美歐先進軍工企業航天制造智能化發展分析

文|孫紅俊 張文杰 張利艷

1.中國航天系統科學與工程研究院 2.北京理工大學 3.中國航天科技集團有限公司

近年來，在全球新一輪科技革命和產業變革融合促動下，美國波音公司（Boeing）、洛馬公司（Lockheed Martin）、雷神公司（Raytheon）、歐洲空客防務與航天公司（ADS）、泰雷茲-阿萊尼亞航天公司（TAS）等先進軍工企業積極布局智能工廠，創新航天研制生產模式，深化機器人與增材制造裝備技術應用，推進數字孿生、增強現實等新一代信息技術與航天研制生產緊密融合，加速航天制造業智能化升級轉型，對保障新型航天裝備研制生產，增強企業核心競爭力，提升企業質量效益等具有重要意義。

一、布局智能工廠，創新航天研制生產模式

智能工廠建設已成為美歐推進智能制造發展的重要抓手和著力點，旨在形成工廠信息物理融合系統，優化生產過程和要素配置，實現智能化生產制造。洛馬公司、空客防務與航天公司、雷神公司等軍工巨頭采取現有工廠設施升級改造或新建工廠等方式，布局智能工廠，推進新一代信息技術、增材制造、智能裝備等應用，創新衛星、導彈等航天裝備研制生產模式，引領美歐航天制造業創新發展。

1.洛馬公司投資建設多尺度衛星柔性制造智能工廠

為推進機器人、增材制造、虛擬現實、智能載荷等新興技術與衛星研制生產的融合應用，洛馬公司于2017年8月投資3.5億美元啟動衛星制造“門廊中心”（Gateway Center）建設，旨在形成衛星敏捷、高效、高精度的大中小多尺度柔性制造能力。2018年7月，“門廊中心”完成基礎建設，預計2020年建成并通過安全標準認證。

“門廊中心”將采用數字化生產結合快速可重構的生產線，配備滿足ISO 8級水平的高空清潔車間，可滿足從微小衛星到大型衛星等多尺度衛星的需求，具備一次生產5顆A2100衛星平臺或多顆微小衛星的能力；將配備可模擬太空環境的大型熱真空室、測試高敏感傳感器和通信系統的消音室，以及先進測試操作和分析中心，使衛星可在1小時內從清潔車間移動到熱真空室和消聲室；將擁有完全數字化和無紙化環境，可自行檢查、鏈接并將相關數據直接記錄到工作指令中；可實現測試過程完全自動化，測試執行時間縮短15%。

2.雷神公司發展兼具導彈與微小衛星制造能力的智能工廠

近年來，雷神公司引入機器人、計算機控制、精益生產、柔性制造等先進技術和理念，通過多種措施推進基于物聯網的導彈智能工廠建設，在各個工廠部署多種機器人與工人協同作業，如自動導引車、導引頭裝配機器人、測試機器人等。其紅石導彈總裝廠（Redstone Arsenal）是世界上第一個用于大型導彈組裝的自動化工廠，采用洞穴式自動虛擬環境技術進行生產線建設布局，實現了智能物流和全自動化組裝，推進導彈研制生產智能化轉型。

雷神公司于2014年開始考慮使用導彈裝配、集成和測試生產線發展微小衛星制造能力，并在位于圖森市的導彈智能工廠啟動了下一代航天智能工廠建設，用于制造和測試微小衛星與傳統導彈產品。圖森工廠部署了裝配、集成和測試生產線，配備了機器人材料處理設備，投資建設了作為小衛星工作單元的光學測試、射頻通信測試、太陽光模擬器等專業測試設施，并在小衛星工作單元安裝了機器人輔助航天器組部件測試。2018年12月，雷神導彈智能工廠生產的“看我”（SeeMe）計劃微小衛星（圖1）成功發射。

圖1 雷神公司智能工廠制造的“看我”微小衛星

3.空客公司與一網公司合建微小衛星快速批量生產智能工廠

空客公司通過建設智能工廠，推進模塊化設計、協作機器人、增強現實、智能裝配、增材制造等技術的工業化應用，實現了工廠高度智能化，制造效率和質量大幅提升。2018年7月，空客公司與一網公司（OneWeb）聯合建設的美國佛羅里達智能工廠完成主體結構建設，后續將安裝2條OneWeb微小衛星的批量生產線。這2條生產線集微小衛星組裝、集成、測試于一體，采用先進制造技術和流水線裝配模式，每天可生產4顆OneWeb衛星，為組建900星低軌小衛星星座奠定了基礎。

該智能工廠大量應用增材制造、機器人、流水線等工藝和技術，OneWeb衛星各模塊生產單元和總裝線引入了協作機器人、智能裝配工具、自動光學檢測系統、大數據控制系統、自動精準耦合系統、自動導軌傳送、自動加熱分配系統、增強現實工具以及自動測試系統等多種智能制造手段，開辟了極具創新特點的自動化生產線模式（圖2）。這種模式未來將推動微小衛星生產制造進入批量化時代，在保證質量和可靠性的同時，大幅縮短量產微小衛星的制造周期并降低生產成本，推動衛星制造向流水線作業轉變，為構建超大規模微小衛星星座以及實現衛星快速補網發射提供有效保障。

為確保在2020年前完成900顆衛星星座部署，2016年初，空客公司與一網公司在法國圖盧茲合資建設了一條試驗生產線，驗證和優化OneWeb衛星的批量化生產流程。2017年3月，開始建設美國佛羅里達衛星制造智能工廠。截至2018年7月，圖盧茲衛星制造智能工廠已啟動最先進流水生產線，開始生產OneWeb星座第一批10顆衛星，佛羅里達衛星制造智能工廠將負責生產剩余的890顆衛星。

圖2 空客公司與一網公司合建衛星智能工廠示意圖

4.波音公司、空客公司布局可制造航天器的未來智能工廠

為實現智能制造工業化應用，波音公司、空客公司等企業面向未來布局智能工廠。波音公司與英國謝菲爾德大學（University of Sheffield）聯合成立先進制造研究中心，面向航空航天等高端制造業，構建世界上首個可按照產品生產需求重組的“2050未來工廠”（Factory 2050），將綜合運用先進機器人技術、柔性自動化技術、無人工作區、即插即用機器人與虛擬環境下離線編程技術、增材制造技術、人機界面技術和新型編程與培訓工具等先進技術。空客公司提出“未來工廠”（Factory of the Future）研發計劃，主要研究機器人、虛擬現實、增材制造等智能制造技術的工業化應用，已開發出“逼真人機工程分析”工具，正開發多自由度協同機器人、可穿戴式外骨骼等，正在建造增材制造車間，旨在在24小時內制造出定制零件，解決備件短缺問題。

二、推動機器人制造裝備應用，提升航天制造自動化智能化水平

為滿足航天裝備高效研制生產需求，洛馬公司、雷神公司、諾格公司（Northrop Grumman）、泰雷茲-阿萊尼亞航天公司等企業積極推動機器人技術應用，并逐步擴展到航天自動化智能化裝配、增減材制造與檢測、太空裝配與制造等領域。

1.研發裝配機器人助推衛星與導彈核心零部件集成

美歐軍工企業積極研發航天核心零部件裝配機器人，旨在形成高精度自動化裝配能力，提升裝配質量和效率。泰雷茲-阿萊尼亞航天公司研發的首個用于集成電子設備的多用途協作機器人已于2017年底完成首個任務，即實現第二代“地中海盆地”遙感小衛星電子組件集成；正在建造的衛星太陽帆板光電池自動化裝配生產線，將采取機器人裝配、數字化的數據管理和追溯管理、在線測試與檢測、增強現實技術、快速智能數據分析等新技術，推進生產車間實現人機融合，有望大幅提高生產效率和制造柔性。雷神公司已在末端執行器設計、視覺檢測、精確定位等機器人關鍵技術研究方面有所突破，研發出世界首臺導彈導引頭光學系統精密自動化裝配工業機器人（圖3），能夠高質量完成光學透鏡拾放、清潔、視覺檢測、粘結劑注入、紫外光固化等一系列裝配工序，導引頭光學系統裝配時間由原來的2天縮短到不足5分鐘，裝配效率大幅提升。

圖3 雷神公司導彈導引頭光學系統精密自動化裝配工業機器人

2.發展兼具增減材制造能力的智能化混合制造機器人

為解決增材制造零部件尺寸精度和表面光潔度低等問題，美歐軍工企業通過發展智能化增/減材混合制造機器人，以期實現先用增材制造快速自動化打印，再通過自主切削加工確保精度及質量，加速增材制造推廣應用。例如，洛馬公司建成世界上首臺“多機器人增減材混合設備”，該設備由2個機器人串行工作，具備增材制造、減材加工和工藝過程監測、尺寸檢查、熱測量等多種功能，適用于多種材料加工，已經過衛星零部件制造的驗證。

3.加速太空裝配與制造機器人創新發展

為滿足未來在太空按需制造零部件并實現自動化集成裝配的太空制造的需求，在美國“鳳凰”（Phoenix）計劃、“蜻蜓”（Dragonfly）計劃、“太空建筑師”（Archinaut）項目等太空裝配與制造相關項目任務支持下，諾格公司、麥克薩技術公司（Maxar Technologies）、太空制造公司（Made In Space）等企業積極主持或參與太空裝配、太空制造集成一體化機器人創新研究。例如，在“蜻蜓”計劃支持下，麥克薩技術公司正研發通信衛星大型天線太空機器人裝配系統，旨在實現衛星自行在軌裝配和置換天線反射器，預計2020- 2029年間進行在軌演示驗證；太空制造公司于2010年開始發展太空機器人太空制造裝配一體化技術，2019年3月成功完成了太空機器人增材制造與裝配能力地面驗證，即將開展全系統飛行試驗；諾格公司、馬里蘭大學（University of Maryland）等正參與“鳳凰”計劃提出的“細胞星”集成裝配服務機器人研制，預計于2021年開展在軌試驗。

三、加速新興技術融合應用，促動航天制造顛覆性變革

當前，增材制造、數字孿生/數字線索技術、增強/虛擬現實技術等新興技術蓬勃發展并加速融入航天制造領域，促動航天制造模式轉變和技術創新，實現更加快速、智慧和低成本生產。主要軍工企業推動新興技術在航天裝備設計研發、生產制造、運行維護等全過程的融合應用，取得重大突破。

1.增材制造應用范圍逐步擴展到關鍵衛星部件

洛馬公司、空客公司、泰雷茲-阿萊尼亞航天公司等采用增材制造技術制造衛星部件，制造范圍已從簡單的小型支架逐步擴展到燃料貯箱、天線等大型和關鍵部件，原材料從鈦或鋁等金屬拓展到聚合物，使過去需要數年制造的產品可在數周內完成。洛馬公司首個增材制造衛星部件為手掌大小的鈦波導支架，后續制造了“先進極高頻”（AEHF）通信衛星用鋁制航電線路盒，2018年7月使用其最大的電子束增材制造設備制造的直徑1.17m的衛星燃料貯箱鈦合金封頭完成了最后一輪測試，創造了增材制造太空部件尺寸新紀錄。空客公司聯合3D系統公司（3D Systems）于2017年8月成功制造出全球首個增材制造金屬射頻濾波器，有望安裝在商業通信衛星上，大幅降低衛星制造及發射成本，同時于2019年2月開始建設“工業4.0”工廠，用于衛星太陽能電池陣的自動化、數字化制造，重點發展機器人裝配生產線，以期實現生產周期和成本減半。泰雷茲-阿萊尼亞航天公司于2015年開始應用增材制造技術，其2017年發射的通信衛星整星均為增材制造零部件，2019年3月采用基于絲材的電弧增材制造（WAAM）工藝成功制造出高達1m的首個全尺寸用于太空探索的鈦合金壓力容器，利用該工藝生產能節省原材料200多千克，并大幅減少了廢料量。

2.數字孿生/線索技術日益成為數字化能力建設重點方向

數字孿生/線索是融合了物聯網、大數據、虛擬建模、工業互聯網等的綜合性前沿技術，已成為實現航天智能制造的關鍵技術之一。美歐大型軍工企業以及達索系統公司（Dassault Systemes）、西門子公司（Siemens）等軟件提供商都在結合各自發展需求積極開發數字孿生解決方案。在企業戰略層面，洛馬公司將數字孿生技術列為2018年度影響國防和航天領域的六大頂尖技術之首；空客公司也將數字孿生技術作為實施數字化戰略、構建“未來工廠”的重要內容。在軟件解決方案方面，達索系統公司針對復雜產品創新設計，建立了基于數字孿生技術的3DEXPERIENCE平臺，利用用戶交互反饋的信息不斷改進產品的數字化設計模型，并反饋到物理實體產品中；西門子公司以數字孿生技術為核心形成數字化企業解決方案。在航天裝備研制生產方面，太空探索技術公司（SpaceX）等企業開始使用西門子數字化企業解決方案，將制造空間的數據添加到模型中，不斷創新并提高行業競爭力，預計能夠使運載火箭研發成本降低一半；洛馬公司已實現增材制造與數字孿生技術的集成。

3.增強/虛擬現實技術日益融入航天研制生產全過程

增強/虛擬現實技術在大型復雜裝備制造、大批量零部件質檢、高端精密產品維護保障等應用領域不斷取得突破。大型軍工企業面向航天智能工廠，將增強/虛擬現實技術融入設計、生產、維修等研制生產全過程，顯著提升貫穿生產線檢測設計和制造問題的效率，降低缺陷率，促進航天裝備研制生產能力提升。洛馬公司已經將增強/虛擬現實技術應用于衛星制造過程，該公司每年執行2～3次“深潛式審查”，工程人員處于虛擬環境中，以他們實際在生產線建造中的相同順序組裝數千個零件，識別存在的問題，還可將特定組件執行數十次仿真，以最高效的方式安裝線束或推進系統。2017年4月，洛馬公司在其衛星生產線中利用增強/虛擬現實工具，在航天產品進入生產線之前利用三維成像發現并糾正工程失誤，目前保守估計每年成本可節省約1000萬美元。2018年，洛馬公司宣布正使用增強現實頭戴設備和軟件縮短工程師了解航天器制造工藝過程的時間，并強調增強現實設施已成為數字化基礎設施的重要組成部分。

四、結束語

智能制造作為新一代信息技術與制造技術深度融合的產物，已成為全球制造業發展的共識，智能轉型成為建設制造強國的關鍵。美歐軍工企業持續推進以數字化、網絡化、自動化和人工智能為代表的先進制造技術應用，改造傳統制造業生產方式和發展模式，推動航天裝備研制生產模式敏捷化、精益化、網絡化、數字化，加速航天制造業智能化升級，對于推動航天裝備升級換代，增強企業核心競爭力等具有重要意義。