数字孪生赋能火箭研制：自主工业软件助力捷龙三号火箭开发
本文来源：中国火箭
12月9日，中国航天科技集团有限公司所属中国运载火箭技术研究院（以下简称一院）抓总研制、中国长征火箭有限公司（以下简称中国火箭公司）投资、太原卫星发射中心组织实施的捷龙三号运载火箭（简称捷龙三号）在黄海海域成功发射，将14颗卫星准确送入预定轨道，圆满完成首次飞行任务。
作为立足当前与未来卫星发射市场、首型以成本为第一约束条件的商业火箭，捷龙三号首飞成功，吹响了商业航天的新号角。捷龙三号研制成功背后，实现了诸多技术创新。其创新亮点之一，是依托一院自主研发的工业软件，充分运用仿真设计与试验技术，以“半造半算”的新模式打造了捷龙三号火箭，创新性地利用数字孪生赋能火箭研制。
作为我国起飞规模最大的固体运载火箭，捷龙三号从立项研制到成功首飞用时仅20个月。按照传统火箭研制经验，新型火箭研制，经费及人力资源等消耗极高，研制周期长，依赖多项大型地面试验。捷龙三号要满足“高性价比、高可靠、快履约、快发射”的刚性商业化要求，必须突破传统思路，模式创新，提升效率。“生而创新”，正是捷龙三号的命格。捷龙三号项目最大的突破之一，便是走出了一条大量应用自主可控工业软件，设计、仿真与有限地面试验相结合的路子，创造了利用数字孪生赋能火箭研制的全新模式。数字孪生是充分利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据，集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程，在虚拟空间中完成映射，从而反映相对应的实体装备的全生命周期过程。数字孪生是一种超越现实的概念，可以被视为一个或多个重要的、彼此依赖的装备系统的数字映射系统。
其中，数字化仿真已成为工程研制的重要设计手段，是利用系统数学模型在计算机上进行仿真试验的方法。对于精密工程项目，数字化仿真可以起到大幅降低对实体试验依赖、缩短研制周期、高频试验的作用，让工程研制从“先造后试”走向“半造半算”。研制团队正是应用了这种极为前沿的研制思路，解决了成本、效率、品质之间的矛盾，推动项目快速进展，为商业火箭开发树立了标杆。
“一院充分发挥自身优势，积极推进、加强总体在商业火箭研制目标中的关键作用，发挥总体兼顾质量和成本的技术牵引、协调和把控能力；同时逐步实现了由实物试验向仿真与等效试验、仿真试验等多种手段扩展，兼顾试验的完整性、有效性和经济性，由传统的单纯依赖地面试验向统筹仿真设计转变；有力地促进了用数字孪生赋能捷龙三号运载火箭研制的进程。”据总体主任设计师刘佳佳主任介绍。一部十室高波副主任介绍，在传统的运载火箭研制中，从方案研制阶段到工程阶段，再到首次飞行试验，一般需要数年。尤其是工程阶段的大型地面试验周期一般很长，试验产品投产周期至少半年，而后风洞试验、模态试验、静力试验、分离试验等一系列大型地面试验又需至少近一年时间，无法满足捷龙三号20个月的研制周期要求。此外，组织一次大型地面试验对参试产品、试验场地、参试人员、试验安全保障等资源的保障和“综合消耗”也是巨大的，不符合商业火箭研制理念。捷龙三号火箭的立项恰逢一院总体设计部发布“天”系列自主可控工业软件五年发展规划，多款软件已具备参与科研生产的能力。结合捷龙三号火箭特点和航天一院总体设计部在仿真工作、仿真工具开发的技术积累，提出了取消全箭气动试验、全箭模态试验、部分分离试验和部分静力静热试验等传统试验项目，全面应用一院总体设计部自主研发的“天”系列软件开展仿真工作，首次将仿真试验纳入火箭研制工作流程，以更好的满足短周期、少经费研制需求。除了让仿真支撑运载火箭设计与工作统筹，团队也首次确立了“把仿真当成实物试验来对待” 的创新研制路线，对与传统设计存在差异化的、未开展地面试验的项目，加大仿真比重；对成本巨大、无法进行地面试验的项目，用仿真技术管控风险。通过仿真能力的提高，形成局部的循环和闭环。总体主任设计师刘佳佳主任表示，设计、仿真、试验作为项目推进的“三驾马车”，相互支撑，为捷龙三号的研制保驾护航，让捷龙三号接连克服了过度依赖实验场地、投入过大、周期过长等传统火箭研制痛点。让捷龙三号走上“虚实结合”研制之路的，正是一院的“秘密武器”——自主研发的工业软件。工业软件是公认的工业制造的“大脑与神经”，目前80%的工业软件却被国外“卡脖子”。一院总体设计部很早就认识到了工业软件自主可控的重要性和战略意义，经过长期的系统思考、调研和定位论证，先后发布了三维地球仿真软件“天象”、飞行器弹道轨道设计仿真软件“天际”，多物理场耦合仿真软件 “天巽”，多体动力学仿真软件“天行”等近10个自主可控工业软件。此次捷龙三号的研制，“天字号”软件大展神威，如：使用“天巽”软件首次完成 “全数字风洞”试验，用“天际”和“天象”软件设计并优化弹道，以及用“天行”软件保障分离等关键环节的工程实现等等。一部十室高波副主任总结，在捷龙三号的研制过程中，“天”系列软件的作用不仅是用“仿真试验”替代了“实物试验”，还表现出了诸多传统“实物试验”所不及的特殊能力。例如在“大头罩”构型引起的脉动压力和噪声环境技术攻关中，通过大量高保真的湍流仿真分析，证明了传统地面试验中几何缩比等效理论的局限性，同时给出了脉动压力量级和作用范围的天地差异规律。这是以往任何设计手段都无法给出的结论，充分体现了工业软件在未来运载火箭研制中的核心价值和独特的优势。
有了工业软件支撑的仿真技术加持，捷龙三号运载火箭总体地面试验压缩至11项，有效减少产品投产数量，缩短研制周期，节约研制经费投入数千万元。2022年12月9日，在一阵轰鸣之中，捷龙三号冉冉升空，宣告着一款主力商业火箭的研制成功的同时，也宣告着中国火箭公司在商业航天上迈出了至关重要的一步。
捷龙三号运载火箭发射成功
在研制捷龙三号的过程中，“技术是第一生产力”体现得淋漓尽致。工业软件无疑可以直接赋能商业火箭的研发，降低对实体试验和场地资源的依赖；纵然“神器”在手，缺乏技术积累，也只能徒劳试错。一院扎实的技术储备，和应用自主工业软件有的放矢，双管齐下，才能实现“虚实结合”的研发模式创新，降本增效，为今后的商业火箭开发模式沉淀了成功经验。
在捷龙三号研制过程中，团队采用创新的组织形式：有别于传统的多单位、多部门联合研制开发模式，研制创新团队探索的是一条围绕火箭开发全周期、面向商业需求交付进行模式创新的道路。团队创新性地成立了“责任专家组”，形成运载火箭研制专家团队由个人能力保障向组织能力保障转变、由重点节点把关向深度参与把关转变、由提出意见建议向承担设计责任转变的组织特点，充分调动了队员的创造性和主观能动性。从捷龙三号的研制工作中，技术骨干将个人经验结合项目经验，并为火箭研制保驾护航，为火箭的仿真结合试验的创新形式提供了技术支撑，也为商业航天的发展提供了宝贵的经验。类似于大规模应用仿真技术，捷龙三号实现突破还有很多，如中国火箭公司首次实现海上热发射的运载火箭，综合成本为国内最优等。捷龙三号正在见证中国商业航天“国家队”一步步走向成熟商业化，见证着在一代代航天人忘我拼搏下，中国商业航天的崛起之路。
