Conceptual design of surface-to-air missile based on MBSE

doi:10.11996/JG.j.2095-302X.2024020268

Abstract

Abstract:

To accommodate future demands for large-scale complex system design and functional analysis, the concept of model-based systems engineering (MBSE) was introduced in missile design, and an MBSE-based conceptual design process for surface-to-air missiles was proposed. Firstly, stakeholder requirements for surface-to-air missiles were clarified, and missile mission scenarios were defined. Functional analysis was then conducted based on design requirements, utilizing missile mission scenarios for functional decomposition, and completing the transformation from requirements to functions. Based on the system functions of the missile, the missile’s architecture composition was mapped, and the logical and physical architecture design of the surface-to-air missile system was carried out. Finally, the conceptual design scheme for the missile was formulated, and verification and optimization were performed for the missile scheme, thereby preliminarily achieving the conceptual design process for surface-to-air missiles.

Key words: MBSE, requirement analysis, architecture design, missile design

CLC Number:

TP391

SU Hu, FANG Shizhe, TIAN Kunxiao, GONG Chunlin. Conceptual design of surface-to-air missile based on MBSE[J]. Journal of Graphics, 2024, 45(2): 268-276.

Figures/Tables 18

References 15

[1]	罗松, 魏榕祥, 林资平, 等. 基于模型的系统工程(MBSE)应用于飞机概念设计探讨[J]. 教练机, 2017(2): 53-57.
	LUO S, WEI R X, LIN Z P, et al. Study of the application of model based system engineering in aircraft conceptual design[J]. Trainer, 2017(2): 53-57 (in Chinese).
[2]	桑婉霞, 刘灿明. 一种舱内/月面兼用登月航天服总体概念设计[J]. 航天器环境工程, 2021, 38(6): 655-661.
	SANG W X, LIU C M. Conceptual design of dual-purpose lunar EVA spacesuit[J]. Spacecraft Environment Engineering, 2021, 38(6): 655-661 (in Chinese).
[3]	关锋, 葛平, 周国栋, 等. MBSE发展趋势与中国探月工程并行协同论证[J]. 空间科学学报, 2022, 42(2): 183-190.
	GUAN F, GE P, ZHOU G D, et al. Development trend of MBSE and investigation of concurrent collaborative demonstration for Chinese lunar exploration program[J]. Chinese Journal of Space Science, 2022, 42(2): 183-190 (in Chinese). DOI URL
[4]	于国斌. 深空探测任务协同的系统工程方法应用及趋势[J]. 深空探测学报: 中英文, 2021, 8(4): 407-415.
	YU G B. Application and trend of model-based systems engineering methods for deep space exploration mission[J]. Journal of Deep Space Exploration, 2021, 8(4): 407-415 (in Chinese). DOI
[5]	朱一凡, 王涛, 黄美根. NASA系统工程手册[M]. 北京: 电子工业出版社, 2012: 1-336.
	ZHU Y F, WANG T, HUANG M G. NASA systems engineering handbook[M]. Beijing: Publishing House of Electronics Industry, 2012: 1-336 (in Chinese).
[6]	CASTET J F, BAREH M, NUNES J, et al. Failure analysis and products in a model-based environment[C]// 2018 IEEE Aerospace Conference. New York: IEEE Press, 2018: 1-13.
[7]	KHAN M O, DUBOS G F, TIRONA J, et al. Model-based verification and validation of the SMAP uplink processes[C]// 2013 IEEE Aerospace Conference. New York: IEEE Press, 2013: 1-9.
[8]	MCVITTIE T I, SINDIY O V, SIMPSON K A. Model-based system engineering of the Orion flight test 1 end-to-end information system[C]// 2012 IEEE Aerospace Conference. New York: IEEE Press, 2012: 1-11.
[9]	种婧宜, 周昊澄, 袁文强, 等. 基于SysML的通信卫星故障分析方法研究[J]. 计算机仿真, 2022, 39(3): 57-61, 390.
	CHONG J Y, ZHOU H C, YUAN W Q, et al. Research on fault analysis method of communication satellite based on SysML[J]. Computer Simulation, 2022, 39(3): 57-61, 390 (in Chinese).
[10]	邵健. 基于MBSE的航天任务分析与设计方法[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学, 2015: 20-31.
	SHAO J. Using model-based systems engineering for space mission analysis and design[D]. Harbin: Harbin Institute of Technology, 2015: 20-31 (in Chinese).
[11]	薛威, 贾超群, 李雯, 等. 基于MBSE在航空电子通信系统中的应用[J]. 电子科技, 2016, 29(5): 45-48.
	XUE W, JIA C Q, LI W, et al. Application of MBSE in avionics communication systems[J]. Electronic Science and Technology, 2016, 29(5): 45-48 (in Chinese).
[12]	焦洪臣, 雷勇, 张宏宇, 等. 基于MBSE的航天器系统建模分析与设计研制方法探索[J]. 系统工程与电子技术, 2021, 43(9): 2516-2525. DOI
	JIAO H C, LEI Y, ZHANG H Y, et al. Research on modeling and design method of spacecraft system based on MBSE[J]. Systems Engineering and Electronics, 2021, 43(9): 2516-2525 (in Chinese). DOI
[13]	葛宇, 周传君, 丁勤, 等. 面向敏捷研制的小卫星全过程产品保证管理[J]. 航天器工程, 2021, 30(6): 177-181.
	GE Y, ZHOU C J, DING Q, et al. Full-process product assurance management for agile development of small satellite[J]. Spacecraft Engineering, 2021, 30(6): 177-181 (in Chinese).
[14]	石硕. 基于MBSE的遥感卫星多学科设计优化研究[D]. 杭州: 杭州电子科技大学, 2022.
	SHI S. Research on multidisciplinary design optimization of remote sensing satellite based on MBSE[D]. Hangzhou: Hangzhou Dianzi University, 2022 (in Chinese).
[15]	胡京煜. 基于模型的系统工程方法在导弹总体设计中应用[J]. 科技与创新, 2019(11): 153-155.
	HU J Y. Application of system engineering method based on model in missile overall design[J]. Science and Technology & Innovation, 2019(11): 153-155 (in Chinese).

第3层逻辑组件	逻辑参数
一级动力装置	总冲，发动机类型
二级动力装置	总冲，发动机类型
毁伤装置	战斗部类型，威力参数
触发控制装置	引信类型，触发时间
制导装置	导引头类型，探测距离，探测精度
控制装置	控制形式
导航装置	导航类型
外形结构	布局形式，结构形式，升阻性能

第3层逻辑组件	逻辑参数
一级动力装置	总冲，发动机类型
二级动力装置	总冲，发动机类型
毁伤装置	战斗部类型，威力参数
触发控制装置	引信类型，触发时间
制导装置	导引头类型，探测距离，探测精度
控制装置	控制形式
导航装置	导航类型
外形结构	布局形式，结构形式，升阻性能

物理组件	物理参数	物理组件	物理参数
固体火箭发动机	发动机质量	弹头	形状
	发动机长度	弹身	长度
	推进剂类型		直径
	推进剂质量		结构质量
	质量比	翼	面积
	推力		后掠角
	工作时间		根梢比
液体冲压火箭发动机	发动机质量		展弦比
	发动机长度		位置
	推进剂类型		质量
	推进剂质量	舵	面积
	比冲		后掠角
	推力		根梢比
破片战斗部	战斗部质量		展弦比
	长度		位置
	装药类型		质量
主动雷达导引头	质量	电池	质量
主动雷达导引头	体积	电池	体积
弹头	长度	弹上设备	质量

物理组件	物理参数	物理组件	物理参数
固体火箭发动机	发动机质量	弹头	形状
	发动机长度	弹身	长度
	推进剂类型		直径
	推进剂质量		结构质量
	质量比	翼	面积
	推力		后掠角
	工作时间		根梢比
液体冲压火箭发动机	发动机质量		展弦比
	发动机长度		位置
	推进剂类型		质量
	推进剂质量	舵	面积
	比冲		后掠角
	推力		根梢比
破片战斗部	战斗部质量		展弦比
	长度		位置
	装药类型		质量
主动雷达导引头	质量	电池	质量
主动雷达导引头	体积	电池	体积
弹头	长度	弹上设备	质量

变量		初值	优化值
设计变量	弹径/m	0.6	0.63
	翼根弦长/m	4	3.8
	翼梢弦长/m	3	1.6
	后掠角/°	60	72
	展长/m	0.3	0.28
	燃料质量/kg	1730	1328
	燃料质量/kg	851	744
	迎风高度/m	0.3	0.315
目标函数	起飞质量/kg	3037.8	2565.3
设计约束	射程/kg	2175.2	2008.4
	弹长/m	9.84	8.11
	起飞质量/kg	3037.8	2565.3