運(yùn)載火箭箭體制造關(guān)鍵裝備與技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展

劉 冬

（上海交通大學(xué)科學(xué)技術(shù)發(fā)展研究院，上海 200240）

運(yùn)載火箭是一個(gè)國(guó)家進(jìn)入空間的主要手段，其制造水平對(duì)控制空間的進(jìn)程至關(guān)重要。我國(guó)把發(fā)展航天事業(yè)作為國(guó)家整體發(fā)展戰(zhàn)略的重要組成部分，《中國(guó)制造 2025》中指出我國(guó)將“發(fā)展新一代運(yùn)載火箭、重型運(yùn)載器，提升進(jìn)入空間能力”。為滿(mǎn)足空間站工程、載人航天和月球探測(cè)等航天工程需求，需要開(kāi)展“無(wú)毒、無(wú)污染、低成本、高可靠、適應(yīng)性強(qiáng)以及安全性好”的新一代運(yùn)載火箭研制，按照我國(guó)航天工業(yè)2030年發(fā)展規(guī)劃要求，從“十三五”至2030年期間我國(guó)宇航產(chǎn)品將迎來(lái)高密度并行研制、多型號(hào)密集發(fā)射和應(yīng)急發(fā)射的高峰期，這對(duì)提升運(yùn)載火箭的制造水平提出了迫切的需求[1]，

箭體結(jié)構(gòu)是運(yùn)載火箭最為關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)部件，也是火箭制造中的關(guān)鍵[2]，如圖1 所示，箭體結(jié)構(gòu)主要由推進(jìn)劑貯箱、鉚接艙段等部分構(gòu)成。推進(jìn)劑貯箱作為運(yùn)載火箭的主承力結(jié)構(gòu)，是一種大尺寸、薄壁高強(qiáng)鋁合金焊接結(jié)構(gòu)，具有大尺寸、輕質(zhì)、薄壁和復(fù)雜等典型特征。目前，運(yùn)載火箭主體結(jié)構(gòu)生產(chǎn)的全工藝主要流程如圖2 所示，主要包括了板材成型、銑削加工、鉆鉚、焊接和箭體對(duì)接5個(gè)主要部分，在過(guò)去幾十年的發(fā)展中，這些流程中的制造技術(shù)逐漸從以手工操作為主的模式轉(zhuǎn)向綠色化、自動(dòng)化技術(shù)與裝備為主的模式，極大地提升了運(yùn)載火箭的生產(chǎn)效率與可靠性。本文將重點(diǎn)介紹各流程制造過(guò)程中的關(guān)鍵裝備與技術(shù)的發(fā)展歷程與最新發(fā)展趨勢(shì)，分析相關(guān)技術(shù)上的國(guó)內(nèi)外差距以及研究難點(diǎn)，為我國(guó)運(yùn)載火箭箭體結(jié)構(gòu)制造水平的發(fā)展提供參考。

圖1 運(yùn)載火箭箭體組成結(jié)構(gòu)

圖2 運(yùn)載火箭主體結(jié)構(gòu)生產(chǎn)全工藝流程

1 板材成形裝備與技術(shù)

板材成形是運(yùn)載火箭制造的起始環(huán)節(jié)。板材可以分為壁板類(lèi)板材，如貯箱筒段壁板，以及箱底類(lèi)板材，如瓜瓣。首先介紹箱底與筒段成形技術(shù)，最后介紹貯箱3D打印技術(shù)的應(yīng)用前景。

1.1 箱底成形技術(shù)與裝備

箱底零件其板材成形技術(shù)的發(fā)展主要經(jīng)歷了兩個(gè)階段：（1）零件拼接成形制造階段。（2）整體成形制造階段。

在運(yùn)載火箭的發(fā)展初期，由于鋁合金板材成形技術(shù)的限制，無(wú)法實(shí)現(xiàn)大尺寸箱底的整體制造，通常采用“分片制造+拼焊成型”的技術(shù)路線(xiàn)。箱底通常由瓜瓣、頂蓋、法蘭組成[2]，如圖3 所示。頂蓋通常采用帶壓邊的拉伸成形工藝。法蘭通過(guò)鍛造+機(jī)加工的工藝。瓜瓣作為箱底最主要的部件，其制造難度最大，通常使用彎曲成形工藝制造。在歐盟 Ariane5火箭貯箱、俄羅斯火箭貯箱以及我國(guó)長(zhǎng)征系列火箭貯箱箱底中采用了雙向拉伸成形工藝制作。此外瓜瓣零件也有采用充液拉深成形技術(shù)制造，充液成形技術(shù)利用柔性介質(zhì)作為施加壓力的載體來(lái)成形板材，表面質(zhì)量和均勻度也得到提高。箱底的“分片制造+拼焊成型”加工工藝，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度弱，具有厚重的承力焊縫，零件廢重高。

圖3 箱底結(jié)構(gòu)示意圖

隨著鋁合金成形工藝的發(fā)展，貯箱箱底的整體制造工藝逐漸發(fā)展成熟[3]。相比與拼接制造，整體箱底的制造工藝簡(jiǎn)化，可靠性提高。整體箱底成形包括整體旋壓成形工藝和充液拉深成形工藝，如圖4、圖5 所示。整體旋壓成形工藝包括板材成形與后熱處理。在成形階段，通過(guò)旋轉(zhuǎn)輪在一定軌跡下旋壓轉(zhuǎn)動(dòng)的坯料實(shí)現(xiàn)零件成形。其優(yōu)點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)近似等厚成形，且公差小、加工成本低。缺點(diǎn)是在旋壓過(guò)程中產(chǎn)生殘余彎曲應(yīng)力，需要采用后熱處理。整體旋壓成形工藝在美國(guó)Atlas 系列和 Delta系列火箭、日本 H-2系列火箭以及歐盟 Ariane 5 火箭中得到應(yīng)用。

圖4 旋壓工藝與裝備[1]

圖5 充液拉深工藝與裝備[1]

充液拉深工藝由于采用液體介質(zhì)，具有潤(rùn)滑和摩擦保持的效果，零件表面完整度較好，無(wú)劃傷。并且可以一次拉深成形，無(wú)需多次熱處理，工藝簡(jiǎn)單、可靠性高。充液拉深工藝在日本H-2重型火箭4 m貯箱、Ariane 5火箭直徑5.4 m貯箱中得到應(yīng)用[4]。

與國(guó)外相比，我國(guó)在箱底整體成形技術(shù)方面的差距還較大。國(guó)內(nèi)已具有直徑 2 250 mm 及以下尺寸的貯箱箱底整體旋壓制造能力。對(duì)于3 350 mm箱底，航天科技八院149廠(chǎng)采用充液拉深成形工藝、一院211廠(chǎng)及七院7 102廠(chǎng)采用旋壓工藝分別實(shí)現(xiàn)了箱底整體成形。但對(duì)于直徑更大的箱底，還需要開(kāi)展攻關(guān)研制[5]。

1.2 筒段成形技術(shù)與裝備

貯箱筒段或短殼由3～4塊弧形壁板通過(guò)縱縫焊接形成[6]，壁板采用的成形工藝主要有滾彎成形、壓彎成形、拉彎成形、噴丸成形、爆炸成形和蠕變成形等，其中以滾彎成形和等距壓彎成形較為常見(jiàn)。

滾彎成形的原理是讓板材通過(guò)2～4個(gè)輥輪，逐漸產(chǎn)生塑性形變，使得板材獲得所需要的弧度，如圖6所示。滾彎成形板材成形最早使用的工藝，其優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單靈活，生產(chǎn)效率高。滾彎成形的設(shè)備為卷板機(jī)，可以通過(guò)調(diào)整工作輥的形狀、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和相對(duì)位置，加工出弧形件、筒形件等。從輥數(shù)上分類(lèi)，目前較為常見(jiàn)的是三輥卷板機(jī)和四輥卷板機(jī)，從傳動(dòng)方式上則可分為機(jī)械式和液壓式。受制于國(guó)內(nèi)液壓馬達(dá)和行星減速器等基礎(chǔ)件的研發(fā)水平，目前我國(guó)的卷板機(jī)制造主要還集中在中低檔位，在卷制精度、質(zhì)量控制和配套產(chǎn)線(xiàn)開(kāi)發(fā)等方面有待提高[7]。

圖6 滾彎成形示意圖[7]

壓彎成形的原理是利用機(jī)械裝備將板材彎曲成一定角度和曲率，如圖7 所示。整體壁板在壓彎成形主要經(jīng)歷彈性、彈塑性、塑性變形和回彈4個(gè)階段，成形發(fā)生在塑性變形階段，而回彈階段則會(huì)降低板材的加工精度。運(yùn)載火箭壁板最早采用的是增量壓彎成形，其適合于成形厚度較大、變截面等外形較復(fù)雜的整體壁板。與滾彎成形相比較，壓彎成形是一種不連續(xù)的局部三支點(diǎn)彎曲。其優(yōu)點(diǎn)是裝備簡(jiǎn)單，生產(chǎn)成本較低；缺點(diǎn)是殘余應(yīng)力較大，且勞動(dòng)強(qiáng)度大，難以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。

圖7 壓彎成形示意圖[7]

1.3 貯箱3D打印技術(shù)

目前，3D打印也開(kāi)始引入到了貯箱的制造中來(lái)，其主要的優(yōu)勢(shì)是可以降低制造的時(shí)間周期和成本，特別是對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的飛行器貯箱。Relativity Space創(chuàng)建了名為Stargate的大型零件3D打印系統(tǒng)[8]，如圖8a示，該系統(tǒng)基于選擇性激光燒結(jié)工藝。目前，Terran 1和Terran R的第一、二級(jí)和整流罩通過(guò)3D打印完成，其中Terran 1將于2023年初發(fā)射。國(guó)內(nèi)，火箭院與西安交通大學(xué)聯(lián)合研究用3D打印技術(shù)制造火箭貯箱，圖8b為測(cè)試打印的火箭貯箱件。

圖8 貯箱3D打印技術(shù)

目前3D打印貯箱的主要問(wèn)題是高強(qiáng)鋁合金在3D打印熔化、凝固過(guò)程中極易產(chǎn)生氣孔、內(nèi)裂紋等問(wèn)題[9]。而貯箱里要裝滿(mǎn)液體推進(jìn)劑，必須具有良好的致密性。因此研發(fā)適合3D打印的高強(qiáng)鋁合金粉末是需要解決的技術(shù)難題。John H M等人研發(fā)了一種基于納米成核劑實(shí)現(xiàn)3D打印鋁合金的技術(shù)[10]，該技術(shù)適合一系列合金材料，具有一定的普適性。因此火箭貯箱3D打印未來(lái)有望得到更大應(yīng)用。

2 銑削加工裝備與技術(shù)

組成貯箱和艙段的板材在成形后，尺寸和壁厚精度無(wú)法滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，需要進(jìn)一步通過(guò)銑削加工使成形后的毛坯件滿(mǎn)足后續(xù)焊接、裝配需求；另一方面通過(guò)銑削加工可以在保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不變的情況下，大幅減少箭體的重量，對(duì)提升運(yùn)載火箭的運(yùn)載能力至關(guān)重要。于是，為了平衡貯箱承載能力和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，對(duì)火箭箭體結(jié)構(gòu)的壁厚誤差需要嚴(yán)格控制。因此，以控制壁厚為目標(biāo)的“極端”弱剛性結(jié)構(gòu)件的高效精密減薄加工技術(shù)是火箭箭體制造的關(guān)鍵技術(shù)。

在箭體結(jié)構(gòu)銑削加工中，弱剛性薄壁件占火箭覆蓋面積約60%。這類(lèi)弱剛性零件的銑削加工工藝發(fā)展經(jīng)歷了從化銑，靠模加工，平板銑后壓型，到鏡像銑削的歷程，如圖9 所示。化銑是傳統(tǒng)制造工藝，相比于后續(xù)發(fā)展的機(jī)械銑削具有高污染、低精度以及多缺陷的弊端。靠模加工通過(guò)靠模貼合大型薄壁件從而提高系統(tǒng)剛性，但存在胎模與箱底貼合率低的問(wèn)題，導(dǎo)致振紋顯著，且部分區(qū)域無(wú)法均勻加工，壁厚超差嚴(yán)重，加工質(zhì)量無(wú)法滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。平板銑后壓型容易出現(xiàn)開(kāi)裂、凸楞及適用性差。鏡像銑削是機(jī)械加工火箭箭體高效、精確及綠色的新一代技術(shù)[11]。在銑削過(guò)程中，通過(guò)加入支撐裝置，使銑削端和支撐裝置沿工件兩側(cè)鏡像對(duì)稱(chēng)移動(dòng)，依靠隨動(dòng)支撐改善薄壁件加工區(qū)域的局部動(dòng)態(tài)特性。在支撐裝置中加入實(shí)時(shí)測(cè)量壁厚傳感器，根據(jù)壁厚數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)調(diào)整切削深度，實(shí)現(xiàn)加工過(guò)程中剩余壁厚的精確控制。鏡像銑削技術(shù)擺脫了火箭箭體加工對(duì)工裝的依賴(lài)，一次裝夾即可完成減薄、開(kāi)孔、切邊等多道工序，經(jīng)驗(yàn)證其加工時(shí)間和成本均降低50%，顯著提高了大型薄壁件的加工效率。此外，鏡像銑削工藝能耗低、無(wú)污染，是火箭箭體加工的最新技術(shù)和發(fā)展趨勢(shì)[12]。

圖9 火箭箭體銑削裝備發(fā)展史

經(jīng)法國(guó)空客和西班牙M.Torres驗(yàn)證，在大型薄壁件加工中可以實(shí)現(xiàn)壁厚精度達(dá)到±0.1 mm。針對(duì)火箭箭體貯箱箱底的加工，上海交通大學(xué)與天津航天長(zhǎng)征火箭制造有限公司、上海航天設(shè)備制造總廠(chǎng)有限公司合作開(kāi)發(fā)了整體箱底雙五軸鏡像銑削裝備，如圖10a所示。使用3 350 mm 級(jí)航天蒙皮鏡像銑削裝備加工運(yùn)載火箭貯箱箱底管板瓜瓣蒙皮，通過(guò)鏡像銑削來(lái)控制加工精度，壁厚加工精度由±0.5 mm提高到了±0.1 mm。針對(duì)火箭貯箱筒段的加工，上海拓璞數(shù)控科技股份有限公司研制了整體筒段鏡像銑裝備，如圖10b所示，對(duì)于3 350 mm 貯箱筒段，實(shí)現(xiàn)了壁厚精度控制，壁厚精度達(dá)到了±0.1 mm的要求。在鏡像銑削過(guò)程中，為保證工件的壁厚精度，銑削側(cè)刀具切深會(huì)根據(jù)工件實(shí)際厚度實(shí)時(shí)改變，時(shí)變的切削厚度會(huì)產(chǎn)生時(shí)變的激勵(lì)。因此鏡像銑削面臨恒定參數(shù)隨動(dòng)支撐被動(dòng)抑振難以適應(yīng)時(shí)變激勵(lì)下時(shí)變動(dòng)態(tài)特性工件加工的難題。在火箭箭體在銑削過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)工件切削振動(dòng)、壁厚隨機(jī)超差和曲面整體變形等問(wèn)題，難以實(shí)現(xiàn)高質(zhì)效加工，因此將鏡像銑削技術(shù)應(yīng)用于火箭箭體的制造仍面臨諸多技術(shù)挑戰(zhàn)。

圖10 火箭箭體鏡像銑削技術(shù)

火箭箭體由于剛性弱在銑削加工中處于不穩(wěn)定狀態(tài)，極易發(fā)生顫振，加工振動(dòng)影響壁厚精度，導(dǎo)致工件與刀具、工件與支撐的短暫脫離，影響火箭箭體銑削質(zhì)量。傳統(tǒng)加工中的振動(dòng)以刀具的顫振為主，而在薄壁件加工中工件剛性遠(yuǎn)遠(yuǎn)弱于刀具，刀具可以看成剛體，此時(shí)影響加工的是薄壁件的振動(dòng)，需要建立適用于薄壁件加工的穩(wěn)定動(dòng)力學(xué)模型，反映 “刀具-薄壁件”之間的復(fù)雜交互作用[13]，這是進(jìn)行加工振動(dòng)穩(wěn)定性分析以及實(shí)現(xiàn)無(wú)顫振加工的基礎(chǔ)。由于在加工中存在材料的去除作用，薄壁件的動(dòng)力學(xué)具有隨位置和時(shí)間改變的特點(diǎn)，會(huì)有短時(shí)失穩(wěn)的現(xiàn)象發(fā)生，利用非正交動(dòng)力學(xué)分析的方法可以預(yù)測(cè)加工中的短時(shí)失穩(wěn)，對(duì)短時(shí)失穩(wěn)進(jìn)行有效的控制。在此基礎(chǔ)上，目前的方法集中于“離線(xiàn)判穩(wěn)+加工參數(shù)修正”以及采用支撐被動(dòng)抑振抑振，難以適應(yīng)時(shí)變位變的實(shí)際加工狀況。通過(guò)主動(dòng)調(diào)節(jié)支撐參數(shù)改變系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性，從而實(shí)現(xiàn)全狀態(tài)下薄壁件穩(wěn)定銑削是未來(lái)穩(wěn)定性控制的研究方向。

尺寸大、剛性弱和壁厚精度要求高是火箭箭體零件的重要特征，毛坯件變形和切削力變形等誘導(dǎo)工件實(shí)際形狀與理論形狀的差異遠(yuǎn)大于加工精度，因此變形成為壁厚精度控制的主要難題。利用激光掃描系統(tǒng)對(duì)毛坯工件外形進(jìn)行掃描檢測(cè)[14]，得到毛坯外表面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)據(jù)處理得到變形曲面與設(shè)計(jì)曲面之間的映射關(guān)系，以映射關(guān)系為約束條件，調(diào)整加工刀軌。

目前的火箭箭體銑削支撐裝置采用固體支撐，當(dāng)裝置與壁面產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生劃傷和壓痕，導(dǎo)致工件表面質(zhì)量無(wú)法滿(mǎn)足要求，采用射流支撐能有效解決這個(gè)問(wèn)題。然而目前缺乏射流抑制振動(dòng)的動(dòng)力學(xué)特性、“射流-弱剛性零件”流固耦合作用的理論研究。此外，目前研究中未考慮極端弱剛性零件加工中工件局部法向變化和大彈塑性變形，亟待進(jìn)一步深入研究雙五軸運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)協(xié)同控制理論與變形曲面匹配及加工軌跡逐點(diǎn)調(diào)控方法。

3 自動(dòng)鉆鉚裝備與技術(shù)

運(yùn)載火箭筒體殼段是火箭的重要承載部分，如圖11 所示，主要由端框、中間框、桁條和蒙皮等組成，屬于大型復(fù)雜薄壁類(lèi)零件，它的特點(diǎn)在于高曲率、壁厚小、剛性差和結(jié)構(gòu)復(fù)雜等[15]。這些特點(diǎn)導(dǎo)致運(yùn)載火箭筒體殼段在裝配時(shí)工藝復(fù)雜、定位和裝配困難，目前零件間連接 90% 以上采用鉚接工藝完成[16]。在傳統(tǒng)的運(yùn)載火箭筒體殼段生產(chǎn)過(guò)程中，調(diào)整、定位裝卡、擴(kuò)孔以及鉚接這些流程都需要人力來(lái)完成，造成運(yùn)載火箭筒體殼段裝配勞動(dòng)強(qiáng)度大、生產(chǎn)效率低、裝配精度差以及質(zhì)量不穩(wěn)定的問(wèn)題。根據(jù)統(tǒng)計(jì)新一代運(yùn)載火箭五米艙段鉚釘數(shù)量高達(dá)16萬(wàn)余顆[17]，依靠傳統(tǒng)手工的鉚接方法愈發(fā)難以滿(mǎn)足運(yùn)載火箭大型艙段的高可靠、快速制造需求。

圖11 運(yùn)載火箭筒體殼段結(jié)構(gòu)示意圖

采用自動(dòng)鉆鉚技術(shù)實(shí)現(xiàn)的制孔和鉚接是提高運(yùn)載火箭筒體殼段裝配質(zhì)量與效率的有效途徑，相比于手工鉆鉚，自動(dòng)鉆鉚效率能提高5倍；精度能夠提高10倍。國(guó)外以美國(guó)捷姆科、EI、德國(guó)寶捷和意大利 B&C為代表的自動(dòng)鉆鉚裝備已經(jīng)廣泛應(yīng)用在航空航天的各個(gè)領(lǐng)域[18]。歐洲的阿里安6火箭的級(jí)間筒段為桁架、框、蒙皮結(jié)構(gòu)組裝，在德國(guó)奧格斯堡工廠(chǎng)的筒段裝配中應(yīng)用機(jī)器人鉆孔和鉚接技術(shù)，實(shí)現(xiàn)更高效、更廉價(jià)的生產(chǎn)過(guò)程[19]，如圖12 所示。

圖12 阿里安6號(hào)級(jí)間筒段裝配示意圖

我國(guó)對(duì)于自動(dòng)鉆鉚技術(shù)的研究和應(yīng)用越來(lái)越重視，近年來(lái)首都航天機(jī)械公司、天津航天長(zhǎng)征火箭制造有限公司、上海交通大學(xué)以及北京航空制造工程研究所等針對(duì)自動(dòng)鉆鉚系統(tǒng)開(kāi)展技術(shù)研究，為自動(dòng)鉆鉚技術(shù)在運(yùn)載火箭制造中的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。上海拓璞數(shù)控科技有限公司針對(duì)某大直徑運(yùn)載火箭一二級(jí)級(jí)間筒段研究了自動(dòng)鉆鉚設(shè)備，如圖13 所示，該設(shè)備系統(tǒng)主要由數(shù)控柔性定位系統(tǒng)、鉚接機(jī)械手、行星鉆頂機(jī)構(gòu)、自動(dòng)送釘系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、直線(xiàn)和回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)等6部分組成，通過(guò)工藝研究與產(chǎn)品的試制，自動(dòng)鉆鉚裝配能夠提高制孔及鉚接效率6倍以上[20]。

圖13 國(guó)內(nèi)上海拓璞數(shù)控科技有限公司自動(dòng)鉆鉚設(shè)備

為實(shí)現(xiàn)運(yùn)載火箭鉆鉚艙段自動(dòng)鉆鉚裝配，自動(dòng)鉆鉚技術(shù)集檢測(cè)、制孔和鉚接等多種技術(shù)于一體，涉及高精度定位技術(shù)、制孔質(zhì)量控制與在線(xiàn)檢測(cè)技術(shù)、通用式自動(dòng)鉆鉚機(jī)器人技術(shù)與離線(xiàn)編程與仿真技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)。高精度定位針對(duì)自動(dòng)鉆鉚工藝中桁條、框的定位精度直接影響自動(dòng)鉆鉚過(guò)程自動(dòng)鉆孔位置尺寸精度的問(wèn)題，由于筒段殼段裝配存在誤差，工件在機(jī)床坐標(biāo)系中的位置與離線(xiàn)編程所建立的模型之間存在一定的偏離，需采用工件視覺(jué)自動(dòng)定位技術(shù)來(lái)精確定位工件在鉆鉚系統(tǒng)中的位置；制孔質(zhì)量控制與在線(xiàn)檢測(cè)方面，制孔質(zhì)量對(duì)裝配質(zhì)量有重要影響，通過(guò)開(kāi)展制孔工藝研究，優(yōu)選鉆削工藝參數(shù)，可以獲得毛刺控制工藝參數(shù)，具體可選擇刀具材質(zhì)、刀具鉆尖頂角、主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量和夾緊力5個(gè)參數(shù)進(jìn)行正交工藝試驗(yàn)；通用式自動(dòng)鉆鉚機(jī)器人方面，機(jī)床式自動(dòng)鉆鉚設(shè)備加工精度與制孔及鉚接質(zhì)量與機(jī)器人自動(dòng)鉆鉚相比有優(yōu)勢(shì)，但在設(shè)備靈活性、適應(yīng)性上差于機(jī)器人自動(dòng)鉆鉚，并且機(jī)床式自動(dòng)鉆鉚設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜、規(guī)模龐大和投資成本高，往往是以專(zhuān)機(jī)形式進(jìn)行研發(fā)投產(chǎn)；機(jī)器人自動(dòng)鉆鉚設(shè)備由工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)與工裝系統(tǒng)組成，加工精度滿(mǎn)足運(yùn)載火箭鉚接艙段要求，借助機(jī)器人的高自由度與合理的工裝設(shè)計(jì)，可大大提升自動(dòng)鉆鉚系統(tǒng)的通用性；離線(xiàn)編程與仿真一般包括孔位及緊固件類(lèi)型信息提取、數(shù)控自動(dòng)編程、刀位文件生成和離線(xiàn)仿真等模塊。自動(dòng)鉆鉚數(shù)控程序是以設(shè)計(jì)文件為輸入生成的指令文件，數(shù)控程序運(yùn)用到產(chǎn)品生產(chǎn)之前，需要經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的可視化仿真，驗(yàn)證產(chǎn)品定位方式的合理性、程序及工藝流程的可行性、可靠性，形成正確的工藝文件[21]。

運(yùn)載火箭鉚接艙段將逐步全部采用自動(dòng)鉆鉚技術(shù)，進(jìn)一步提升運(yùn)載火箭艙段制造自動(dòng)化，提高產(chǎn)品質(zhì)量一致性。未來(lái)，針對(duì)上述自動(dòng)鉆鉚的各關(guān)鍵技術(shù)，值得廣泛開(kāi)展視覺(jué)識(shí)別等先進(jìn)檢測(cè)技術(shù)與設(shè)備的集成應(yīng)用，提升設(shè)備的智能化水平。發(fā)展面向數(shù)字化裝配的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，開(kāi)展工藝設(shè)計(jì)的一體化協(xié)同工作。深入開(kāi)展產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化工作，提高工藝信息和工藝方法的可繼承性。

4 焊接裝備與技術(shù)

貯箱筒段或短殼由3～4塊弧形壁板縱縫焊接形成，其制造路線(xiàn)主要有“滾彎成形?化學(xué)銑削?TIG熔焊”和“高速數(shù)控銑削?等距壓彎成形?攪拌摩擦焊”兩種[22]。2007年以前，我國(guó)的長(zhǎng)征系列火箭大多采用第一種方法，其制造質(zhì)量相對(duì)較差，且會(huì)造成較大的環(huán)境污染問(wèn)題。隨著攪拌摩擦焊等各項(xiàng)技術(shù)的不斷成熟，目前我國(guó)和世界其他國(guó)家均采用第二種方法實(shí)現(xiàn)貯箱制造?；鸺剂腺A箱生產(chǎn)過(guò)程中的焊接工藝流程如圖14 所示。其中箱底短殼的縱縫焊、箱底組合件的過(guò)渡環(huán)環(huán)縫焊接、頂蓋環(huán)縫焊接、短殼鎖底焊接、頂蓋法蘭等焊接、箱體筒段的縱縫焊、火箭燃料貯箱的箱底與筒段環(huán)縫焊接、筒段與筒段環(huán)縫焊接、筒段與箱底封箱焊接都需要對(duì)應(yīng)的攪拌摩擦焊設(shè)備。

圖14 運(yùn)載火箭貯箱主體結(jié)構(gòu)及主焊縫

攪拌摩擦焊接（FSW）是英國(guó)焊接研究所于1991年發(fā)明的焊接技術(shù)，利用一種特殊形式的攪拌頭邊旋轉(zhuǎn)邊前進(jìn)，通過(guò)攪拌頭與工件的摩擦產(chǎn)生熱量，使金屬處于熱塑性狀態(tài)，并在攪拌頭的壓力作用下從其前端向后部塑性流動(dòng)，從而使待焊工件連接為一個(gè)整體[23]。攪拌摩擦焊接過(guò)程如圖15所示。在焊接質(zhì)量上，攪拌摩擦焊接作為取代傳統(tǒng)熔化焊接的新一代焊接技術(shù)，焊接接頭強(qiáng)度平均提升10%～20%，通過(guò)先進(jìn)裝備的控制一次性合格率達(dá)到90%，無(wú)弧光、輻射等污染。在焊接效率上，傳統(tǒng)熔焊技術(shù)需開(kāi)坡口、填充焊絲并經(jīng)多道焊完成焊縫成形，而攪拌摩擦焊接技術(shù)無(wú)需填充焊材，能夠一次完成焊縫成形；攪拌摩擦焊縫在剃除“飛邊”后，表面無(wú)需修整，焊縫基本無(wú)缺陷，因此攪拌摩擦焊接技術(shù)在效率方面更有優(yōu)勢(shì)[24]。

圖15 攪拌摩擦焊接過(guò)程[24]

世界航天強(qiáng)國(guó)在運(yùn)載火箭貯箱生產(chǎn)中均廣泛采用了攪拌摩擦焊接技術(shù)，研制了成套焊接裝備，在提高可靠性的同時(shí)，有效降低了制造成本。美國(guó)洛馬公司在航天飛機(jī)外貯箱的焊接生產(chǎn)中對(duì)攪拌摩擦焊接進(jìn)行了成功應(yīng)用。美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）針對(duì)登陸火星研制的太空發(fā)射系統(tǒng)（SLS）采用直徑8.4 m貯箱，為了提高運(yùn)載火箭發(fā)射的可靠性，貯箱全部采用攪拌摩擦焊接技術(shù)，在2014年研制了至今為止全世界最大的攪拌摩擦焊接裝備。圖16為美國(guó)國(guó)家航空航天局箱底攪拌摩擦焊接生產(chǎn)線(xiàn)。

圖16 美國(guó)國(guó)家航空航天局箱底攪拌摩擦焊接生產(chǎn)線(xiàn)

國(guó)內(nèi)上海拓璞數(shù)控科技股份有限公司研制了箱體筒段、箱底多任務(wù)焊接任務(wù)需求的國(guó)產(chǎn)化設(shè)備，如圖17 所示。

圖17 上海拓璞數(shù)控科技股份有限公司研制的筒段、箱底攪拌摩擦焊設(shè)備

在攪拌摩擦焊未來(lái)主要發(fā)展方向是焊接工藝與質(zhì)量理論，其中焊接工藝對(duì)焊接產(chǎn)品質(zhì)量有著巨大的影響。焊縫間距、焊接速度、攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度和下壓量等眾多工藝參數(shù)都影響著攪拌摩擦焊接頭力學(xué)性能。目前通常采用設(shè)計(jì)正交實(shí)驗(yàn)的方法確定最優(yōu)焊接參數(shù)，工作量大，生產(chǎn)效率低。研究工藝參數(shù)對(duì)焊接成品質(zhì)量的理論模型，對(duì)優(yōu)化工藝參數(shù)、增大加工效率有著積極的意義[25]。還需要研究焊接過(guò)程數(shù)值仿真，目前的焊接工藝開(kāi)發(fā)工作耗時(shí)太長(zhǎng)，需要進(jìn)行許多實(shí)驗(yàn)來(lái)確定不同工具、合金、厚度或接頭配置的工藝參數(shù)。如果數(shù)值仿真模型能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)攪拌區(qū)和周?chē)牧现械臏囟群筒牧狭鲃?dòng)，以及由此產(chǎn)生的接頭特性，可以顯著縮短確定最優(yōu)工藝參數(shù)的時(shí)間[26]。

5 箭體對(duì)接裝備與技術(shù)

箭體級(jí)段對(duì)接裝配是運(yùn)載火箭總裝中的重要環(huán)節(jié)?；鸺溟g段與氧化劑箱、級(jí)間段與燃料箱、尾端與過(guò)渡段等箭體分段都需要通過(guò)對(duì)接裝配工序完成箭體總裝。箭體對(duì)接裝配方式也可分為水平對(duì)接和垂直對(duì)接。傳統(tǒng)箭體對(duì)接方式都為手工操作，對(duì)接過(guò)程中需要裝配人員前后跑動(dòng)，主要依靠人眼和經(jīng)驗(yàn)判斷艙段間相對(duì)位置，并轉(zhuǎn)動(dòng)手輪調(diào)整艙段位姿，需要經(jīng)過(guò)反復(fù)多次的調(diào)節(jié)試錯(cuò)才能完成，對(duì)接效率與精度都很低。隨著技術(shù)的發(fā)展，自動(dòng)對(duì)接裝配系統(tǒng)在航空領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用[27]，大大提高了飛機(jī)的裝配效率和質(zhì)量。自動(dòng)對(duì)接裝配系統(tǒng)一般由大尺寸測(cè)量系統(tǒng)、伺服調(diào)姿系統(tǒng)和控制系統(tǒng)構(gòu)成。在航天領(lǐng)域，自動(dòng)化對(duì)接裝配系統(tǒng)的研究與應(yīng)用還處于發(fā)展階段，隨著世界航天產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，火箭制造產(chǎn)業(yè)急需提升火箭總裝的效率與質(zhì)量。

5.1 定位測(cè)量裝備與技術(shù)

為實(shí)現(xiàn)箭體艙段間的準(zhǔn)確對(duì)接，需要測(cè)量得到兩個(gè)艙段間精確的相對(duì)位置與姿態(tài)。針對(duì)飛機(jī)、火箭這類(lèi)大尺寸設(shè)備測(cè)量場(chǎng)景，目前應(yīng)用較為成熟的測(cè)量系統(tǒng)主要有激光跟蹤儀、室內(nèi)iGPS系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)激光自動(dòng)經(jīng)緯儀系統(tǒng)以及攝影測(cè)量等方式。箭體筒段屬于大型薄壁件，徑厚比極大，在重力和外力作用下極易變形，使得兩對(duì)接面的定位基準(zhǔn)難以找正，成為箭體對(duì)接裝配中的瓶頸問(wèn)題[28]。在箭體對(duì)接裝配過(guò)程中，一般可通過(guò)構(gòu)建大尺寸空間測(cè)量系統(tǒng)，在對(duì)接箭體筒段的對(duì)接端面和外表面布置多個(gè)靶標(biāo)點(diǎn)，測(cè)得箭體筒段上的一些特征點(diǎn)坐標(biāo)（圖18），并通過(guò)幾何面擬合、相對(duì)坐標(biāo)變換等方式間接計(jì)算得到對(duì)接筒段的軸線(xiàn)、對(duì)接端面平面或?qū)愉N(xiāo)釘銷(xiāo)孔的相對(duì)位置和姿態(tài)。隨后可通過(guò)建立相應(yīng)的筒段對(duì)接評(píng)價(jià)指標(biāo)，求解當(dāng)前位姿與最優(yōu)位姿間的位姿變換，用于指導(dǎo)筒段的位姿調(diào)整[29]。

圖18 iGPS系統(tǒng)在箭體對(duì)接中的應(yīng)用[23]

5.2 對(duì)接調(diào)姿裝備與技術(shù)

對(duì)接調(diào)姿裝備是箭體空間6個(gè)自由度位姿調(diào)節(jié)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，同時(shí)也起到對(duì)箭體的承載支撐作用。箭體水平對(duì)接裝配主要使用支撐架車(chē)實(shí)現(xiàn)對(duì)箭體的支撐和位姿調(diào)節(jié)。為實(shí)現(xiàn)對(duì)箭體空間6自由度的位姿調(diào)整，單個(gè)支撐架車(chē)至少需要具備四個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)功能，即沿X、Y、Z方向直線(xiàn)平動(dòng)以及繞筒段軸線(xiàn)的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，剩余兩個(gè)空間旋轉(zhuǎn)自由度的調(diào)節(jié)則通過(guò)前后兩個(gè)架車(chē)的相對(duì)移動(dòng)實(shí)現(xiàn)。傳統(tǒng)支撐架車(chē)都采用人工驅(qū)動(dòng)手輪方式進(jìn)行調(diào)節(jié)，體力勞動(dòng)量大。隨著自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的伺服調(diào)姿架車(chē)[30]可以大大降低裝配工作的勞動(dòng)強(qiáng)度，促進(jìn)對(duì)接裝配流程的全自動(dòng)化。美國(guó)NASA在SLS火箭制造中使用的Wheelift transporter系統(tǒng)使用了重載AGV底盤(pán)，集自動(dòng)運(yùn)輸功能和對(duì)接調(diào)姿功能于一體，進(jìn)一步提升了箭體制造裝配的效率。繩索牽引式并聯(lián)機(jī)構(gòu)[31]在火箭箭體對(duì)接裝配領(lǐng)域的應(yīng)用探索也得到了一些研究。圖19 所示為一種繩驅(qū)動(dòng)并聯(lián)式筒段對(duì)接調(diào)姿機(jī)構(gòu)，對(duì)接時(shí)使用6根鋼絲繩將箭體筒段吊離架車(chē)，并通過(guò)控制鋼絲繩的長(zhǎng)度實(shí)現(xiàn)對(duì)箭體的位姿調(diào)整。

圖19 對(duì)接調(diào)姿裝備

5.3 自動(dòng)對(duì)接裝配技術(shù)

基于大尺寸空間測(cè)量系統(tǒng)與伺服調(diào)姿機(jī)構(gòu)，可構(gòu)建相應(yīng)的閉環(huán)自動(dòng)對(duì)接控制系統(tǒng)。文獻(xiàn)[32]展示了一種基于激光跟蹤儀測(cè)量系統(tǒng)和伺服調(diào)姿架車(chē)構(gòu)成的火箭部端自動(dòng)對(duì)接裝配系統(tǒng)的工作流程。由測(cè)量系統(tǒng)實(shí)時(shí)測(cè)量筒段相對(duì)位姿信息，并解算得到向最佳對(duì)接狀態(tài)調(diào)整的運(yùn)動(dòng)參數(shù)反饋至控制系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)對(duì)筒段位姿進(jìn)行相應(yīng)調(diào)節(jié)，從而完成箭體自動(dòng)化對(duì)接裝配。

近年來(lái)，航天發(fā)射任務(wù)密集化對(duì)運(yùn)載火箭制造產(chǎn)能提出了更大的需求，箭體對(duì)接技術(shù)的數(shù)字化、自動(dòng)化是提升制造效率的重要手段?；鸺吞?hào)的多樣化以及未來(lái)重型運(yùn)載火箭的需求，使得提升對(duì)接調(diào)姿設(shè)備的通用性、柔性化應(yīng)用能力以及承載能力成為重要的發(fā)展方向。

6 結(jié)語(yǔ)

總結(jié)了新一代運(yùn)載火箭箭體結(jié)構(gòu)關(guān)鍵制造技術(shù)與裝備的發(fā)展現(xiàn)狀，主要包括了大型構(gòu)件的板材成型、銑削加工、自動(dòng)鉆鉚、攪拌摩擦焊接和箭體對(duì)接環(huán)節(jié)，并對(duì)各制造流程中的關(guān)鍵技術(shù)研究及應(yīng)用狀況進(jìn)行了分析。

雖然箭體制造過(guò)程逐步實(shí)現(xiàn)了制造設(shè)備的單機(jī)自動(dòng)化，并且國(guó)產(chǎn)裝備的指標(biāo)參數(shù)和可靠性得到了顯著提升，正服務(wù)于航天型號(hào)產(chǎn)品的研制生產(chǎn)，但在整個(gè)制造環(huán)節(jié)中仍需通過(guò)人工干預(yù)、離線(xiàn)仿真與自動(dòng)化設(shè)備的方式相結(jié)合，來(lái)保證當(dāng)前運(yùn)載火箭的高質(zhì)量生產(chǎn)。國(guó)產(chǎn)裝備在航天制造工藝適應(yīng)性和柔性自動(dòng)化等方面仍存在較大差距，需要開(kāi)展國(guó)產(chǎn)柔性自動(dòng)化裝備的開(kāi)發(fā)，以數(shù)字化物流、專(zhuān)家知識(shí)庫(kù)、生產(chǎn)過(guò)程實(shí)時(shí)監(jiān)控、工藝過(guò)程自適應(yīng)控制、在線(xiàn)高精度檢驗(yàn)和設(shè)備故障診斷等智能功能為建設(shè)內(nèi)容，突破工藝自適應(yīng)控制、制造質(zhì)量控制、知識(shí)獲取與應(yīng)用等關(guān)鍵技術(shù)，提升火箭箭體產(chǎn)品質(zhì)量一致性、增強(qiáng)制造系統(tǒng)柔性、提高制造效率。