Abstraction
基于模型的系统工程 (MBSE) 已在美国宇航局的各种航天计划中得到越来越广泛的应用，例如人类登陆火星现场资源利用 (ISRU) 和地月栖息地架构、商业载人计划 (CCP) 和太空发射系统 (SLS)。最近，MBSE 还帮助支持了美国宇航局的可靠性设计 (DFR) 和任务保障活动。MBSE 的使用有助于在数字环境中可视化整个系统的开发。对于火箭推进系统的开发，利用 MBSE 有助于找到以全面和连贯的方式在整个生命周期内降低成本、进度和风险的方法。为了在竞争激烈的太空竞赛环境中实现可负担性，重要的是要利用增材制造 (AM) 等较新的制造技术。在火箭推进系统的开发中，AM 为通常很复杂的火箭发动机设计提供了新的设计和性能机会。与传统生产技术相比，增材制造火箭推进元件的根本优势在于缩短了交货时间并降低了成本。增材制造设计有助于实现复杂的形状和几何形状，而使用传统生产方法生产这些形状和几何形状通常具有挑战性且成本高昂。
在火箭推进系统开发的背景下，AM 提供了实现技术和经济上可行的新型发动机设计的技术机会。NASA 的增材制造演示发动机 (AMDE) 等重大努力在火箭推进发动机的生产中采用了增材制造。另一方面，MBSE 提供了在数字环境中可视化设计变更影响的能力。因此，本研究的目的是评估利用适合增材制造火箭推进元件环境的 MBSE 的好处。对当前最先进的增材制造火箭推进元件进行了文献综述，并确定了利用 MBSE 的潜在机会。此外，还探索了一个设计示例（RS-25 或航天飞机主发动机），以展示本研究中研究理念的好处。选择设计示例是由于需要重新启动发动机生产以供 NASA 未来的发射清单使用。最后，在缩短发动机测试-失败-修复（重新设计、再制造、重新测试和重新认证）周期时间的范围内对本研究的结果进行了定性评估。

在管理和增强系统工程 (SE) 流程应用的新技术适应性方面，基于模型的系统工程 (MBSE) 在 NASA 内部得到了越来越多的接受和关注 [19]。MBSE 是建模的形式化应用，用于支持各种基于系统工程 (SE) 的活动，例如系统需求、设计、分析、验证和跨系统生命周期阶段的确认。在 MBSE 中，模型取代文档成为 SE 流程的主要工件。因此，MBSE 有助于实现高效沟通、管理复杂性、增加多学科知识捕获、创建需求可追溯性并降低风险 [20]。

对于火箭发动机，NASA 的 MBSE 注入和现代化计划 - MIAMI [19] 曾探索过 MBSE 的使用。据观察，利用 MBSE 有助于实现：

  • 自动化验证和确认 (V&V) 过程；
  • 保持对需求的可追溯性；
  • 节省后处理测试数据的时间。

MBSE 还帮助支持了 NASA 的可靠性设计 (DFR) 和基于模型的任务保障活动 (MBMA) 。因此，利用 MBSE 进行 RS25 发动机生产重启的测试-失败-修复，有助于评估可负担性选项（查看设计变更对发动机的影响），从而推断出最小化开发成本的潜在途径。

Figure 1. The Affordability Modeling Framework for the RS-25 engine [6]

实现 RS-25 发动机的经济性是一项正在进行的研究工作的一部分。图 1 展示[6]了实现 RS-25 经济性的设想框架。为了评估经济性，重要的是同时查看系统架构（组成）、性能、安全性和可靠性以及风险的各个方面。因此，RS-25 经济性模型框架分为四个相互依赖的方面：

  • 结构模型[30]
  • 系统和组件性能模型
  • 功能和行为模型[33]
  • 其他工程分析模型

结论：
本研究的总体目标是展示 MBSE 在增材制造火箭推进部件中的应用。本文在 MBSE 和 AM 应用范围内对近期文献进行了全面总结。利用 RS-25 发动机计划升级的设计示例，展示了开发可负担性框架的先前工作以及随后将 MBSE 机会应用于可负担性框架。针对 AM 技术带来的挑战和 MBSE 提供的机会（第 2 节），确定了利用 MBSE 实现可负担性的可能途径并展示了应用方法。虽然设计示例用于演示目的。所提出的模型本质上是通用的，有可能适合多种液体火箭发动机设计。此外，还展示了通用形状如何代表发动机部件的多种几何形状并提供测试可靠性。

对液体火箭发动机中代表性部件的结构裕度进行分析的最终结果是部件可靠性或部件故障概率信息。在生命周期设计阶段的早期获得这些信息对可负担性模型框架的其他一些方面大有裨益，例如在生命周期早期执行 FMECA。同时展示了一种扩展结构裕度效用以告知可靠性的方法。可靠性信息也可以追溯到基于模型的 FMECA，以评估风险。值得注意的是，所需的工作是同时利用一个或多个单一事实来源进行的，这表明 MBSE 可用于增材制造火箭推进元件。本质上，这个单一事实来源（RS-25 可负担性模型）也可以改进和开发，以探索其他用途（例如生产和成本）及其对可负担性的影响。

本研究以活动图 (act) 的形式展示了测试策略开发中的操作流程。介绍了每个单独操作的可执行文件开发，包括脚本和运行其他软件包 (FEA 包) 的实例。当前的重点是将这些以行为模型呈现的模型转换为完全可执行的 SysML 模型，这将有助于查看 RS-25 发动机的可负担性选项，旨在最大限度地减少发动机测试-失败-修复周期中发生故障和修复的概率。实现这一转变的研究包括：将 FEA 信息应用于神经网络，以及对设备设施和控制要求进行建模 (NASA-STD6033)。因此，这也需要为 RS-25 发动机执行特定的 AM 设计变更信息，以便进一步实施。

参考文献
[19]J. B. Holladay, J. Knizhnik, K. J. Weiland, A. Stein, T. Sanders, and P. Schwindt, “MBSE Infusion and Modernization Initiative (MIAMI): ‘Hot’ Benefits for Real NASA Applications,” in 2019 IEEE Aerospace Conference, 2019, vol. 2019-March, pp. 1–14, doi: 10.1109/AERO.2019.8741795.
[20]S. Friedenthal, A. Moore, and R. Steiner, A Practical Guide to SysML: The Systems Modeling Language, 3rd ed. Waltham, MA, MA: Morgan Kaufmann, 2015.
[6]A. J. Bower and D. Thomas, “An Affordability Model Framework for the RS-25 Liquid Rocket Engine,” in 2018 Joint Propulsion Conference, 2018, pp. 1–9, doi: 10.2514/6.2018-4460.
[30]S. Lakshmipuram Raghu and L. D. Thomas, “Model Based Failure Mode, Effects and Criticality Analysis (MBFMECA) for the RS-25 Engine using SysML,” in AIAA Scitech 2021 Forum, 2021, doi: 10.2514/6.2021-0305.
[33]S. Lakshmipuram Raghu and L. Thomas, “Modeling Behavior Elements for the RS-25 Engine using SysML for Improved Affordability,” AIAA Propulsion and Energy 2021 Forum, pp. 1–12, Aug. 2021, doi: 10.2514/6.2021-3578.