固体动力装置智能化产品设计需求分析

7.2.1.1　固体动力装置设计过程及其特点

固体动力装置是指固体火箭动力系统的动力装置,主要用于拦截大气层内及大气层外高超声速机动目标。固体动力装置的设计,是在相关技术指标要求下,开展一系列专业设计和分析计算,通过不断迭代得到总体方案的初始模型;然后,通过系统优化实现设计参数优选;最终,得到符合相关技术要求的设计方案。其总体设计流程如图7.27所示。

图7.27　总体设计流程

固体动力装置在稀薄大气层和大气层外高速飞行,速度快,机动能力强,采用固体动力姿轨控直接力/气动力复合控制、低速比拦截等技术实现对大气层内及大气层外高超声速机动目标的拦截。结合固体动力装置设计特点以及现有设计情况,总结并归纳了目前固体动力装置设计过程中存在的问题,具体如下。

(1)固体动力装置飞行空域跨度大,气动外形设计难度大、周期长。

固体动力装置飞行空域跨度大,并且不同的空域对装置气动特性呈现不同的影响规律;固体动力装置飞行速度从超声速到高超声速,飞行速度范围跨度大;装置运行工况多、干扰复杂。基于固体动力装置具有飞行空域跨度大、飞行速域范围宽以及控制方式多样等特点,在设计时需要针对不同流层、不同速域采用不同的计算方法和计算模型。采用传统的装置气动外形设计流程,计算工作量大,计算周期长,对已有的设计成果难以继承,设计经验没有得到有效借鉴。所以需要引入新的设计方法,在充分继承已有设计成果和设计经验的基础上,快速对固体动力装置外形进行优化设计,并实现对固体动力装置气动特性的快速精确预测。

(2)固体动力装置精度要求高,控制系统设计复杂,传统设计方法导致设计周期呈指数级增长。

由于传统装置控制系统设计方法存在重复调参、迭代次数多的缺陷,将其直接应用于控制系统设计时,控制系统的设计变得异常复杂,难以满足装置快速设计及快速评估验证的要求。因此,有必要将控制系统的设计、分析过程中涉及的规则和方法定义为一系列单元化操作,并通过知识组件将这些单元化的操作组织起来,开展对设计知识和经验的封装研究,从而实现基于知识组件驱动的控制系统设计,提高设计效率,缩短设计周期。

(3)固体动力装置技术指标要求高、工作环境恶劣,设计难度大。

为拦截大气层内外高超声速机动目标,固体姿轨控发动机需要提高比冲以减少装药量,并采用高洁净度的发动机出口燃气以使推力调节装置稳定工作,满足跨范围、高精确度推力精确调节的要求;同时,燃气流量大、温度高、压强高,工作环境恶劣;另外,姿轨控推力工况形式多样,各工况之间的指标确定难度大,工作工况非常复杂,对姿轨控推力调节装置的结构形式和密封性能提出较高要求。因为固体动力姿轨控推力调节装置的设计需要花费大量的人力、物力、时间,并且已有知识案例的重用性低,难以适应姿轨控发动机推力调节装置的设计,所以需要进行推力调节装置知识库和设计方法的研究,并且研究推力调节装置知识库构建和应用技术,获取有用知识,用于快速进行固体动力姿轨控推力调节装置优化设计。(www.xing528.com)

7.2.1.2　固体动力装置智能化产品设计需求

固体动力装置对气动、制导控制、推力调节装置等方面均提出了新的要求,需要多领域设计知识的获取和融合、智能化的协同设计平台,以完成先进固体动力装置快速设计与各种复杂情况的快速仿真与优化。知识工程是面向现代设计要求而产生的一种新兴方法,通过将人工智能技术和计算机辅助设计技术进行融合,实现基于计算机的自动化设计功能。知识工程在设计领域应用的目标是实现产品设计知识继承、管理、重用以及创新,其意义在于借助知识科学地指导设计过程,通过减少设计过程中的重复性工作,提升设计效率、缩短设计周期。

由于固体动力装置设计过程的反复性、知识密集性、不确定性和规律性并存以及设计周期长的特点,对知识工程技术的迫切需求包括:

(1)由于固体动力装置设计过程知识密集的特点,大量过往的设计文档知识处于一个“存在但未被有效利用”的情况,所以迫切需要知识工程的技术对这些设计知识,也就是固体动力装置设计过程中产生的结果数据和过程数据进行处理,以实现对于知识的重用;

(2)不确定性和规律性并存的特点一方面表明可以通过分析获取设计过程中的数据来挖掘潜在的设计规律,另一方面设计的不确定性也意味着对设计知识资源的需求,在知识资源的引导下可以推动产品从不确定到确定的演进过程;

(3)极高的反复性同样意味着对知识资源的需求,因为极高的反复性表示有大量重复性的设计工作需要开展,设计流程的固化能够大幅减少重复设计工作,提升产品设计的效率。

因此,针对上述设计难点和固体动力装置设计需求,在固体动力装置总体设计中引入知识工程的设计方法,建立基于知识工程的固体动力装置设计工具集,可为固体动力装置总体设计和关键技术突破提供设计平台基础,主要体现在:

(1)利用以往气动外形设计过程中产生的外形参数和对应气动特性数据、喷流状态参数和对应的气动干扰量,建立固体动力装置气动性能映射规律知识库,通过分析气动特性、喷流状态参数与喷流干扰特性以及外形参数与喷流干扰特性之间的映射规律,为新设计要求提供决策支持。

(2)利用知识工程的过程组件化驱动技术融合制导控制系统设计过程及其相关知识,建立常用制导控制系统设计方法知识组件和流程模板,实现半自动化的制导控制系统快速设计,从而缩短设计周期,提升设计效率。

(3)利用知识获取技术积累大量的推力调节装置案例,建立姿轨控推力调节装置案例库,研究案例提取的相似匹配算法,利用案例推理技术实现推力调节装置的设计,以设计人员的设计能力。

因此,迫切需要在固体动力装置设计过程中引入知识工程的设计方法,利用知识工程的知识挖掘、组件化驱动半自动设计、案例推理等技术改善固体动力装置的总体设计水平,提高设计效率,形成固体动力装置智能化产品设计系统,支撑固体动力装置的研制过程。