基于模型的载人航天器研制方法研究与实践

载人航天器具有系统规模大、技术难度高、单件小批量、无法通过多次飞行持续完善设计、可靠性要求高等特点。当前载人航天器研制中仍存在着参数化和模型化程度不高、基于模型的系统综合仿真验证不足、研制各环节缺乏数字化集成等问题，传统基于文本的系统工程方法已无法满足研制需求，亟需采用基于模型的系统工程方法。本文针对载人航天器的研制现状和应用需求，提出了面向载人航天器全生命周期的模型体系，定义了需求模型、功能模型、产品模型、工程模型、制造模型、实做模型等六类模型，提出了基于模型的研制流程，包含系统设计闭环验证、产品设计闭环验证、实做产品闭环验证3个验证环节，并深入探索了各研制环节中不同模型间的传递与关联关系。以某型号载人航天器为应用基础，系统地验证了提出的方法。     

载人登月航天器推进系统方案选择分析

载人登月航天器完成近月制动和着陆下降等空间任务,需要装载大量推进剂,推进系统方案选择是航天器总体方案设计优化的重要组成部分.建立了推进系统关键组件设计仿真模型,仿真分析了推进系统质量和干重系数随推进剂装载量的变化规律,并对比了20 t级载人登月航天器挤压和泵压推进系统方案.结果表明:推进系统方案质量与推进剂装载量有关,...     

载人航天器地面通风设备参数研究

针对航天器总装过程对地面通风设备控制密封舱内的大气温湿度和通风、保证舱内环境要求并保障舱内操作工人的新鲜气体供应的需求,研究了航天器地面通风设备的主要技术参数的设计与确定方法。结合理论推导与工程实践,给出了如何从载人航天器自身主要技术参数出发,通过迭代计算得到能够满足要求的地面通风设备主要技术参数。某载人航天器地面通风设备设计过程对该结果的应用验证了其有效性,可为后续航天器地面设备研制提供参考。     

载人火箭信息传输网络系统设计及关键技术研究

载人火箭信息传输网络系统是为适应载人运载火箭远距离测试和发射控制而研制,系统采用热备份路由及重传验证信息传输方法,实现了高效、高可靠的地面信息交换平台。在系统框架设计及可靠性分析的基础上,对待发段故障诊断、流程指挥与射前监测等关键技术研究,实现了高可靠信息传输网络系统,系统已圆满完成载人航天工程任务。本技术成功应用优化了运载火箭信息传输与应用模式,提供了标准体系构架,对于后续运载火箭及航天器信息传输与应用的研制具有重要借鉴意义。     

航天器数字化设计与系统仿真技术

先进的数字化设计与系统仿真技术是提高航天器性能和质量、降低研制成本和风险,缩短研制周期以及保障在轨可靠运行的重要途径和手段.各国航天机构投入大量经费进行该领域的研究,所建立的设计与仿真系统在航天器设计与研制的各个阶段都发挥着重要作用.     

带子星航天器总体参数多学科设计优化

针对带子星航天器总体参数多学科设计优化(MDO)问题,进行系统任务分析和学科耦合关系分析.考虑有效载荷、轨道和结构等学科设计变量和约束条件,以航天器有效接近区和整星质量的综合指标为目标,建立MDO模型和相应分析模犁.利用iSIGHT软件搭建求解平台,采用基于罚函数的协同优化(CO)算法对所建立的MDO模型进行仿真计算,...     

离心式压气机耦合松弛多学科设计优化方法

为提高多学科设计优化的寻优效率,以离心式压气机为对象,开展了耦合松弛多学科设计优化方法的研究.针对松散耦合方法建立的离心式压气机的流-热-固耦合分析模型,为了避免反复迭代导致的分析、优化时间过长,构建了分层次的离心式压气机耦合松弛优化设计系统.在气动优化中采用全局寻优算法探索系统最优气动设计方案;在耦合优化阶段,综合考虑学科间耦合及相互作用,在气动优化的基础上局部寻优校验气动优化结果并得到最终设计方案.这种不同复杂层次模型的优化设计有效缩减了系统优化设计周期.     

航天器电缆网快速协同设计方法及关键技术

以航天器电缆网传统研制模式的局限性为出发点,提出了电缆网全息模型的概念及其通用模型体系,实现了包含全要素设计信息的完整产品数字化定义;基于先"修路"后布线的设计理念,系统地提出了导航式电缆网快速协同设计方法及其相关算法,建立了航天器整器级统一的电缆网络通道"地图",有效增强了电缆网的顶层设计,减少了每束电缆并行设计时路径统筹规划不够和走向不优化的问题;构建了电缆网机电一体化协同模式和面向研制全周期的一体化业务流程,建立了跨型号跨专业的通用模型库、参数库、算法与规则库,完善了电缆网系统级设计和底层数据模型,实现了不同专业间的并行协同;开发了导航式电缆网快速协同设计系统,实现了基于参数驱动的复杂电缆网快速三维布线,提升了设计效率效益,并在以空间站为代表的载人航天型号中开展了应用,为复杂电缆网的研制提供了一种有效方法和手段。     

载人航天器总装过程技术研究

阐述航天器总装技术应用的国内外现状,从载人航天器工艺设计、总装及其过程质量控制中采用数字化技术应用等方面,介绍载人航天器数字化总装技术的研究内容。     

基于Modelica的载人航天器多学科集成建模仿真

针对目前载人航天器系统仿真验证多局限于单一专业层面而系统性不强的问题,基于统一建模语言Modelica,首先建立了各专业设备模型,然后将设备模型进行组装,构建了多学科集成的系统模型。利用该系统模型对航天器系统方案的仿真结果表明:模型有效;统一采用Modelica语言建模,所有模型基于同一套方程系统求解,可避免异构模型参数传递带来的精度损失;以设备为最小粒度构建系统模型,可保证系统模型架构与航天器真实物理架构的一致性。     

飞行器多学科耦合伴随体系的现状与发展趋势综述

多学科耦合伴随方法具有多学科耦合灵敏度计算量与各个学科设计变量个数均基本无关等优点,是一个值得关注的发展方向。面向气动、电磁、声学、结构、红外等与飞行器设计息息相关的学科,针对多学科耦合伴随方法的优势、现状、难点以及未来发展趋势开展研究与论述,系统性地分析了单一学科、多学科伴随方法的核心内容、关键技术与发展现状,对边界条件处理、交叉学科雅克比推导以及大型稀疏矩阵存储处理、求解等关键技术进行系统讨论,针对典型的关键环节和基础科学问题,给出了研究思路与解决方案,并进一步展望了多学科耦合伴随理论与应用发展趋势。希望能够为从事多学科伴随优化方法与应用的研究人员提供有意义的参考,促进多学科耦合灵敏度这一基础科学问题以及基于高保真度分析手段的多学科优化（MDO）技术的发展。     

北斗卫星导航( 区域) 系统星座对中国载人航天器的服务能力仿真分析

载人航天器可以利用北斗卫星导航系统实现自主导航定位和相对测量以支持轨道确定和交会对接任务。为了评估当前星座条件下北斗卫星导航(区域)系统对中国载人航天器的服务能力,建立了当前北斗卫星导航(区域)系统的星座仿真场景。利用载人航天器轨道参数,对其轨道处北斗区域星座的覆盖特性和服务能力进行了仿真,分析了可以用于载人航天器绝对定位和相对定位的时间长度、可见卫星情况、位置精度因子等特性。分析结果表明,在载人航天轨道的一些持续时间段内,航天器可以利用北斗(区域)系统完成绝对和相对定位功能。     

复杂产品数字化装配工艺规划与仿真优化技术研究

基于复杂产品研制过程对数字化装配工艺规划与仿真的应用需求,对三维数字化装配工艺规划、设计和仿真优化技术进行了深入研究,包括在装配工艺规划、设计和仿真阶段如何深入应用三维产品模型、三维数字化装配工艺规划设计与仿真优化应用模式、建立三维可视化的装配工艺表示,以提高复杂产品装配工艺规划与可行性验证能力,缩短工艺准备周期。     

载人航天器空气环境参数控制非定常仿真分析

为支持乘员在轨驻留,载人航天器需通过空气环境控制系统将众多设计参数和空气环境参数控制在指标范围内。文章建立了一种载人航天器空气环境非定常控制仿真分析模型,包括舱体模块、航天员模块、舱压控制模块、温湿度控制模块以及CO2净化模块。利用该模型分析了载人航天器空气环境参数随乘员代谢水平的非定常变化趋势,并评估了控制系统的工作性能。结果表明:乘员代谢水平变化对空气环境参数有显著影响,通过调节控制系统运行参数可将各空气参数控制在有效指标范围内。人区温度与O2分压、CO2分压和人区湿度有密切的影响关系,不可孤立地进行分析。为载人航天器空气环境参数控制系统的设计和流程改进提供了依据。     

某载人航天器密封隔舱内CMG散热设计与分析

针对某载人航天器密封隔舱内单框架控制力矩陀螺(CMG)的散热问题,设计了射流式强迫对流散热系统,建立了隔舱内流动与传热仿真模型。通过仿真得到CMG转子表面气流和密封隔舱内流场分布特性,通过流动、传导和辐射耦合计算,获得了隔舱内设备温度分布,重点考察了CMG转子散热特性。仿真结果与真空热试验数据一致,验证了CMG散热设计的正确性和仿真模型的准确性。仿真分析方法和结果可为同类型密封隔舱内设备散热分析提供参考。     

空间站结构数字化协同设计中的计划管理

针对传统基于二维图纸研制的计划管理模式不适应三维数字化结构协同设计的问题,分析了数字化结构协同设计的特点,围绕三维模型架构层次和信息交互,提出了技术流程逐层解耦的管理方法;应用模糊统计和平衡线调度原理,建立了三维模型投产计划评估数学模型;基于模型层次化的协同方式优化了沟通管理模式。在空间站结构研制的管理过程中,要实现全过程的结构研制管控、调配合理的人力资源、制定科学的投产计划、促进高效的信息沟通,以确保空间站结构研制任务的完成。该计划管理方法为大型复杂航天器结构三维数字化协同设计的计划管理提供了良好的借鉴。     

飞机研制过程中仿真生命周期管理的研究

通过分析在飞机研制过程中的系统工程模型,以面向多专业耦合协同仿真及设计、仿真、验证一体化,实现飞机研制的多学科优化设计为目标,研究系统工程方法对研制过程中仿真生命周期的有效管理。并在该理论基础上,实施构建基于系统工程的仿真生命周期管理系统,从而确保研制过程中仿真的可靠性、可控性及协同性,以达到缩短研制周期、控制研制成本及保证研制质量的目的。     

面向大型载人航天器的系统健康状态评估方法研究

针对载人航天器系统在安全运行方面的需求,提出了一种面向大型载人航天器的系统健康状态评估方法。首先根据复杂系统的拓扑结构建立图模型,将对系统的健康状态评估转化为对图模型各成分的度量;然后挖掘出图模型中各成分关联数据的模式特征,以系统稳态时的模式特征作为健康基准,将后续观测时刻模式特征与基准模式之间的偏差作为健康状态的度量值,着重考虑了系统组成部分之间的相互作用;最后综合图模型中所有成分的度量结果,构建出表征整个系统健康状态的评估值。以某型号航天器的能源系统在轨遥测数据进行了验证分析,结果表明所提出的方法可以有效地完成对复杂系统的健康状态评估工作,可以为大型载人航天器的健康状态评估提供参考。     

基于Kriging模型的涡轮叶片多学科设计优化

引入基于Kriging模型的近似技术, 建立了一种三维涡轮叶片的多学科设计优化方法.系统介绍了Kriging近似模型, 采用松散耦合方法考虑叶片各学科之间的耦合关系, 在多学科耦合分析的基础上, 采用多学科可行方法与基于Kriging模型的多学科优化方法分别进行了优化和比较.算例表明, 同等条件下相对于前者, 后者能够在精度无明显损失的情况下更快地收敛到最优解, 使涡轮叶片的各项性能得到明显改善, 证明该优化方法是可行有效的.      

基于UAF的载人航天体系框架设计与建模

针对传统基于文本的系统工程方法缺乏早期验证及设计迭代时代价大、周期长等问题,采用基于模型的体系工程MBSoSE思想,借鉴统一框架模型,提出面向载人航天任务体系框架设计和建模方法。建立了针对载人航天工程的标准框架视图,提高了对巨系统认识的完整性;设计了可复用的参数化模型,增强了体系集成程度;并通过快速迭代验证实现了方案高效率更新、传递、追溯。对载人登月型号任务开展建模实践,实施方案建模和仿真结果表明,该方法可行、正确,对指导载人航天体系设计具有一定的参考价值。