IPT模式在液体火箭发动机数字化设计中的应用

2021-04-26秦红强张相盟

导弹与航天运载技术 2021年2期

秦红强，张相盟，陈晖，王猛，杨飒

（西安航天动力研究所，西安，710100）

0 引言

随着信息化和数字化技术的发展，三维数字化设计已在航空、航天、航海和化工等行业得到了高度重视和广泛应用，并显示出了显著优势，已逐渐成为机械产品设计行业的发展趋势。如何进一步发挥三维数字化设计的优势、进一步优化液体火箭发动机设计流程和提高研制效率，已经成为液体动力领域高度关注的问题。

本文结合大推力液氧煤油发动机研制现状，论述了三维数字化协同设计在火箭发动机领域的应用，并重点介绍了基于集成产品开发团队（Integrated Product Team，IPT）的数字化设计模式，体现了IPT模式对于优化数字化设计流程及提高研制效率所发挥的重要作用，使IPT模式与三维数字化设计紧密结合，促进了该模式的应用和推广。

1 IPT模式及其应用现状

1.1 IPT 模式

IPT是指在产品研制过程中，按照并行工程的思想，由各职能部门的设计、工艺、制造、物资、管理等人员组成的、采取联合办公形式的工作团队。IPT是一个多部门多专业相互联络的矩阵式工作机构，是开展并行工程的组织基础[1]。

1.2 国外应用情况

IPT模式的应用最早源于波音公司。在波音 777项目之前，波音公司在飞机研制项目上基本采用传统的串行组织形式。在波音777项目之初，公司面临客户要求高、研制周期短、资金有限的巨大挑战，公司最后在组织结构和数字化设计上大胆创新，通过采用并行工程理念和无纸化设计制造技术，以较低成本在较短周期内取得了巨大成功，因此波音777项目成为全球范围内并行设计工程的成功典范。该公司在实施并行工程理念时，成立了238个IPT。在IPT中，生产工艺提前介入设计过程，减少了生产返工和设计更改的次数，保证了产品设计生产一次成功[2～4]。

1.3 中国应用情况

在中国，IPT模式已广泛应用于航空航天领域[5,6]。在航空领域，大型客机项目被誉为“现代工业皇冠”，为了做成这件“不平凡的事”，中国商用飞机有限责任公司从2014年起，全面推进IPT建设，成立气动设计与特性2级IPT，并取得了显著成效。

在航天领域，长征七号运载火箭是中国第1枚“数字化”火箭，打通了从设计到制造的全三维流程（全三维协同、全三维设计、全三维制造、数字仿真试验、数字化发射服务），在其研制过程中专门组建了不同专业、不同系统的IPT，用较少的研制人员在短期内完成了火箭研制，使中国运载火箭迈入了全生命周期数字化的时代[7]。

IPT组织形式的深入推进，使得沟通更加顺畅，从而工作效率更高。同时根据型号研制任务的需要，及时调整IPT编制，实现人员动态管理，大大加快了项目研制进程。

2 液体火箭发动机设计模式对比

现有液体火箭发动机设计大多采用传统的串行模式[8]，设计流程如图1所示。

图1 传统设计流程 Fig.1 Flow Chart of Traditional Design

基于 IPT的三维数字化协同设计采用并行模式，设计流程如图2所示。

由图2可以看出，基于IPT模式的三维数字化协同设计具有以下优势：

a）采用全三维数字化设计手段，用三维模型完全替代了传统研制模式中的二维图纸，三维模型成为产品研制流程的唯一数据源，易于实现产品状态控制；

b）工艺提前介入产品结构方案设计，确保产品结构方案不出现较大反复，且工艺可同步开展备料、工装设计等工作，显著缩短研制周期，降低研制成本；

c）基于三维模型的仿真分析结果更加准确，可有效优化方案，提高方案可靠性，仿真分析成为研制过程的重要组成部分；

d）不同部门集中处理产品设计过程中的问题，可有效提高研制效率。

3 IPT模式在液体火箭发动机中的应用

为了创新液体火箭发动机研制模式，以大推力液氧煤油发动机研制为契机，基于Pro/E+Intralink协同设计平台，首次实现了液体火箭发动机三维数字化协同设计[8]。在项目实施过程中，为了进一步提高研制效率，并有力推进数字化设计在液体火箭发动机研制中的应用，将IPT模式和数字化协同设计进行了有效结合。

3.1 IPT 小组

为了顺利推进数字化协同设计，结合液氧煤油发动机特点、研制思路以及工作分工，按专业成立了以下IPT小组（组织结构见图3）：

a）总装元件IPT：负责开展机架、燃气摇摆装置、起动箱、点火导管和总装管路等IPT设计；

b）燃烧组件IPT：负责开展燃气发生器、推力室IPT设计；

c）涡轮泵IPT：负责开展燃料预压涡轮泵、氧化剂预压涡轮泵和主涡轮泵IPT设计；

d）自动器IPT：负责开展液氧主阀、发生器燃料阀、节流阀和流量调节器等IPT设计；

e）数字化技术IPT：负责协调Pro/E、Intralink、Avidm和三维标准件库等工作；

f）标准化技术 IPT：负责协调数字化设计管理规定、三维标准件库和标审等工作；

g）仿真分析IPT：负责开展各组件及整机流场、气动、传热、强度等仿真计算。

在主要设计IPT小组中，包含主管设计、校对、审核、工艺、物资、标审、仿真、调度和批准人员。各小组按照任务分工和节点要求开展相关设计工作。

在设计过程中，同时考虑了发动机与试车台和火箭总体的IPT协调，并结合发动机三维模型进行了模拟运输、翻转、对接以及在箭体内的布局分析。

3.2 基于模型成熟度的IPT流程

在项目研制初期，设计团队以为只要成立IPT就可以顺利开展工作。但是在项目运行初期，发现产品设计过程中的IPT次数相对较多，导致设计周期很长。在借鉴国内外相关研制经验的基础上[9～11]，结合液体火箭发动机特点和研制思路，提出了基于三维模型成熟度的IPT研制流程。

按照三维模型设计及与工艺协同程度，将三维模型分为初步模型、协调模型、详细模型、审查模型和下厂模型共5个等级，称为5级成熟度划分，并由低到高依次记为M1～M5。5级成熟度划分反映了数字化协同设计的 5个阶段，在每个阶段有着不同的工作内容和完成标志，详见表1。

三维模型成熟度等级直接体现在模型属性中，并成为设计、仿真、工艺、工装和物资等开展各自工作的参考依据。只有完成当前成熟度等级所规定的工作内容时，三维模型才可提升成熟度等级。

表1 三维模型成熟度等级 Tab.1 The Maturity of 3D Model

3.3 应用效果

通过采用基于 IPT的三维数字化协同设计模式，项目组在不到2年的时间内完成了大推力液氧煤油发动机20余种新研组件和联试装置三维模型下厂，打通了液体火箭发动机数字化设计之路。目前所有下厂组件均已完成产品加工和特性试验，并完成了产品装配和热试考核。项目团队形成共性认识：IPT是提高三维协同设计效率的有力工具。