载人航天数字化之路上的天舟“三剑客”

何怡 赵英梓

2017年04月20日15:40  来源:人民网-科技频道
 

在海上漂了8天的贾东永作为天舟一号货运飞船总体总装主任设计师,完成了他海上押运天舟一号的光荣使命。作为唯一一个从项目论证、立项、方案设计、初样研制到正样出厂,完完整整陪着天舟一号从无到有的设计师,贾东永笑称海上8天是他修禅静心的入门期。

在没有wifi信号,甚至没有手机信号,荒芜人际的海上漂8天,他每天的工作就是监测天舟一号包装箱运输过程中的各项测试数据,心理素质也受到了考验。然而这一切,比起过去6年来,贾东永和他的团队为了天舟一号货运飞船的数字化总装研制工作所付出的努力,都算不得什么。

看前世今生

数字化制造在几年前就已经成为先进制造技术的发展趋势。通过成功应用数字化制造技术,国内外先进宇航制造企业有效地缩短了研制周期,提高了质量保证和协同效率。NASA建立了基于三维技术的集成、协同的环境,实现了产品全生命周期的快速、无缝、可控的研制。波音、空客公司也采用全三维研制模式,开发费用和时间都缩减了50%左右。

早在2011年,作为货运飞船的抓总单位,中国航天科技集团公司五院载人航天总体部就已经预见到了三维数字化设计在航天器设计中的广阔前景,成立了五院第一家“全三维数字化协同设计实验室”。在空间实验室、货运飞船、空间站等全部载人型号研制中的全面应用数字化协同研制模式,其中,货运飞船在方案设计阶段,就确定了载人航天器数字化研制方案,确定了载人航天器数字化研制平台,制定了数字化模型体系,并明确了数字化研制各阶段模型及文档的输入、输出的要求及清单。可以说,从一出生,天舟一号就走上了数字化之路,而这条路是贾东永团队之前的设计师都没有走过的。

    所谓“航天器数字化研制”,就是以数字化技术为主要手段,充分利用数字化的特点,以模式变革为导向,通过产品描述的数字化、过程管控的数字化、加工装备的数字化,打通产品设计、工艺、生产、装配、检验、交付的全过程信息流,加速信息传递和闭环追溯,支撑型号产品的“好、快、省”研制。

    全三维协同设计研制模式相比二维设计研制模式主要有两点不同:第一是三维与二维的区别,第二是协同与个体设计的区别。三维设计的重点是设计真实的数字样机,数字样机集成了一个产品的所有要素和产品信息,从平台数字样机的建设,到数字样机用于型号或者产品的生产,到后期产品实物的组装、装配,数字样机就是二维设计模式中的一套套图纸,是设计 、制造、装配的依据,因此,三维设计的重点是数字样机的建设和维护。协同设计是提高效率,提升质量的一个有效途径,协同设计规范和流程的制定是协同设计能够高效开展的基础,也是保证研发质量的关键。

贾东永的机械总体团队在载人航天器研制中首次采用全三维数字化协同设计手段开展总体总装设计,建立了四层协同设计模型,制定了机械总体模型体系,建立了机械总体协同设计流程,首次实现了载人航天器总体和各分系统、制造厂、总装厂间的全三维协同设计,摸索实践了机械总体全三维设计、制造、总装的研制模式。

货运飞船全三维数字化设计的愿景是“准确、高效、规范、可控”。为了这个目标,贾东永团队把研制过程细分为:需求的提出、设计的输入、方案的设计、详细设计、制造、总装和试验测试七个部分,“需求与设计输入管理”、“设计状态管理”、“制造状态管理”、“AIT现场状态管理”四个板块,致力于把三维数字化模型作为传递设计信息、分析信息、工艺信息和AIT数据包的唯一载体,以实现产品设计、工艺设计、总装设计的集成化和设计过程的可视化。

收累累硕果

    主要负责产品运输、检漏和货运保障的郭军辉能如数家珍地说出天舟一号上有多少种直属件,多少根管路,多少根电缆。整个货物舱的187根电缆设计全部出自他之手。在提起天舟一号全三维数字化设计的优越性时,他无不自豪地介绍道。

以构型布局设计为例,传统模式中,设计人员在二维图纸中进行设备布局、调整、送审,货船单舱段的设备布局需要30人天;而采用全三维数字化设计后,只需要15人天,工作效率提高了约50%。货船的管路系统、电缆网、直属件和总装设计采取三维设计后,工作效率提高了约50%,整船的总装详细设计研制周期缩短约45%。

此外,贾东永团队在五院内首次提出并实现三维模型附加数据信息直接下厂的工作模式,首次实现了三维模型有效受控管理,实现了跨域单位的三维下厂和三维总装,直属件55类150件、管路组件93组全部三维下厂、三维总装,通过采取新模式后,直属件和管路的下厂研制周期缩短约58%,并为货船总装工作节省了35-45天的时间,一次性直接安装到位率达100%。

结合货运飞船数字化设计的实践,贾东永、郭军辉、韩彬三人组牵头制定了规范体系,形成包括总体、结构、热控、单机、信息传递、质量控制等50多份设计规范,作为未来空间站工程全三维协同设计的共同标准规范。当然,天舟一号作为先行型号率先适用这些规范。

货运飞船系统建立的基于全三维模型的协同设计模式显著提高了设计效率和设计质量、缩短了设计周期、降低了设计成本,已经在空间站工程等航天器研制上获得推广应用,为数字空间站建设奠定了坚实基础。

恰同学少年

过去6年,贾东永只干了一件事,那就是货运飞船的总体总装。这位来自北京理工大学的仿生技术博士,在型号任务必须万无一失的压力之下,坚持将新技术、新手段应用到研制过程中,一坚持就是6年。

作为载人航天器的设计师,贾东永的过去6年是耐得住寂寞的6年。他制定的货运飞船货运保障方案,解决了货运飞船对运输货物多样性、不确定性、非线性的适应问题,他完成了天舟一号构型布局方案的设计,完成了天舟一号货物舱的总装工作,并全面负责货运飞船的全三维数字化设计工作。

负责货运总装设计、精度测量工作的副主任设计师韩彬,有着神舟八号的相关研制经验,在货运飞船的研制工作中提出了“敏捷工装”概念,设计了14套敏捷工装,提高了总装过程的安全性和高效性;他设计的模块化精度测量方案、制定的19项精测验证试验,获取了300多组精测实测数据,解决了货运飞船大承载、舱体质心变化大、地面工装干扰、载荷不确定等因素带来的精度变化问题,他制定的精测、检漏技术标准已成为货运飞船系统的标准规范。

三人里最年轻的郭军辉也最活泼,参加了2014年货运飞船在海南文昌基地的合练,经历了当时载人航天器首次海上运输的历练,积累了货运飞船海运经验。在这次天舟一号抵达海南前,郭军辉提前来到了文昌发射场,与各大系统协调接口,保障了天舟一号的顺利进场。未来我国空间站的建设中,因为空间站庞大的身躯,需要通过海运才能从北至南抵达文昌发射场,这两次货运飞船的海运,为后续载人航天器的海运积累了宝贵的经验。

三个80后爱运动,爱相互开玩笑,用乐观和热情相互感染,为着同一个目标共同前进。后续,他们将把三维数字化研制模式推广到所有分系统、所有载人型号中,在载人航天器的数字化之路上,一路向前。

(责编:赵英梓、林露)

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