作者来自阿拉巴马大学亨茨维尔分校（美国）。

本次阅读关注涉及SysML的部分，不关注增材制造（AM）有关的内容。本文展示了一种分析火箭组件 MCC 表面粗糙度的方法，以及该表面粗糙度如何影响火箭发动机的性能。创建了 MATLAB 子程序来评估损失和性能，并运行在 SysML 中开发的基于模型的框架。然后使用 SSME 数据验证了该模型[30]。

在进行这项研究时，我们更好地了解了使用 AM 升级火箭发动机部件与火箭性能之间的权衡。在此过程中，还展示了基于模型的方法的功能。 在可负担性方面，如果工程师要做出明智的决策，需求可追溯性至关重要。例如，使用此模型的制造工程师可以更好地估计 AM 部件需要多少后处理才能满足性能要求。这可以进一步缩短部件的交付周期，或减轻试验台上的潜在故障，从而减少认证发动机的时间。此外，本文探讨的方面是建立一种全面的以模型为中心的可负担性方法，确保系统整个生命周期阶段的可追溯性和一致性。最后，这将有助于在系统生命周期的早期设想以故障为中心的方面，优化测试-失败-修复周期所花费的时间，实现可负担性。 可负担性和重新认证传统火箭发动机的问题取决于测试-失败-修复周期所花费的时间。 使用 AM 可以缩短重新认证的准备时间，但是实施 AM 而不显著降低性能是一项持续的挑战。可以考虑 AM 来设计新的火箭发动机，但是，RS-25 等传统火箭发动机无法进行大量重新设计以适应 AM 的使用。此外，在进行升级时，预测整个系统的可靠性变化非常重要，这需要采用以模型为中心的方法。这将有助于以整体方式评估设计变更对系统的影响。虽然正在进行研究以建立基于模型的框架来跟踪可靠性变化，但执行交易的能力也将补充跟踪可靠性变化的努力，这对测试-失败-修复周期具有重要影响。本文中传达的分析结果将有助于开发一种方法，该方法可以评估 RS-25、其生产重启和重新认证的增材制造零件的可行性和实用性。由于基于模型的方法通常适用于多种火箭发动机架构，这些技术也可应用于其他液体火箭发动机和先进的推进系统，如核热推进（NTP）。

Fig. 1 The Affordability Modeling Framework for the RS-25 Engine. [18]

基于模型的 RS-25 可负担性框架的开发是一项正在进行的研究工作 [18] [19] [20] [21]。可负担性框架如图 1 所示。它由四个方面组成，以实现可负担性：基于为 RS-25 发动机设定的成本降低目标开发的结构模型 [20]；基于 104.5% 功率水平 SSME 数据开发的系统组件和性能模型 [18]；正在为测试规划和可靠性开发的功能和行为模型 [19] [20] [21]；以及其他工程分析模型，正在同时开发，首先是 RS-25 发动机的基于模型的故障模式、影响和危害性分析 (FMECA) [19]。系统建模语言 (SysML) 用于利用 MBSE 实现可负担性框架。SysML 是一种图形建模语言，提供执行 SE 活动的语义。随后，本研究将利用 SysML 开发基于模型的范例，用于分析 AM 对 RS-25 发动机 MCC 的 SE 优势，这将有利于生产重启。本文的范围将涵盖可负担性建模框架的功能和行为模型以及其他工程分析模型（表面粗糙度的影响）以及系统和组件性能模型（用于估计 109% 功率水平的表面粗糙度影响的性能模型）。

Implementation in SysML and Results
根据方法论部分中描述的步骤，在 MATLAB 中开发了不同的子程序。开发的子程序被纳入 SysML 中基于 RS-25 模型的可负担性框架 。创建了一个参数图 (par) 来使用开发的子程序执行分析，如图 4 所示。par 包装了开发的 MATLAB 子程序，用于使用三种方法（能量平衡、直接压力损失和 Fanno 流）捕获结果。

Fig. 4. RS-25 engine surface roughness analysis parametric diagram in SysML.

组件鉴定的一个重要方面是评估组件测试和分析是否满足系统要求。因此，正在进行的分析分别与 RS-25 发动机和 MCC 的系统和组件级要求相关联。这封装在需求图 (req) 中，并与 [20] 中开发的结构架构中的组件相关联，如图 5 所示

Fig. 5. Requirement diagram (req) representing RS-25 engine and MCC requirements and its association to the structural architecture.

代表 RS-25 发动机和 MCC 的 \<\< block >> 由表示为执行分析而开发的 MATLAB 子程序的约束组成，值表示基于方程 (1) – (17) 的输入和输出。一旦确定了 par 和 req，就会在 SysML 中创建 RS-25 发动机块的不同实例，这些实例表示不同的 AM 过程以及表 1 中列出的相关表面粗糙度值。

参考文献

[18]Bower, A. J., and Thomas, D. “An Affordability Model Framework for the RS-25 Liquid Rocket Engine.” 2018 Joint Propulsion Conference, 2018, pp. 1–9. https://doi.org/10.2514/6.2018-4460.
[19]Lakshmipuram Raghu, S., and Thomas, L. D. “Model Based Failure Mode, Effects and Criticality Analysis (MBFMECA) for the RS-25 Engine Using SysML.” AIAA Scitech 2021 Forum, 2021. https://doi.org/10.2514/6.2021-0305.
[20]Lakshmipuram Raghu, S., and Thomas, L. “Modeling Behavior Elements for the RS-25 Engine Using SysML for Improved Affordability.” AIAA Propulsion and Energy 2021 Forum, 2021, pp. 1–12. https://doi.org/10.2514/6.2021-3578.
[21]Lakshmipuram Raghu, S., Tudor, M., Thomas, L. D., and Wang, G. “MBSE Utilization for Additive Manufactured Rocket Propulsion Components.” 2022 IEEE Aerospace Conference, 2022. https://doi.org/10.1109/AERO53065.2022.9843586
[30]Nickerson, G. R., and Dang, L. D. Performance Predictions for an SSME Configuration with an Enlarged Throat. Publication NASA-CR-178743. 1985.