劉淑芬 楊東升 顏家勇 王書超 張 斌 劉漢良 劉 鑫
航天器熱控流體管路系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究
劉淑芬 楊東升 顏家勇 王書超 張 斌 劉漢良 劉 鑫
(北京衛(wèi)星制造廠有限公司 北京 100094)
熱控流體管路作為熱控系統(tǒng)的重要組成部分,為航天器各系統(tǒng)的正常工作提供合適的溫度保障。針對航天器熱控流體管路設(shè)計(jì)難度大、外界設(shè)計(jì)約束復(fù)雜等問題,分析其設(shè)計(jì)特點(diǎn)及難點(diǎn),基于Pro/E平臺“管道”模塊管路設(shè)計(jì)功能,從接口確認(rèn)、總體規(guī)劃、管線庫創(chuàng)建、管路布局四方面統(tǒng)籌考慮,選擇適用于航天器熱控流體管路特點(diǎn)的最優(yōu)設(shè)計(jì)方案,實(shí)現(xiàn)管路簡單優(yōu)化設(shè)計(jì)、便于設(shè)計(jì)快速更改、有效保證加工質(zhì)量、降低總裝設(shè)計(jì)難度,實(shí)現(xiàn)管路總體設(shè)計(jì)的快速優(yōu)化迭代。該方法已應(yīng)用于多型號航天器熱控流體管路設(shè)計(jì)及其他分系統(tǒng)管路設(shè)計(jì)中,均表明可有效縮短設(shè)計(jì)和總裝周期。
航天器;熱控流體管路;系統(tǒng)設(shè)計(jì)
航天器內(nèi)部的儀器設(shè)備、電子元器件等在工作過程中會(huì)產(chǎn)生廢熱,一方面為滿足這些設(shè)備、器件對工作溫度的要求,并且防止熱量過多導(dǎo)致艙內(nèi)結(jié)露,進(jìn)而損壞設(shè)備、器件,一方面為保證載人航天器人區(qū)的熱舒適性,系統(tǒng)須將廢熱及時(shí)排出。航天器熱控系統(tǒng)中一般均有大量的熱控制能力很強(qiáng)的流體管路,對儀器設(shè)備、電子元器件進(jìn)行冷卻降溫。近年來,我國航天器型號研制數(shù)量劇增,設(shè)計(jì)任務(wù)繁重,作為航天器管路重要組成部分的熱控流體管路,在航天器總裝設(shè)計(jì)及實(shí)施過程中都占有重要地位[1,2]。傳統(tǒng)的熱控流體管路設(shè)計(jì)是與航天器總裝過程串行的,管路形狀的確定采用傳統(tǒng)的現(xiàn)場取樣法,占用總裝生產(chǎn)主線時(shí)間較長[3]。近年來隨著衛(wèi)星三維總裝設(shè)計(jì)的應(yīng)用以及數(shù)控彎管技術(shù)的推廣,管路設(shè)計(jì)提到總裝設(shè)計(jì)階段開展,從而縮短了總裝周期,一種基于Pro/E“管道”模塊的管路系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法在航天器熱控流體管路設(shè)計(jì)中也隨之推廣開來[4-7]。文獻(xiàn)[8]指出總裝設(shè)計(jì)的難點(diǎn)在于管路設(shè)計(jì)和電纜網(wǎng)設(shè)計(jì),因此,結(jié)合航天器結(jié)構(gòu)及接口、數(shù)控彎管及焊裝工藝以及總裝實(shí)施等特點(diǎn),優(yōu)選一種能降低設(shè)計(jì)難度、減少設(shè)計(jì)工作量、提高設(shè)計(jì)效率、確保管路質(zhì)量,從而降低總裝設(shè)計(jì)難度的熱控流體管路設(shè)計(jì)方法十分重要。
航天器熱控流體管路存在數(shù)量多,設(shè)計(jì)任務(wù)繁瑣的問題。航天器熱控流體管路在熱控系統(tǒng),乃至整個(gè)航天器中都占有重要地位,涉及氣路、液路,管路規(guī)格多樣,數(shù)量繁多,接口關(guān)系復(fù)雜。以某型號航天器熱控系統(tǒng)流體管路為例,航天器結(jié)構(gòu)總長8m,管路總長49m,是航天器結(jié)構(gòu)總長的6倍,管路總數(shù)量近100根,涉及規(guī)格2種。按照平均每根管路2小時(shí)的設(shè)計(jì)時(shí)間計(jì)算,一個(gè)人完成一輪管路設(shè)計(jì)的周期1個(gè)月,設(shè)計(jì)工作量大,周期長。
航天器熱控流體管路設(shè)計(jì)可用空間小,布局約束多。隨著對航天器功能要求越來越高,航天器搭載的載荷越來越多,其結(jié)構(gòu)也越來越緊湊。大量管路穿行于緊湊的結(jié)構(gòu)中,能占用的空間非常有限。在有限的空間中,熱控流體管路設(shè)計(jì)還受到管路制造工藝性、總體總裝技術(shù)流程、管路總裝可行性、分系統(tǒng)功能要求、環(huán)境適應(yīng)性等多重約束,設(shè)計(jì)難度大。
R—折彎半徑;D—管道外徑
管路制造工藝性約束。為提高加工精度和生產(chǎn)效率,管路制造的自動(dòng)化程度越來越高。比如,目前普遍采用的數(shù)控彎管技術(shù)取代了手工彎管,管體與接頭處的焊縫由自動(dòng)焊替代了手工焊。伴隨著精度與效率的提升,數(shù)控彎管技術(shù)對管路設(shè)計(jì)參數(shù)也提出了更嚴(yán)苛的要求,如折彎半徑、兩個(gè)折彎之間的直線段長度;自動(dòng)焊接技術(shù)對焊接端直線段長度提出了更高的要求,如某規(guī)格管路焊接,手工焊對直線段的長度要求為不低于10mm,而自動(dòng)焊的要求為不低于20mm。在有限的空間中,大折彎半徑和長直線段約束會(huì)增加管路設(shè)計(jì)難度。
總裝技術(shù)流程約束。在總裝技術(shù)流程中,通常優(yōu)先安排管路總裝工作,在完成管路系統(tǒng)安裝并經(jīng)過密封性檢查合格后再進(jìn)行載荷設(shè)備安裝、電纜鋪設(shè)等其他總裝工作[3],因此管路設(shè)計(jì)必須為載荷、電纜等其他載荷設(shè)備預(yù)留安裝通道。
總裝可行性約束。熱控流體管路設(shè)計(jì)需要考慮管路總裝的可實(shí)施性,如規(guī)劃每根管路安裝的先后順序,確保每根管路安裝可行,管接頭連接操作空間足夠。如此,便對管路的斷接位置、布局走向產(chǎn)生了約束。
系統(tǒng)功能約束。為滿足熱控系統(tǒng)的使用功能要求,流體管路設(shè)計(jì)性能必須達(dá)到相應(yīng)指標(biāo)。管路中充裝熱控工質(zhì),工質(zhì)的流阻和漏率,直接影響熱控性能,而影響流阻的因素之一是管路走向,影響漏率的因素之一是管接頭和焊縫的數(shù)量,因此流體管路設(shè)計(jì)必須合理規(guī)劃管路走向和焊縫數(shù)量。
使用環(huán)境約束。航天器熱控流體管路的使用工況一般包括三種狀態(tài),即地面存儲狀態(tài)、發(fā)射狀態(tài)、在軌運(yùn)行狀態(tài)。其中環(huán)境最為惡劣的是發(fā)射狀態(tài),管路必須能承受住發(fā)射過程中的振動(dòng)、沖擊、過載等環(huán)境因素,故在管路設(shè)計(jì)中必須對管路合理約束,適當(dāng)固定,保證固定強(qiáng)度,提高管路可靠性[9,10]。
通過對約束條件的分析,我們識別出流體管路設(shè)計(jì)并非單純的三維建模,而更應(yīng)保證管路質(zhì)量,滿足使用要求,因此有效的管路設(shè)計(jì)參數(shù)、管路布局狀態(tài)是流體管路設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。
航天器熱控流體管路設(shè)計(jì)狀態(tài)受接口狀態(tài)影響,存在設(shè)計(jì)迭代頻繁的問題。流體管路設(shè)計(jì)工作的開展依托于可用空間和接口信息的固化,空間和接口信息取決于艙體結(jié)構(gòu)和載荷設(shè)備狀態(tài)。然而為縮短總體設(shè)計(jì)周期,管路設(shè)計(jì)往往與載荷設(shè)備的優(yōu)化設(shè)計(jì)并行開展。載荷設(shè)備狀態(tài)的優(yōu)化,往往導(dǎo)致空間和接口的變化,進(jìn)而導(dǎo)致管路狀態(tài)的調(diào)整。航天器結(jié)構(gòu)復(fù)雜,載荷設(shè)備數(shù)量龐大,優(yōu)化設(shè)計(jì)迭代多,由此導(dǎo)致管路設(shè)計(jì)狀態(tài)頻繁變化。
通過上述分析發(fā)現(xiàn),航天器熱控流體管路設(shè)計(jì)中存在著管路數(shù)量多,設(shè)計(jì)工作量大,布局空間小、約束多,設(shè)計(jì)難度大,管路狀態(tài)受接口狀態(tài)影響,設(shè)計(jì)迭代頻繁等問題。因此優(yōu)選一種能提高流體管路設(shè)計(jì)效率,保證加工質(zhì)量,滿足使用要求又便于設(shè)計(jì)狀態(tài)更改的流體管路設(shè)計(jì)方法十分重要。
針對以上分析的航天器熱控流體管路設(shè)計(jì)特點(diǎn)及難點(diǎn),制定基于Pro/E“管道”模塊的流體管路系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程如圖2所示,下面對流程圖中相應(yīng)模塊進(jìn)行說明。
圖2 航天器熱控流體管路系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程圖
接口分析是確認(rèn)流體管路設(shè)計(jì)輸入的階段,需理解管路連接原理,明確管路連接關(guān)系,確認(rèn)管路連接接口及設(shè)計(jì)管路規(guī)格。該階段,要正確理解輸入要求,確保管路選型、連接關(guān)系的正確性。
針對航天器熱控流體管路設(shè)計(jì)布局空間小,受約束多,設(shè)計(jì)難度大的問題,管路設(shè)計(jì)之初,應(yīng)結(jié)合航天器空間結(jié)構(gòu)、管路制造工藝性要求、航天器總裝技術(shù)流程、管路總裝可行性、分系統(tǒng)功能要求、發(fā)射環(huán)境等各方面約束條件對流體管路系統(tǒng)布局進(jìn)行總體規(guī)劃,以避免盲目布局,確保管路設(shè)計(jì)的有效性和高效性。下面結(jié)合部分熱控流體管路設(shè)計(jì)實(shí)例從管路可用空間規(guī)劃和總裝實(shí)施規(guī)劃兩個(gè)方面予以說明。
(1)管路可用空間規(guī)劃
以上述某型號航天器熱控流體管路設(shè)計(jì)為例,航天器具有以下特點(diǎn):
整體結(jié)構(gòu)緊湊,外部是蒙皮+筋結(jié)構(gòu),內(nèi)部是大量的載荷設(shè)備;
總裝技術(shù)流程中,熱控流體管路先于載荷、電纜等產(chǎn)品設(shè)備安裝;
管路需經(jīng)歷發(fā)射環(huán)境,承受強(qiáng)烈的沖擊、振動(dòng)。
基于上述特點(diǎn),熱控流體管路可用空間應(yīng)為貼近蒙皮+筋結(jié)構(gòu)處,一方面加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)可為卡箍提供安裝接口,從而為管路固定提供基礎(chǔ),另一方面可為總裝過程中載荷設(shè)備的安裝預(yù)留通道。
(2)管路總裝實(shí)施規(guī)劃
為保證管路在總裝階段順利實(shí)施安裝,管路設(shè)計(jì)前期,應(yīng)對整個(gè)管路系統(tǒng)的總裝實(shí)施方案進(jìn)行規(guī)劃,如整體管路總裝順序、局部管路連接方案設(shè)計(jì)等,以確保每根管路安裝可行、易行。整體管路總裝順序的規(guī)劃便于識別安裝難度較大的局部管路或單根管路,從而可針對性地進(jìn)行局部管路連接方案設(shè)計(jì)。
圖3 典型連接接口關(guān)系的流體管路設(shè)計(jì)方法
以上述某型號航天器熱控流體管路設(shè)計(jì)為例,對幾種典型連接接口關(guān)系的流體管路設(shè)計(jì)方法進(jìn)行說明,如圖3所示,圖3(a)為連接兩個(gè)方向相向、同軸、距離較近的接口采用的雙U形管路設(shè)計(jì)及連接形式,若設(shè)計(jì)為一根管路連接,因剛性和長度限制,難以安裝,圖3(a)所示雙U形管路設(shè)計(jì)方法可有效解決安裝問題;圖3(b)所示為連接兩個(gè)同軸、同向的接口,采用“耳”形管路設(shè)計(jì)形式,可保證管路順利安裝;當(dāng)連接兩個(gè)同向、不同軸的接口時(shí),可采用單U形管路設(shè)計(jì)形式,當(dāng)連接三個(gè)同向、不同軸的接口時(shí),采用“山”形管路設(shè)計(jì)形式,如圖3(c)所示,可保證管路順利安裝;圖3(d)所示為多根管路并行的情況,圖中3根管路沿艙壁并行,受結(jié)構(gòu)制約,管接頭只能在有限空間內(nèi)進(jìn)行設(shè)計(jì),為保證管路連接過程中力矩扳手的操作空間,將3個(gè)管接頭進(jìn)行了前后、上下方向的錯(cuò)位設(shè)計(jì),既可保證安裝操作可行,又可避免接頭振動(dòng)過程中相互磕碰。
在總體管路設(shè)計(jì)中,有時(shí)會(huì)直接遇到上述類似的接口形式,有時(shí)需要設(shè)計(jì)者提前規(guī)劃,設(shè)計(jì)類似的接口形式,以保證整個(gè)管路系統(tǒng)的安裝可行。
針對航天器熱控流體管路設(shè)計(jì)中,管路數(shù)量多,設(shè)計(jì)工作量大的特點(diǎn),管線庫的深入使用可以減少一定的工作量。
航天器熱控流體管路數(shù)量雖多,但規(guī)格相對固定,如前面提到的某型號航天器熱控流體管路,總數(shù)量近100根,規(guī)格僅2種。若每創(chuàng)建一根管路都創(chuàng)建管路庫,100根管路則需進(jìn)行100次創(chuàng)建和編輯,深入使用管線庫工具是指充分使用其“寫入”和“讀取”功能,從而針對不同規(guī)格管線庫進(jìn)行創(chuàng)建、寫入,相同規(guī)格的管線庫只需讀取調(diào)用即可。由此,創(chuàng)建、編輯管線庫的工作量減少為了2次。以該型號熱控流體管路管線庫為例,類型如下。
表1 管線庫類型
熱控流體管路布局的實(shí)施,在把握總體規(guī)劃和滿足管路制造工藝性要求、系統(tǒng)功能要求、使用環(huán)境要求等各種約束條件下開展。針對航天器管路受接口狀態(tài)影響,設(shè)計(jì)更改頻繁的問題,合理選用管線布局方法非常重要。以下從約束條件控制和布線方法選用兩個(gè)方面進(jìn)行說明。
2.4.1 約束條件控制
(1)制造工藝參數(shù)控制
為滿足熱控流體管路制造過程中數(shù)控彎管和焊接工藝要求,在管路布局設(shè)計(jì)中要合理設(shè)置工藝參數(shù),如折彎半徑、兩折彎之間最小直線段長度、導(dǎo)管末端焊接直線段最小長度。以上述熱控流體管路為例,參數(shù)設(shè)置以及布線要遵循表2的要求。
表2 管路折彎半徑和直線段長度
注:表中為兩折彎之間最小直線段,導(dǎo)管末端的焊接直線段最小為30mm。
(2)密封性和流阻控制
熱控流體管路設(shè)計(jì)要滿足密封性和流阻要求。為滿足密封性要求,應(yīng)在滿足其他要求的前提下盡量減少斷點(diǎn)設(shè)計(jì),即減少管接頭、直角彎頭、三通等管閥件的數(shù)量,從而減少焊縫數(shù)量,提高密封質(zhì)量。為減小流阻,在管路設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量減少直角彎頭的使用。
(3)固定強(qiáng)度控制
針對航天器管路經(jīng)歷發(fā)射過程,會(huì)受到強(qiáng)烈的振動(dòng)、沖擊、過載等特點(diǎn),設(shè)計(jì)中必須保證管路固定強(qiáng)度,合理設(shè)置卡箍。一方面卡箍的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)盡量避免大懸臂結(jié)構(gòu),另一方面卡箍分布間距應(yīng)根據(jù)管路特點(diǎn)進(jìn)行相應(yīng)設(shè)計(jì)。在目前的航天器熱控流體管路布局中,管路安裝固定距離一般遵循表3要求。
表3 管路安裝固定距離
2.4.2 布線方法選用
管線布局工具有“延伸”和“到點(diǎn)”兩種。由“延伸”而創(chuàng)建的一系列點(diǎn)的坐標(biāo)位置是相對的,當(dāng)改變其中某個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)值時(shí),其后的所有點(diǎn)位置隨之改變。由“到點(diǎn)”而創(chuàng)建的點(diǎn)的空間位置是絕對的,當(dāng)管線中某個(gè)點(diǎn)的位置發(fā)生變化時(shí),所有“到點(diǎn)”產(chǎn)生的點(diǎn)的位置不變。
結(jié)合航天器熱控流體管路設(shè)計(jì)狀態(tài)更改頻繁的特點(diǎn),對比“延伸”和“到點(diǎn)”兩種工具,在航天器熱控流體管路設(shè)計(jì)中傾向于更多地使用“到點(diǎn)”工具,由此可避免“延伸”導(dǎo)致的“牽一發(fā)而動(dòng)全身”問題,而“到點(diǎn)”操作要連接的點(diǎn),則通過在卡箍軸線上創(chuàng)建一系列的點(diǎn),并將卡箍預(yù)先安裝到艙體合適位置來提供。布線方法的合理選用,減少了管路更改工作量,提高管路更改效率。
作為航天器總體設(shè)計(jì)及總裝實(shí)施過程中的重要組成部分,航天器熱控流體管路具有數(shù)量多、設(shè)計(jì)工作量大,布局空間小、約束多、設(shè)計(jì)難度大,管路受接口狀態(tài)影響,設(shè)計(jì)更改頻繁的設(shè)計(jì)特點(diǎn)及難點(diǎn)。
針對上述特點(diǎn),基于Pro/E“管道”模塊的管路設(shè)計(jì)功能,對管路設(shè)計(jì)流程進(jìn)行深入剖析,對比、優(yōu)選適用于航天器熱控流體管路的設(shè)計(jì)參數(shù)和設(shè)計(jì)方法如下:
(1)準(zhǔn)確分析接口信息,確保輸入理解無誤,從而保證管路規(guī)格、連接關(guān)系正確,避免大量更改和質(zhì)量問題。
(2)綜合考慮航天器空間結(jié)構(gòu)、總裝技術(shù)流程、管路總裝可行性等約束條件,做管路設(shè)計(jì)總體規(guī)劃,從而避免盲目布局,確保管路設(shè)計(jì)的有效性和高效性。
(3)創(chuàng)建不同規(guī)格管路的管線庫,調(diào)用相同規(guī)格管路的管線庫,從而大大減少管線庫反復(fù)創(chuàng)建的工作量。
(4)合理設(shè)置折彎半徑、直線段等參數(shù),確保管路設(shè)計(jì)的有效性;合理選用管線布局工具,從而減少管路更改工作量,提高管路更改效率。
該熱控流體管路設(shè)計(jì)方法已在多個(gè)航天器型號熱控系統(tǒng)管路設(shè)計(jì)工作中應(yīng)用,并取得了良好效果,并且在航天器推進(jìn)系統(tǒng)等多個(gè)分系統(tǒng)的管路設(shè)計(jì)中推廣應(yīng)用,對縮短管路設(shè)計(jì)周期、保證管路研制質(zhì)量具有重要意義。
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Design Research of Thermal Control Fluid Piping System for Spacecraft
Liu Shufen Yang Dongsheng Yan Jiayong Wang Shuchao Zhang Bin Liu Hanliang Liu Xin
( Beijing Spacecrafts, Beijing, 100094 )
Thermal control fluid pipeline, as an important part of thermal control system, provides appropriate temperature guarantee for the normal operation of spacecraft systems. Focus on the technical difficulty and complex external design constraints on developing thermal control fluid pipeline in spacecraft, the paper analyses the characteristics and difficult points, then chooses a method which is more suitable for spacecraft thermal control fluid piping design based on “pipe” module of Pro/E, considering the interface validation, overall planning, pipe line libraries and layout as a whole. The method can realize the simple optimization design of pipeline, facilitate the rapid change of design, effectively guarantee the processing quality, reduce the difficulty of final assembly design, and realize the rapid optimization iteration of the overall design of pipeline. The method has been applied to the piping design of thermal control fluid and other subsystems of spacecrafts, and it shows that it can shorten the design and assembly cycles effectively.
Spacecraft; Thermal Control Fluid Pipeline; System Design
V461
A
1671-6612(2020)03-352-05
劉淑芬(1988.4-),女,碩士,工程師,E-mail:1044403115@qq.com
2019-07-26