数字孪生应用于火箭起飞安全系统

运载火箭起飞是一个多系统的复杂动力学过程，火箭的起飞安全性分析涉及火箭、地面发射系统、起飞环境和起飞漂移等多个因素相互作用，所有火箭的发射都需要评估和分析起飞阶段火箭与发射工位地面设备之间的间隙是否满足火箭安全起飞的要求［64，65］。火箭起飞安全性分析中，传统使用二维平面分析的方法，即针对某一时刻火箭的起飞高度和漂移距离，分别在俯视、左（右）视等方向进行平面投影。随着火箭四周的地面设备越来越复杂，传统的二维平面仿真方法无法进行360度全方位分析，分析成本和分析效率随着分析方向的增加而增大。同时，由于二维的限制，无法对浅层风引起的火箭起飞漂移对安全性的影响进行分析［66］。传统的分析方法已经无法适应复杂环境下火箭起飞安全性分析工作。数字化仿真可以对火箭的起飞过程进行三维仿真，但是这样的仿真往往是基于各个产品几何模型的设计状态进行仿真，不能实时采集火箭真实的状态信息，并快速地给出起飞安全性评估。特别是在火箭发射前，地面设备动作发生故障的情况下，快速获取设备信息，及时、准确地对火箭起飞安全性进行分析越来越重要。因此，将数字孪生技术引入到火箭发射前的起飞安全性分析与控制过程中十分必要。

采用虚拟平台建模、数字化仿真、多源模型处理和孪生数据构建及处理等技术完成虚拟仿真平台的构建。对火箭系统、地面设备和发射环境等因素的实时信息进行采集，完成火箭起飞场景数字孪生体的演化。采用数字化仿真技术和孪生数据驱动技术，实现火箭起飞过程仿真、干涉检查和安全性分析。同时，火箭起飞安全系统根据仿真分析结果对火箭的姿态进行调整。调整过程中，系统再次对火箭及地面设备信息进行实时采集，完成虚拟仿真平台中的数字孪生体的实时更新。火箭姿态调整结束后，火箭起飞安全系统对火箭的起飞安全性进行评估，形成闭环控制。该系统能够有效、快速地完成发射前火箭起飞安全性分析及评估，提高了火箭发射的可靠性。

4.5.1　火箭起飞安全系统综合架构

4.5.1.1　基于数字孪生的火箭起飞安全系统结构模型

基于数字孪生的运载火箭起飞安全系统是在信息技术和数字化仿真技术驱动下，通过火箭发射系统和虚拟仿真平台的双向真实映射与数据实时交互，实现火箭发射系统、虚拟仿真平台和火箭起飞安全系统全方位的数据集成和融合，在火箭起飞孪生数据的驱动下，实现火箭初始姿态优化与控制、起飞轨迹规划及优化以及起飞安全性分析等在火箭发射系统、虚拟仿真平台和火箭起飞安全系统中的迭代运行，从而实现火箭起飞的安全性分析。基于数字孪生的火箭起飞安全系统结构模型如图4-17所示［67］。其中，火箭发射系统是真实存在的物理实体，由火箭、地面设备和发射环境组成，通过地面设备的机械装置完成火箭姿态的调整。同时，火箭和地面设备上部署各类传感器，实时监测火箭及设备环境数据和运行状态。虚拟仿真平台是对火箭发射环境真实完全的数字化镜像，集成和融合了几何、物理、行为和规则四层模型［67］。其中，几何模型描述尺寸、形状、装配关系等几何参数；物理模型分析应力、疲劳、变形等物理属性；行为模型响应外界驱动和干扰；规则模型对物理实体运行规律进行建模，使模型具备评估、优化、预测等功能［68］。火箭起飞安全系统集成了分析、评估、控制和优化等各类信息系统，基于物理实体和虚拟模型提供智能运行，精准管控。火箭起飞孪生数据库是数字孪生运行的核心驱动，火箭起飞孪生数据主要包括火箭发射环境实体实时数据、火箭初始信息、虚拟模型、起飞安全系统的相关数据，同时还包含了系统不断处理和融合产生的新的数据。

图4-17　基于数字孪生的火箭起飞安全系统结构模型

4.5.1.2　基于数字孪生的火箭起飞安全系统架构

基于数字孪生的火箭起飞安全系统架构如图4-18所示，该架构主要包括5层：

（1）物理层：主要指火箭发射系统、地面设备、发射塔、浅层风等实体以及火箭发射所有活动集合。具有姿态自动化调整、数据采集与传输等功能。

（2）模型层：主要是火箭起飞虚拟仿真平台搭建、虚拟模型构建及火箭发射对应的虚拟仿真活动，包括火箭发射系统模型构建、起飞漂移计算模型、浅层风模型、结构的有限元分析，虚拟火箭起飞过程的仿真、分析、优化、决策等。模型层完成火箭发射系统与虚拟仿真系统的三维模型的真实完整映射。

图4-18　数字孪生驱动的火箭起飞安全系统架构

（3）数据层：主要指火箭起飞安全系统，负责为火箭发射、虚拟发射和平台运行提供据支撑服务，并具备数据采集、管理、追溯、处理、集成和融合等数据全生命过程管理与处理功能。

（4）服务层：负责为火箭起飞安全性分析提供起飞漂移优化服务、轨迹规划服务、火箭姿态优化服务、数字化仿真服务、设备健康管理、故障决策等各类服务。

（5）应用层：主要指火箭起飞安全性分析涉及的火箭起飞过程数字化仿真，可视化、安全性评估及建议和火箭初始姿态调整及优化等任务应用［67］。

4.5.2　基于数字孪生的火箭起飞安全系统设计

4.5.2.1　数字孪生火箭起飞模型构建

火箭起飞是一个多系统的复杂动力学过程，火箭的起飞安全性分析涉及控制方法、起飞漂移、外部环境、发射工位、地面设备等多个因素的相互作用。因此，火箭起飞安全性分析的虚拟仿真模型的构建除了要反映实体的几何特征，还需要建立所有实体的物理特征及其特有的模型，包括动力学模型、应力分析模型、浅层风模型、位姿拟合模型等，实现“几何—物理—行为—规则”等多个维度的模型融合，最终使仿真结果更加精确地反映和镜像产品在现实环境中的真实状态和行为。

为了获得火箭起飞前的数字孪生体，必须首先对火箭、地面环境等从几何、物理、行为和规则等多个维度进行建模，并对所建立的模型进行评估和验证，以保证模型的正确性和有效性；在此基础上将各个维度模型进行关联、组合和集成，从而形成一个完整的、具备高忠实度的虚拟火箭发射场景，模型构建如图4-19所示。

图4-19　火箭起飞模型构建与融合

虚拟仿真场景中几何模型主要指火箭模型、发射场设施模型和地面设备模型，几何模型主要采用多源模型处理技术实现不同模型的融合；物理模型主要是指各个组成部分实际的物理特性，如浅层风风速和方向、地面设备的耐热能力、火箭尾端的承载能力等；行为模型主要是指在几何模型和物理模型上加入驱动及扰动因素，使各行为具备行为特征、相应机制及复杂的行为能力，其中火箭起飞模型的驱动是火箭起飞轨迹，扰动是浅层风、结构误差和初始位姿偏差等引起的横向漂移和滚动漂移等；规则模型是对火箭起飞安全性分析在几何、物理和行为多个层面上反映的规律规则进行刻画，并将其一一映射到相应的模型上。通过建立各层模型的关联关系，从多个方面对模型进行集成和融合，形成虚拟火箭起飞过程的综合模型，并以统一的三维表现形式实现模型的可视化和仿真运行。图4-20为采用数字孪生技术构建的某火箭起飞模型，该模型主要包括火箭模型、发射设备模型、工作平台模型等。

图4-20　基于数字孪生的火箭起飞模型构建

4.5.2.2　实时数据采集及处理

实时数据的获取是数字孪生体构建的基础，火箭起飞前的数据采集主要包括火箭姿态数据、支臂高度数据、支臂载荷数据、摆杆摆角数据、浅层风数据等。采用水平度传感器、拉线传感器、红外测距仪等不同测量方式实现系统的实时数据采集。同时，针对以上庞大的多源、异构测量数据，采用特定的规则进行数据定义，对数据进行封装管理。几何模型通过实时数据驱动成为具备实物特性的数字孪生体，实现三维几何模型与实时数据参数的融合，打破参数专业与结构专业数据孤岛，将传统模拟量串行验证转变为数字量多要素并行仿真，将以往在真实实物试验中才能发现的问题提前至设计环节来考虑并验证，减少时间成本和经济成本，同时提升型号研制质量和效率。通过不同的测量手段完成火箭发射系统及周围环境实时数据的测量和采集，火箭起飞安全性分析系统采用多种数字化测量系统的集成技术，通过二次开发集成了敏感元件数据采集、拉线传感器数据采集、平面视觉测量采集等多种手段，实现火箭姿态测量、变形测量、支臂载荷测量和起飞漂移测量等功能，具体采集和处理过程如图4-21所示。火箭起飞安全性分析系统的数据测量模块负责与不同的测量系统通信，当用户发出测量指令后，火箭起飞安全性分析系统的数据采集模块调用不同的测量设备完成数据的实时测量，并反馈给系统，系统通过数据分析和处理，完成数据的应用，如火箭位姿的拟合、在线仿真等。

图4-21　系统实时数据采集及处理过程

4.5.2.3　安全要素辨识

在虚拟仿真平台中，采用数字化仿真技术和起飞轨迹规划技术对火箭起飞过程进行仿真，同时使用干涉检查技术对火箭起飞的安全性进行分析和评估。若仿真过程存在干涉或者潜在的危险点，那么火箭起飞安全性分析系统将采用智能算法计算出该环境下火箭的最佳姿态，然后通过地面发射设备实现火箭产品的姿态调整，并再次生成数字孪生数据，进行起飞安全性的迭代仿真分析。火箭起飞安全性分析的核心是净空间分析，即起飞过程中火箭与地面设备之间的安全空间分析，通过净空间分析可以得到火箭起飞过程中的危险点，并初步得到各危险点之间的安全距离，这将大大减少实时仿真的内容，提高仿真速度。火箭的起飞安全性除了与火箭的起飞漂移量有关，还与发射工位附近的静态设备环境和动态环境有关。静态设备环境是指火箭周围静止不动的设备，如摆杆、脐带塔等设备；动态环境是指在火箭起飞过程中，不断运动的地面设备，如供电脱拔等。在火箭起飞过程中，净空间在不断变化，因此影响火箭起飞安全的净空间是一个与时间相关的多维度、多因素的动态矩阵。净空间分析由安全要素辨识和净空间计算两部分组成，其中净空间计算可以通过火箭起飞过程虚拟仿真得到；安全要素辨识可以用安全因子矩阵表示，安全因子矩阵a ij由箭上因子和地面因子两部分组成。箭上因子a i主要由发动机喷管、箭壁、尾翼等因素组成。地面因子a j主要由支撑臂、供电脱拔、摆杆、脐带塔等因素组成，安全因子矩阵：

式中，a ij为箭上因子a i与地面因子a j之间的距离。

火箭起飞过程中，安全因子矩阵不是一个静态数值，而是随着火箭漂移以及地面设备不断运动的动态空间距离矩阵。净空间反映了安全因子之间不断变化的安全空间，可表示为一个与时间和高度相关的矩阵，火箭的起飞漂移为Izh，则火箭净空间bij=aij-Izh。火箭起飞过程中，若bij始终大于设定的安全阈值，则表示火箭起飞安全性满足要求。对某火箭进行起飞安全性分析，根据实际发射环境进行安全因素辨识，得到其安全因子矩阵如表4-1所示。

表4-1　某运载火箭安全因子矩阵

4.5.2.4　火箭起飞安全性分析(www.chuimin.cn)

火箭起飞安全系统通过数据采集模块完成火箭发射系统的实时数据采集、封装及处理，当输入火箭起飞轨迹后，基于实时数据驱动的火箭起飞安全系统生成起飞漂移计算初始配置文件，并不断优化和修正得到火箭起飞漂移仿真轨迹，从而驱动虚拟仿真场景中的火箭，实现产品数字孪生体实例的生成和不断更新。将虚拟空间的火箭起飞前数字孪生体与真实产品进行关联，彼此通过统一的数据库实现数据交互。对于起飞过程中关注的可能会发生碰撞的单一地面设施，可以先通过测量该设施与火箭的角度，设置该角度为火箭起飞漂移的方向，这就相当于考虑了起飞中最坏的情况——火箭“冲着”该地面设施飞，并动态监测整个起飞过程中火箭与该设施的间距变化（通常是越来越小）。对于像活动发射平台上的脐带塔以及固定勤务塔，都可以采用该处理方法。图4-22所示为火箭向着脐带塔方向起飞的动态过程。对该火箭起飞出平台的过程进行数字化仿真，在仿真过程根据安全因子矩阵对危险点“尾翼-塔”和“尾翼-支撑臂”进行实时监控。图4-23（a）（c）为火箭起飞仿真过程中“尾翼-塔”危险点和“尾翼-支撑臂”危险点的距离情况。图4-23（b）（d）为监测距离1、2在火箭起飞过程中的变化曲线，说明火箭在此状态下起飞，此处安全。

图4-22　火箭朝向脐带塔起飞过程

图4-23　火箭箭—塔危险点监测数据

4.5.2.5　位姿优化与控制

通过火箭起飞安全性评估技术进行火箭的起飞安全性分析，根据分析结果对火箭姿态进行优化控制，其中火箭的初始姿态可以通过垂直度调整来实现。火箭姿态的调整实际上是火箭坐标系的调整，图4-24为某火箭示意图，包含多个模块，在每个模块上安装一个敏感元件，通过敏感元件测量出其安装基准面的不水平度值［69］。不同模块的发动机推力不一样，为了获得全箭综合不水平度，需引入基于模块推力大小的加权因子。根据各个模块的发动机推力的比值加权计算，获得全箭基准平面的综合不水平度。假定火箭的n个模块的加权因子为λi（i=1，2，…，n），每个模块的发动机推力为Fi（i=1，2，…，n），则

对n个敏感元件在箭体坐标系下的Y向和Z向输出值（i=1，2，…，n）进行加权计算，获得全箭基准平面的Y向和Z向综合不水平度值和：

图4-24　基于多支点的运载火箭支点示意图

由于每个模块坐标系相互耦合，在对单个模块的姿态进行垂调时，其他模块的姿态和综合不水平度均会发生变化，从而增加了垂调的难度。火箭的姿态控制采用基于多支点的自动化垂调方法来实现。方法如下：以Z轴为中心线，整体旋转。旋转方法为Z轴一侧的支撑臂按照与Z轴的垂直距离进行等比例升或者降，而另一侧支撑臂按照与Z轴的垂直距离进行等比例的降或者升。在火箭姿态调整过程中，火箭起飞安全系统实时采集火箭及地面设备信息，并对虚拟仿真平台中的孪生体进行实时更新。火箭姿态调整结束后，再次对火箭起飞安全性进行评估，形成闭环控制，反复优化修正，最终得到火箭最佳的初始姿态。

4.5.3　数字孪生火箭起飞安全系统运行机制

4.5.3.1　运行机制

主要从火箭初始姿态优化、起飞轨迹规划及优化和起飞安全性分析三个方面阐述数字孪生火箭起飞安全系统运行机制，如图4-25所示。

图4-25　基于数字孪生的火箭起飞安全系统运行机制

图4-25中阶段①是火箭起飞轨迹迭代优化过程，反映了火箭发射系统与火箭起飞安全系统的交互过程。当火箭发射系统接收到火箭起飞轨迹输入时，火箭起飞安全系统开始生成起飞漂移计算初始配置文件。火箭起飞安全系统获取火箭初始位姿、环境实时数据、火箭基本信息和误差分配等要素形成起飞漂移计算初始配置文件，然后对火箭起飞轨迹进行优化分析，将起飞轨迹优化分析结果及调控指令反馈给火箭发射物理环境。火箭发射系统根据调控指令对部分要素进行调整，将各影响要素调整到最佳状态，并再次将实时数据发送至火箭起飞安全系统进行分析和评估。如此反复迭代，最终生成火箭起飞的起飞漂移数据。阶段①产生的所有数据均存入火箭起飞分析孪生数据库中，并与现有数据融合，作为后续阶段的数据基础与驱动。

图4-25的阶段②是对火箭起飞漂移数据的迭代分析过程，反映了火箭起飞安全系统与虚拟仿真平台的交互过程。虚拟仿真平台接受上一阶段的火箭起飞漂移数据，在火箭发射环境实时数据、起飞安全性分析结果的历史数据和起飞漂移数据的驱动下，基于“几何—物理—行为—规则”等多个维度的模型对火箭起飞发射过程进行仿真、分析和优化。仿真系统给出火箭起飞过程中所有干涉区域、危险点和危险高度等。同时，系统可以给出不同故障模式下，火箭的起飞安全性。虚拟仿真系统将这些仿真结果反馈给火箭起飞安全系统，火箭起飞安全系统结合阶段①对起飞漂移数据重新进行优化和修正，并再次传递给虚拟仿真平台进行火箭起飞安全性分析，如此反复迭代，直到火箭起飞安全性满足发射要求。同样，阶段②产生的所有数据均存入火箭起飞分析孪生数据库中，并与现有数据融合，作为后续阶段的驱动。

图4-25中阶段③是对火箭初始姿态的实时调整过程，同时反映了火箭发射系统和虚拟仿真平台的交互过程。火箭发射系统接收到阶段②的姿态优化指令，生成火箭姿态调整策略，并驱动火箭初始姿态的调整。同时，火箭发射系统将相关实时数据传递给虚拟仿真平台，虚拟仿真平台根据火箭发射系统的实时状态对自身进行状态更新，形成与火箭姿态调整同步的实时在线仿真。虚拟仿真平台通过对不同来源的数据拟合火箭姿态并进行对比，对仿真过程中的扰动进行修正。虚拟仿真平台基于实时仿真数据、火箭实时姿态数据、历史发射数据等孪生数据，对火箭初始姿态、火箭起飞漂移数据和火箭起飞安全性进行评估、优化及预测等，并以姿态调整指令作用于火箭发射系统，对火箭姿态进行控制。如此反复迭代，直至火箭起飞安全。该阶段产生的数据存入火箭起飞安全性分析孪生数据库中，与现有数据融合后作为后续阶段的驱动。

通过以上阶段，火箭实现了起飞安全性分析，并将火箭初始姿态调整到最佳位置。通过各个阶段的迭代优化，火箭起飞安全性分析孪生数据被不断更新和扩充。

4.5.3.2　关键技术

（1）多源模型处理技术。

三维模型是基于数字孪生的火箭起飞安全性设计与分析的关键，火箭起飞安全性分析系统涉及火箭、地面设备和发射场设施等多个系统，各个系统采用的数字化设计软件与建模方式各不相同，包括Pro/E，UG，3DMAX，STP，CATIA，DELMIA等多种格式。不同来源的三维模型间存在着建模方式、数据结构、模型精度、模型单位制之间的巨大差异，必须建立一种适用于多源模型处理的方法，确保设计模型转换为仿真可接收的模型。同时，由于模型数据量巨大，即使在高性能计算机中，显示速度一般也比较慢，这样直接影响了火箭起飞安全性分析的仿真速度和仿真精度，因此，模型的轻量化处理需进一步研究。多源模型处理技术主要内容如图4-26所示。多源模型统一化主要分为Pro/E格式模型处理方法和非Pro/E格式模型处理方法。对于Pro/E格式模型可直接转换为CAT Product格式，将曲面组成的外形模型进行正确转换，以保证在平台中正常显示；对于非Pro/E格式模型采用中间模型格式转换，一般采用STEP，IGES或X_T格式。采用STEP中间格式转换时，需要选择第214种转换协议或者第203种扩展协议，转换后的仿真模型可能存在个别模型转换失败或者转换过程中出现变形的情况，需要对模型做进一步的处理，比如重新转换模型甚至建模。模型简易化处理主要采用冗余模型清理、包络简化处理和模型精度降级等方法，实现模型简易化，提高模型的仿真速度。

（2）起飞安全性评估技术。

火箭起飞安全是指火箭起飞过程中，火箭与地面设备不发生碰撞，且留有一定的安全余量。因此，起飞安全性评估的核心是计算火箭起飞过程中，箭体与地面设备之间的安全距离，是否会发生碰撞。起飞安全性评估技术包含起飞安全性评估和评估系统修正两部分。

图4-26　多源异构模型处理技术

数字化仿真技术实现了火箭基于起飞漂移量的起飞过程仿真，而数字化仿真过程的碰撞与干涉检测实现了火箭起飞安全性评估。实现干涉检测的关键在于，在三维模型仿真过程中，通过快速的几何包络区域计算，实时监听包络区域的碰撞与重叠事件，并求解出发生碰撞与重叠的区域，在图形中实时显示，发出示警。在火箭起飞过程数字化仿真中，采用实时数据驱动的数字孪生体模拟火箭的真实起飞过程，对危险部位及危险点的距离实施实时监控，当监控距离达到所设定阈值时，仿真平台会报警提示并停止仿真。基于起飞漂移的起飞过程仿真干涉检查流程如图4-27所示。

图4-27　基于起飞漂移的干涉检查流程

（3）多源数据融合与集成。

数字孪生驱动的火箭起飞安全性分析与控制过程中会产生大量的数据，如何保证数据的完整性与一致性，数据与数字孪生体的有效关联，准确便捷地进行数据的查询和追溯，是实现数字孪生驱动的火箭起飞安全性分析与控制的基础。多源数据的关联、融合与集成控制依托于火箭起飞安全系统基础环境中各个软硬件的有机整合，以实现数据的传递、数据的关联、数据的存储追溯和数据融合处理。数据传递控制是指仿真对象的关键数据由火箭模型、地面设备模型、发射工位模型、浅层风模型等数据源经数字化测量系统和调整设备传递至火箭，且不同类型和结构的数据需要被有效地整合和处理，如姿态数据与支臂载荷数据等，并针对不同的配合关系协调方法进行转化。数据存储追溯是指对数字孪生体所使用和产生的各类数据进行统一存储和结构化管理，从而支持有效的数据挖掘和信息利用，以满足分析优化和控制。数据融合显示是指将数据集成与融合的结果在三维可视化截面中显示，使仿真过程的监控和预测质量更高效。为了实现数据采集、关联及处理等功能，系统应具备数字化测量、数据处理和分析、三维可视化仿真三个功能［70］。数字化测量是指对火箭起飞前后实时数据的采集，主要包括火箭姿态数据、支臂高度数据、支臂载荷数据、摆杆摆角数据、浅层风、环境温度等。采用水平度传感器、拉线传感器、红外测距仪等不同测量方式实现系统实时数据的数字化测量。