基于MBSE框架的模块化行星遮阳系统可行性评估方法研究

《Acta Astronautica》：An MBSE framework for the feasibility assessment of a modular Planetary Sunshade System

　　

摘要：提出了一种面向数字孪生（Digital Twin）的可追溯MBSE（基于模型的系统工程）框架，用于模块化行星遮阳系统（Planetary Sunshade System，PSS）的可行性评估。该框架支持从PSS任务需求与目标、功能分析及高层级需求，向配置特定需求、参数化尺寸设计与定量可行性指标的迭代细化。为验证该框架的适用性，研究人员选取了具有代表性的原型1（Prototype 1，P1）演示器配置，并利用参数化尺寸模型对其进行了初步可行性评估。研究结果表明，该框架能够实现高层级任务目标向可评估工程量的渐进式转化，并为未来数字孪生表示的更新迭代奠定基础。

一、研究背景与问题

全球气候变化日益严峻，太阳辐射管理（Solar Radiation Management，SRM）概念被提出作为减缓人为气候变化的潜在补充手段。其中，天基太阳地球工程方案——行星遮阳系统（Planetary Sunshade System，PSS）受到重新关注。该系统由部署在日-地/月质心（CoM）系统光引力平衡点L₁^*附近的太阳帆航天器群组成，通过部分遮挡入射太阳辐射来实现降温效果。然而，实现气候相关的遮阳效果需要前所未有的航天工程规模，包括等效遮阳面积约6.5×10⁶ km²、大量航天器数量、部署维护策略及长期可控性等挑战。直接实施全尺寸PSS缺乏现实可行性，必须通过渐进式发展路径推进。

尽管已有研究从不同角度探讨了遮阳概念，包括早期天基太阳辐射削减方案、L₁点附近小航天器云、最优遮阳配置、轨迹优化及光引力平衡轨道等，但结构化系统工程方法在PSS开发中的应用仍处于早期阶段。因此，需要一种系统化框架来支持从高层级概念向定量技术可行性评估的可追溯转化，同时为系统未来可更新的数字孪生表示奠定基础。

二、研究内容与意义

研究人员提出了一种面向数字孪生的MBSE框架，用于模块化PSS的可追溯、参数化可行性评估，并将其应用于代表性演示器配置。该框架将PSS任务需求与目标、功能分析及高层级需求，与配置特定需求、参数化尺寸设计和定量可行性指标相连接，使高层级任务目标能够渐进转化为可评估的工程量和子系统级设计约束。这一框架的提出填补了结构化系统工程方法在PSS开发中应用的空白，为PSS从概念到工程实现的渐进式发展提供了方法论支撑。

三、关键技术方法

研究人员采用了以下主要技术方法：一是基于模型的系统工程（MBSE）框架，在Innoslate平台上实现，通过trace、refine、derive、satisfy、verify、source和specify等关系类型连接需求、架构、分析和度量；二是参数化尺寸建模方法，将参考任务和配置输入转化为质量、体积、功率、通信和AOCS相关输出；三是参考轨迹建模，采用光引力圆型限制性三体问题（PCR3BP）模型，在L₁^*附近建模参考轨道；四是预算模型分析，包括质量预算、功率预算、通信链路预算、AOCS力矩分析、帆面积尺寸和配置评估等。

四、研究结果

4.1 模块化PSS概念与参考架构

研究确立了模块化分布式架构，包含基线模块（Baseline Module，BM）和母舰模块（Mothership Module，MM）两类主要空间段元素，以及地面段支持任务运行。BM作为可重复的构建单元，通过星间链路（ISL）通信；MM作为高层级协调和中继元素，支持分布式运行、数据聚合和与地面段的通信。同时定义了四种参考配置族：原型1（P1）、原型2（P2）、BM和MM，其中P1为早期前驱演示器，P2为更大规模演示器，BM和MM为目标全尺寸架构元素。

4.2 MBSE框架结构

框架组织为三个连接层级：第一层定义PSS高层级任务逻辑，包括任务需求、任务陈述、任务目标、任务需求、功能和功能需求；第二层将PSS级功能需求分配给宏架构元素，保持全尺寸PSS架构与前驱任务配置的区分；第三层引入配置特定实现分支，将系统和子系统需求与物理架构元素、分析工件和可行性度量相连接。

4.3 P1参数化尺寸与分析模型

P1的初步可行性评估通过参数化尺寸模型实现，该模型作为分析工件连接到MBSE环境。参考轨道建模于光引力PCR3BP框架中，位于L₁^*附近，理想光参数β=0.0349，使L₁^*位于距地球约2.364×10⁶ km处。P1基于CubeSat级和近期技术，其演示目标包括：在L₁^*附近进行可扩展系统运行，包括基于太阳帆的姿态和轨道控制；以及光学帆材料在L₁^*环境中的长期性能评估。参数化模型将参考假设转化为质量、体积、功率、通信和AOCS相关输出，存储在MBSE模型中作为度量，并与相应的P1需求、物理架构元素和分析工件相连接。

五、讨论与结论

讨论部分指出，该框架的可行性结果是在定义假设条件下获得的参考度量，而非固定最终设计。由于尺寸模型是参数化的，帆尺寸、子系统功率需求、通信架构、执行器选择、余量政策或配置约束等假设均可修改并重新评估。MBSE框架保持这些更新对需求、架构元素、分析工件和度量的可追溯性，使框架适用于配置间的迭代比较，并为未来向P2、BM和MM的扩展奠定基础。

研究结论表明，所提出的MBSE框架成功实现了从PSS高层级任务逻辑到配置特定实现的可追溯流程，通过P1应用案例验证了框架的适用性。该框架支持迭代可行性细化，为模块化PSS的渐进式发展提供了方法论基础，并为未来可更新的数字孪生表示建立了结构化环境。P2、BM和MM的详细实现分支留待未来研究发展。