小记

作者来自马德里理工大学（西班牙）。

本文的目的是介绍马德里波利特海姆大学目前的研究，以提高小型空间发射器在初步概念阶段的设计效率，该研究基于MBSE方法中的一种新方法，该方法引入了高效和快速的模拟，通过寻找设计重量的最佳平衡来降低成本。在过去的十年中，基于模型的系统工程(MBSE)和并行工程(CE)方法和过程的实施提高了卫星设计的效率，减少了设计时间。

卫星的设计是基于子系统的纯粹功能分析分解，而空间发射器则需要更多的物理分析，因为其组件相互依赖的设计影响很大，需要大量的密集模拟和计算能力。这些仿真的计算时间要求使得卫星并行工程方法在空间发射装置设计中的应用效率低下。一种新的MBSE方法引入了高效和快速的模拟，可以填补现有的空白。

过去几年，由于虚拟建模可靠性的提高，系统仿真软件方法在所有工程领域的数量显著增加。它们的主要优势是缩短了开发时间，降低了与硬件错误相关的成本，在模拟世界和现实世界之间建立了桥梁。由于其历史背景，现有的关于模型和仿真 (M&S) 的文献在航天器设计中非常广泛。早期的建模和仿真支持了太空时代的发展，测试是验证空气动力学、控制律和结构设计的主要方法。随着当前计算能力的提高，它们在航天器设计中的应用已经扩展到流体动力学、推进、结构、制导、导航和控制 (GN&C)、飞行物理、飞行轨迹、飞行器分段和有效载荷部署的模拟[12]。然而，关于将所有这些模型和模拟器集成以分析总体发射器设计和初步开发阶段的交易的 M&S 文献几乎不存在。我们可以找到与将专门为卫星设计开发的 MBSE 方法和并行工程流程应用于航天发射器设计所面临的困难相关的文献，以及有关 NASA 和 ESA 现有模拟器的描述。这两个航天机构的模拟器都是多体软件，这意味着创建不同的互连软件块来模拟不同的动态，但由于其不同的计算目标，它们之间存在非常有趣的差异。

美国宇航局的模拟器[13]由马歇尔太空飞行中心 (MSFC) 的先进概念办公室 (ACO) 建造，由一套自动化的三套工具组成，分别为用于系统重量和尺寸的 INTROS（综合火箭尺寸）、用于结构设计的 LVA（运载火箭分析）和 POST II（模拟轨迹优化程序）。该模拟器提供实验设计 (DOE) 功能，可创建替代模型来分析参数敏感性，确定特定任务的关注领域 [14]。
ESA 的模拟器[15]，DCAP（动态和控制分析包），由结构和机制部门开发。它是一套计算机程序软件，提供建模、模拟和分析动态和控制性能的能力，并与其他专业软件（如 NASTRAN、CATIA、MATLAB/Symulink）链接，可以在单个模拟中详细重现大多数关键子系统和学科，从而促进并行工程流程。
NASA 和 ESA 模拟器均在初步设计阶段使用，并且都具有相似的软件架构，但用途不同。然而，它们似乎都与系统工程流程、要求和系统架构无关。

通过上述分析，我们确定了微型和纳米卫星市场领域的航天发射器最佳概念设计面临的三个主要挑战：

  • 多学科设计优化方法主要侧重于重量优化，建模和成本分析从属于重量或侧重于业务分析。
  • 模型和仿真方法更侧重于重现子系统性能，与定义系统需求和架构的过程无关。
  • MBSE 方法允许通过为每个子系统指定功能并定义功能之间以及系统与环境之间的接口来定义功能架构，但它们没有考虑到航天发射器设计更多地基于物理仿真分析而不是卫星设计中应用的功能分解这一事实。

本研究将回答的主要问题是，是否有可能通过在 MBSE 框架中集成多学科模拟器和成本估算模型来概念性地设计小型竞争性太空发射器，从而在经典系统工程方法中引入广泛的模拟，确定每个子系统定义中的关键设计驱动因素，从而实现其优化，从而减少所需的设计循环数量。

Fig 2. System engineering Wee Diagram

这种方法将用图 2 中的新 Wee 图取代经典 V 形图，其中在分解阶段包括建模和仿真，以确定根据定义的需求驱动设计的关键参数。这些参数将在设计阶段进行交换以找到基于快速设计/制造/测试循环的优化解决方案。在集成阶段，将根据模拟器的预测值对测试结果进行分析，以对其进行验证，然后再进入最终的系统集成和验证阶段。

Fig 3. Space Launcher conceptual design MBSE&S framework

为此，目前正在使用 Python 代码模块开发太空发射器初步设计模拟器工具（RoTMoS - 火箭和弹道模块化模拟器），涵盖初步设计阶段太空发射器设计所涉及的主要学科：发射轨迹、推进、制导、导航和控制 (GN&C)、空气动力学、负载、应力、质量特性和成本。开发此工具的目的是达到一定的保真度，以便设计实验，分析参数对重量和成本结果的敏感性。模拟器模块将通过任务用例（UPM-Sat 程序）集成到 MBSE 工具（Eclipse CapellaTM）中，遵循空间任务分析与设计 (SMED) 方法，以根据模拟器结果构建优化的太空发射器系统架构和功能。MBSE&S 总体框架如图 3 所示。

最后文章总结了自2021年来的相关研究进展。

参考文献
[12]L. B. Rainey. Space Modeling and Simulation: Roles and Applications throughout the System Life Cycle, El Segundo, California The Aerospace Press. AIAA. 2004.
[13]E. Waters, J. Garcia, G. Threet, A. Philips. “NASA Advanced Concepts Office, Earth-to-Orbit Team Design Process and Tools.” AIAA SPACE 2013 Conference and Exposition, American Institute of Aeronautics and Astronautics.
[14]M. R. Zwack, P. D. Dees, J. B. Holt. “Application of Design of Experiments and Surrogate Modeling within the NASA Advanced Concepts Office, Earth-to-Orbit Design Process.” AIAA Space 2016, American Institute of Aeronautics and Astronautics. 2016.
[15]G. Baldesi, M. Toso. “European Space Agency’s Launcher Multibody Dynamics Simulator used for System and Subsystem Level Analyses.” CEAS Space Journal, 3(1), 27-48. 2012.