先進制造技術在航天領域的應用進展

文|黎小平 姜云峰

湖北航天化學技術研究所

一、引言

針對制造業面臨的挑戰和機遇，為增強制造業的競爭力和促進國家經濟增長，美國在20世紀80年代率先提出了先進制造技術（AMT）概念。先進制造技術是制造業不斷吸收信息技術及現代化管理等方面的成果，并將其綜合應用于產品設計、制造、檢測、管理、銷售、使用、服務乃至回收的制造全過程，以實現優質、高效、低耗、清潔、靈活生產，提高對動態多變的產品市場的適應能力和競爭能力的制造技術的集成。相比傳統的制造技術，先進制造技術更加重視技術和管理的結合，以及制造過程組織和管理體制的簡化和合理化。發達國家面對激烈的市場競爭，為了保持競爭能力，搶奪市場，占領制高點，都高度重視發展先進制造技術，紛紛投入相當大的人力和物力。目前，先進制造技術在發達國家已得到了廣泛應用。

航天制造技術作為現代工程制造技術的重要組成部分，對國民經濟的發展以及國防實力的增強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）等都在先進制造技術的研究和應用上取得了重大進展。先進制造技術的廣泛應用對這些企業和機構提高航天產品質量和市場反應速度、擴大產品制造規模、降低產品價格、快速推出新產品起到了重要作用，顯著提高了競爭力。

二、航天智能制造

智能制造是制造技術、自動化技術、系統工程與人工智能等學科互相滲透、互相交織而形成的一門綜合技術。智能制造作為新的制造模式和技術，可為高品質復雜零件制造提供新的解決方案，特別適應航天多品種、小批量生產的需要。

1.云制造

云制造融合與發展了現有信息化制造技術及云計算、物聯網、智能科學、高效能（性能）計算、大數據和電子商務等新興信息技術，將各類制造資源和制造能力虛擬化和服務化，構成制造資源和制造能力的服務云池，并進行協調的優化管理和經營，使企業用戶通過終端和網絡就能隨時按需獲取制造資源與能力服務，進而智慧地完成其制造過程全生命周期的各類活動。

2009年，著名制造業信息化專家李伯虎院士率先提出了我國的云制造理念；同時，國家863計劃也適時地提出了云制造服務平臺關鍵技術研究的重大研究項目，有力地推動了我國制造業信息化的進程，在關鍵技術、支撐平臺及應用技術方面已取得階段性成果。面對航天復雜產品的云制造平臺建設，國內專家學者也開展了大量研究工作。

孫京[1]針對航天制造業面臨的形勢，提出了中國航天智能制造技術體系的設想，利用云計算、云制造技術，通過對現有網絡化制造與服務技術進行延伸和變革，將各類制造資源和制造能力虛擬化、服務化，并進行統一、集中的智能化管理和經營，跨界構建動態技術網、動態制造網、動態營銷網，實現航天制造的智能化、高效化、集成化。

林廷宇[2]結合航天企業應用場景，提出了航天云制造資源/能力應用模式和航天企業云制造系統體系結構，研究了支持上述應用模式和體系架構的云制造資源/能力服務的多視圖描述以及組合優選模型，并以某航天復雜產品協同研制為應用實例，驗證了云制造應用技術在支持航天企業開展新型信息化工業體系的建設中的有效性。

在分析航天產品研制過程各階段的云制造應用服務模式的基礎上，吳曉曉[3]建立了面向航天的云制造服務應用體系架構。該架構由用戶、航天產品制造資源、航天云制造服務平臺、航天云制造應用服務運營中心四部分組成，可以實現資源集約、集團集中管控、面向成員單位的資源共享、面向成員單位研制協同、對外協作5種航天云制造服務，為云制造服務在航天領域的實際應用提供了新的思路。

范江玲[4]運用云計算服務模式、云安全、高性能計算等理念和新技術構建了航天云制造體系架構，提出了航天云制造所涉及的關鍵技術，設計了基于云計算的航天制造資源集成的平臺、平臺實現體系方案以及部署方案。該平臺包括物理資源層、虛擬資源層、航天云制造核心服務層、應用接口層、云制造應用層和云制造安全等6個部分，用戶可以并行獲得資源和分解難題，提高了航天企業的協同制造能力。

趙紅玲[5]通過以太網、IB網絡、SAN網絡三套體系，采用虛擬化技術、數據存儲與管理技術、集群、網格及并行計算等技術，搭建了一套能夠向客戶端提供系統運營、核心計算、信息資源存儲、信息資源服務的系統平臺，包括服務器的整合和虛擬化、智能化的網絡體系、數據的幾種存儲與備份、高性能計算系統、資源調度與管理平臺等。該系統從架構和性能方面滿足了航天制造企業對數據中心集中存儲、高性能計算、各種應用系統運營的服務要求。

2.航天機器人

工業機器人已廣泛應用于汽車及汽車零部件制造、機械加工、食品、木材與家具等多個行業。近年來，航天領域也開始應用機器人來完成航天產品的焊接、噴涂、熱處理、裝配等作業。采用噴漆機器人進行航天固體發動機外表面的噴涂作業，可以提高產品質量和生產效率、減少環境污染、降低漆霧對噴涂工人的危害。

2012年，在歐盟第七框架計劃（FP7）“未來工廠”項目的資助下，德國、奧地利、西班牙等國聯合發起VELERI計劃，旨在開發出先進的工業機器人系統。美國、加拿大、日本等國的制造企業也紛紛大力開發面向航天制造領域的工業機器人系統。雷神公司（Raytheon）使用航天裝備智能轉運機器人，使得裝配過程中所有部組件的轉運都實現了“零起吊”，極大地提高了安全性，同時基于并聯機器人技術的柔性化智能對接單元，可更快、更安全地完成艙段對接。

進入21世紀以來，國內企業開始研發工業機器人，并已經初步進入產業化階段，但整體水平僅僅相當于國外90年代中期水平。加上關鍵單元部件和器件依賴進口，制造成本居高不下，國內機器人應用市場上的國外品牌占據了90%以上。受此影響，國內面向航天產品制造和裝配的專用機器人系統研制剛剛起步，尚未形成較完備的種類。將來，需要加大移動式、多臂協同、末端伺服、靈巧關節機器人的開發。

邱鐵成[6]采用可移動式工業機器人系統配以激光跟蹤儀，實現了衛星艙板的自動和半自動模式輔助對接裝配，解決了艙板翻轉機構與艙板停放機構的分離以及多自由度自動調節和聯動，減少了專用支架車的數量和維護成本，滿足了多工位、多時段的多個衛星裝配使用要求。李慧[7]介紹的ABB IRB5500機器人自動噴涂系統由1臺噴涂機器人、1套機器人移動裝置、1套工作站總控系統、1套涂料輸送及清洗系統和1套工件位置檢測啟動裝置組成，不但能夠實現大型航天發動機臥式噴涂，并且具有工藝參數調整方便、涂料更換簡單、機械裝置運行平穩、用戶操作界面易學的特點，兼具實用性和可靠性。楊建中[8]介紹了一種6自由度Stewart并聯機器人，在航天器上被廣泛用作精確指向平臺、隔振平臺、太空望遠鏡次鏡頭與主鏡頭的實時對齊平臺以及空間對接裝置等許多方面。

三、航天增材制造

增材制造技術是制造技術原理的一次革命性突破，形成了最能代表信息化時代特征的制造技術，即以信息技術為支撐，以柔性化的產品制造方式最大限度地滿足個性化需求。作為一種三維快速自由成形制造技術，增材制造技術具有成本低、周期短、可一次成形復雜零件等優勢，在航天領域復雜整體關鍵構件、精密熔模鑄造原型等制件的生產中應用前景廣闊。美國率先將增材制造技術實用化，應用目標包括戰術導彈、人造衛星、超音速飛行器的薄壁結構等。

1.金屬材料增材制造

金屬材料增材制造是近年來迅速發展起來的高端數字化制造技術。根據能量源不同，可分為高能束增材制造技術、電弧增材制造技術及其他增材制造技術。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特別適用于航天型號研制，得到了發達國家政府、大企業及研究機構的高度重視。

美國太空探索技術公司（SpaceX）利用金屬材料增材制造技術實現鈦合金、鎳基合金任意復雜的流道以及氣膜冷卻孔的航天發動機直接制造，采用Inconel合金增材制造SuperDraco引擎，提高了耐高溫性能，并成功進行了點火試車（圖1）。

在“太空發射系統”（SLS）中，美國國家航空航天局（NASA）采用激光選區熔化成形（SLM）技術整體制造了J－2X發動機的燃氣發生器GH625高溫合金材料導管，熱試車性能良好。2018年3月，NASA對包含3D打印金屬部件的RS－25發動機進行了飛行測試，推力高達113%級水平，創造了該發動機功率的最高水平，同時使得“太空發射系統”更加經濟（圖2）。

圖1 SuperDraco引擎點火試車試驗

圖2 增材制造技術在“太空發射系統”中的應用

2015年4月以來，泰雷茲-阿萊尼亞航天公司（TAS）發射的衛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Spacebus Neo衛星平臺的通信衛星組件，實現了組件質量減輕30%，制造成本減少約10%，生產周期縮短1～2個月，并可根據每個零件的具體要求進行定制化設計。為確保批量生產質量，整個增材制造過程都已建立了全面的測試和檢驗標準。

2.空間增材制造技術

在空間增材制造技術發展方面，NASA、ESA、德國航空航天中心（DLR）等都在積極開展相關研究工作。2014年，美國太空制造公司（Made In Space）與NASA合作，利用空間站3D打印機實現了首次空間微重力環境下的增材制造。2015年，太空制造公司承擔了“太空建筑師”（Archinaut）項目的開發，目標是制造一臺帶有機械臂的3D打印機并將其安裝在國際空間站（ISS）外部的一個分離艙上，在無需艙外航天員介入的情況下，利用增材制造技術進行太空中大型復雜結構制造及組裝能力的研究（圖3）。2017年，該項目的3D打印機在類似太空環境下打印出了85cm的聚合物合金橫梁，標志著太空制造邁出了關鍵一步。

圖3 “太空建筑師”項目示意圖

2013年1月，ESA啟動了以實現高技術金屬產品高效生產與零浪費為目標的增材制造項目，即AMAZE計劃，目標是開發適用于空間環境的金屬增材制造技術。2014年11月，ESA在Futura任務中發射了一臺由意大利ALTRAN公司采用熔融沉積成形（FDM）工藝制造的3D打印機。

實現面向空間增材制造材料回收利用的重要技術途徑是將國際空間站內的廢料或暫時不用的零部件轉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、斯坦福大學和ESA正在利用類月壤材料，以及將月球或火星的原位風化層或土壤作為原料，對衛星零部件和空間棲息地進行增材制造。

3.3D打印技術

3D打印技術是計算機輔助設計與制造技術、逆向工程技術、分層制造技術、材料增加成形技術及其集成的總稱，目前正在成為一種迅猛發展的潮流。在航天領域，3D打印技術在大尺寸零件一體化制造、異型復雜結構件制造、變批量定制結構件制造方面具有巨大的優勢。此外，空間應用3D打印技術也具有可就地取材、節約運輸成本等優勢。因此，國外眾多研究機構均積極研發3D打印技術[9]。

目前，衛星領域的增材制造技術尚處于研究和評估階段。2013年底，美國高校首次采用3D打印技術進行了立方體衛星簡單電子設備的制造；2014年11月，噴氣推進實驗室（JPL）與紅眼公司（RedEye）合作打印出氣象、電離層和氣候星座觀測系統二號（COSMIC－2）衛星的功能天線陣結構；洛克希德·馬丁公司A2100衛星平臺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3D打印的立方體衛星Tomsk-TPU-120成功進入太空，這也是世界首次將增材制造的衛星系統送入太空。

2017年，美國火箭工藝公司（RCI）[10]發明了一種用塑化劑和高能納米鋁顆粒的混合物安全生產火箭燃料的方法，展示了使用3D打印技術制造混合火箭發動機用高性能燃料顆粒的工藝。2018年，美國普渡大學（Purdue University）[11]使用3D打印技術制造出了固體含量為85%的AP推進劑，經測試，樣品不僅能夠在高達10.34MPa的壓強條件下進行燃燒，且燃速與澆注推進劑相當。

四、結束語

航天制造業的技術水平和生產能力是國家制造業實力和國防科技工業現代化水平的綜合體現。航天產品的制造過程具有規模龐大、系統復雜、技術難度大、質量可靠性和安全性要求高、極具風險性的特點。大量新材料、新結構首先在航天產品中得到應用，航天產品的“高、精、尖”特征對制造技術提出了更高的要求，傳統的制造工藝越來越成為制約航天發展的瓶頸。

智能制造技術作為21世紀先進制造技術發展的重要方向，是新工業革命的主要標志之一，可以實現航天領域產品的高質量、快速、低成本研制，提高產品研制的快速響應能力，“德國工業4.0”、“美國先進制造合作伙伴計劃”都將智能制造技術作為帶動航天制造產業發展的核心發展方向。智能制造技術打破了傳統制造的約束，顛覆了傳統設計理念，在航天火箭發動機、多種裝備型號和空間探索等項目中有良好的應用前景，對突破航天型號研制過程中關鍵零部件的科研生產瓶頸具有重要意義。