液体火箭发动机数字化应用现状与分析

2024-07-01贺雷张卫东

科技资讯 2024年8期

贺雷张卫东

摘要：随着互联网技术及数字化技术的快速发展，国内外各行各业在面临日益激烈的竞争环境下，普遍将数字化转型作为发展战略，结合产品自身的发展需要，运用适合的数字化技术和先进模式，推动技术创新和研制模式创新，从而提升产品的核心竞争力。而对于液体火箭发动机这一传统行业世界格局的变化，高效和创新成为了当前行业发展的必经之路。通过对国内外液体火箭发动机技术水平的差距分析，结合我国液体火箭发动机研发模式以及数字化应用的现状，对后续液体火箭发动机研制模式数字化转型提出了相应的思路和见解。

关键词：液体火箭发动机数字化转型研发模式协同设计

中图分类号：V463

Current Situations and Analysis of the Digital Application of Liquid Rocket Engines

HE Lei* ZHANG Weidong

Beijing Aerospace Propulsion Institute，Beijing， 100076 China

Abstract： With the rapid development of Internet technology and digital technology， in the face of the increasingly fierce competitive environment， all walks of life at home and abroad generally regard digital transformation as a development strategy. Combined with the development needs of their own products， they use appropriate digital technologies and advanced models to promote technological innovation and research and development mode innovation， so as to enhance the core competitiveness of their products. For the changes in the world pattern of the traditional industry of liquid rocket engines， efficiency and innovation have become necessary paths for the current development of the industry. Through analyzing the gap of the technical level of liquid rocket engines at home and abroad， combined with the research and development mode of liquid rocket engines and the current situation of their digital application in China， corresponding ideas and insights are proposed for the subsequent digital transformation of the research and development modes of liquid rocket engines.

Key Words： Liquid rocket engine; Digital transformation; Research and development mode; Collaborative design

液体火箭发动机是运载火箭的心脏，是空间基础设施建设、深空探测、载人航天等一切航天活动的基石，决定着一个国家航天活动的规模、进出空间的能力，是一个国家科技实力的重要体现，是国家安全的重要保障。我国经过60余年的发展，由最初的仿制到现在的自主可控，走出来一条具有我国特点的发动机研制路线，形成了发动机研制的方法、标准和规范等[1-4]，但从世界角度来看，我国的液体火箭发动机仍存在一系列差距，尤其是随着商业航天的发展，以美国太空探索公司的“梅林”和“猛禽”发动机的应用为代表，不断地引入互联网技术和数字化技术，使发动机的研制模式、迭代速度和创新应用等发生了颠覆性的改革，新一轮的竞争格局即将形成[5-6]。互联网技术和数字化技术的应用将成为未来提高发动机研制水平、缩短发动机研制周期的重要支撑。

1 我国液体火箭发动机数字化应用的现状

目前我国液体火箭发动机的研制过程是一个由“设计—试制—试验—改进设计—再试验”反复迭代的串行模式，逐步实现技术状态的收敛、产品质量和性能的螺旋上升的过程，且以实物试验为主，通过充分的试验暴露设计、工艺问题并改进。当前，我国已经成功研发了一系列的发动机，包括先进膨胀循环氢氧发动机、高压补燃循环液氧煤油发动机以及可重复使用的液氧甲烷发动机等，此外在故障诊断方面也开展了数十年的研究。随着技术的不断进步，液体火箭发动机的研制过程中也采用了越来越多的数字化应用，如三维数字化协同、三维设计仿真、信息化管理等，但与国外相比仍存在相应的不足。

1.1 数字化应用呈孤岛模式

当前，我国新型号液体火箭发动机的设计已全面采用了全三维数字化协同设计及仿真模式，部分设计文件、大纲等结构化需求管理在系统中进行审签受控和发布等，型号数字化工作取得显著成效，为数字化转型发展奠定了基础。但型号数字化应用多为单点应用，各个应用呈现孤岛模式，缺乏耦合效应，具体体现在：数据管理分散在各个信息系统中，缺乏关联追溯；产品设计特性等数据没能实现设计与生产的线上协同，缺乏信息系统的支撑，还需要经过人工传递和反馈；尚未完成全生命周期数据体系的系统梳理，缺乏统一化、规范化的管理能力等。上述问题导致液体火箭发动机模型驱动的数字化研发模式不能自顶向下正向贯通，与国外先进的装备研发模式尚有差距，型号数字化能力还需实现由“点”到“线”再到“面”的体系化发展。

1.2 多学科协同设计能力不足

发动机系统方案综合论证是一项多学科集成的复杂的系统性工作，研制过程中涉及流、固、热、电等多个学科。基于现有的条件，虽然在液体火箭发动机的研制过程中采用了大量CAD技术、CAE技术、CFD技术、FEA技术等新技术开展系统及各零组件的专业优化仿真设计。但各个专业的仿真分析主要以专业单点的应用为主，且在研制各环节的应用范围和深度很不均衡，也没有形成相对成熟固化的仿真业务流程，不具备基于统一的数字样机开展仿真分析能力；部分数字化模型处于信息孤岛状态，设计制造的三维数字化协同和验证尚未全面打通，部分数字化仿真结果的精度还有待提高；各专业的仿真分析过程尚未有效集成，仿真模型与仿真结果未有效管控；部分产品研制还必须依靠实物模装和试对接口进行验证，电气系统还无法摆脱散态匹配试验验证阶段，控制系统与发动机无法进行集成仿真试验验证，这种必须依靠实物参与的验证耗费了大量时间、人力和财力，严重制约型号研制效率。

1.3 并行研发模式尚未有效运行

发动机研发方面，初步建成产品数据管理、试验数据管理、计划管理、质量管理、物资管理、研发数据包等业务系统，形成了一套与研制任务相适应的、以实物验证为主的“设计—仿真—生产—试验”串行的跟随创新研发模式，但整个过程设计仿真、工艺优化、制造生产、试验验证等一体化能力欠缺；过程质量数据的分析和挖掘能力不强，未能有效支撑产品研制与质量保证；通过对现有数字化支撑条件和应用状况的梳理与分析，在设计、制造、试验、协同、管控、基础支撑均存在一定差距。目前，面向产品、问题导向、串行跟随的创新研发模式仅能够解决产品的有无问题，但难以做到真正的技术引领。其原因是这种模式过于关注产品的实现，而对支撑产品设计的核心技术关注太少，所得到的经验都是在单个产品的实现过程中掌握的零散认识，很少通过拓展研究或系统研究归纳为指导设计的准则规范。

1.4 在线故障诊断技术尚未得到应用

我国在863计划的支持下，开展了十多年的研究，对于火箭发动机工作过程的故障检测与诊断取得了较大的进展，但对于重复使用发动机的健康监测、故障诊断、智能控制的研究尚在起步阶段，距离型号应用仍存在一定的差距。而国外随着工业4.0、大数据、人工智能（AI）等新技术的不断出现，数字化手段越来越先进，其在故障诊断和智能控制技术方面取得了很大的进展。尤其是在美国，美国一直致力于先进的健康管理系统、故障诊断和智能控制技术研究，其目的就在于建造一张发动机“信息网”，在此基础上，使用智能控制等最新技术，就可以达到增强任务安全度，减少全生命周期费用等任务目标。

通过上述分析可以看出，我国液体火箭发动机在研制模式、数字贯通、先进控制等技术方面存在较大的差距，其原因不仅是我国工业软件方面落后、功能单一，还包括整个研制流程的梳理及数字化的应用和积累深度和广度不够，尤其是发动机系统设计方面对个人经验依赖性强、集成程度较低、迭代周期较长、多方案比较不充分、综合评价准确性较低等。

2 液体火箭发动机数字化应用转型探讨

要真正实现液体火箭发动机高质量高水平的设计与研制，基础能力是重要的支撑。在改进研制模式的同时，进一步提高一体化协同设计能力、数字化仿真能力、在线故障监测与诊断能力等。

2.1 研制模式的优化

相比于我国传统航天企业采用的大循环串行研制模式，SpaceX公司采用了方案—设计—制造—试验的小循环迭代模式。针对该种模式，SpaceX公司设计了一个集成试验工具，对各个产品进行了严格多样的试验，当迭代次数增多、周期越来越靠后时，产品更加接近于最终的形态，通过工具不断的学习和训练，可有效地提高产品的可靠性和适应性，从而避免系统相互耦合带来的仿真和分析不到位的风险。该种方法相比于传动的大循环单个周期而言的研制模式，可有效地实现快速迭代，在保证缩短周期的同时有效降低成本。

2.2 建立先进的协同设计平台

围绕我国液体火箭发动机研制模式优化转型，借鉴MBSE的理念，研究基于海量历史数据的智能化设计方法，通过完善设计工具、集成设计平台，结合多专业设计经验、知识、规范，引入并行工程方法，构建需求模型、功能模型、性能模型及数据关系模型等，打造数字液体火箭发动机研发支撑环境，实现人员、流程、工具、数据的无缝互连和多方案智能化并行快速迭代，形成数字化液体火箭发动机设计体系，并将数据模型与流程系统进行深度融合，显著提高工作效率，实现型号方案在全局层次的智能化寻优。

2.3 建立一体化仿真平台

以模型为基础，以数据为支撑，针对跨系统、跨工具、跨设备、跨单位等方面明确交换标准，确保数据表达一致性，如模型间的传递方式可以采用STEP格式等。构建发动机设计仿真体系，完善仿真规范、仿真流程，补充各类仿真工具，包括系统级综合仿真、组件/部件级仿真、学科级仿真、工艺仿真及分析、试验台及集成仿真等，专业仿真成规模、系统仿真上水平，最终形成工具齐全、系统完整、结果准确的先进仿真体系，推动研制流程从设计、试验向设计、仿真、试验转变。实现虚实结合的大型化实物试验和特殊环境下的试验验证能力，满足新技术和新产品试验验证需求，提高液体火箭发动机的一体化仿真试验验证水平。

2.4 面向数字孪生的设计与验证评估平台

针对在线故障诊断和智能控制技术等，以大数据挖掘、数字孪生、元宇宙等技术为手段，构建验证评估的虚拟环境，引入试验数据进行设计的闭环验证与评估；通过对试验数据的参数化、结构化管理，为试验结果和仿真模型之间的虚实结合与对比验证提供思路；通过数字模型与实物模型之间的数据映射与传递，实现试验数据与设计数据、仿真数据的闭环反馈，提高试验数据利用率；通过建立试验数据与仿真模型的关联验证机制来检验数字模型的正确性，并进一步推动仿真模型的修正与优化，建立可重复使用技术的设计、评估与健康监测平台，实现对故障的在线诊断。

2.5 形成高效智能的制造和批产能力

针对数字化、信息化技术的引入，传统的生产区域面临着厂房布局紧凑、设备状态及先进性参差不齐、部分设备老旧严重、功能落后、与智能化设备无法兼容等情况，现代化改造更新的条件不足，需结合整体性的能力布局规划，开辟建设高效智能的生产线。加强生产制造过程单元化、自动化、数字化、信息化建设，改进和优化生产模式，打造多类型优化组合、国际一流液体火箭发动机生产线，提升批次性生产能力。通过建设分布式协同生产模式，构建全三维数字化制造能力以及新材料的加工能力，达到敏捷制造，精益生产的目标。

3 结语

数字化转型是行业模式转换的必由之路，围绕液体火箭发动机的数字化转型，要以体系化、协同化、数字化为主线，通过加强顶层设计、推进专业协同、打通数字链路，实现体系发展、快速迭代和模式转型。要深度融合信息化、自动化技术，建设发动机研发平台，实现知识显性、流程模板化、验证虚拟化、产品数字化、知识推送自动化，消除信息孤岛，构建数字化发动机的同时，通过优化流程、转变模式提高体系效能；强化基础研究，深化机理认识，构建发动机技术知识体系，提升核心技术创新能力，提高设计阶段方案的正确性，从而做到“缩周期，降成本，提性能”。在此基础上，解放人力、设备资源，使其专注于前沿技术探索研究，从而构建以数字化、“设计—仿真”小循环迭代为特征的自主创新研发模式。

参考文献