气、软件等领域的模型驱动产品研发的思想与优点。国际系统工程学会（INCOSE）给出MBSE的定义[3]：一种应用建模方法的研制方式，用于支持系统需求、设计、分析、检验与确认活动，这些活动从概念设计阶段开始，贯穿整个开发过程及后续的生命周期阶段。

上述定义的建模方法，不再局限于传统观念上的参数CADCAECAM等领域，它将系统工程活动中占主体地位的语义语言（文字、图表、数字、符号）“翻译、转化”成计算机工具可解析的机器语言，实现自动化的高效准确执行，减少人工失误、提高研制效率。

2.2 MBSE方法

MBSE方法始终遵循着“整体论与还原论的辩证统一”的系统论思想，开展系统的设计分解与集成验证的研制工作。国外对MBSE的研究与应用进行了积极深入的探索，研究和应用单位主要包括美国国家航空航天局（NASA）、美国国防部、欧空局、日本宇航探索局（JAXA）等政府组织和相关承包商，其中NASA的研究最为积极，相关研究和成果应用效果也最为显著[4～7]。

基于上述定义可以看出，MBSE方法与技术并不是运载火箭领域自然科学技术的创新，无法直接提高运载火箭总体指标，或者作为是否缩减设计余量的依据（如总体关键参数偏差被各专业层层放大导致的余量问题），而是系统工程方法在信息化时代下的一种新范式，为信息化、数字化手段如何深度融入型号研制过程提供了新的思路和方法。

因此，基于模型的运载火箭系统工程方法是以运载火箭型号研制需求、设计方案、详细设计、制造工艺以及性能评估等型号全生命周期的模型为基础，利用上下文关联、统一建模仿真等手段，对需求、方案、产品、工艺、试验等环节的模型不断设计迭代验证，使产品在正式批产前能够得到充分的验证，将设计质量缺陷尽可能多的消除。这里的“模型”主要指对产品研制数据（文件图纸表单）数字化以及对物理实现过程（生产制造地面试验飞行任务）数字化的产物。基于模型的产品研制全寿命周期活动示例如图1所示。

图1 基于模型的产品研制全寿命周期活动示例Fig.1 An Example of Model Based Life Cycle Activity Chart of Product

2.3 MBSE与现有模式比较

相对于现有系统工程方法，MBSE方法将在以下两个方面带来显著变化：

a）改善总体协同设计环境，提高总体设计一致性管控能力，提高研制质量。

现有模式下，总体及分系统的设计数据散布于大量的研试文件和过程文件中，每当有设计参数、接口等设计变更时，需要消耗大量的人工梳理开展变更影响性分析，以确认变更涉及的所有系统、产品能够一致的变化。

应用MBSE模式，总体可以根据研制要求、系统设计、产品设计、工艺设计等主要环节对应的模型，进行设计信息追溯和影响关联性分析，进而开展基于模型的设计变更控制，这将极大的提高设计一致性管理能力，避免变更不一致带来的质量问题。

b）探索数字化综合集成模式，提高总体设计集成与指标分配优化能力。

现有模式下，开展大型试验进行综合集成验证之前，总体主要通过设计方案评审、单机验收评审、分系统验收评审等方式，由设计师汇总各系统的研试文件，在大脑中“演绎”系统集成得到的功能与性能，并依据经验初步判定设计闭合情况。

应用MBSE模式，设计活动的分解工作过程与现有类似，唯一变化的是，设计结果由模型承载与传递；综合集成验证工作则有显著差异，无论是总体还是分系统，均可在设计阶段开展大量的基于模型的综合集成验证，对系统功能、性能的符合性，接口匹配性等进行验证与确认。

相对于现有研制模式，综合集成验证的前移，将缩短“设计-试验验证”的闭合迭代周期，即使部分仿真手段无法取代物理试验，设计阶段开展充分的数字化综合集成验证，也能够大幅提升试验的成功率，促成“设计一次成功、试验一次成功”的目标。

3 基于模型的运载火箭总体设计框架

根据中国运载火箭专业划分和产品特点，充分继承现有数字化设计验证基础，提出将MBSE融入运载火箭总体设计的方法：围绕需求分解、需求验证两大主线，以数据中心和总体协同设计与验证平台为基础支撑，以总体设计模型为核心，实现基于模型的运载火箭总体设计框架，如图2所示。

图2 基于模型的运载火箭设计框架Fig.2 Model Based Launch Vehicle Design Framework

数据中心为运载火箭总体设计提供统一的公共数据库，是设计流程中全部数据管理和交换的节点，总体设计模型的输入和输出均存储于数据中心。

总体协同设计与验证平台为不同专业模型提供了统一的设计环境，从数据中心抽取模型的输入数据，模型之间数据通过在线或者离线形式交换，实现了总体设计模型之间的松耦合设计。

总体设计模型用于描述总体、电气、结构、动力等运载火箭总体设计信息，在协同设计与验证平台中根据研制环节逐渐产生，并关联存储于数据中心。

3.1 数据中心

数据中心是总体设计与验证的数据库，核心功能不在于设计计算，而是对运载火箭设计全生命周期的专业模型及设计数据进行统一关联管理，确保不同专业和系统数据的一致性。通过对运载火箭总体设计数据的结构化管理，制定协同设计平台、多专业耦合分析平台、集成验证平台的标准数据接口，实现平台与数据中心之间的交互，设计过程数据可记录、可受控、可追溯，设计流程进度可视。

3.2 总体协同设计与验证平台

总体协同设计与验证平台定义了运载火箭总体设计的流程模板，在数据中心基础上控制数据流方向，不同专业在数据驱动下完成相应的设计工作，实现多专业离线协同设计。专业间的数据交换由平台实现，提高了设计效率，避免了非结构化文档传递信息的人为失误。协同设计平台兼具知识管理功能，在设计过程中可将质量要求、设计规范等推送给设计人员。

3.3 总体设计模型

根据运载火箭总体设计的特点以及覆盖的学科领域，总体设计模型可分为总体参数模型（动力学样机）、电气系统模型（电气样机）、结构系统模型（结构样机）、动力系统模型（动力样机）4大类，总体参数模型用于描述运载火箭总体构型、弹道、姿控、气动、载荷等特性；电气系统模型描述电气系统架构、功能、性能、电气接口等特性；结构系统模型描述结构系统架构、功能、性能、机械接口等特性；动力系统模型描述动力系统架构、功能、性能、气液接口等特性。

按照研制全生命周期以及产品特性划分，模型可分为需求模型、架构模型（功能模型）、几何模型和性能模型。其中，需求模型等同于现有的任务书文件，替代任务书、设计要求、产品图纸等图文档作为下游设计、制造、试验、测试发射的依据，以条目化、层次化、全方位的表达型号产品研制需求；架构模型等同于系统设计方案报告和原理图，包含系统组成、功能逻辑过程、内部/外部接口关系、主要功能和性能指标等设计信息；几何模型即现有的CAD模型(CATIA、ProE、NX等)，用于表达产品尺寸与几何约束关系；性能模型包括如动力系统气动液压模型、电气系统控制仿真模型、结构系统有限元模型等，反映产品的静态与动态特性和功能实现情况。

根据研制任务，专业学科4类模型和全生命周期4类模型可以进行集成管理与验证，如总体及各专业的需求模型可相互关联，电气各专业架构模型可一体化集成，电气、结构的产品几何模型可装配，总体、控制、动力的产品性能模型可集成验证等。

4 基于模型的运载火箭总体设计解决方案

结合上述总体设计框架，按照“数字化综合集成”思想，形成基于模型的运载火箭总体设计解决方案：总体研制需求作为顶层要求，通过基于模型的小回路设计、大回路设计等，形成电气系统、结构系统、动力系统总体方案，提出对分系统的研制要求；各分系统根据研制要求，基于模型开展产品设计与验证，并根据耦合问题的分析需求，适时与总体模型进行综合集成验证，分系统设计完成后，需要按照闭合验证的需求，提交模型给总体在研制各阶段完成技术状态复查、输入输出确认和接口匹配性验证。

4.1 总体参数设计与集成验证

运载火箭总体参数设计是通过弹道、姿控、气动等计算获得面向飞行任务的运载火箭总体构型，决定了各分系统设计方向，方案论证阶段尤为重要，如图3所示。方案论证阶段，总体构型取决于全箭质量特性、发动机特性等输入条件，而这些条件又依赖于历史型号研制数据和试验数据。基于历史数据对设计模型进行标定，形成相应的数据库，供总体参数设计选用。如全箭质量特性利用相似型号产品模型统计包络数据获得，发动机特性利用历次试车数据标定的发动机产品模型获得。后续研制阶段，总体参数模型则根据各专业详细设计所得的产品模型获取输入条件进行计算，逐渐逼近火箭的真实状态。

基于上述输入条件，运用运载火箭动力学一体化仿真技术，开展总体-弹道-姿控-制导-推进剂晃动-弹性振动-载荷分布的集成建模，基于统一的数据源，精确量化分析包括发动机推力异常、推进剂流量异常等偏差或故障对全箭质量特性及飞行动力学的影响，完成对运载火箭总体构型的设计与评估，从而改变现有各个专业串行设计、设计余量重复留取等不足，提升运载火箭的综合性能。

图3 运载火箭总体参数模型体系Fig.3 Configuration Parameter Model System of Launch Vehicle

4.2 电气总体设计与集成验证

运载火箭全箭电气系统按照一体化功能架构共划分控制、测量、能源、总线通信和健康管理等5部分。电气系统基于模型的研制流程如图4所示。

图4 基于模型的电气系统设计框架Fig.4 Model Based Electrical System Design Framework

以能源系统为例进行说明：

a）基于需求模型开展任务需求分析、指标设计、分解与传递等工作，电气总体完成功能设计任务书；各子系统基于需求模型定义功能指标，与总体功能要求进行链接，提出模型交付要求。

b）单机承研单位按照设计任务书开展单机方案设计以及模型设计工作。

c）单机交付产品性能模型，系统总体开展系统图纸设计及功能仿真验证（例如，基于MWorks的能源流数字化设计系统）。

d）单机及系统指标进行设计迭代并更新产品性能模型交付给总体。

e）单机开展生产、调试、单机环境试验；完成电缆网及系统文件设计；单机及电缆网交付系统，系统进行综合试验。

4.3 结构总体设计与集成验证

运载火箭的箭体结构主要包括有效载荷整流罩、仪器舱、推进剂贮箱、箱间段、级间段、后过渡段和尾段等部分。构建基于模型的箭体结构系统研制流程，实现需求建模与分析、结构方案选择及参数优化设计、结构系统详细设计、结构系统强度校核等功能，如图5所示，在系统中构建需求模型、全箭骨架模型、产品模型、产品MBD数据集模型等，实现各模型之间的数据链接。

图5 基于模型的箭体结构系统研制流程Fig.5 Model Based Development Process of Launch Vehicle Structure System

a）结构需求分析。对箭体结构系统研制需求（如结构功能需求、尺寸需求、载荷与环境要求等）进行条目化分解，并据此来约束骨架设计和产品设计。

b）全箭骨架定义。定义全箭三维骨架模型，建立全箭实体模型的基准参照，实现全箭二维理论图的三维化，给出全箭轴线、全箭坐标系、定位点等。基于全箭骨架模型实现上游的总体设计端传递到下游部段级结构设计端。

c）参数建模。基于需求模型和骨架模型，实现火箭部段结构方案的初步构建和关键参数的初步计算，形成满足需求模型要求的箭体结构参数。

d）方案设计。基于箭体结构参数计算结果，可在上游骨架模型和结构参数驱动下，快速生成结构初始CAD模型，确保结构方案关键参数与上游模型一致，设计人员据此开展箭体各部段结构方案的详细设计。

e）结构优化。在CAD模型基础上依据输入需求约束的载荷和边界条件，生成CAE模型进行分析，优化箭体结构方案，确保大型地面试验一次成功。

f）MBD数据集模型。在产品模型基础上，附加工艺、制造、装配等信息，并一同向设计下游的制造单位直接传递，使得产品模型作为箭体结构生产制造过程中的唯一依据，实现设计与制造协同。

4.4 动力总体设计与集成验证

以液体运载火箭为例，箭上动力系统主要包括增压输送系统和发动机2部分，传统研制方法中所有方案、接口要求等均以文档传递，增压输送系统和发动机根据物理分界面独立论证和设计，缺少对动力全系统集成后的精细化仿真验证；总体对需求的满足性关注多，而对需求与设计方案的关联性掌握较少，难以开展动力全系统的故障模式分析等。

针对这些不足，提出基于模型的动力系统研制总体方案如图6所示。

图6 基于模型的动力系统研制流程Fig.6 Model Based Development Process of Propulsion System

a）以动力系统需求模型为起点，根据总体对动力系统的研制要求，开展动力系统总体方案设计，利用先验的发动机和增压输送性能模型对设计指标进行初步验证。

b）经动力系统总体设计形成动力系统架构模型，以及对发动机和增压输送的需求模型。

c）增压输送系统和发动机根据动力总体下发的研制要求（需求模型），开展详细设计得到各自的架构模型、单机的设计要求和性能模型，各自开展仿真验证。

d）动力总体对分系统详细设计后的性能模型进行综合集成，在实物产品试验之前，利用分系统产品性能模型进一步验证与确认动力总体设计指标及系统间接口关系。

e）动力系统的分系统、单机需求模型、架构模型、产品性能模型均参与上一层级的集成和验证，最终实现全系统的协同设计与验证。

5 未来发展展望

综上所述，基于模型的系统工程是一个从各学科开始，相近学科逐渐融合，最终形成统一模型表述的过程。考虑到运载火箭设计不同学科之间的关联性，并不一定需要把所有学科全部集中在一起。这里既需要对研究对象进行建模研究，也要对软件平台进行研究，对于运载火箭来说，目前相关学科表达和软件平台发展已初步实现了通过4个样机来对火箭进行有效的表达，这些样机之间的逻辑关系和相互耦合集成分析是未来的研究重点。如：新燃料电池与动力系统耦合性设计、垂直回收时序事件链设计及垂直回收弹道控制一体化设计等。

从长远来看，应该是把4个样机整合在一起，通过统一平台实现多专业统一建模，几何样机能够很方便的生成有限元分析软件用的性能样机，功能样机能够与几何样机、性能样机保持上下文一致性关联，从而做到跨学科的集成，但需要强大的软件平台支持，还有不少底层工作需要做。平台本身必须足够安全可控，运载火箭总体设计才能够在平台上零风险完成多专业的样机整合。

6 结 论

本文提出了“数据中心+协同设计与验证平台+总体设计模型”的“2+1”新型研制信息平台框架，给出了基于模型的运载火箭总体设计解决方案，通过总体与分系统，以及各专业间的“数字化综合集成”，为型号的总体与分系统多专业设计协同提供了新的手段，以此代替总体设计师承担多元产品研制模式下的技术协调、设计确认等大量非创新性工作，进一步促使设计师转向面向通用平台的技术创新与知识积累，提升运载火箭总体设计能力。

MBSE应用于运载火箭总体设计，通过结构化数据描述型号状态基线，能够有效保证信息的完整性与一致性；通过集成多专业工具链，充当系统工程过程中多学科设计的集线器，通过系统模型实现多学科协同优化设计。基于模型的运载火箭总体设计的落地还有很长的路要走，建议如下：

a）建立结构化数据及接口规范。通过规范化接口实现多专业程序快速运行，提升效率，同时各专业数据在数据库中以结构化形式存在，统一为一套数据模型，可以据此开发种类丰富的数据分析工具。建立各总体专业设计数据间的联系、分类和从属逻辑，将设计数据结构化组织起来，形成规范；各种专业级、系统级的仿真模型及其平台也可逐步实现自主可控，进而打通和数据平台接口，基于平台开展应用演示。可对数据进行版本控制、数据变化可追溯、通过松耦合的方式实现总体多专业程序协同运行效率的提升。

b）强化基于MBSE系统设计的先期验证。传统研制流程中，各专业设计领域利用专业模型和仿真手段对设计进行验证，但是就系统工程整体而言，对系统运行逻辑、状态的描述主要采用文本描述方式，系统整体验证主要依赖实物验证，验证周期长，技术状态无法保证，先期系统设计中的问题如果未能提前发现，待进入初样阶段后的设计修正成本大幅提高，也会严重影响系统研制进度。因此，需要通过MBSE强化对系统设计的先期验证，前移总体与分系统的迭代设计，缩短迭代周期，提升设计效率。

c）突出设计协同化，提升多专业耦合精细化设计能力。协同设计有利于提高研制效率，缩短研制周期，并实现运载火箭从传统设计模式向数字化模式的转变。尤其是对于需要多专业耦合的设计任务来说，可以直接获取相关专业的最新设计参数，及时修改本专业的模型和程序并实现结果反馈。多专业可以实现并行工作，减少了设计任务不断反复迭代的次数，极大地提高设计效率。