基于MBSE的运载火箭动力系统关键子系统设计_肖进.pdf

2023年第1期 导 弹 与 航 天 运 载 技 术（中英文）No.1 2023 总第392期 MISSILES AND SPACE VEHICLES Sum No.392 收稿日期：2020-02-14；修回日期：2020-03-30 文章编号：2097-1974(2023)01-0037-06 DOI：10.7654/j.issn.2097-1974.20230108 基于 MBSE 的运载火箭动力系统关键子系统设计 肖 进，周潇雅，李 佳，张 茜，孙树森（北京宇航系统工程研究所，北京，100076）摘要：动力系统是运载火箭提供动力和控制的重要系统。将基于模型的系统工程方法（Model-based Systems Engineering，MBSE）结合动力系统研制流程，能有效地应对运载火箭的复杂性，从而保证系统设计的一致性和完整性。通过基于模型的需求分析、架构设计和仿真验证，完成了补压子系统的设计，实现了基于模型的系统协同设计方法，对提升运载火箭系统设计开发效率等具有重大工程意义。关键词：基于模型的系统工程；运载火箭；动力系统；系统设计 中图分类号：V57 文献标识码：A Propulsion Critical System Design for Launch Vehicle by Model-based Systems Engineering Xiao Jin,Zhuo Xiao-ya,Li Jia,Zhang Qian,Sun Shu-sen(Beijing Institute of Astronautical Systems Engineering,Beijing,100076)Abstract:Propulsion system plays an important role in the provision of power and control for launch vehicle.Applying model-based systems engineering(MBSE)into propulsion system developing process can effectively handle the complexity of launch vehicle,which ensures the consistency and integrity of system design.By establishing models in requirement analysis,design synthesis and simulation verification for pressure compensation system,a collaborative system design method based on MBSE is put forward.Hence this method has great engineering significance for improving system design and development efficiency of launch vehicle.Key words:MBSE;launch vehicle;propulsion system;system design 0 引 言 以运载火箭为代表的航天产品目前主要采用传统的系统工程（Traditional Systems Engineering，TSE）研制模式，基于自然语言并以文本的格式对用户需求、设计方案等进行描述，TSE 为航天产品的发展做出了巨大的贡献，但随着航天产品系统的日益复杂，产生了信息容易产生歧义、有效抽取所需信息困难、验证需求符合性困难以及更改流程复杂耗时等诸多问题，严重影响了航天产品研制的效率和准确性。因此，研究学者开始提出采用基于模型的系统工程（Model-based Systems Engineering，MBSE）进行复杂系统研制，MBSE 是建模方法的形式化应用，以使建模方法支持系统要求、设计、分析、验证和确认等活动，这些活动从概念性设计阶段开始，持续贯穿到设计开发的全生命周期阶段1。通过 MBSE 的基于统一规范的模型和数据交互模式的研究，可以有效地增强不同单位之间模型的对接性和时变性，并保证产品数据的一致性和唯一性。进而有助于提升整体研制能力，节省资源协调的成本，缩短研制周期，降低研制风险和成本2。目前，NASA、DARPA、Boeing、Lockheed Martin、ESA 等国外航空航天机构及企业对 MBSE 开展了较为深入的研究和应用，中国的中航工业、浙江大学等企业和高校等也率先对 MBSE 开展了初步应用3。从国内外研究和应用经验来看，基于模型的系统工程对于需求多变、系统构成复杂的大型项目具有明显优势，是未来工业发展的重要方向。但是，由于运载火箭系统更为复杂组件更为繁多，目前国内外研究成果鲜见将运载火箭作为研究对象，对于利用 MBSE 方法完成运载火箭相关系统设计的具体应用尚未报道。运载火箭动力系统主要为运载火箭提供推进力和控制力，并且涉及高压用气、低温液体、火工品等危险源，是影响全箭性能、可靠性、安全性的重要分系统之一。其中，补压子系统为动力系统中具有代表性 导 弹 与 航 天 运 载 技 术（中英文）2023年 38 的关键子系统。本文以运载火箭低温动力系统的增压输送系统为例，面向其关键子系统补压子系统，针对火箭飞行过程的贮箱补压场景进行研究，通过需求分析，功能、逻辑、物理架构设计，探索基于模型的正向设计过程，并基于仿真软件 MWorks 对系统设计进行仿真验证，形成“需求-架构-仿真”闭环迭代。1 基于 MBSE 的运载火箭低温动力系统设计思路 结合运载火箭低温动力系统研制流程和 MBSE 设计思想，得到了基于 MBSE 的运载火箭低温动力系统设计“V 型”流程，其具体设计如图 1 所示。图1 基于模型的运载火箭低温动力系统设计流程 Fig.1 Model Based Design Procedure for Launch Vehicle Propulsion System在基于 MBSE 的运载火箭低温动力系统设计“V型”流程图的基础上，可根据基于 MBSE 的系统开发流程，得到基于 MBSE 的运载火箭低温动力系统开发流程，如图 2 所示。图2 基于模型的运载火箭低温动力系统的协同设计方法 Fig.2 Model Based Collaborative System Design Method for Launch Vehicle Propulsion System 根据基于MBSE的运载火箭低温动力系统设计“V型”流程和开发流程，可实现运载火箭低温动力系统基于模型的设计，研究“需求-系统方案-单机方案”的正向设计过程。根据 MBSE 设计方法，利用系统建模语言来描述系统模型，作为系统设计开发全过程中首要工件，并对模型进行管理、控制、迭代和完善，主要实施过程分为两个阶段：需求分析和架构设计。本文使用基于 SysML 语言的 MBSE 工具 Rhapsody 进行系统开发。需求分析的目标是通过一系列的活动（主要包括开发系统运行概念、顶层功能分析、定义初步系统需求、建立系统需求和输入需求间追溯矩阵等）得到对系统特征的定义，将用户需求转化为系统要求。系统特征描述了系统如何运行以及相应的运行环境及约束，实现了“问题域”到“方案域”的视角转变。架构设计是将系统需求转化为系统解决方案的过 肖 进等 基于MBSE的运载火箭动力系统关键子系统设计 39第1期 程，即从问题域向解决域的过渡，主要包括功能分析和设计综合两部分。功能分析的目的是将需求分析阶段获得的用例模型，翻译成系统功能的清晰描述，并用来指导后续的设计集成与综合，形成具备一定功能和可执行的功能分析模型（也被称为“黑盒”用例模型）。功能分析可通过反映系统工作流的活动图、反映运行时序的顺序图和反映系统行为状态的状态图来展现，从而描述系统功能和功能之间相互关系。设计综合的目标是整合功能分析阶段的模型元素，并设计系统架构，生成系统架构的备选方案，选择出满足系统需求的一个或多个备选方案，并以一系列一致的视角对备选方案进行表达。架构设计阶段的重点是将功能分析阶段的“黑盒”用例模型逐步细化，最终展开为“白盒”模型4。通过基于模型的架构设计实现产品形态从功能-逻辑-物理的逐步演变，支持产品设计从问题域-解决方案域-专业工程领域的实现。2 运载火箭补压子系统设计示例 以运载火箭低温动力系统中增压输送系统的关键子系统补压子系统为例，针对火箭飞行过程的贮箱补压场景，结合运载火箭补压子系统的任务书、研制要求等源文件，首先开展需求分析，通过系统运行概念开发和顶层功能分析，建立需求模型和系统用例模型，接着完成架构设计，通过建模工具转化用例模型，得到活动图、顺序图和状态图，并将功能分配到系统架构中，并形成子系统模型和接口。最终研究得到运载火箭补压子系统“需求-系统方案-单机方案”的正向设计过程，并打通与MWorks的接口实现仿真验证。2.1 需求分析 需求分析的主要工作就是通过对项目利益攸关者分析、需求的捕获与分析，梳理出项目的顶层系统需求，并将系统需求根据不同的功能架构逐级准确、清晰、无歧义、可追溯地传递和物理实现5。根据 MBSE方法，将需求以用例的形式进行展现，并逐个对用例进行设计，当需求发生改变时，设计人员能够快速追溯并修改与此需求相关的功能系统和交互接口6。根据运载火箭低温动力系统的补压子系统的研制过程中各阶段任务书、研制要求、标准规范进行需求捕获建立补压子系统条目化需求库（如表 1 所示），并通过需求梳理，针对火箭飞行过程的贮箱补压场景，使用Rhapsody开发系统需求运行概念并进行顶层功能分析，补压子系统涉及的外部参与者（即与系统有直接交互的外部系统和使用者）较多，包括：控制系统、测量系统、氧箱和氢箱，补压子系统系统用例为贮箱补压，绘制的用例图如图 3 所示，后续基于用例进行详细的系统设计。表1 补压子系统需求库 Tab.1 Requirement Repository of Pressure Compensation System 标识标签规范PSR-1 PSR-1-概述 概述PSR-10 PSR-10-动力系统总体输入需求 动力系统总体输入需求PSR-11 PSR-11-总体参数 总体参数 图3 补压子系统用例 Fig.3 Pressure Compensation System Use Case 2.2 架构设计 2.2.1 功能分析 基于需求分析用例图的划分，分析补压子系统的运行场景，根据各个用例，分别针对每一个利益相关者进行了分析，搭建活动图、顺序图和状态图，细化系统的运行状态，完成对补压子系统需求的准确捕获并确认。以贮箱补压场景补压过程为例，补压子系统在补压过程使用的主要功能包括氧箱补压和氢箱补压，补压过程活动如图 4 所示，当补压子系统接收到控制系统的“开启氧箱指令”，并且供气气体存储量大于一定量时，补压子系统启动氧箱供气，将补压气体输送到氧箱，当补压子系统接收到“停止氧箱补压指令”或者供气气体耗尽时，补压子系统关闭氧箱供气。氢箱补压过程类似氧箱补压。图 5 为描述贮箱补压过程的顺序图。导 弹 与 航 天 运 载 技 术（中英文）2023年 40 图4 运载火箭补压子系统补压过程活动 Fig.4 Pressure Compensation System Compensation Case Activity Diagram 图5 运载火箭补压子系统补压过程顺序 Fig.5 Pressure Compensation System Compensation Case Sequence 类似地，还可以得到贮箱补压场景测量过程的活动图、顺序图。经过架构设计的功能分析阶段，传统运载火箭补压子系统的任务书、研制要求等文件在本阶段由模型替代，并在层次性、完整性、准确性上得到了极大的增强，显著的提高了系