宇航火箭发动机自顶向下的并行设计 - 文章

宇航火箭发动机自顶向下的并行设计

作者：中国航天科工集团第六研究院41所李凯

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摘要：本文讲述了使用PTC公司的Pro/ENGINEER 2001、Pro/INTRALINK软件，采用自顶向下的并行设计完成了某航天运载器的宇航火箭发动机设计的过程，并介绍了这种设计方法的步骤和优点。
关键词：设计方法设计步骤优势

1 前言

中国航天科工集团第六研究院，是中国第一个固体火箭发动机研制生产基地。30多年来，中国航天科工集团第六研究院共获得近300项国家级和部委级科技成果奖。研制出一批优质的航天产品：我国第一颗人造地球卫星——“东方红一号”使用的运载火箭中的第三级固体发动机就是由该研究院设计；六院研制的上面级发动机——EPKM，1995年两度参与发射卫星，准确地将亚洲二号卫星、艾科斯达一号卫星送入预定轨道；六院研制的铱星变轨发动机，连续7次发射成功，将美国摩托罗拉公司的12颗卫星准确释放在预定轨道。

该宇航火箭发动机为某航天运载器的小型推力火箭发动机，其结构新颖，技术先进。但要求的设计周期只有两周多的时间，时间非常紧迫，如果仍然采用原来的自下向上的二维设计方法，则不可能按时完成设计，必将对某航天运载器的发射造成不良影响。为了满足该宇航火箭发动机的设计要求，我们采用了一种新的设计方法：使用PTC公司的Pro/ENGINEER 2001、Pro/INTRALINK软件，采用自顶向下的并行设计在规定的设计周期内高质量的完成了该宇航火箭发动机的设计，取得了良好的效益。下面，将详细介绍使用PTC公司的Pro/ENGINEER 2001及Pro/INTRALINK软件圆满完成该项目的方法、步骤及优点。

2 设计方法及步骤

使用Pro/ENGINEER 2001、Pro/INTRALINK软件完成了某宇航火箭发动机自顶向下的并行设计，大大提高设计效率及设计质量。其方法及步骤如下。

2.1 确定设计师系统及产品逻辑结构层次

在Pro/INTRALINK中根据设计目的确定产品的逻辑结构层次，形成产品树。并按照设计师系统分别设定设计师的权限。如图1所示。

图1 产品逻辑结构及相关设计师

2.2 总体设计师确定产品组成、布局和关键尺寸

发动机总体设计师根据某航天运载器的总体要求、发动机性能设计要求，按优化设计原则，确定了发动机的组成结构、关键尺寸以及各分系统接口尺寸，形成了满足产品功能要求的总体设计方案；然后在此基础上，通过在Pro/ENGINEER的布局（Layout）中，构建发动机草图，将关键尺寸、接口尺寸定义成变量，给定设计约束条件、关键的设计参数等设计信息，以驱动整个产品的设计、修改；将定位基准根据发动机组成结构定义成变量，以确定产品的装配关系；建立表示部件设计的参数表，表中可以包括注释、全局参数、关系和全局位置信息，以及组件、约束条件、需求以及部件必须怎样才能组合在一起的说明，这些表格可以提供处理尺寸和参数化信息的高级方法，同时，它又促进了部件设计。如图2所示。

图2 发动机总体布局

2.3 总体设计师创建发动机的骨架结构

发动机总体设计师在Pro/ENGINEER的骨架零件（Skeleton part）中抽象发动机的真实结构，用线、曲面、基准平面构筑发动机的包络体、接口结构和空间装配位置，然后再加入声明（Declare），使之关联到发动机布局（Layout）中，并增加尺寸关系，以通过发动机布局（Layout）控制实体的关键尺寸、接口结构以及空间结构。如图3所示。

图3 发动机骨架结构

2.4 骨架结构的检入及分发

发动机总体设计师在完成骨架零件（Skeleton part）的设计后，便可自上而下地分解设计目标，将设计信息传递给各分系统具体实施设计，分系统从上级系统获得某些关键尺寸和定位基准，并在上级系统确定的边界内展开产品的整个设计过程，最终完成总体性能最优的设计。由于采用了Pro/INTRALINK软件，总体设计人员、各分系统设计人员便可同时开展设计，并可互相参考设计；首先由发动机总体设计师将骨架零件检入到Pro/INTRALINK的公用区中，此时分系统设计师便可从公用区中将骨架零件检出到自己的工作区中，完成骨架零件的分发，以便下一步开展设计时使用；在Pro/INTRALINK的公用区中，各设计人员均可随时得到最新的设计资料。

2.5 分系统设计师开展自己的设计工作

分系统设计师根据上一级设计师给出的骨架文件在本地具体化后开始设计工作，创建方法有以下三种，可按实际情况选取。方法1是把零件/部件装配在上级装配件中，在装配件中直接利用骨架零件生成实体；方法2是在装配中，建立零件/部件，然后利用复制几何功能复制关键位置、外形，作为生成实体的基础；方法3是简单零件直接构造实体。如图4所示。

图4 发动机骨架结构的分发

2.6 产品的装配

各级设计师依据骨架的信息，自下往上，逐级构造装配件，直至完成最终产品的装配。如图5所示。

图5 发动机装配完成

2.7 生成工程图

各级设计师分别按照标准要求完成工程图，如图6所示。

图6 生成工程图

3 自顶向下的并行设计的优势

利用Pro/ENGINEER、Pro/INTRALINK进行宇航火箭发动机自顶向下的并行设计具有以下优势。

3.1 有效的组织和管理项目

通过Pro/INTRALINK的权限管理建立设计角色，将设计师或设计小组与设计角色挂钩，实现在设计过程中的权限控制，如设计的权限、审批的权限和阅读的权限等，从而使设计者或设计小组在不同的设计阶段，具有不同的权限。

例如，通过设置权限，使分系统设计师无权更改上一级设计师的模型、骨架及布局。这样就避免了分系统设计师直接对于总体关键尺寸、接口尺寸以及分系统设计尺寸的更改，如果需要更改则必须通过上一级设计师才可以更改，从而使上一级设计师对下级设计师的设计变更有清晰的了解，可有效避免不协调现象的发生。

3.2 高效的并行设计

通过使用Pro/INTRALINK，可以进行高效的并行设计，总体设计师/各分系统工程师可同时并行工作，每个人进行的设计均可及时反馈给其他设计师，设计信息可完全的及时共享。保证了共用设计和信息的一致性，可有效地、快速地传递设计变更信息。

3.3 设计人员可集中精力进行设计，无须做数据管理的工作

数据管理的工作完全由Pro/INTRALINK实现，设计师无需考虑数据文件的存储、版本、更新以及变更后通知相关设计师的问题。Pro/INTRALINK是控制数据相关性和变更在所有设计部门间传递的极佳工具。

3.4 可有效提高设计效率

使用PTC公司的Pro/ENGINEER 2001、Pro/INTRALINK软件，采用自顶向下的并行设计方法可以保证产品的关键设计信息始终处于整个设计的核心，而设计过程则是通过捕捉设计核心的信息，并传递到下一级的产品结构中来完成的，从而对这些核心设计信息的修改将自动更新整个产品系统。

总体设计师对于总体结构、尺寸以及分系统接口尺寸的更改能够迅速自顶向下传递到各个分系统并自动更改，相应二维图也会自动更改，分系统设计师无需进行更改工作。并且为发动机的改进设计提供了高效率的工具，总体设计师只需要在布局中对关键尺寸进行更改，相应骨架及零件均可自动更改，二维图也会自动更改，增加了设计方案的灵活性，极大地提高了设计效率。如图7、图8、图9、图10、图11所示。

图7 更改发动机布局

图8 发动机三维模型自动更改

图9 发动机药柱随壳体相应变长

图10 药柱分布按要求变化图

图11 工程图自动改变

3.5 可有效避免人为错误

在设计过程中可有效避免接口不协调、零部件干涉等人为错误；在生成工程图时，可完全避免视图错误和几何画法错误。

3.6 可有效避免重复工作

在Pro/INTRALINK上建立标准件库，设计时只需要插入即可。

由于Pro/INTRALINK提供开放的产品模型信息访问环境，因而在进行设计工作时，对于Pro/INTRALINK中已有的数据均可方便的直接使用或借用，有效避免重复工作，提高设计效率。

4 结论

通过使用Pro/ENGINEER 2001、Pro/INTRALINK软件，并采用自顶向下的并行设计方法，我们圆满完成了某航天运载器的宇航火箭发动机的设计任务，在要求的设计周期内高质量的完成了发动机的设计，保障了某航天运载器的顺利发射。而这些成果的取得，得益于PTC公司的Pro/ENGINEER 2001及Pro/INTRALINK软件的成功运用。在宇航火箭发动机设计工作中采用Pro/ENGINEER 2001、Pro/INTRALINK软件并使用自顶向下的三维并行设计方法，可以使宇航火箭发动机的设计及应用系统化、科学化，可明显提高宇航火箭发动机设计技术水平，提高宇航火箭发动机设计效率及设计质量，缩短设计时间，最终完成总体性能最优的设计，满足现今不断提高的航天飞行器的设计要求。并对我国航天技术的发展，做出新的更大的贡献。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (9/16/2005)


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