飞行器总体设计APP

一、项目背景

  飞行器总体设计是一项“高精尖”的复杂系统工程，包括总体、分系统和部件多个层次，涉及到气动、结构、控制、经济性等多个学科，需要根据各系统、各学科之间相互联系、相互制约的关系，进行大量的方案对比，进行多轮从简至繁的设计循环，最终完成设计过程。飞行器总体设计是飞行器系统研制和应用的“龙头”，飞行器总体设计水平不仅决定了飞行器系统的整体性能，而且决定了其费效比，是飞行器研制最为基础、也最为重要的关键技术。

       目前我们的设计方式还是离散的、孤立的、不系统的，设计过程不规范，工具软件没有集成，数据流没有打通，而且没有设计规则和方法库引导各个设计环节的工作，造成设计过程的人工重复性劳动较多，设计过程效率低，设计周期长，费用高，质量却不高，非常不适应当前任务量密集、研制进度紧迫的任务要求。

图 1 对应用需求的理解以及集成设计平台价值预估

  通过飞行器总体设计平台的建立，可以缩短飞行器总体设计的周期，降低设计的复杂程度，提高飞行器的设计效率和质量。在确保数据完整的情况下，避免数据的重复，节省系统资源，实现有效的数据管理，使设计工具和设计技术灵活地适应产品研制的不同变化，为设计人员提供方便的设计工具，从而加快新产品的研发速度，提高产品品质，获取产品的竞争优势。

该系统具有如下优点：

Ø  采用高度集成化的设计工具，实现工作效率的提高；

Ø  规范设计流程，提高设计能力；

Ø  集成现有分析软件和工具，实现资源共享；

Ø  实现初步设计到详细设计的数据无缝过渡；

Ø  采用数据中心，加强了设计过程与数据、功能模块与数据之间的关联性和统一性，打通各专业与数据资源中心的数据关联。

图 2制导飞行器APP

二、技术架构

1. 场景特征

飞行器总体设计APP，紧密围绕总体快速设计的研制主线，集成指标输入设计，飞行剖面辅助设计、总体参数辅助设计、气动外形辅助设计、气动特性快速估算辅助设计、方案弹道设计、发动机辅助设计等六个专业设计模块，并增加数据中心，打通各专业与数据资源中心的数据关联，有效解决分布式异构数据的存储、管理与检索，实现设计过程中的数据共享。

图 3飞行器集成设计平台体系架构

  基于“平台+APP”模式和工程中间件思想的统一基础平台，在统一IT架构下在总体、气动、结构、强度等飞行器研发学科领域进行信息化专业系统技术研究和应用推进，面向业务需求，开发通用业务组件和共性功能模块，与各类专业研究与设计、仿真分析、数据管理和项目管理系统集成，构建支持产品快速设计迭代、综合集成的、具备自主知识产权的各个专业应用系统，促进研发中心集成化、数字化、协同化的研发体系的形成。

2 模式路径

SYSWARE平台目前已集成成300多个工业软件商业版本，同时可以将工业设备数据、工业基础知识数据以及第三方服务商和供应商接入到平台，即SYSWARE平台是一个工业资源汇聚的平台，平台对汇聚的资源具有管理和优化的功能，并在此基础上不断形成新的技术APP，去支持工业中的研发设计和生产制造，进而服务于具体的工业业务需求，从而实现工业数字化，智能化。

图 4 SYSWARE模式路径图

3 技术架构

飞行器总体设计APP技术架构，主要由数据层、工具层、平台层、应用层等组成，其体系架构如图5所示。

Ø  数据层，管理和存储飞行器集成设计过程中各模块产生的输入、输出数据，为飞行器集成设计的技术状态确定和工程研制提供了数据基础；

Ø  工具层，依托SYSWARE工具层，提供飞行器集成设计过程中涉及的各类商用和自研软件API接口，供集成设计平台调用，主要包括Matlab、C/C++、ProE、UG、Ansys、Fluent等；

Ø   平台层，SYSWARE平台层是飞行器集成设计软件的核心，可以保证各个阶段、各个专业模型之间的紧密关联，实现多学科关联设计和优化，使飞行器集成设计系统继承了平台良好的交互性、开放性、兼容性、可拓展性；

Ø 应用层，结合飞行器总体设计的实际研制流程，在SYSWARE平台上完成工具软件封装，并将总体方案快速设计涉及的专业设计和分析工具进行集成，集成封装组件和可视化控件，辅助飞行器总体设计人员完成飞行器总体设计，快速形成初步的总体设计方案。

图 5飞行器集成设计平台体系架构

三、解决方案应用情况

1. 解决方案

  飞行器总体设计APP的主要设计思路，集成飞行器总体设计过程中涉及的相关算法、经验公式以及商业软件工具，完成专业设计工具APP的封装。围绕总体快速设计研制流程为研制主线，根据总体快速设计研制流程，以战标输入开始，完成战技指标输入及飞行剖面辅助设计模块、总体参数辅助设计模块、气动外形设计辅助设计模块、气动特性快速估算辅助设计模块、方案弹道设计模块、发动机辅助设计模块等六模块的控制流和数据流连接，并增加数据中心，打通各专业与数据资源中心的数据关联，有效解决分布式异构数据的存储、管理与检索，实现设计过程中的数据共享。

1)        数据中心

  飞行器总体设计过程中，各个功能模块之间会产生设计数据、仿真数据、方案数据以及技术指标等大量数据交互，各个功能模块之间数据自动交互。

图 6数据中心功能结构示意图

  与传统采用PDM、TDM和SDM系统完成数据管理相比，本平台采用的数据中心加强了设计过程与数据、功能模块与数据之间的关联性和统一性，打通各专业与数据资源中心的数据关联，有效解决了分布式异构数据的存储、管理与检索，实现设计过程中的数据共享。

图 7数据中心可视化展示

2)        指标输入

指标是开展飞行器总体快速设计的依据，指标确定了飞行器射程、精度、系统可靠性等关键指标，协同设计平台首先自动将指标相关参数进行结构化处理，并自动导入。根据指标输入，开展飞行剖面设计，平台根据工程经验给出初步设计参数，并完成助推段航程、滑翔航程以及下压段航程等飞行剖面初步划分。

图 8指标输入模块功能

图 9总体参数设计模块功能

3)        气动外形设计

气动外形设计，是飞行器总体设计中的重要组成部分，也是评定方案设计优劣的一个重要方面。气动外形设计模块，封装了气动外形工程设计方法，根据飞行性能指标要求以及已确定的飞行剖面设计结果，完成卡门头部外形、身部长径比、飞行器全长、翼展等气动特征参数设计，气动、控制、稳定等特性。理论外形确定后，系统可驱动平台所封装的三维CAD软件完成飞行器气动外形参数化建模（本案例封装Pro/e)。

图 10气动外形设计模块功能

4)        气动特性估算

气动特性估算专业模块，根据气动外形设计模块确定的飞行器气动外形，完成气动数据计算以及气动特性分析。

图 11气动特性估算模块功能

模块集成了工程计算程序，可用于飞行器概念设计阶段的气动特性初步估算或是用于对试验、计算结果的参照和比对。模块作为专业组件，可以与其他飞行器设计模块进行组合和关联，实现数据的自动获取、求解和反馈。

图 12气动特性曲线展示

5)        动力系统

动力系统模块，主要用于完成飞行器助推段火箭发动机的辅助设计，集成了初始技术指标、推进剂选择、壳体设计、药型、喷管设计、校核、发动机内弹道计算等功能，可以覆盖固体发动机全设计过程，模块内部集成算法为工程部门实际采用的主流设计方法和经验公式。

图 13动力系统辅助设计模块功能演示

图 14发动机内弹道性能数据展示

6)        飞行方案设计

飞行方案设计模块，主要用于完成飞行器飞行方案的辅助设计，集成了气动数据导入、初始状态设置、动力系统设置、飞行指令设置等功能，可覆盖飞行方案设计全剖面，模块内部集成的运动学、动力学模型以及龙格库塔积分方法已经经过实际型号研制部门验证，飞行方案计算精度可满足飞行器概要设计阶段工程部门研制需求。

图 15飞行方案辅助设计模块功能演示

2. 项目亮点

（1）实现模块化智能设计

通过APP实现数据接口的标准化，并可运用组件“搭积木”式地进行设计、建模、仿真、分析和优化，实现设计灵活性和重用性。通过定义各个APP之间的数据流和控制流，逐步形成统一关联模型，实现设计方案关联更改，提高设计循环效率，进一步实现多学科优化。

（2）实现资源的集成、共享和挖掘

传统设计过程的设计结果严重依赖个人经验和水平，需要大量的手工操作。将设计过程所需的基本规范、资源、规则和方法封装为模板后，在后台驱动各种软件完成建模、计算、分析、数据处理等软件操作过程，减少繁琐的手工操作，提高工作效率。通过APP的封装实现知识的积累和重用，降低人员技术门槛。

（3）实现知识驱动的设计

飞行器总体设计系统的各种APP中封装的是开展飞行器总体设计不同环节的设计知识，通过这些组件的人机交互运行，可以驱动平台所封装的工业软件完成飞行器总体设计与建模，实现了知识驱动的设计。

3. 平台价值

（1）智能设计协同设计及流程优化

  通过搭建飞行器系统的总体的学科协同设计系统，实现对于飞行器设计流程的有效管理和控制，预计将产生以下积极的效果：

Ø  建立任务流程一体化、分工明确、协作有序的研制项目管理系统；

Ø  逐级细化、协同编制的WBS分解策略；

Ø  项目管理与流程管理的紧密集成；

Ø  以数据驱动的设计模式提高团队协同能力；

Ø  明确数据流向的任务数据定义及管理机制。

（2）智能设计

  通过搭建飞行器总体设计APP,实现对总体设计过程的有效管理和控制；通过集成化、模块化设计，减少总体设计过程中的人工重复劳动，实现总体方案的快速设计，提高工作效率；通过多方案对比和多学科优化提高总体方案的设计质量；为飞行器系统的设计奠定坚实的数字化支撑环境，缩短飞行器系统的研制周期。预计将产生以下积极的效果：

Ø  建模方式的改进；

Ø  提高数据流处理的效率；

Ø  实现多专业关联设计；

Ø  实现知识管理；

Ø  提高综合设计的效率。

4. 应用成效

  飞行器总体设计APP有效缩短总体方案迭代优化分析周期，提高快速总体方案论证能力，将传统总体方案迭代优化分析周期的30天缩短到18天以内；集成设计平台的专业设计工具集成大大提升了总体方案论证及优化设计的自动化水平，解放了总体设计人员的劳动力，提高了设计质量，减少了人为失误。计算精度误差小于5%，飞行器集成设计平台以伊斯坎德尔为设计原型，形成快速总体设计方案与原型设计方案误差小于3%。

软件平台运行环境需要.NET Framework 4.0和Visual C++2013，模板运行需要Python、Pro/e、Origin和STK等商业软件。