電磁軌道炮設計-基於模型的系統工程（20181001更新）

• 2019 年 10 月 6 日
• 筆記

作者 Dirk Zwemer 原文鏈接： http://intercax.com/2018/07/19/mbse-for-railgun-design-part-1/

本文的目的是展示如何組合一些工具來協作設計一款新的武器系統——電磁軌道炮（electromagnetic railgun）。使用的技術和工具有：SysML架構建模(MagicDraw或Rhapsody)、基於物理的分析(Mathematica和Simulink)、機械CAD (NX)和需求管理(Jama)。這些工具由兩個Intercax工具連接起來——MBSE平台Syndeia和參數解決方案ParaMagic (用於MagicDraw) 和Melody (用於Rhapsody)。

圖 1 電磁軌道炮的簡單物理原理

圖1展示了電磁軌道炮最基本的形式。直流電脈衝的環路上包括兩根導電的軌道和一個跨接在軌道上的可移動電樞。通過軌道的電流產生的磁場B和通過電樞的同一電流I交互產生了一個作用在電樞上的橫向力F。如果電樞允許沿著軌道滑動，它就可以帶著炮彈，把炮彈從軌道的一端發射向目標。

炮彈獲得的出口速度(千米/秒)和動能(兆焦，MJ)可以達到或超過傳統的大炮，而且沒有傳統爆炸推進物的成本和處置風險。已經有實驗系統報告出口速度>3千米/秒，動能>30MJ。

軌道炮領域建模

圖2 軌道炮領域，MagicDraw畫的塊定義圖

圖2展示了軌道炮領域的組成，包括：

• Platform（平台）,容納軌道炮的SoS（系統的系統）。可以是車輛、陸地或艦船。通過特化BattleTank（戰鬥坦克）、LandMount和Ship表示，包含的部件類型為ControlStation（控制站）、ProjectileStorage（彈倉）和AC_PowerSource（交流電源）(軌道炮的一個前提是大功率電源，特別是開火間隔很短時)。 • Railgun，SOI（感興趣的系統）。後面我們會建模SOI的內部結構。 • Users（用戶），至少有軌道炮的Operator（操作員）和指揮使用的Platform Commander（平台指揮官）。注意，Operator的用例主要和對目標開火相關，Platform Commander的用例和維持和保護平台的存活相關。

圖3 序列圖

我們可以使用SysML的行為建模能力來捕獲操作場景。圖3是描述開火操作的序列圖，通過控制站、軌道炮和彈倉之間的一系列事務達到。領域的所有部件在圖2描述。軌道炮的一個特徵是需要很短時間（幾毫秒）內的大電流(兆安)。大電流由儲能裝置提供，例如電容。用持續的電源給電容慢慢充電，在開火時快速放電。這個充電-開火周期必須在操作場景中描述。

圖4 狀態機，軌道炮

同樣的周期由Railgun塊的狀態機圖捕獲如圖4。在系統被關閉之前，進入Discharging（放電中）狀態。注意圖4是SOI的行為，而圖3是整個領域的行為。不過，它們通過圖3中Railgun生命線上的狀態不變數符號鏈接起來，展示了操作場景不同階段的軌道炮狀態。

圖5 軌道炮輸入，內部塊圖，MagicDraw繪製

最後，我們需要考慮軌道炮需要的輸入。用SysML IBD (內部塊圖)在非常抽象的級別概括如圖5。Railgun需要從Platform獲得:

• 電力 (本例為AC) • 操作指令(參見圖3消息) • 導航資訊 • 炮彈重裝

圖6 Jama需求和 SysML約束塊。紅線表示 Syndeia引用連接

我們在Jama中創建和管理主需求列表，但是我們要把它鏈接到其他用來驗證需求的系統設計和分析模型。有許多方法，我們選擇構造SysML中的約束塊，來為某些性能需求提供直接的數學測試，並且創建Syndeia引用連接到Jama中的需求(圖6)。

例如，圖6中的Jama需求"炮彈能量應大於或等於5MJ"，連接到SysML條件約束, "verdict = if(actual < 5, 0,1)"，該約束返回兩種結果：真實能量<5MJ時返回0或fail；否則返回1或pass。出口速度需求的測試稍微複雜一點，條件需要速率3千米/秒和品質=1公斤。

Syndeia中的引用連接不在兩個模型元素之間共享或複製數據。即使分享或複製，以參數約束和參數的術語解析文本需求的能力在SysML中也沒有標準化。但是，當需求倉儲處於版本管理之下時，例如在Jama或DOORS NG中，Syndeia可以跨越引用連接檢測到新的版本，使得SysML建模人員發現變更，訪問新版本並手工更新約束。

圖7 軌道炮分解，SysML塊定義圖

得到需求之後，我們可以開始在SysML中建造軌道炮系統架構。圖7中，我們分解軌道炮為電力、軌道和炮彈子系統。

電力子系統進一步分解為： • AC_DC_Converter（交流直流轉化器），轉換持續的交流電為直流電。 • Capacitor（電容），存儲能量，直到通過電源開關放電給軌道系統。 • Power_Switch（電源開關）。

這個階段，RailSystem（軌道系統）只包含兩條軌道和電樞。我們為電樞使用引用屬性，該屬性是炮彈子系統的一部分。

建模連接性和幾何學

塊定義圖（圖7）展示RailGun系統的組合，相關的內部塊圖（圖8）展示系統內部的連接性。埠上規定了每個部件或子系統的輸入和輸出類型。埠由連接器鏈接起來。下文我們將會討論到，這個模型可以作為MATLAB Simulink分析模型的模型變換的基礎。

圖8 RailGun內部連接，SysML內部塊圖

在設計流程，機械CAD將用於設計各個組件，包括關鍵的軌道。圖9中，用NX設計了一個U型槽梁的3D CAD模型，它將作為軌道的代表。決定軌道炮性能的一個關鍵參數是軌道長度。

圖9 3D CAD 設計, 軌道炮軌梁 (Siemens NX)。插入了SysML參數圖，鏈接到model1，z軸1毫米相當於軌道長度1米

使用Syndeia，我們可以通過模型變換連接，從NX中的CAD模型創建包含關鍵CAD參數的SysML塊，標為model1，放在圖9的底部。該塊包含一個值屬性的集合，其預設值來自CAD設計。這些值包括品質、體積、重心和Bounding Box的尺寸。如果設計變更，Syndeia允許從CAD文件更新SysML值。NX不允許反向更新，因為這些是計算得來的值，不能從外部覆寫。

圖9中，model1鏈接到Rail，但我們需要確切說明Rail中的length參數如何和model1的尺寸相連。為此我們插入一個SysML參數圖到圖9，該圖連接到右上角CAD部件邊框的z尺寸。參數約束也把單位轉換結合到模型中，從CAD文件中的毫米到SysML和分析模型中的米。設計時，軌道長度的變更自動轉換到正確的單位。

軌道炮分析

整合架構、設計和分析的一個常見問題是保持來自三個領域的模型一致。在開發過程中，如果持續變更，保持一致就比較麻煩。有兩個解決問題的基本方法。

· 內在的

我們可以把分析和模擬模型嵌入到架構模型中。例如，SysML有參數模型元素，可以連接值屬性和約束，有工具可以執行這些模型，並返回結果到SysML模型。

這個方法的優勢是架構和分析緊密耦合在同一工具中，使得分析容易被系統工程師把握。不過，架構建模工具通常對於分析和模擬來說不是最理想的，分析專家對放棄他們熟悉的專業工具持反感態度。

· 外在的

另一個方法是模型變換，即用一部分架構模型來在模擬工具中創建全等的模型。分析師向這個初始模型添加可執行的模擬所需的公式和其他基礎設施。因為架構和分析模型可以變更和分叉，這需要比較和更新模型的機制。

圖10 分層的Railgun分析方案

圖10表達了內在分析的方法。使用較低保真度的近似捕獲為SysML參數模型。灰色塊代表系統組件或子系統，綠色塊持有分析的約束公式。系統組件塊持有組件的靜態特徵值，例如品質或電阻。在這個模型中，軌道長度來自CAD模型，通過參數連接和單位換算展示在同一圖中。分析塊持有約束以及分析的最終或中間值，例如炮彈能量或初速度，並引用組件塊以獲得靜態值。

圖11 SysML參數圖，Projectile Performance塊

待續……

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