先进制造技术在航天领域的应用进展

文|黎小平 姜云峰

湖北航天化学技术研究所

一、引言

针对制造业面临的挑战和机遇，为增强制造业的竞争力和促进国家经济增长，美国在20世纪80年代率先提出了先进制造技术（AMT）概念。先进制造技术是制造业不断吸收信息技术及现代化管理等方面的成果，并将其综合应用于产品设计、制造、检测、管理、销售、使用、服务乃至回收的制造全过程，以实现优质、高效、低耗、清洁、灵活生产，提高对动态多变的产品市场的适应能力和竞争能力的制造技术的集成。相比传统的制造技术，先进制造技术更加重视技术和管理的结合，以及制造过程组织和管理体制的简化和合理化。发达国家面对激烈的市场竞争，为了保持竞争能力，抢夺市场，占领制高点，都高度重视发展先进制造技术，纷纷投入相当大的人力和物力。目前，先进制造技术在发达国家已得到了广泛应用。

航天制造技术作为现代工程制造技术的重要组成部分，对国民经济的发展以及国防实力的增强具有极为重要的作用。波音公司（Boeing）、洛克希德·马丁公司（Lockheed Martin）、欧洲航天局（ESA）等都在先进制造技术的研究和应用上取得了重大进展。先进制造技术的广泛应用对这些企业和机构提高航天产品质量和市场反应速度、扩大产品制造规模、降低产品价格、快速推出新产品起到了重要作用，显著提高了竞争力。

二、航天智能制造

智能制造是制造技术、自动化技术、系统工程与人工智能等学科互相渗透、互相交织而形成的一门综合技术。智能制造作为新的制造模式和技术，可为高品质复杂零件制造提供新的解决方案，特别适应航天多品种、小批量生产的需要。

1.云制造

云制造融合与发展了现有信息化制造技术及云计算、物联网、智能科学、高效能（性能）计算、大数据和电子商务等新兴信息技术，将各类制造资源和制造能力虚拟化和服务化，构成制造资源和制造能力的服务云池，并进行协调的优化管理和经营，使企业用户通过终端和网络就能随时按需获取制造资源与能力服务，进而智慧地完成其制造过程全生命周期的各类活动。

2009年，著名制造业信息化专家李伯虎院士率先提出了我国的云制造理念；同时，国家863计划也适时地提出了云制造服务平台关键技术研究的重大研究项目，有力地推动了我国制造业信息化的进程，在关键技术、支撑平台及应用技术方面已取得阶段性成果。面对航天复杂产品的云制造平台建设，国内专家学者也开展了大量研究工作。

孙京[1]针对航天制造业面临的形势，提出了中国航天智能制造技术体系的设想，利用云计算、云制造技术，通过对现有网络化制造与服务技术进行延伸和变革，将各类制造资源和制造能力虚拟化、服务化，并进行统一、集中的智能化管理和经营，跨界构建动态技术网、动态制造网、动态营销网，实现航天制造的智能化、高效化、集成化。

林廷宇[2]结合航天企业应用场景，提出了航天云制造资源/能力应用模式和航天企业云制造系统体系结构，研究了支持上述应用模式和体系架构的云制造资源/能力服务的多视图描述以及组合优选模型，并以某航天复杂产品协同研制为应用实例，验证了云制造应用技术在支持航天企业开展新型信息化工业体系的建设中的有效性。

在分析航天产品研制过程各阶段的云制造应用服务模式的基础上，吴晓晓[3]建立了面向航天的云制造服务应用体系架构。该架构由用户、航天产品制造资源、航天云制造服务平台、航天云制造应用服务运营中心四部分组成，可以实现资源集约、集团集中管控、面向成员单位的资源共享、面向成员单位研制协同、对外协作5种航天云制造服务，为云制造服务在航天领域的实际应用提供了新的思路。

范江玲[4]运用云计算服务模式、云安全、高性能计算等理念和新技术构建了航天云制造体系架构，提出了航天云制造所涉及的关键技术，设计了基于云计算的航天制造资源集成的平台、平台实现体系方案以及部署方案。该平台包括物理资源层、虚拟资源层、航天云制造核心服务层、应用接口层、云制造应用层和云制造安全等6个部分，用户可以并行获得资源和分解难题，提高了航天企业的协同制造能力。

赵红玲[5]通过以太网、IB网络、SAN网络三套体系，采用虚拟化技术、数据存储与管理技术、集群、网格及并行计算等技术，搭建了一套能够向客户端提供系统运营、核心计算、信息资源存储、信息资源服务的系统平台，包括服务器的整合和虚拟化、智能化的网络体系、数据的几种存储与备份、高性能计算系统、资源调度与管理平台等。该系统从架构和性能方面满足了航天制造企业对数据中心集中存储、高性能计算、各种应用系统运营的服务要求。

2.航天机器人

工业机器人已广泛应用于汽车及汽车零部件制造、机械加工、食品、木材与家具等多个行业。近年来，航天领域也开始应用机器人来完成航天产品的焊接、喷涂、热处理、装配等作业。采用喷漆机器人进行航天固体发动机外表面的喷涂作业，可以提高产品质量和生产效率、减少环境污染、降低漆雾对喷涂工人的危害。

2012年，在欧盟第七框架计划（FP7）“未来工厂”项目的资助下，德国、奥地利、西班牙等国联合发起VELERI计划，旨在开发出先进的工业机器人系统。美国、加拿大、日本等国的制造企业也纷纷大力开发面向航天制造领域的工业机器人系统。雷神公司（Raytheon）使用航天装备智能转运机器人，使得装配过程中所有部组件的转运都实现了“零起吊”，极大地提高了安全性，同时基于并联机器人技术的柔性化智能对接单元，可更快、更安全地完成舱段对接。

进入21世纪以来，国内企业开始研发工业机器人，并已经初步进入产业化阶段，但整体水平仅仅相当于国外90年代中期水平。加上关键单元部件和器件依赖进口，制造成本居高不下，国内机器人应用市场上的国外品牌占据了90%以上。受此影响，国内面向航天产品制造和装配的专用机器人系统研制刚刚起步，尚未形成较完备的种类。将来，需要加大移动式、多臂协同、末端伺服、灵巧关节机器人的开发。

邱铁成[6]采用可移动式工业机器人系统配以激光跟踪仪，实现了卫星舱板的自动和半自动模式辅助对接装配，解决了舱板翻转机构与舱板停放机构的分离以及多自由度自动调节和联动，减少了专用支架车的数量和维护成本，满足了多工位、多时段的多个卫星装配使用要求。李慧[7]介绍的ABB IRB5500机器人自动喷涂系统由1台喷涂机器人、1套机器人移动装置、1套工作站总控系统、1套涂料输送及清洗系统和1套工件位置检测启动装置组成，不但能够实现大型航天发动机卧式喷涂，并且具有工艺参数调整方便、涂料更换简单、机械装置运行平稳、用户操作界面易学的特点，兼具实用性和可靠性。杨建中[8]介绍了一种6自由度Stewart并联机器人，在航天器上被广泛用作精确指向平台、隔振平台、太空望远镜次镜头与主镜头的实时对齐平台以及空间对接装置等许多方面。

三、航天增材制造

增材制造技术是制造技术原理的一次革命性突破，形成了最能代表信息化时代特征的制造技术，即以信息技术为支撑，以柔性化的产品制造方式最大限度地满足个性化需求。作为一种三维快速自由成形制造技术，增材制造技术具有成本低、周期短、可一次成形复杂零件等优势，在航天领域复杂整体关键构件、精密熔模铸造原型等制件的生产中应用前景广阔。美国率先将增材制造技术实用化，应用目标包括战术导弹、人造卫星、超音速飞行器的薄壁结构等。

1.金属材料增材制造

金属材料增材制造是近年来迅速发展起来的高端数字化制造技术。根据能量源不同，可分为高能束增材制造技术、电弧增材制造技术及其他增材制造技术。其中，基于激光束、电子束为能量源的高能束熔化金属材料的增材制造技术特别适用于航天型号研制，得到了发达国家政府、大企业及研究机构的高度重视。

美国太空探索技术公司（SpaceX）利用金属材料增材制造技术实现钛合金、镍基合金任意复杂的流道以及气膜冷却孔的航天发动机直接制造，采用Inconel合金增材制造SuperDraco引擎，提高了耐高温性能，并成功进行了点火试车（图1）。

在“太空发射系统”（SLS）中，美国国家航空航天局（NASA）采用激光选区熔化成形（SLM）技术整体制造了J－2X发动机的燃气发生器GH625高温合金材料导管，热试车性能良好。2018年3月，NASA对包含3D打印金属部件的RS－25发动机进行了飞行测试，推力高达113%级水平，创造了该发动机功率的最高水平，同时使得“太空发射系统”更加经济（图2）。

图1 SuperDraco引擎点火试车试验

图2 增材制造技术在“太空发射系统”中的应用

2015年4月以来，泰雷兹-阿莱尼亚航天公司（TAS）发射的卫星均采用了增材制造天线支架和反射器配件。2019年3月，该公司采用增材制造批量生产Spacebus Neo卫星平台的通信卫星组件，实现了组件质量减轻30%，制造成本减少约10%，生产周期缩短1～2个月，并可根据每个零件的具体要求进行定制化设计。为确保批量生产质量，整个增材制造过程都已建立了全面的测试和检验标准。

2.空间增材制造技术

在空间增材制造技术发展方面，NASA、ESA、德国航空航天中心（DLR）等都在积极开展相关研究工作。2014年，美国太空制造公司（Made In Space）与NASA合作，利用空间站3D打印机实现了首次空间微重力环境下的增材制造。2015年，太空制造公司承担了“太空建筑师”（Archinaut）项目的开发，目标是制造一台带有机械臂的3D打印机并将其安装在国际空间站（ISS）外部的一个分离舱上，在无需舱外航天员介入的情况下，利用增材制造技术进行太空中大型复杂结构制造及组装能力的研究（图3）。2017年，该项目的3D打印机在类似太空环境下打印出了85cm的聚合物合金横梁，标志着太空制造迈出了关键一步。

图3 “太空建筑师”项目示意图

2013年1月，ESA启动了以实现高技术金属产品高效生产与零浪费为目标的增材制造项目，即AMAZE计划，目标是开发适用于空间环境的金属增材制造技术。2014年11月，ESA在Futura任务中发射了一台由意大利ALTRAN公司采用熔融沉积成形（FDM）工艺制造的3D打印机。

实现面向空间增材制造材料回收利用的重要技术途径是将国际空间站内的废料或暂时不用的零部件转化为可供空间增材制造所需的原材料，用于制造急需的零部件。系绳无限公司（Tethers Unlimited）和NASA都在该方面开展了原理性研究。华盛顿大学、斯坦福大学和ESA正在利用类月壤材料，以及将月球或火星的原位风化层或土壤作为原料，对卫星零部件和空间栖息地进行增材制造。

3.3D打印技术

3D打印技术是计算机辅助设计与制造技术、逆向工程技术、分层制造技术、材料增加成形技术及其集成的总称，目前正在成为一种迅猛发展的潮流。在航天领域，3D打印技术在大尺寸零件一体化制造、异型复杂结构件制造、变批量定制结构件制造方面具有巨大的优势。此外，空间应用3D打印技术也具有可就地取材、节约运输成本等优势。因此，国外众多研究机构均积极研发3D打印技术[9]。

目前，卫星领域的增材制造技术尚处于研究和评估阶段。2013年底，美国高校首次采用3D打印技术进行了立方体卫星简单电子设备的制造；2014年11月，喷气推进实验室（JPL）与红眼公司（RedEye）合作打印出气象、电离层和气候星座观测系统二号（COSMIC－2）卫星的功能天线阵结构；洛克希德·马丁公司A2100卫星平台3D打印零件由2016年的10%增至2017年的50%；2016年3月31日，俄罗斯首个3D打印的立方体卫星Tomsk-TPU-120成功进入太空，这也是世界首次将增材制造的卫星系统送入太空。

2017年，美国火箭工艺公司（RCI）[10]发明了一种用塑化剂和高能纳米铝颗粒的混合物安全生产火箭燃料的方法，展示了使用3D打印技术制造混合火箭发动机用高性能燃料颗粒的工艺。2018年，美国普渡大学（Purdue University）[11]使用3D打印技术制造出了固体含量为85%的AP推进剂，经测试，样品不仅能够在高达10.34MPa的压强条件下进行燃烧，且燃速与浇注推进剂相当。

四、结束语

航天制造业的技术水平和生产能力是国家制造业实力和国防科技工业现代化水平的综合体现。航天产品的制造过程具有规模庞大、系统复杂、技术难度大、质量可靠性和安全性要求高、极具风险性的特点。大量新材料、新结构首先在航天产品中得到应用，航天产品的“高、精、尖”特征对制造技术提出了更高的要求，传统的制造工艺越来越成为制约航天发展的瓶颈。

智能制造技术作为21世纪先进制造技术发展的重要方向，是新工业革命的主要标志之一，可以实现航天领域产品的高质量、快速、低成本研制，提高产品研制的快速响应能力，“德国工业4.0”、“美国先进制造合作伙伴计划”都将智能制造技术作为带动航天制造产业发展的核心发展方向。智能制造技术打破了传统制造的约束，颠覆了传统设计理念，在航天火箭发动机、多种装备型号和空间探索等项目中有良好的应用前景，对突破航天型号研制过程中关键零部件的科研生产瓶颈具有重要意义。