兩總話天宮丨王翔:以數(shù)字技術(shù)推動(dòng)空間站高質(zhì)高效發(fā)展
中國(guó)空間站是一個(gè)由天和核心艙、問(wèn)天實(shí)驗(yàn)艙、夢(mèng)天實(shí)驗(yàn)艙三艙組成的T字構(gòu)型組合體。據(jù)介紹,這樣一個(gè)近百噸的龐然大物,在設(shè)計(jì)、制造、測(cè)試過(guò)程中,完全是數(shù)字化制造和驗(yàn)證。那么,數(shù)字技術(shù)如何推動(dòng)空間站高質(zhì)量、高效率發(fā)展呢?近日,央視總臺(tái)“新聞直播間·兩總話天宮”欄目采訪了航天科技集團(tuán)五院(以下簡(jiǎn)稱五院)空間站系統(tǒng)總指揮王翔和相關(guān)專家。
空間站投入運(yùn)營(yíng)以后,每年還要發(fā)射兩艘神舟飛船,天地往返接送航天員。五院529廠的廠房里,神舟飛船的結(jié)構(gòu)正在生產(chǎn)中。529廠數(shù)字化與智能制造技術(shù)總師林曉青介紹,現(xiàn)在所有載人航天工程都是以三維數(shù)控程序來(lái)驅(qū)動(dòng)整個(gè)數(shù)控設(shè)備,最后完成整個(gè)的加工。
所謂的全三維的驅(qū)動(dòng)是一個(gè)模型能承載設(shè)計(jì)信息、制造信息和檢驗(yàn)信息,最后傳遞到總裝,還能承載裝配信息。一個(gè)模型是一個(gè)統(tǒng)一數(shù)據(jù)源。這個(gè)數(shù)據(jù)包是實(shí)時(shí)生成的,可以往回追溯,“任何一道工序,任何工人的每一步操作,它都有記錄,所有數(shù)據(jù)都在?!绷謺郧嗾f(shuō)。
用數(shù)據(jù)來(lái)為空間站的研制歷程建立檔案,源于空間站工程起步階段的科學(xué)規(guī)劃。中國(guó)空間站的數(shù)字化始于2012年。那時(shí),空間站剛進(jìn)入初樣設(shè)計(jì)階段。
空間站系統(tǒng)復(fù)雜度高,涉及到能源、環(huán)境、控制、信息、推進(jìn)等多學(xué)科、多系統(tǒng)。它的復(fù)雜還在于,一個(gè)專業(yè)設(shè)計(jì)如果發(fā)生了調(diào)整變化,會(huì)帶來(lái)一系列的對(duì)周邊系統(tǒng)的影響。五院空間站系統(tǒng)總指揮王翔舉了一個(gè)簡(jiǎn)單的例子:“比如說(shuō)空間站最終在天上組裝建造完成,有一個(gè)很重要的動(dòng)作就是要轉(zhuǎn)位。整個(gè)空間站幾個(gè)艙的動(dòng)力學(xué)模型分別出自不同的單位,我們有負(fù)責(zé)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的單位,有負(fù)責(zé)大帆板研制的單位。那么轉(zhuǎn)位又要用轉(zhuǎn)位臂進(jìn)行平面轉(zhuǎn)位的操作。在轉(zhuǎn)位的過(guò)程中姿態(tài)變了,帆板受太陽(yáng)的照射就變了,可能發(fā)電的性能和最后的供電的輸出就全變了?!?/p>
因?yàn)楦飨到y(tǒng)間的相互影響,總體部門很難控制。如果還采取過(guò)去各自做專業(yè)設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)完了再集成反饋的流程,周期很長(zhǎng)。另一方面,空間站從設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、總裝、測(cè)試、運(yùn)行,研制流程貫穿了十多年。因此,傳統(tǒng)研制模式已經(jīng)不能適應(yīng)航天科技集團(tuán)提出的高質(zhì)量、高效率、高效益發(fā)展要求,必須采用全面數(shù)字化技術(shù)創(chuàng)新研制和運(yùn)行模式??臻g站從設(shè)計(jì)之初,就建立了一套數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)的平臺(tái)。
“在這個(gè)平臺(tái)上,相關(guān)的各自的專業(yè)模型可以集成到一起,在這個(gè)環(huán)境下就可以進(jìn)行多學(xué)科的綜合的仿真,在仿真的過(guò)程中,剛才提到的這些效應(yīng)和影響,都可以在中間反映和表現(xiàn)出來(lái)。如果這個(gè)時(shí)候需要做修正,比如說(shuō)控制系統(tǒng)要對(duì)算法做修正,或者說(shuō)不同的控制方式,測(cè)控是什么樣的一個(gè)條件等等,都可以在集成環(huán)境下進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證?!蓖跸枵f(shuō)。
在529廠,生產(chǎn)方式已經(jīng)從紙質(zhì)圖紙變?yōu)槿S模型,從表格化工藝變?yōu)榻Y(jié)構(gòu)化工藝。林曉青介紹,以前,像空間站的大型密封艙結(jié)構(gòu),如果按照?qǐng)D紙制造,需要工藝和操作人員逐步理解、反復(fù)迭代;有了三維模型以后,產(chǎn)品更直觀,復(fù)雜結(jié)構(gòu)產(chǎn)品用圖紙不好表現(xiàn)的,以三維模型的方式展現(xiàn)就一目了然,工藝準(zhǔn)備、數(shù)控編程的效率大幅提高,研制效率提升了50%以上。同時(shí),三維模型也統(tǒng)一了研制過(guò)程的數(shù)據(jù)來(lái)源,有助于控制好產(chǎn)品質(zhì)量。
通過(guò)打通研制過(guò)程全周期、全三維的模型數(shù)字化流程,五院開辟了新型數(shù)字化研制模式,數(shù)字化技術(shù)提升了研制效率和質(zhì)量,使中國(guó)空間站的研制周期縮短了30%。王翔表示,上下游的這些不同的部門都在這個(gè)體系下,通過(guò)數(shù)字模型聯(lián)系在一起。通過(guò)這種聯(lián)系,他們可以形成及時(shí)的反饋,也可以保證整個(gè)傳遞轉(zhuǎn)換的過(guò)程,這個(gè)信息是不失真的,是真實(shí)的、準(zhǔn)確的、快速的。這樣一來(lái),一方面效率提高了,減少了很多人工的工作量,另一方面也提高了質(zhì)量,通過(guò)技術(shù)手段更是有效地避免了一些人為的出錯(cuò)的可能性。
如今,數(shù)字空間站、地面這個(gè)與“天宮”等比例的空間站和太空中實(shí)際運(yùn)行的空間站一起,共同形成了“天、地、數(shù)字”三站協(xié)同的新型運(yùn)行模式。地面的等比例空間站用于軟件升級(jí)驗(yàn)證和在軌航天員復(fù)雜操作地面驗(yàn)證;數(shù)字空間站用于任務(wù)飛行方案的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證,以及在軌狀態(tài)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)控。通過(guò)數(shù)字空間站,用飛行數(shù)據(jù)開展在軌狀態(tài)預(yù)測(cè)、趨勢(shì)評(píng)估,以扎實(shí)的基礎(chǔ)能力做到給太空中正在運(yùn)行的空間站一路護(hù)航。
“我們可以預(yù)設(shè)一些故障來(lái)檢驗(yàn)故障預(yù)案,或者說(shuō)我們根據(jù)天上的數(shù)據(jù),利用這套模型來(lái)進(jìn)行一些預(yù)示仿真,對(duì)健康狀況進(jìn)行一些評(píng)估預(yù)示等等,這個(gè)數(shù)字空間站現(xiàn)在已經(jīng)成為一個(gè)保障支持空間站在天上安全運(yùn)行非常有效的工具了。”王翔說(shuō)。