基于模型的系统工程在航天产品研发中的研究与实践

目前,基于模型的系统工程(MBSE)在工业界尤其在复杂装备领域,受到广泛关注。利用MBSE技术,发达国家在提升航天产品制造效率、生产力及装备的开发和部署上已经走在了世界前列。因此,深入理解MBSE概念,发展适用于我国航天工业的MBSE技术迫在眉睫。对MBSE概念及发展现状进行了深入分析,并结合初步实践经验,提出了航天MBSE技术发展方向和建议。     

基于模型的系统工程在航天器研制中的研究与实践

针对基于文档的传统航天器研制模式,存在着信息表示不准确、信息查找/更改困难等不足,指出基于模型的系统工程(MBSE)是解决这些问题的有效途径。根据MBSE的定义,分析其内涵;在继承国外实践成果的基础上,在航天器研制过程中进一步创新MBSE的理论,并应用MBSE理论指导航天器研制,以推动系统工程理论和实践的发展。     

基于模型的系统工程方法在卫星总体设计中的应用实践

针对基于文档的卫星总体设计信息离散、关联性差、不易追溯等问题,将基于模型的系统工程(Model-based Systems Engineering,MBSE)方法引入卫星总体设计过程,运用MagicGrid系统建模框架,提出了基于模型的卫星总体设计方法与流程。文章从用户期望定义、卫星任务运行方案、系统功能划分与物理划分、性能参数的工程分析4个方面进行了论述,并以微重力科学实验卫星系统为例,采用系统建模语言(System Modeling Language,SysML)对卫星任务的需求、行为、结构、参数进行建模。结果表明:该方法利用系统模型,能够提高设计信息的一致性和可追溯性,可为MBSE方法在卫星总体设计中的应用提供参考。     

运载火箭基于模型的系统工程研究

阐述了航天系统工程概念的来源和实践方法,对基于模型的系统工程(Model Based Systems Engineering, MBSE)概念及其发展现状进行了综述。结合运载火箭的数字化研制进展,提出了运载火箭基于模型的系统工程设想及其可能产生的效益,分析了需要解决的关键技术、存在的问题与挑战,对未来发展进行了展望。     

MBD公差设计国际标准分析与航天产品应用展望

从分析工程设计载体的演变过程出发,引入MBD (基于模型的定义)数字化制造下的产品研制流程;从几何尺寸与公差(GDT)、技术数据包(TPD)、产品数据表达与交换(PDRE)等3个方面,解析MBD标准体系的构成;从MBD标准体系的推广历程、在单一企业以及供应链网络中的应用情况等方面研究MBD标准体系的应用现状;分析航天企业应用MBD技术的现状,提出在面向设计功能与制造能力的航天产品GPS几何公差标注方法、面向制造场景的PMI (产品制造信息)信息分包方法、面向数据跨组织自动交互的PMI数据表达方法和基于MBSE的数字化研制流程等4个方面践行MBD技术的展望。     

航天工程多态全息模型及应用

以我国航天工程研制特点和数字化需求为出发点，构建涵盖航天工程全周期、全系统的数据体系，提出航天工程多态全息模型的概念及具体组成，实现了包含全要素信息的完整产品数字化定义；构建航天工程全生命周期模型体系，体系化地表达了多态全息模型在任务层、系统层和功能层随时间的动态演化过程，以及相互耦合关系；开发了多态全息模型集成系统，并在典型的航天型号中开展了实践，初步形成了架构驱动的协同研制模式和数据驱动的产品状态管理模式，提升了研制效率效益，为其他领域复杂系统工程的应用提供了参考。     

液体火箭发动机协同设计平台关键技术

针对液体火箭发动机协同设计工程实际需求,围绕研制数据高效流转与协同,面向产品全生命周期跨地域、跨专业特点,提出了协同设计平台框架。针对协同平台中的5项关键技术,给出了相应解决途径。基于PLM系统构建协同环境,建立统一编码,整合研制过程中的标准件、原材料等共性基础数据;通过基于MBD的三维结构设计,采用MBSE理念,以模型为载体升级发动机设计流程;采用线上IPT模式提升产品设计效率,同时实现全过程数据记录知识累积。采用BOM结构组织和展示不同设计阶段形成的数据;基于Hadoop平台分布式数据存储模式,实现结构化和非结构化数据综合管理。通过工程实践验证表明,构建的协同平台实现了基于数字化模型的设计工艺定制化协同,科研生产全过程的信息整合和多维度监控,促进了业务流程持续优化和研制效率不断提升,支撑发动机研制模式的转型升级。     

基于ISM-HHM的航天关键元器件 应用风险识别研究

航天关键器件尤其是国产航天关键元器件的应用是一项系统工程,具有风险来源多元化和复杂性的特点,提前识别航天关键元器件应用风险是保证其成功应用的重要基础。基于解释结构模型-层次全息模型(ISM-HHM)的组合方法能够有效地识别系统中各项风险及各风险之间的关系,分析航天关键元器件应用风险属性,利用解释结构模型-层次全息模型(ISMHHM)组合方法,识别航天关键元器件应用风险之间的交互关系,构建风险间的层次关系框图,为全面识别航天关键元器件应用风险提供参考借鉴。     

一种基于MBSE的小卫星测控分系统建模设计方法

基于模型的系统工程MBSE思想和信息化手段，以模型为核心、关系追溯为手段，集合测控分系统技术指标、设计经验等知识信息，提出一种基于MBSE的小卫星测控分系统建模设计解决方案。利用模型承载文档，显性化经验、信息、关系，形成基于模型的知识管理工具，提高工作效率，解放设计师，实现知识经验的数字化模型化承载，为小卫星测控分系统由经验设计向仿真设计转变，由基于文档到基于模型的研制模式转变，由实物验证向虚拟和实物验证相结合转变进行了探索和尝试。     

基于Matlab/STK的航天电子侦察效能仿真技术研究

STK在航天领域的系统分析与仿真方面应用广泛,但是在应用中经常面临模型不完备、操作复杂等问题。以Matlab/STK接口模块为基础,综合Matlab建模和STK仿真优势,研究基于Matlab/STK的航天电子侦察效能仿真分析方法,该方法不需要直接操作STK,操作灵活。基于该方法仿真分析卫星的侦察效能、轨道设计以及优化电子侦察任务设计方案,可为航天电子侦察任务设计论证提供参考。     

系统框架建模逻辑思路探索（英文）

China's space technology has gradually improved from the early stages' introduction, absorption and re-innovation based on backward design to independent innovation based on forward design. It is necessary to develop a new approach of systems engineering to improve the quality and efficiency of space systems design considering the large number of original design problems expected in the future. Adopting Model-Based Systems Engineering(MBSE) and Digital Twin method are important development initiatives in the field of modern engineering design. In the initial phase of system design, it is necessary to generate firm system architecture models based on the needs of stakeholders. The quality of the system design in this phase has a great impact on the detailed design and implementation for the subsequent system, and also plays an important role in the performance, development progress and cost of the whole system. Through the collaboration of cross-professional teams, modeling and model execution, comparing the model execution with expected results, MBSE has enabled digital model-level verification and validation before test verification and validation based on physical products, thus improving the design exactness, completeness and greatly reducing design errors or defects. This paper explores the logical ideas behind modeling of system architectures in order to promote the adoption of MBSE in the field of space systems.     

MBSE在活动发射平台支承臂设计中的应用实践

针对基于文档的活动发射平台系统设计存在的信息离散、关联性差、不易追溯等问题，将基于模型的系统工程(Model-Based Systerm Engineering, MBSE)的正向设计方法引入活动发射平台支承臂方案设计和详细设计过程中，采用SysML语言进行系统建模，采用Modelica语言进行物理建模，采用NX和Ansys进行三维模型设计和仿真，并通过参数结构化和接口配置技术，实现了从系统设计到产品设计关键参数的闭环验证，提高了设计数据的一致性和可追溯性，验证了MagicDraw、Mworks、Teamcenter等系统集成应用的技术可行性，为活动发射平台和其他航天产品设计提供了指导和借鉴。     

一种舱内/月面兼用登月航天服总体概念设计

航天员在月面驻留与活动离不开登月航天服的保护。文章考虑载人登月任务环境对登月航天服的各种特殊要求后,从满足环境适应性的服装工艺设计角度对登月航天服进行了总体概念设计:应用基于模型的系统工程（MBSE）方法,利用SysML搭建登月航天服模型,采取舱内/月面兼用设计模式;主要对其头盔、躯干主体部分、手套、靴子、生命保障背包,以及安全性可靠性等方面分别开展设计与说明。该设计思路和方案可为我国载人登月以及载人深空探测航天服设计提供参考。     

基于代理模型技术的返回舱外形优化

针对返回舱再入过程中需要满足的复杂气动力热务件,在典型高超声速条件下以升阻比和阻力系数为目标,以驻点热流和容积率为约束条件进行返回舱外形多目标优化设计。气动特性分析采用基于三维Navier-Stokes方程和结构网格的计算流体力学数值仿真（CFD）方法,采用Fay-Riddell经验公式计算驻点热流,采用NSGA－II优化算法进行全局寻优,为了增强多目标优化设计的计算效率,利用Kriging代理模型替代CFD计算,并引入改进的EI函数加点策略,大大减少了构建代理模型时所需的样本点数目。优化计算结果表明,代理模型计算结果与CFD计算结果误差可以控制在7％以内,基于代理模型技术的优化过程可以节省95％以上的计算开销。因此,该方法能够较好地满足初步设计的要求,为返回舱外形优化提供有益的借峪。     

基于多学科参数化建模和灵敏度分析的飞行器分级优化设计方法

提出一种将飞行器参数化建模、灵敏度分析与气动/隐身综合优化设计相结合的方法.该方法的流程为:(1)建立面向多学科设计的参数化模型,提取分级参数;(2)对分级参数进行灵敏度分析,筛选设计变量;(3)基于分级优化流程,应用多目标优化算法进行飞行器气动/隐身综合优化设计.以一个四尾翼布局飞行器气动/隐身综合优化设计为例,阐述流程的实现过程,结果表明这种方法具有如下优点:(1)多学科参数化建模为气动和隐身性能分析提供统一的参数化模型;(2)使用灵敏度分析工具对分级设计参数进行筛选,精简优化设计任务;(3)基于分级参数和灵敏度分析进行分级优化设计,优化适应值提高56.1%,耗时减少57.02%.     

航天火工机构可靠性的强化试验验证方法

针对性能参数服从正态分布的一类航天火工机构,参照“应力-强度”模型,提出了一 种强化试验的小子样可靠性验证方法。试验中将火工机构性能参数置于相对额定条件更为严 酷的条件下,用传统的成败型试验方法评估其可靠性,然后结合火工机构的力学特性推导出 它在额定条件下的可靠性。公式的计算验证表明：利用本方法,在0.95的置信度下,只需要 少于10次的试验就能够评定0.9999～0.99999的可靠性。最后,文章对强化试验的设计方法 进行了说明。
     

基于AMESim的先导膜片式电磁阀动态特性仿真

介绍了先导膜片式电磁阀的结构及工作原理,建立了其多物理过程耦合的数学模型,利用AMESim软件建立了先导式电磁阀动态仿真模型,研究了节流孔、工作压力、弹簧刚度及弹簧力对先导膜片式电磁阀动态响应的影响。结果表明:节流孔对响应时间的影响因素较大,随着节流孔的增大,阀门的打开响应时间越长,关闭响应时间越短。该分析方法可应用于先导式电磁阀的设计和分析,具有一定的工程应用价值。