高马赫数飞行器结构系统设计

关键词：飞行器 结构 协同研发

高马赫数飞行器一般指在大气层内飞行速度超过5Ma的飞行器，比如临近空间高超音速导弹、再入大气层的洲际弹头、航天飞机等。本文所称的结构系统主要是指除飞行器内部设备之外的部分，包括热防护结构、承载结构、连接与分离结构等。图1给出俄罗斯SS-18撒旦导弹的结构分布图。

图1  俄罗斯SS18撒旦导弹

高马赫数飞行器结构系统的主要作用包括维持飞行器的外形、提供设备安装空间、提供足够的刚度强度以承受飞行载荷、保护内部设备不被高温气体烧毁等等，其主要特点是重量轻、耐高温、高强度、高刚度、耐冲击等。图2是美国HTV2临近空间高超声速飞行器飞行过程假想图。

图2 美国HTV2飞行假想图

不同于一般的结构系统，高马赫飞行器在大气层内飞行时，其外表面温度可达2000℃以上，而内部设备允许的工作温度一般不超过100℃，因此需要在很薄的一个厚度内将温度降低至设备允许的工作温度。同时，还需要在高速飞行过程中的高温、振动、压力、过载等作用下维持一个良好的外形，以确保飞行的稳定。高马赫数飞行器结构系统组成十分复杂，其研发过程涉及多个部门、多家单位，对轻量化、可靠性等要求很高。因此，高马赫数飞行器结构系统设计是一项复杂的工程，对高效协同设计需求很迫切。传统上采用的是基于文件的协同模式，三维信息二维化，存在信息降维的问题，表达不直观、信息容易缺落、反馈慢，已经不能满足当前的要求。

根据业务分工，将结构系统设计分为结构总体设计、结构综合设计、结构强度设计、结构防热设计和分离设计等。各个小组完成结构设计不同方面的工作，设计流程如图3所示。在设计流程中，上游人员需要将任务、要求明确传递给下游人员，下游人员需要及时将设计结果或者问题反馈给上游。通过上下游不同专业之间的协同工作，最终完成产品设计。

图3结构系统设计流程示意

在设计过程中，流程决定了任务的分配形式，但是数据决定了设计的及时性和准确性。产品的研制过程就是数据不断完善的过程。在结构的设计过程，涉及的数据类型有CAD数模、参数和文件，其关联关系如图4所示。由CAD设计师初步确定参数，由参数来驱动流程，由流程来产生文件。设计师需要和工艺、仿真设计师进行协同设计，以确保产品性能满足要求。

图4 数据协同关系图

高马赫数飞行器结构系统需要同时满足理论外形、设备安装、质量质心、刚度、强度、防热、冲击、振动等方面的要求，是一个多专业协同的设计过程。设计时需要开展多个专业的设计与仿真，而各个专业所采用的工具是不同的，对应的模型与数据结构也不同，因此需要对此进行开发和集成。表1给出了需要集成的不同专业的软件工具情况。

表1  需要集成的工具列表

结构多学科协同研发平台是以基于结构三维模型的系统工程的软件实现，以对设计流程的标准化和设计数据的协同管理为基础，以实现结构多专业小组之间的协同研发为目标，通过统一的多专业研发任务管理、标准化的设计仿真流程调用、研发数据的集中管理、各个专业用户界面定制开发、应用系统的集成来提高结构室产品设计水平与质量。结构多学科协同研发环境基于达索系统3DE平台进行开发，功能分为五层，分别是展示层、应用层、功能层、数据层和基础层。

图5 功能组成

高马赫飞行器的研发非常复杂，目前已经建成了若干信息化管理和支持系统，包括PDM、TDM和高算中心等。结构系统是高马赫数飞行器的一个子系统，结构系统的协同研发必须和已有的信息系统进行交互。

在结构系统协同研发环境中，研发任务管理模块负责型号研发过程的管理，各专业的研发人员基于接收到的项目任务进行型号的研制工作。型号研发过程中的CAD数模保存在PDM平台中，试验数据文件和材料参数保存在试验数据管理平台中，协同研发平台负责管理型号研发过程中的不同专业的设计任务、设计模板和研发数据。

仿真分析流程执行过程中会调用平台中保存的仿真模型或者仿真的相关知识，仿真过程中生成的过程文件和仿真结果也会基于流程在平台中进行有效地管理。仿真流程执行会调用相应的设计与仿真工具，同时将大型的仿真计算发布到高性能计算节点上执行，可有效缩短仿真时间，提升研发效率。

基于平台进行试验数据标定时，平台会从TDM平台中读取相关的试验数据来驱动标定流程执行。

图6 与其他系统的关系

由于高马赫数飞行器的研发是一项创新性很强的工作，因此在研发过程中方案更改、迭代的非常频繁，这要求设计过程要相对灵活。另一方面，高马赫数飞行器又是一个对质量和可靠性要求非常高的产品，因此要求设计过程尽量固化。这就是一对矛盾。在开发协同研发系统过程中，我们提出任务推送机制，实现设计的灵活性和流程的确定性，并且保证数据的协同性和准确性，初步解决了创新与可靠的矛盾。

设计人员在执行任务时，需要其他人员的协作，此时通过推送任务给其他人员来进行任务的交互。执行任务推送时，设计师可以选择项目下的所有任务，可以选择需要推送哪些文件作为任务的输入物，并且确定需要下游人员反馈的信息。图7给出一个例子。

图7任务推送和数据协同机制

为了实现从总体骨架设计到产品的详细设计，需要将多学科仿真分析流程集成到协同研发平台中，以便于实现多学科优化。高马赫数飞行器结构系统的多学科优化存在一些突出难点。

首先是模型的不确定性。由于高马赫数飞行器创新的需求，结构形态较为多样，因此结构模型不确定。与目前大多数仿真流程集成采用确定的参数化模型不同，这个结构协同研发环境需要解决不确定模型的多学科仿真集成的问题。通过在模型中定义特殊的标识，实现模型的识别。

其次是需要解决外形变化问题。由于高马赫数飞行器在飞行过程中表面存在严重的气动热，结构外表面由于高温烧蚀而发生变化。仿真过程集成需要适应动态边界问题。通过时序匹配、载荷映射等技术解决相关问题。

高马赫数飞行器结构系统设计涉及多个专业、多个部门，传统上采用文件传递信息的方式已经不能满足创新、高效、高质量的要求。本文提出基于三维模型的协同研发需求，通过融合航天系统工程理论和现代软件技术，以达索系统3DE平台为基础，实现了高马赫数飞行器结构系统协同研发环境的开发。经过初步试用，产品质量和研发效率均有大福提升。