面向产品的低成本快速设计制造技术研究

◎北京宇航系统工程研究所 罗恒 陈海鹏中国航天科技集团公司 褚洪杰

面向产品的低成本快速设计制造技术研究

◎北京宇航系统工程研究所 罗恒 陈海鹏中国航天科技集团公司 褚洪杰

未来10年全球商业卫星发射市场需求继续保持强劲，以空间太阳能电站为代表的重大工程需要大规模的运载能力、高效率的发射能力，同时低成本商业太空旅游近年来成为热点。21世纪以来，尤其是近5年来世界主要航天国家均把低成本作为运载火箭的重要发展方向，并且在总体方案优化、专项技术发展等方面作出了很大努力。

一、国际运载火箭低成本措施

1．合理规划运载能力，采用模块化设计思路

Ariane 5和Ariane 6火箭的不同境遇很好地诠释了型谱规划的重要性。Ariane 5系列火箭运载能力过大，单星发射运载能力富裕较多，双星发射用户协调较为困难。Ariane 6瞄准以一箭一星或一箭双星方式发射5吨级卫星，6.2构型的地球同步转移轨道（GTO）运载能力5吨，年发射9次情况下发射价格为6500万欧元；6.4构型的GTO运载能力11吨，年发射9次情况下发射价格为8500万欧元，既能满足国际商业发射需求，同时可大幅降低单位载荷的发射成本。

火箭产品模块化设计是降低运载火箭成本的有效措施。H-2A火箭采用通用的分系统和组件，通过不同配置组成不同型号来满足多轨道发射需要，单次发射费用从H-2火箭的1.7亿美元降低至8500万美元；Angala系列运载火箭采用模块化设计、渐进式分阶段研制思路，其国际商业卫星发射价格为1500～9000万美元；美国未来新一代中型运载火箭Vulcon通过捆绑不同数量的助推器实现合理的运载能力梯度。

2．简化系统方案，采用继承性设计

Delta 4系列运载火箭采用的RS-68发动机与航天飞机主发动机相比减少了80%的零部件，其成本降低了近80%；Ariane 6火箭将捆绑不同数量的较为简单的固体助推器，在继承Ariane火箭高可靠性的同时，也力争降低研制成本。

Vulcon火箭将继承Atlas 5火箭的大量成熟技术；Falcon 9火箭采用简单可靠低成本的液氧煤油发动机、成熟的2198铝锂合金以及搅拌摩擦焊技术；重型运载火箭SLS Block 1型充分利用航天飞机主发动机、Delta 4火箭上面级发动机和航天飞机固体助推器组件；Antares火箭一子级采用AJ-26发动机，其前身即前苏联N-1火箭的NK-33发动机；2013年成功首飞的Epsilon火箭第一级采用H-2A和H-2B火箭的SRB-A发动机，借助批量生产实现低成本化目的。

3．采用新技术降低成本

技术创新是运载火箭降低成本的有效手段。Epsilon火箭通过采用最新材料减轻纤维缠绕助推器壳体的重量并简化制造过程，将复杂的压热器改造为加热炉，进一步降低成本，提高性能；J-2X发动机的主承包商洛克达因公司利用先进3D打印工艺建造用于发动机的排气孔盖，极大地缩短了生产时间，降低了成本；Falcon 9火箭在箭体结构设计上采用CAD/CAM一体化柔性制造技术，使得工装数量大大减少，由于广泛采用数控加工技术，产品的可移植性好，可靠性也高。

4．引入市场化竞争

后航天飞机时代，商业轨道运输系统已成为美国近地轨道运输的重要方式，以SpaceX为 代表的私营公司改变了整个国际商业发射服务市场的格局。未来欧洲运载火箭的研制生产与运营也将完全由私营企业承担，日本也计划引入民营企业参与H-3火箭项目研制。

二、我国低成本火箭存在的差距

1．价格优势逐渐削弱

在国际商业发射服务市场，“长征”系列运载火箭一直以较高的性价比吸引用户。但是随着中国经济总量的快速扩张、经济结构的转变、人民币汇率不断攀升以及原材料和人力成本的不断上升，“长征”系列火箭的价格上涨势在必行。与此同时国际卫星发射市场竞争日趋白热化，Falcon 9火箭的发射费用为5400万美元左右，可提供包括任务综合费用、发射场费用和附加费用的全套发射服务，发射成本显著降低。

2．通用化、系列化和组合化水平较低

在运载火箭研制项目中，波音公司、洛克希德·马丁公司、阿里安航天公司等采用矩阵管理的方式，项目管理人员既要向项目经理负责，也要向本部门领导负责，一个成员可同时参与多个项目，对单机产品高度重视，确保产品通用化、系列化和组合化设计。我国传统的航天装备科研生产以型号任务为牵引，自下而上逐级开展设计、分析、试验、考核、验收、交付等工作，通用化、系列化、组合化的思路虽然早已提出，但缺乏系统、全面的产品化组织机制，导致当前的航天装备科研生产存在相似产品重复研制，产品化程度偏低。

3．发射模式单一

“长征”系列运载火箭对外发射服务的测试发射成本占发射服务总报价的约34%，这其中发射场成本占据了大部分，国外主流运载火箭的测试发射成本仅占发射服务总报价的15%左右。由于发射场和地面固定发射费用较高，通过采用空中发射等方式可显著降低发射场使用成本。

4．工艺水平落后

我国新一代运载火箭研制正在开展三维制造下厂，但技术成熟度尚存在差距。航天焊接技术整体水平相对落后，自动化程度较低，针对新材料的焊接技术研究较少。

5．市场化程度不足

目前，我国航天事业依然采用政府导向的举国体制，航天领域未向市场和私营企业开放，在一定程度上削弱了创新，破坏了整个产业的长远健康发展。

三、初步规划与技术改进思路

鉴于低成本是一个既包含型号顶层设计，也包含系统集成，既涉及到设计、生产、试验、运输、发射、测控等技术环节，也包含管理思路的综合问题，各项措施既涉及到降低成本、快速生产与制造，也涉及到技术先进性，带有极强的技术复杂性和前瞻性。笔者初步提出四维一体的规划思路，即以低成本快速设计与制造工程为中心，从全系统、全寿命、分步骤、多角度4个维度对低成本工程进行拓展（见图1）。

根据四维一体的规划思路，针对型号全箭、总体分系统、单机3个层面开展低成本快速设计与制造能力规划（见图2）。

根据初步规划，对运载火箭在设计、生产、试验、运输、发射、测控、管理环节提出了技术改进思路

图1 低成本快速设计与制造工程规划示意图

1．设计环节

低成本设计是降低成本的源头，未来可在以下几个方面开展工作：

总体可开展精细化设计和基于源数据的多专业联合仿真，优化各专业设计余量；探索火箭部段级可控回收，最终实现可重复使用。电气系统可简化系统冗余方案，研究单表级冗余代替系统级冗余；统一箭上测试发射控制和供配电设计，简化箭上接口设计，提升测量手段，采用无线传输技术、光纤传感器等。箭体结构可统一现有火箭机械接口，减少接口种类；开展基于工艺的闭环设计，降低工艺难度；实现设计部件标准化，减少产品种类。动力系统可选用增生增压、排放预冷、虹吸式出流装置等简化方案。发射支持系统可探索简化地面设备，取消箭体垂直度调整系统，取消箭上瞄准玻璃；设计通用吊具，减少吊具数量。

2．生产与试验环节

探索采用贮箱箱底旋压整体成型技术，改进贮箱焊接工艺，采用大厚度板材代替锻件工艺与激光增材制造技术，提高生产效率，降低生产成本。

各系统可探索采用批抽检方式代替现有的全样验收方式；电气系统可探索取消单元测试、匹配测试，缩短发射场的测试流程；动力系统可优化氢系统用氦量，减少气瓶置换次数，合并贮箱蒸发量试验、增压试验、动力系统试车等试验项目。

3．运输、发射、测控环节

统一公路运输设备，提高产品的通用性，减少产品配套种类和数量。

优化发射场流程，简化发射场设施设备，取消地面瞄准系统，采用箭上自瞄方案，减少人力资源成本和时间成本。

取消地基遥测，通过回收和天基遥测获取遥测数据；取消起飞段高速摄影，简化外测系统。

4．管理环节

对型号可统一技术状态，组批投产；统一力学环境条件和箭上测量系统的传感器与变换器选型，推进产品化进程；部分产品适度引入竞争，采用双定点配套或者全球采购，通过市场化进一步降低成本。

图2 型号低成本快速设计与制造能力规划

四、未来重点发展方向

1．低成本固液混合运载火箭构型

固体助推器具有结构简单、活动部件少、研制周期短、研制成本相对较低、可靠性高、维护简单等优点，被世界各国普遍采用，我国尚未大规模应用固体助推器。未来可探索将固体、液体发动机的优势结合起来，形成在技术、成本上都具有一定可行性的运载火箭总体构型，并带动固体、液体火箭发动机技术发展。研究内容包括：瞄准太阳同步轨道运载能力不低于4吨，地球同步转移轨道运载能力不低于6吨，全面降低运载火箭成本，形成总体构型论证方案；针对捆绑固体助推器构型，在固体助推器分离技术、固体助推器捆绑技术、力热环境预示技术方向开展研究；针对固体芯一级技术、芯级固体状态下关键技术开展研究。

2．远程分布式测试发射技术

远程分布式测试发射系统是实现航天运输系统低成本、快速制造、测试及发射的关键环节，通过异地协同，提高测试发射效率，降低人力、物力资源保障成本，对运载火箭发射场总装和测试全过程的管理、监控、判读、故障分析一体化。研究内容包括：信息远程传递和发布技术；现场互动协调及视频部署技术；远程协同故障诊断技术；多策略故障诊断推理技术； IETM虚拟样机信息管理技术。

3．快速测试与发射技术

我国现有“长征”火箭均采用固定塔架发射方式，发射准备周期长，与快速进入空间以及航天运输系统低成本的需求相比还有很大差距。通过利用先进测试技术缩短测试发射流程，从根本上降低物资和人员保障成本，提升火箭发射的效率和经济性。研究内容包括：发射场电气系统测试发射流程优化技术；测试数据快速判读技术；简化的箭地接口设计技术；射前准备自动化设计技术；地面发射系统集成化技术。

4．发动机任务适应性设计技术

多星发射、多任务集成、多轨道适应性、多任务适应性等都考验着火箭的适应能力。如果一发火箭或者多模块组合火箭同时具有上述能力，就可以实现规模生产，进一步降低费用。研究内容包括：发动机飞行任务适应性设计技术；液氧煤油发动机性能提升技术；低温火箭加注后推迟24小时发射技术；降低发动机使用维护成本综合研究。

5．高可靠电气产品和测试技术

随着技术的飞速发展，目前民用产品的性能和功能已经达到甚至超过军用及航天标准要求，未来只需在民用产品基础上进一步开发适应军用环境的特殊技术即可。因此，采用商用成熟技术（COTS）开发航天运输系统箭上及地面测试产品成为航天产品低成本发展的一个重要趋势。研究内容包括：器件采购与筛选控制；应用环境机、电、热设计；COTS器件检错、容错； COTS测控软件集成技术；可靠性分析、验证与评估。

6．高可靠箭上电气系统一体化设计

高可靠一体化的电气系统设计方案是实现航天运输系统低成本化的必然趋势，也是实现航天运输系统轻型化、测试自动化、发射快速化的重要前提。电气系统须以总线为信息传输纽带，实现电气单机小型化、功能集成化，减少电气系统设备种类、数量及重量，提高电气系统可靠性、可测试性，使电气系统具有模块化结构及更强的适应性，提升电气系统综合性能，降低产品成本。研究内容包括：电气系统统一供配电技术；电气系统模块化设计技术；电磁兼容技术。

7．重复使用运载器总体设计及优化技术

可重复使用运载器技术指标先进，设计难度大，其最显著的特点是总体、气动、弹道、防热、结构、动力、制导导航与控制等多个专业间存在强耦合性。运载器总体设计必须全面开展多学科一体化设计工作，以避免方案颠覆。研究内容包括：形成各学科仿真技术的综合建模方法，设计学科涵盖气动、布局、动力、弹道、结构、防隔热、操控等；通过建立总体优化设计模型，对运载器总体性能进行优化迭代分析，给出优化的总体方案，总体优化设计模型应反映运载器重要参数和主要约束；重点针对结构、防热、弹道等多个学科进行仿真技术的综合建模方法研究，建立多学科、多参数、多约束的总体优化设计模型。

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