面向產品的低成本快速設計制造技術研究

◎北京宇航系統(tǒng)工程研究所 羅恒 陳海鵬中國航天科技集團公司 褚洪杰

面向產品的低成本快速設計制造技術研究

◎北京宇航系統(tǒng)工程研究所 羅恒 陳海鵬中國航天科技集團公司 褚洪杰

未來10年全球商業(yè)衛(wèi)星發(fā)射市場需求繼續(xù)保持強勁，以空間太陽能電站為代表的重大工程需要大規(guī)模的運載能力、高效率的發(fā)射能力，同時低成本商業(yè)太空旅游近年來成為熱點。21世紀以來，尤其是近5年來世界主要航天國家均把低成本作為運載火箭的重要發(fā)展方向，并且在總體方案優(yōu)化、專項技術發(fā)展等方面作出了很大努力。

一、國際運載火箭低成本措施

1．合理規(guī)劃運載能力，采用模塊化設計思路

Ariane 5和Ariane 6火箭的不同境遇很好地詮釋了型譜規(guī)劃的重要性。Ariane 5系列火箭運載能力過大，單星發(fā)射運載能力富裕較多，雙星發(fā)射用戶協(xié)調較為困難。Ariane 6瞄準以一箭一星或一箭雙星方式發(fā)射5噸級衛(wèi)星，6.2構型的地球同步轉移軌道（GTO）運載能力5噸，年發(fā)射9次情況下發(fā)射價格為6500萬歐元；6.4構型的GTO運載能力11噸，年發(fā)射9次情況下發(fā)射價格為8500萬歐元，既能滿足國際商業(yè)發(fā)射需求，同時可大幅降低單位載荷的發(fā)射成本。

火箭產品模塊化設計是降低運載火箭成本的有效措施。H-2A火箭采用通用的分系統(tǒng)和組件，通過不同配置組成不同型號來滿足多軌道發(fā)射需要，單次發(fā)射費用從H-2火箭的1.7億美元降低至8500萬美元；Angala系列運載火箭采用模塊化設計、漸進式分階段研制思路，其國際商業(yè)衛(wèi)星發(fā)射價格為1500～9000萬美元；美國未來新一代中型運載火箭Vulcon通過捆綁不同數(shù)量的助推器實現(xiàn)合理的運載能力梯度。

2．簡化系統(tǒng)方案，采用繼承性設計

Delta 4系列運載火箭采用的RS-68發(fā)動機與航天飛機主發(fā)動機相比減少了80%的零部件，其成本降低了近80%；Ariane 6火箭將捆綁不同數(shù)量的較為簡單的固體助推器，在繼承Ariane火箭高可靠性的同時，也力爭降低研制成本。

Vulcon火箭將繼承Atlas 5火箭的大量成熟技術；Falcon 9火箭采用簡單可靠低成本的液氧煤油發(fā)動機、成熟的2198鋁鋰合金以及攪拌摩擦焊技術；重型運載火箭SLS Block 1型充分利用航天飛機主發(fā)動機、Delta 4火箭上面級發(fā)動機和航天飛機固體助推器組件；Antares火箭一子級采用AJ-26發(fā)動機，其前身即前蘇聯(lián)N-1火箭的NK-33發(fā)動機；2013年成功首飛的Epsilon火箭第一級采用H-2A和H-2B火箭的SRB-A發(fā)動機，借助批量生產實現(xiàn)低成本化目的。

3．采用新技術降低成本

技術創(chuàng)新是運載火箭降低成本的有效手段。Epsilon火箭通過采用最新材料減輕纖維纏繞助推器殼體的重量并簡化制造過程，將復雜的壓熱器改造為加熱爐，進一步降低成本，提高性能；J-2X發(fā)動機的主承包商洛克達因公司利用先進3D打印工藝建造用于發(fā)動機的排氣孔蓋，極大地縮短了生產時間，降低了成本；Falcon 9火箭在箭體結構設計上采用CAD/CAM一體化柔性制造技術，使得工裝數(shù)量大大減少，由于廣泛采用數(shù)控加工技術，產品的可移植性好，可靠性也高。

4．引入市場化競爭

后航天飛機時代，商業(yè)軌道運輸系統(tǒng)已成為美國近地軌道運輸?shù)闹匾绞?，以SpaceX為 代表的私營公司改變了整個國際商業(yè)發(fā)射服務市場的格局。未來歐洲運載火箭的研制生產與運營也將完全由私營企業(yè)承擔，日本也計劃引入民營企業(yè)參與H-3火箭項目研制。

二、我國低成本火箭存在的差距

1．價格優(yōu)勢逐漸削弱

在國際商業(yè)發(fā)射服務市場，“長征”系列運載火箭一直以較高的性價比吸引用戶。但是隨著中國經(jīng)濟總量的快速擴張、經(jīng)濟結構的轉變、人民幣匯率不斷攀升以及原材料和人力成本的不斷上升，“長征”系列火箭的價格上漲勢在必行。與此同時國際衛(wèi)星發(fā)射市場競爭日趨白熱化，F(xiàn)alcon 9火箭的發(fā)射費用為5400萬美元左右，可提供包括任務綜合費用、發(fā)射場費用和附加費用的全套發(fā)射服務，發(fā)射成本顯著降低。

2．通用化、系列化和組合化水平較低

在運載火箭研制項目中，波音公司、洛克希德·馬丁公司、阿里安航天公司等采用矩陣管理的方式，項目管理人員既要向項目經(jīng)理負責，也要向本部門領導負責，一個成員可同時參與多個項目，對單機產品高度重視，確保產品通用化、系列化和組合化設計。我國傳統(tǒng)的航天裝備科研生產以型號任務為牽引，自下而上逐級開展設計、分析、試驗、考核、驗收、交付等工作，通用化、系列化、組合化的思路雖然早已提出，但缺乏系統(tǒng)、全面的產品化組織機制，導致當前的航天裝備科研生產存在相似產品重復研制，產品化程度偏低。

3．發(fā)射模式單一

“長征”系列運載火箭對外發(fā)射服務的測試發(fā)射成本占發(fā)射服務總報價的約34%，這其中發(fā)射場成本占據(jù)了大部分，國外主流運載火箭的測試發(fā)射成本僅占發(fā)射服務總報價的15%左右。由于發(fā)射場和地面固定發(fā)射費用較高，通過采用空中發(fā)射等方式可顯著降低發(fā)射場使用成本。

4．工藝水平落后

我國新一代運載火箭研制正在開展三維制造下廠，但技術成熟度尚存在差距。航天焊接技術整體水平相對落后，自動化程度較低，針對新材料的焊接技術研究較少。

5．市場化程度不足

目前，我國航天事業(yè)依然采用政府導向的舉國體制，航天領域未向市場和私營企業(yè)開放，在一定程度上削弱了創(chuàng)新，破壞了整個產業(yè)的長遠健康發(fā)展。

三、初步規(guī)劃與技術改進思路

鑒于低成本是一個既包含型號頂層設計，也包含系統(tǒng)集成，既涉及到設計、生產、試驗、運輸、發(fā)射、測控等技術環(huán)節(jié)，也包含管理思路的綜合問題，各項措施既涉及到降低成本、快速生產與制造，也涉及到技術先進性，帶有極強的技術復雜性和前瞻性。筆者初步提出四維一體的規(guī)劃思路，即以低成本快速設計與制造工程為中心，從全系統(tǒng)、全壽命、分步驟、多角度4個維度對低成本工程進行拓展（見圖1）。

根據(jù)四維一體的規(guī)劃思路，針對型號全箭、總體分系統(tǒng)、單機3個層面開展低成本快速設計與制造能力規(guī)劃（見圖2）。

根據(jù)初步規(guī)劃，對運載火箭在設計、生產、試驗、運輸、發(fā)射、測控、管理環(huán)節(jié)提出了技術改進思路

圖1 低成本快速設計與制造工程規(guī)劃示意圖

1．設計環(huán)節(jié)

低成本設計是降低成本的源頭，未來可在以下幾個方面開展工作：

總體可開展精細化設計和基于源數(shù)據(jù)的多專業(yè)聯(lián)合仿真，優(yōu)化各專業(yè)設計余量；探索火箭部段級可控回收，最終實現(xiàn)可重復使用。電氣系統(tǒng)可簡化系統(tǒng)冗余方案，研究單表級冗余代替系統(tǒng)級冗余；統(tǒng)一箭上測試發(fā)射控制和供配電設計，簡化箭上接口設計，提升測量手段，采用無線傳輸技術、光纖傳感器等。箭體結構可統(tǒng)一現(xiàn)有火箭機械接口，減少接口種類；開展基于工藝的閉環(huán)設計，降低工藝難度；實現(xiàn)設計部件標準化，減少產品種類。動力系統(tǒng)可選用增生增壓、排放預冷、虹吸式出流裝置等簡化方案。發(fā)射支持系統(tǒng)可探索簡化地面設備，取消箭體垂直度調整系統(tǒng)，取消箭上瞄準玻璃；設計通用吊具，減少吊具數(shù)量。

2．生產與試驗環(huán)節(jié)

探索采用貯箱箱底旋壓整體成型技術，改進貯箱焊接工藝，采用大厚度板材代替鍛件工藝與激光增材制造技術，提高生產效率，降低生產成本。

各系統(tǒng)可探索采用批抽檢方式代替現(xiàn)有的全樣驗收方式；電氣系統(tǒng)可探索取消單元測試、匹配測試，縮短發(fā)射場的測試流程；動力系統(tǒng)可優(yōu)化氫系統(tǒng)用氦量，減少氣瓶置換次數(shù)，合并貯箱蒸發(fā)量試驗、增壓試驗、動力系統(tǒng)試車等試驗項目。

3．運輸、發(fā)射、測控環(huán)節(jié)

統(tǒng)一公路運輸設備，提高產品的通用性，減少產品配套種類和數(shù)量。

優(yōu)化發(fā)射場流程，簡化發(fā)射場設施設備，取消地面瞄準系統(tǒng)，采用箭上自瞄方案，減少人力資源成本和時間成本。

取消地基遙測，通過回收和天基遙測獲取遙測數(shù)據(jù)；取消起飛段高速攝影，簡化外測系統(tǒng)。

4．管理環(huán)節(jié)

對型號可統(tǒng)一技術狀態(tài)，組批投產；統(tǒng)一力學環(huán)境條件和箭上測量系統(tǒng)的傳感器與變換器選型，推進產品化進程；部分產品適度引入競爭，采用雙定點配套或者全球采購，通過市場化進一步降低成本。

圖2 型號低成本快速設計與制造能力規(guī)劃

四、未來重點發(fā)展方向

1．低成本固液混合運載火箭構型

固體助推器具有結構簡單、活動部件少、研制周期短、研制成本相對較低、可靠性高、維護簡單等優(yōu)點，被世界各國普遍采用，我國尚未大規(guī)模應用固體助推器。未來可探索將固體、液體發(fā)動機的優(yōu)勢結合起來，形成在技術、成本上都具有一定可行性的運載火箭總體構型，并帶動固體、液體火箭發(fā)動機技術發(fā)展。研究內容包括：瞄準太陽同步軌道運載能力不低于4噸，地球同步轉移軌道運載能力不低于6噸，全面降低運載火箭成本，形成總體構型論證方案；針對捆綁固體助推器構型，在固體助推器分離技術、固體助推器捆綁技術、力熱環(huán)境預示技術方向開展研究；針對固體芯一級技術、芯級固體狀態(tài)下關鍵技術開展研究。

2．遠程分布式測試發(fā)射技術

遠程分布式測試發(fā)射系統(tǒng)是實現(xiàn)航天運輸系統(tǒng)低成本、快速制造、測試及發(fā)射的關鍵環(huán)節(jié)，通過異地協(xié)同，提高測試發(fā)射效率，降低人力、物力資源保障成本，對運載火箭發(fā)射場總裝和測試全過程的管理、監(jiān)控、判讀、故障分析一體化。研究內容包括：信息遠程傳遞和發(fā)布技術；現(xiàn)場互動協(xié)調及視頻部署技術；遠程協(xié)同故障診斷技術；多策略故障診斷推理技術； IETM虛擬樣機信息管理技術。

3．快速測試與發(fā)射技術

我國現(xiàn)有“長征”火箭均采用固定塔架發(fā)射方式，發(fā)射準備周期長，與快速進入空間以及航天運輸系統(tǒng)低成本的需求相比還有很大差距。通過利用先進測試技術縮短測試發(fā)射流程，從根本上降低物資和人員保障成本，提升火箭發(fā)射的效率和經(jīng)濟性。研究內容包括：發(fā)射場電氣系統(tǒng)測試發(fā)射流程優(yōu)化技術；測試數(shù)據(jù)快速判讀技術；簡化的箭地接口設計技術；射前準備自動化設計技術；地面發(fā)射系統(tǒng)集成化技術。

4．發(fā)動機任務適應性設計技術

多星發(fā)射、多任務集成、多軌道適應性、多任務適應性等都考驗著火箭的適應能力。如果一發(fā)火箭或者多模塊組合火箭同時具有上述能力，就可以實現(xiàn)規(guī)模生產，進一步降低費用。研究內容包括：發(fā)動機飛行任務適應性設計技術；液氧煤油發(fā)動機性能提升技術；低溫火箭加注后推遲24小時發(fā)射技術；降低發(fā)動機使用維護成本綜合研究。

5．高可靠電氣產品和測試技術

隨著技術的飛速發(fā)展，目前民用產品的性能和功能已經(jīng)達到甚至超過軍用及航天標準要求，未來只需在民用產品基礎上進一步開發(fā)適應軍用環(huán)境的特殊技術即可。因此，采用商用成熟技術（COTS）開發(fā)航天運輸系統(tǒng)箭上及地面測試產品成為航天產品低成本發(fā)展的一個重要趨勢。研究內容包括：器件采購與篩選控制；應用環(huán)境機、電、熱設計；COTS器件檢錯、容錯； COTS測控軟件集成技術；可靠性分析、驗證與評估。

6．高可靠箭上電氣系統(tǒng)一體化設計

高可靠一體化的電氣系統(tǒng)設計方案是實現(xiàn)航天運輸系統(tǒng)低成本化的必然趨勢，也是實現(xiàn)航天運輸系統(tǒng)輕型化、測試自動化、發(fā)射快速化的重要前提。電氣系統(tǒng)須以總線為信息傳輸紐帶，實現(xiàn)電氣單機小型化、功能集成化，減少電氣系統(tǒng)設備種類、數(shù)量及重量，提高電氣系統(tǒng)可靠性、可測試性，使電氣系統(tǒng)具有模塊化結構及更強的適應性，提升電氣系統(tǒng)綜合性能，降低產品成本。研究內容包括：電氣系統(tǒng)統(tǒng)一供配電技術；電氣系統(tǒng)模塊化設計技術；電磁兼容技術。

7．重復使用運載器總體設計及優(yōu)化技術

可重復使用運載器技術指標先進，設計難度大，其最顯著的特點是總體、氣動、彈道、防熱、結構、動力、制導導航與控制等多個專業(yè)間存在強耦合性。運載器總體設計必須全面開展多學科一體化設計工作，以避免方案顛覆。研究內容包括：形成各學科仿真技術的綜合建模方法，設計學科涵蓋氣動、布局、動力、彈道、結構、防隔熱、操控等；通過建立總體優(yōu)化設計模型，對運載器總體性能進行優(yōu)化迭代分析，給出優(yōu)化的總體方案，總體優(yōu)化設計模型應反映運載器重要參數(shù)和主要約束；重點針對結構、防熱、彈道等多個學科進行仿真技術的綜合建模方法研究，建立多學科、多參數(shù)、多約束的總體優(yōu)化設計模型。

以IT行業(yè)為代表的新科技革命已經(jīng)極大地提高了科技更新?lián)Q代的速度，低成本、工業(yè)4.0的發(fā)展浪潮對傳統(tǒng)航天業(yè)帶來了巨大的挑戰(zhàn)，IT化的管理模式、密切跟蹤市場需求、新穎的設計理念、縮短的研制周期、務實的頂層設計為世界航天工業(yè)發(fā)展注入了新鮮血液，是報成守舊，還是自我革新？留給我國迎接挑戰(zhàn)、作出響應的時間已然不多?！?/p>