陈月根
中国的载人航天工程经历了30年的发展，跨越了载人飞船-空间实验室-空间站三个台阶，走出了一条中国特色的载人航天之路，同时培育了特别能吃苦、特别能战斗、特别能攻关、特别能奉献的载人航天精神。本文回顾了921-3工程初期，五〇一部四室、六室和十室协同攻关，完成飞船CAD模装的情况。
CAD模装国际上称为DMU，这是1990年后才出现的新词。1994年5月，神舟飞船研制进入模装阶段，上级就要求实物模装和三维CAD模装同步进行。计划用半年时间完成神舟飞船三舱一段(返回舱、轨道舱、推进舱和过渡段)和整船的数字化模装(含管路、电缆布局)。标志是：完成飞船各舱段及整船的布局图输出；
完成管路、电缆长度计算及神舟飞船质量特性分析输出；
制作过程录像一部。面对任务要求，大家既信心满满，又忐忑不安，毕竟是五院历史上的第一次。
数字化模装涉及五〇一部四室(飞船总体)、六室(结构)和十室(CAD)3个研究室20多人协同工作。开展工作的前提是建立一个能满足多人协同工作的环境，保证不同工位的设计师能共享信息和协调彼此的关系。如何建设这样的环境？无经验可借鉴。
环境建设涉及场地、软件、硬件和网络4个要素，其中，最迫切解决的是硬件数量不足和软件功能缺失的困难。
当时的五〇一部只有6台可供使用三维CAD工作站，显然这与20多人协同工作有距离，即使分两班工作，也还差一半多。五〇一部不得不向五院计算机处发出了求助。
软件功能缺失有3点：一是缺少管路、电缆布局的功能模块；
二是缺乏复杂装配体干涉检查的软件；
三是不支持异质零件装配体的质量特性分析(当时的CAD软件都如此)。办法是：①暂用空间直线-曲线加扫描(Sweep)功能来替代；
②临时向软件公司借用一套名为Magvision的软件来解决；
③自行攻关，交由十室负责软件开发。
院计算机处得知五〇一部工作站不足的困难，很快从兄弟厂所借调了5台工作站，不到一周时间，11台工作站在北京海淀知春路设计部大楼六层机房内集中。十室的年轻人火速用简单的HUB和自制网线完成了工作站、打印机、绘图仪的硬件联网，并根据工作分工配置了总体、结构等6个数据库的逻辑名和物理地址，为每一个用户设置了注册账号和访问权限。至此，协同工作环境条件基本建成。
网络为信息流动提供了一个物理通道，真要让信息在不同工作站间有序、有效地流动，需要规则，否则就会打乱仗。就是说，信息流动需要“交通规则”，要解决数字模型的互认、互信和统一理解问题。
习惯于AutoCAD绘图的人都知道图号与计算机文件名往往不一致，其结果是无法根据图号找到相应的图纸。这种二元性给信息共享带来了极大的困难。因此，在协同环境下，必须先制订一个统一的命名规则，确保名称与模型一一对应，便于彼此“认识”。
协同环境中，各个工位都在不断地产生新模型、编辑原模型，同时，这些模型又在各工位间流动。传统的拷贝-共享方法破坏了模型的唯一性，必将引起技术状态混乱。必须有一个中心数据库来存储模型，并辅以严格的版本控制，甚至必要的状态冻结，确保模型的唯一性、有效性。唯此，才能保证装配与零件，模型与属性，管、缆布局与装配体的统一，便于彼此“信任”。
在三维CAD系统中，任何几何对象都存在于三维空间之中。同一零件在不同的坐标系中，其坐标位置、方位、质心和转动惯量的数值都不同。要保证团队内对位置、质心、转动惯量的统一理解，需要对坐标系有一个约定：统一采用右手系，规定XOY平面为零部件的安装平面，O点处于安装面的中心，便于彼此间有统一的“理解”。
一谈到技能，人们往往与工匠联系起来。其实，设计师也要有技能，一个现代设计师不掌握专业计算机软件的应用是不可想象的。
长久以来，设计师都习惯于在图板上绘制投影图来表达设计意图。上世纪80年代，掀起了甩弃绘图板运动，五〇一部用了5年的持续努力，1992年才普及了计算机辅助绘图(Drafting)的使用。现在要用半个月时间，实现二维到三维的转变，跨度确实有点大。它不仅要求学员快速适应新的软、硬件平台，更要在思维方式上，实现从平面几何到立体几何的升华。与二维制图不同，三维建模更类似于工厂中通过切削(或增材)加工，把毛坯逐步变成产品过程，两者的思维模式是不同的。
为期两周的培训工作开始了！十室负责授课和上机辅导，四、六室学员半天听课，半天上机。打开工作站，人们遇到的是一个完全陌生又不友好的Solaris的操作系统，没有菜单，全靠键盘输入命令。进入CAD系统后，复杂精细的功能分块、层层下翻的菜单结构、苦涩难记的专业单词和抽象无形的数据结构，给每个新学员一个下马威！尤其是曲面造型和控制更为抽象难以掌握。急用先学，培训重点集中于在人机交互方式下，掌握实体造型和管路、电缆造型的技能。学员们表现了良好的专业素质和职业坚守，经短期培训，这批年轻人勇敢地走进了机房，飞船的数字模装工作由此展开！
航天人常说为节省每一克重量(质量)而奋斗。在CAD模装中，却遇到另一个问题。当时的工作站只有16 MB的内存，与此相应，软件规定每个几何对象(Entity)，不论多么复杂，其总点数不得超过16 000。毫无疑问，这给不熟悉软件数据结构的新手们套上了一把无形的枷锁，因为理论上说，一条直线就包含无穷多个点，都可能把计算机内存占满。
问题来了，一个看起来并不复杂的发动机支架模型，占用了11 MB内存。在今天，11 MB算什么？在当时却是影响模装工作开展的拦路虎。照此下去，复杂零件建模会无法完成。要解决此问题，需优化建模过程，力求历程扁平化，如用镜象、阵列减少重复的拓扑操作；
广泛使用Bezier曲线替代习惯的多点描曲线；
实在不行，就利用分割和拼接技术，牺牲效率保成功。经过程优化，重新完成了前述支架的造型，一检查其只占用了13 KB的内存！
通过3个多月的奋战，设计师们已完成了飞船三舱一段的主结构、发动机组件及各仪器设备的三维建模工作，真正的布局设计开始了！
布局和装配工作是分舱段展开的。说实在，在图形显卡功能很弱的年代，在一块19英寸屏幕上，要完成4000多个零件的逐级装配，并在此基础上开展管路、电缆的布局是相当困难的。设计师不得不不断改变模型的视角，不断打开局部放大窗口，还要忍受随着装配体越来越复杂，系统反应越来越慢的煎熬。
与实物模装不同，数字化模装的结果必须经过干涉检查，以保证布局和装配的准确。检查分静态干涉和动态干涉两个方面进行，飞船及各舱段模型均经历了这种检查。由于涉及专用软件和特殊模块的使用，这部分工作完全由十室负责完成。
静态干涉检查的目的是弄清楚飞船内部是否存在干涉?其方法类似于CT扫描。人们先定义一个剖切平面，让平面沿指定方向步进扫描飞船模型，系统会在屏幕右上角上动态显示剖切飞船的截面图。一旦截面中发现有线段相交，则表示此处存在装配干涉，测量交叉线长度，可知道干涉深度。人们可在另一台工作站上及时修改相对位置，纠正原有的错误。显然，执行静态干涉检查，对计算机的要求极高，为提高装配效率，不得不临时借调了一台当时图形功能最强的Indigo-2工作站，在此工作站上完成了整船的检查。
动态干涉检查的目的是检查运动部件在运动过程中是否与周围零部件存在干涉?动态干涉检查要用到一个名为Mechanism的模块，让运动部件正常动起来，检查运动过程中其与周围零部件干涉情况。在返回舱检查过程中，及时发现了舱盖开启过程中与降落伞舱壁存在干涉隐患。
质量特性是航天器的重要属性。物体的体积、质量、质心、转动惯量计算是一个经典的力学问题，计算方法很成熟。但实际工作中，由于涉及大量繁杂的计算，尤其是转动惯量坐标的旋转变换更为令人头疼，极易出错。
商业软件为均质几何体的质量特性分析提供了解决办法，但实际上装配体中各零、部件不可能用同一材料制成，所以软件只解决了单个零件的质量特性计算问题，对仪器设备等组部件还得根据体积和质量折算成平均密度来进行计算。如何完整地计算出各级装配体的质量特性，成为飞船数字模装中的一个难题。突破此难题的关键是自动解析飞船的各级装配模型，并从中获取零部件名称、数量以及它们在装配体中的空间位置和方位角。有了上述信息，余下的工作就是逐一执行坐标变换好结果累加的工作，这是计算机最擅长的事！
要逐级解析复杂装配体的内部结构，采用人-机交互的方式是难以想象的，只能依靠二次开发语言来完成。翻阅满柜的编程手册，从中找出解析装配体数据结构的指令是困难的，经过多次试错，最终成功地提取了装配体中零件的名称、数量、地址和空间位置(坐标和转换矩阵)。就在人们以为胜利在望的时候，新问题出现了。实际上，当某个零件存在多个拷贝或镜象时，它们会有自己特定的空间位置和方位，可眼前得到的数据却完全相同，显然出错了！镜象与原零件本质上是两个不同的零件，解决此问题的方法简单，不准在装配状态下进行零件的镜象拷贝就行了。而如何从众多拷贝体中识别出每一个单体？却难住了软件开发者。苦思冥想好几天仍无思路，甚至CAD软件开发商也一时无法回答这样细节的问题。功夫不负有心人，经仔细分析，终于找出了它们的细微的差别。原来，每执行一次拷贝，系统自动会产生一个新的句柄，各拷贝体虽名称相同，但句柄并不一致。通过名称和句柄的结合，这道技术壁垒终于突破！软件经测试验证，就投入了使用。除了气、液、多层隔热材料需作一些处理外，飞船及各舱段的质量特性分析迅速完成。
成果：经过团队的同心奋斗，经历了零件造型、舱段装配、管路电缆布局、整船装配和定量分析4个阶段。11月26日视频编辑完成，它标志着历时半年多飞船CAD模装工作顺利结束。共构建了6个模型库总计4354个零部件的三维造型，实现了预定图形和文档的输出，一段9分钟的录像记录了模装的过程。更可喜的是通过此工作，培养了一批熟悉运用三维CAD技术进行型号设计的骨干人才。图1所示是921-3模装输出的整船装配图。
图1 921-3模装输出的整船装配图
优点：与传统的实物模装相比较，CAD模装不仅速度快、质量好、成本低，而且具有尺寸位置准确、便于多状态保存的特点。从此类数字模装模型中，人们可直接提取管、线长度和整船的质量特性，并根据用户的意愿随意输出所需的二维投影图。这些优点给人们以深刻的印象，显示了强大的生命力。当刘华清军委副主席和总公司领导来五〇一部视察时，本成果是展示汇报的内容之一。
后续应用：1996年，飞船研制进入初样设计阶段，为保证返回舱有必要的稳定裕度，迫切需要弄清楚结构的质心位置。为此，五○一部组织CAD室和结构室的有关同志完成了1200多张结构设计图的三维造型、装配，并在此基础上完成了质心计算工作。经过两个室共同努力，终于弄清楚了返回舱质心的实际情况，为总体室最后用综合方法解决质心、配重和轨道问题提供了依据。更可喜的是其中17个关键结构件，直接提供给529厂，成为CAD/CAM一体化生产加工的成功案例，返回舱装配模型成为整舱组合加工的数控编程依据。
时代在进步，技术在发展，30年前遇到的困难，现在已可轻而易举解决。但历史就是这样走过来的，真羡慕五院现在的年轻人，你们真幸福！
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