先進(jìn)制造技術(shù)在航天領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)展

文|黎小平 姜云峰

湖北航天化學(xué)技術(shù)研究所

一、引言

針對(duì)制造業(yè)面臨的挑戰(zhàn)和機(jī)遇，為增強(qiáng)制造業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力和促進(jìn)國(guó)家經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)，美國(guó)在20世紀(jì)80年代率先提出了先進(jìn)制造技術(shù)（AMT）概念。先進(jìn)制造技術(shù)是制造業(yè)不斷吸收信息技術(shù)及現(xiàn)代化管理等方面的成果，并將其綜合應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造、檢測(cè)、管理、銷售、使用、服務(wù)乃至回收的制造全過程，以實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)、高效、低耗、清潔、靈活生產(chǎn)，提高對(duì)動(dòng)態(tài)多變的產(chǎn)品市場(chǎng)的適應(yīng)能力和競(jìng)爭(zhēng)能力的制造技術(shù)的集成。相比傳統(tǒng)的制造技術(shù)，先進(jìn)制造技術(shù)更加重視技術(shù)和管理的結(jié)合，以及制造過程組織和管理體制的簡(jiǎn)化和合理化。發(fā)達(dá)國(guó)家面對(duì)激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，為了保持競(jìng)爭(zhēng)能力，搶奪市場(chǎng)，占領(lǐng)制高點(diǎn)，都高度重視發(fā)展先進(jìn)制造技術(shù)，紛紛投入相當(dāng)大的人力和物力。目前，先進(jìn)制造技術(shù)在發(fā)達(dá)國(guó)家已得到了廣泛應(yīng)用。

航天制造技術(shù)作為現(xiàn)代工程制造技術(shù)的重要組成部分，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及國(guó)防實(shí)力的增強(qiáng)具有極為重要的作用。波音公司（Boeing）、洛克希德·馬丁公司（Lockheed Martin）、歐洲航天局（ESA）等都在先進(jìn)制造技術(shù)的研究和應(yīng)用上取得了重大進(jìn)展。先進(jìn)制造技術(shù)的廣泛應(yīng)用對(duì)這些企業(yè)和機(jī)構(gòu)提高航天產(chǎn)品質(zhì)量和市場(chǎng)反應(yīng)速度、擴(kuò)大產(chǎn)品制造規(guī)模、降低產(chǎn)品價(jià)格、快速推出新產(chǎn)品起到了重要作用，顯著提高了競(jìng)爭(zhēng)力。

二、航天智能制造

智能制造是制造技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)、系統(tǒng)工程與人工智能等學(xué)科互相滲透、互相交織而形成的一門綜合技術(shù)。智能制造作為新的制造模式和技術(shù)，可為高品質(zhì)復(fù)雜零件制造提供新的解決方案，特別適應(yīng)航天多品種、小批量生產(chǎn)的需要。

1.云制造

云制造融合與發(fā)展了現(xiàn)有信息化制造技術(shù)及云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、智能科學(xué)、高效能（性能）計(jì)算、大數(shù)據(jù)和電子商務(wù)等新興信息技術(shù)，將各類制造資源和制造能力虛擬化和服務(wù)化，構(gòu)成制造資源和制造能力的服務(wù)云池，并進(jìn)行協(xié)調(diào)的優(yōu)化管理和經(jīng)營(yíng)，使企業(yè)用戶通過終端和網(wǎng)絡(luò)就能隨時(shí)按需獲取制造資源與能力服務(wù)，進(jìn)而智慧地完成其制造過程全生命周期的各類活動(dòng)。

2009年，著名制造業(yè)信息化專家李伯虎院士率先提出了我國(guó)的云制造理念；同時(shí)，國(guó)家863計(jì)劃也適時(shí)地提出了云制造服務(wù)平臺(tái)關(guān)鍵技術(shù)研究的重大研究項(xiàng)目，有力地推動(dòng)了我國(guó)制造業(yè)信息化的進(jìn)程，在關(guān)鍵技術(shù)、支撐平臺(tái)及應(yīng)用技術(shù)方面已取得階段性成果。面對(duì)航天復(fù)雜產(chǎn)品的云制造平臺(tái)建設(shè)，國(guó)內(nèi)專家學(xué)者也開展了大量研究工作。

孫京[1]針對(duì)航天制造業(yè)面臨的形勢(shì)，提出了中國(guó)航天智能制造技術(shù)體系的設(shè)想，利用云計(jì)算、云制造技術(shù)，通過對(duì)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)化制造與服務(wù)技術(shù)進(jìn)行延伸和變革，將各類制造資源和制造能力虛擬化、服務(wù)化，并進(jìn)行統(tǒng)一、集中的智能化管理和經(jīng)營(yíng)，跨界構(gòu)建動(dòng)態(tài)技術(shù)網(wǎng)、動(dòng)態(tài)制造網(wǎng)、動(dòng)態(tài)營(yíng)銷網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)航天制造的智能化、高效化、集成化。

林廷宇[2]結(jié)合航天企業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景，提出了航天云制造資源/能力應(yīng)用模式和航天企業(yè)云制造系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，研究了支持上述應(yīng)用模式和體系架構(gòu)的云制造資源/能力服務(wù)的多視圖描述以及組合優(yōu)選模型，并以某航天復(fù)雜產(chǎn)品協(xié)同研制為應(yīng)用實(shí)例，驗(yàn)證了云制造應(yīng)用技術(shù)在支持航天企業(yè)開展新型信息化工業(yè)體系的建設(shè)中的有效性。

在分析航天產(chǎn)品研制過程各階段的云制造應(yīng)用服務(wù)模式的基礎(chǔ)上，吳曉曉[3]建立了面向航天的云制造服務(wù)應(yīng)用體系架構(gòu)。該架構(gòu)由用戶、航天產(chǎn)品制造資源、航天云制造服務(wù)平臺(tái)、航天云制造應(yīng)用服務(wù)運(yùn)營(yíng)中心四部分組成，可以實(shí)現(xiàn)資源集約、集團(tuán)集中管控、面向成員單位的資源共享、面向成員單位研制協(xié)同、對(duì)外協(xié)作5種航天云制造服務(wù)，為云制造服務(wù)在航天領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用提供了新的思路。

范江玲[4]運(yùn)用云計(jì)算服務(wù)模式、云安全、高性能計(jì)算等理念和新技術(shù)構(gòu)建了航天云制造體系架構(gòu)，提出了航天云制造所涉及的關(guān)鍵技術(shù)，設(shè)計(jì)了基于云計(jì)算的航天制造資源集成的平臺(tái)、平臺(tái)實(shí)現(xiàn)體系方案以及部署方案。該平臺(tái)包括物理資源層、虛擬資源層、航天云制造核心服務(wù)層、應(yīng)用接口層、云制造應(yīng)用層和云制造安全等6個(gè)部分，用戶可以并行獲得資源和分解難題，提高了航天企業(yè)的協(xié)同制造能力。

趙紅玲[5]通過以太網(wǎng)、IB網(wǎng)絡(luò)、SAN網(wǎng)絡(luò)三套體系，采用虛擬化技術(shù)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與管理技術(shù)、集群、網(wǎng)格及并行計(jì)算等技術(shù)，搭建了一套能夠向客戶端提供系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)、核心計(jì)算、信息資源存儲(chǔ)、信息資源服務(wù)的系統(tǒng)平臺(tái)，包括服務(wù)器的整合和虛擬化、智能化的網(wǎng)絡(luò)體系、數(shù)據(jù)的幾種存儲(chǔ)與備份、高性能計(jì)算系統(tǒng)、資源調(diào)度與管理平臺(tái)等。該系統(tǒng)從架構(gòu)和性能方面滿足了航天制造企業(yè)對(duì)數(shù)據(jù)中心集中存儲(chǔ)、高性能計(jì)算、各種應(yīng)用系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)的服務(wù)要求。

2.航天機(jī)器人

工業(yè)機(jī)器人已廣泛應(yīng)用于汽車及汽車零部件制造、機(jī)械加工、食品、木材與家具等多個(gè)行業(yè)。近年來，航天領(lǐng)域也開始應(yīng)用機(jī)器人來完成航天產(chǎn)品的焊接、噴涂、熱處理、裝配等作業(yè)。采用噴漆機(jī)器人進(jìn)行航天固體發(fā)動(dòng)機(jī)外表面的噴涂作業(yè)，可以提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率、減少環(huán)境污染、降低漆霧對(duì)噴涂工人的危害。

2012年，在歐盟第七框架計(jì)劃（FP7）“未來工廠”項(xiàng)目的資助下，德國(guó)、奧地利、西班牙等國(guó)聯(lián)合發(fā)起VELERI計(jì)劃，旨在開發(fā)出先進(jìn)的工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)。美國(guó)、加拿大、日本等國(guó)的制造企業(yè)也紛紛大力開發(fā)面向航天制造領(lǐng)域的工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)。雷神公司（Raytheon）使用航天裝備智能轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)器人，使得裝配過程中所有部組件的轉(zhuǎn)運(yùn)都實(shí)現(xiàn)了“零起吊”，極大地提高了安全性，同時(shí)基于并聯(lián)機(jī)器人技術(shù)的柔性化智能對(duì)接單元，可更快、更安全地完成艙段對(duì)接。

進(jìn)入21世紀(jì)以來，國(guó)內(nèi)企業(yè)開始研發(fā)工業(yè)機(jī)器人，并已經(jīng)初步進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化階段，但整體水平僅僅相當(dāng)于國(guó)外90年代中期水平。加上關(guān)鍵單元部件和器件依賴進(jìn)口，制造成本居高不下，國(guó)內(nèi)機(jī)器人應(yīng)用市場(chǎng)上的國(guó)外品牌占據(jù)了90%以上。受此影響，國(guó)內(nèi)面向航天產(chǎn)品制造和裝配的專用機(jī)器人系統(tǒng)研制剛剛起步，尚未形成較完備的種類。將來，需要加大移動(dòng)式、多臂協(xié)同、末端伺服、靈巧關(guān)節(jié)機(jī)器人的開發(fā)。

邱鐵成[6]采用可移動(dòng)式工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)配以激光跟蹤儀，實(shí)現(xiàn)了衛(wèi)星艙板的自動(dòng)和半自動(dòng)模式輔助對(duì)接裝配，解決了艙板翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)與艙板停放機(jī)構(gòu)的分離以及多自由度自動(dòng)調(diào)節(jié)和聯(lián)動(dòng)，減少了專用支架車的數(shù)量和維護(hù)成本，滿足了多工位、多時(shí)段的多個(gè)衛(wèi)星裝配使用要求。李慧[7]介紹的ABB IRB5500機(jī)器人自動(dòng)噴涂系統(tǒng)由1臺(tái)噴涂機(jī)器人、1套機(jī)器人移動(dòng)裝置、1套工作站總控系統(tǒng)、1套涂料輸送及清洗系統(tǒng)和1套工件位置檢測(cè)啟動(dòng)裝置組成，不但能夠?qū)崿F(xiàn)大型航天發(fā)動(dòng)機(jī)臥式噴涂，并且具有工藝參數(shù)調(diào)整方便、涂料更換簡(jiǎn)單、機(jī)械裝置運(yùn)行平穩(wěn)、用戶操作界面易學(xué)的特點(diǎn)，兼具實(shí)用性和可靠性。楊建中[8]介紹了一種6自由度Stewart并聯(lián)機(jī)器人，在航天器上被廣泛用作精確指向平臺(tái)、隔振平臺(tái)、太空望遠(yuǎn)鏡次鏡頭與主鏡頭的實(shí)時(shí)對(duì)齊平臺(tái)以及空間對(duì)接裝置等許多方面。

三、航天增材制造

增材制造技術(shù)是制造技術(shù)原理的一次革命性突破，形成了最能代表信息化時(shí)代特征的制造技術(shù)，即以信息技術(shù)為支撐，以柔性化的產(chǎn)品制造方式最大限度地滿足個(gè)性化需求。作為一種三維快速自由成形制造技術(shù)，增材制造技術(shù)具有成本低、周期短、可一次成形復(fù)雜零件等優(yōu)勢(shì)，在航天領(lǐng)域復(fù)雜整體關(guān)鍵構(gòu)件、精密熔模鑄造原型等制件的生產(chǎn)中應(yīng)用前景廣闊。美國(guó)率先將增材制造技術(shù)實(shí)用化，應(yīng)用目標(biāo)包括戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈、人造衛(wèi)星、超音速飛行器的薄壁結(jié)構(gòu)等。

1.金屬材料增材制造

金屬材料增材制造是近年來迅速發(fā)展起來的高端數(shù)字化制造技術(shù)。根據(jù)能量源不同，可分為高能束增材制造技術(shù)、電弧增材制造技術(shù)及其他增材制造技術(shù)。其中，基于激光束、電子束為能量源的高能束熔化金屬材料的增材制造技術(shù)特別適用于航天型號(hào)研制，得到了發(fā)達(dá)國(guó)家政府、大企業(yè)及研究機(jī)構(gòu)的高度重視。

美國(guó)太空探索技術(shù)公司（SpaceX）利用金屬材料增材制造技術(shù)實(shí)現(xiàn)鈦合金、鎳基合金任意復(fù)雜的流道以及氣膜冷卻孔的航天發(fā)動(dòng)機(jī)直接制造，采用Inconel合金增材制造SuperDraco引擎，提高了耐高溫性能，并成功進(jìn)行了點(diǎn)火試車（圖1）。

在“太空發(fā)射系統(tǒng)”（SLS）中，美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）采用激光選區(qū)熔化成形（SLM）技術(shù)整體制造了J－2X發(fā)動(dòng)機(jī)的燃?xì)獍l(fā)生器GH625高溫合金材料導(dǎo)管，熱試車性能良好。2018年3月，NASA對(duì)包含3D打印金屬部件的RS－25發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了飛行測(cè)試，推力高達(dá)113%級(jí)水平，創(chuàng)造了該發(fā)動(dòng)機(jī)功率的最高水平，同時(shí)使得“太空發(fā)射系統(tǒng)”更加經(jīng)濟(jì)（圖2）。

圖1 SuperDraco引擎點(diǎn)火試車試驗(yàn)

圖2 增材制造技術(shù)在“太空發(fā)射系統(tǒng)”中的應(yīng)用

2015年4月以來，泰雷茲-阿萊尼亞航天公司（TAS）發(fā)射的衛(wèi)星均采用了增材制造天線支架和反射器配件。2019年3月，該公司采用增材制造批量生產(chǎn)Spacebus Neo衛(wèi)星平臺(tái)的通信衛(wèi)星組件，實(shí)現(xiàn)了組件質(zhì)量減輕30%，制造成本減少約10%，生產(chǎn)周期縮短1～2個(gè)月，并可根據(jù)每個(gè)零件的具體要求進(jìn)行定制化設(shè)計(jì)。為確保批量生產(chǎn)質(zhì)量，整個(gè)增材制造過程都已建立了全面的測(cè)試和檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。

2.空間增材制造技術(shù)

在空間增材制造技術(shù)發(fā)展方面，NASA、ESA、德國(guó)航空航天中心（DLR）等都在積極開展相關(guān)研究工作。2014年，美國(guó)太空制造公司（Made In Space）與NASA合作，利用空間站3D打印機(jī)實(shí)現(xiàn)了首次空間微重力環(huán)境下的增材制造。2015年，太空制造公司承擔(dān)了“太空建筑師”（Archinaut）項(xiàng)目的開發(fā)，目標(biāo)是制造一臺(tái)帶有機(jī)械臂的3D打印機(jī)并將其安裝在國(guó)際空間站（ISS）外部的一個(gè)分離艙上，在無需艙外航天員介入的情況下，利用增材制造技術(shù)進(jìn)行太空中大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)制造及組裝能力的研究（圖3）。2017年，該項(xiàng)目的3D打印機(jī)在類似太空環(huán)境下打印出了85cm的聚合物合金橫梁，標(biāo)志著太空制造邁出了關(guān)鍵一步。

圖3 “太空建筑師”項(xiàng)目示意圖

2013年1月，ESA啟動(dòng)了以實(shí)現(xiàn)高技術(shù)金屬產(chǎn)品高效生產(chǎn)與零浪費(fèi)為目標(biāo)的增材制造項(xiàng)目，即AMAZE計(jì)劃，目標(biāo)是開發(fā)適用于空間環(huán)境的金屬增材制造技術(shù)。2014年11月，ESA在Futura任務(wù)中發(fā)射了一臺(tái)由意大利ALTRAN公司采用熔融沉積成形（FDM）工藝制造的3D打印機(jī)。

實(shí)現(xiàn)面向空間增材制造材料回收利用的重要技術(shù)途徑是將國(guó)際空間站內(nèi)的廢料或暫時(shí)不用的零部件轉(zhuǎn)化為可供空間增材制造所需的原材料，用于制造急需的零部件。系繩無限公司（Tethers Unlimited）和NASA都在該方面開展了原理性研究。華盛頓大學(xué)、斯坦福大學(xué)和ESA正在利用類月壤材料，以及將月球或火星的原位風(fēng)化層或土壤作為原料，對(duì)衛(wèi)星零部件和空間棲息地進(jìn)行增材制造。

3.3D打印技術(shù)

3D打印技術(shù)是計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造技術(shù)、逆向工程技術(shù)、分層制造技術(shù)、材料增加成形技術(shù)及其集成的總稱，目前正在成為一種迅猛發(fā)展的潮流。在航天領(lǐng)域，3D打印技術(shù)在大尺寸零件一體化制造、異型復(fù)雜結(jié)構(gòu)件制造、變批量定制結(jié)構(gòu)件制造方面具有巨大的優(yōu)勢(shì)。此外，空間應(yīng)用3D打印技術(shù)也具有可就地取材、節(jié)約運(yùn)輸成本等優(yōu)勢(shì)。因此，國(guó)外眾多研究機(jī)構(gòu)均積極研發(fā)3D打印技術(shù)[9]。

目前，衛(wèi)星領(lǐng)域的增材制造技術(shù)尚處于研究和評(píng)估階段。2013年底，美國(guó)高校首次采用3D打印技術(shù)進(jìn)行了立方體衛(wèi)星簡(jiǎn)單電子設(shè)備的制造；2014年11月，噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（JPL）與紅眼公司（RedEye）合作打印出氣象、電離層和氣候星座觀測(cè)系統(tǒng)二號(hào)（COSMIC－2）衛(wèi)星的功能天線陣結(jié)構(gòu)；洛克希德·馬丁公司A2100衛(wèi)星平臺(tái)3D打印零件由2016年的10%增至2017年的50%；2016年3月31日，俄羅斯首個(gè)3D打印的立方體衛(wèi)星Tomsk-TPU-120成功進(jìn)入太空，這也是世界首次將增材制造的衛(wèi)星系統(tǒng)送入太空。

2017年，美國(guó)火箭工藝公司（RCI）[10]發(fā)明了一種用塑化劑和高能納米鋁顆粒的混合物安全生產(chǎn)火箭燃料的方法，展示了使用3D打印技術(shù)制造混合火箭發(fā)動(dòng)機(jī)用高性能燃料顆粒的工藝。2018年，美國(guó)普渡大學(xué)（Purdue University）[11]使用3D打印技術(shù)制造出了固體含量為85%的AP推進(jìn)劑，經(jīng)測(cè)試，樣品不僅能夠在高達(dá)10.34MPa的壓強(qiáng)條件下進(jìn)行燃燒，且燃速與澆注推進(jìn)劑相當(dāng)。

四、結(jié)束語

航天制造業(yè)的技術(shù)水平和生產(chǎn)能力是國(guó)家制造業(yè)實(shí)力和國(guó)防科技工業(yè)現(xiàn)代化水平的綜合體現(xiàn)。航天產(chǎn)品的制造過程具有規(guī)模龐大、系統(tǒng)復(fù)雜、技術(shù)難度大、質(zhì)量可靠性和安全性要求高、極具風(fēng)險(xiǎn)性的特點(diǎn)。大量新材料、新結(jié)構(gòu)首先在航天產(chǎn)品中得到應(yīng)用，航天產(chǎn)品的“高、精、尖”特征對(duì)制造技術(shù)提出了更高的要求，傳統(tǒng)的制造工藝越來越成為制約航天發(fā)展的瓶頸。

智能制造技術(shù)作為21世紀(jì)先進(jìn)制造技術(shù)發(fā)展的重要方向，是新工業(yè)革命的主要標(biāo)志之一，可以實(shí)現(xiàn)航天領(lǐng)域產(chǎn)品的高質(zhì)量、快速、低成本研制，提高產(chǎn)品研制的快速響應(yīng)能力，“德國(guó)工業(yè)4.0”、“美國(guó)先進(jìn)制造合作伙伴計(jì)劃”都將智能制造技術(shù)作為帶動(dòng)航天制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展的核心發(fā)展方向。智能制造技術(shù)打破了傳統(tǒng)制造的約束，顛覆了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)理念，在航天火箭發(fā)動(dòng)機(jī)、多種裝備型號(hào)和空間探索等項(xiàng)目中有良好的應(yīng)用前景，對(duì)突破航天型號(hào)研制過程中關(guān)鍵零部件的科研生產(chǎn)瓶頸具有重要意義。