卫星整星智能制造关键技术及应用

姜 钊 于 辉 解晓莉 刘 博 杜 洋

综述·专稿

卫星整星智能制造关键技术及应用

姜 钊 于 辉 解晓莉 刘 博 杜 洋

（天津电源研究所，天津 300384）

介绍了世界先进的整星制造技术，包括增材制造技术、脉动式生产线技术、数字孪生技术等。概述了著名宇航制造厂商各类产品的突出优势，其智能制造模式主要体现在产品设计模块化、工艺设计数字化、生产过程智能化等方面。最后客观分析了我国卫星产业发展所面临的问题与解决途径。

航空航天；卫星；空间技术；智能制造

1 引言

卫星整星包含的系统由以下几部分组成：位置与姿态控制系统、天线系统、转发器系统、遥测指令系统、电源系统、温控系统、入轨和推进系统[1]。在卫星整星制造领域，以美国、欧洲为代表的西方发达国家具有较大的技术优势。NASA、ESA等国家级航天组织，在卫星航天器的技术研发、项目管理、批量研制等方面具有丰富的经验与先进的技术水平。国外先进的宇航企业，对卫星的智能化、数字化制造已经进行了广泛的应用，具体包括增材制造技术、数字孪生技术等，通过这些智能制造技术应用，实现了企业资源的合理配置，为其组网等星座计划奠定了坚实的生产基础与产品质量保证[2]。

近年来，随着我国“空间一体化专项”、“北斗”、“卫星互联网”等空间建设计划的不断推进，在2019年中国已经超越俄罗斯，成为卫星发射第二大国[3]。民用与商用市场对卫星等航天器的需求已呈井喷式增长，据市场分析，2025年前，仅在我国低轨星座等商业航天领域，卫星的重要配套产品就需2600余套。但与国外先进宇航公司相比，中国卫星整星生产模式的智能化程度偏低，虽在先进生产理念与单点制造环节都有所提升，但整体来讲，尚未形成有效的脉动式生产模式，要满足未来几年商业航天与传统航天的卫星大批量发射需求，形势较为严峻。

截至2019年1月9日，美国拥有的卫星数量为901颗，位居世界第一，中国拥有卫星数量为299颗，位列第二，俄罗斯与日本的卫星数量分别为153颗与87颗，位列第三位和第四位。而且这些国家今后的发射密度也会越来越大。近年来，随着中国空间技术的进步，航天科技产品增长迅速，但在这种生产工艺繁杂、人工密集的离散型制造行业却存在着先进制造水平普遍偏低，产品质量参差不齐的问题，无法满足国内持续增长的对高质量、高可靠、高效率空间航天器的需求。因此，向国外先进的卫星制造厂商学习，引进适宜的先进技术并为我所用，对中国航天的国际地位提升与军民领域的发展都具有极其重要的意义。

2 国外卫星整星先进制造工艺

2.1 增材制造技术

随着美国政府大幅削减军事开支，迫使世界著名航天器制造厂商寻求新工艺、新技术推进低成本卫星的研制，采用增材制造技术，材料浪费最小，同时也缩短了制造周期。另外，增材制造也意味着在不需要模具的前提下，具有更大的设计自由度，非常适合小规模或一次性生产的复杂零件[4]，如曲线、孔、腔等卫星高精度微小零部件的生产。美国洛马公司（Lockheed Martin）正在使用此项工艺来制作卫星零件，并计划将此工艺扩展到航天器微小复杂零件的加工，乃至整星的制造过程中。轻型卫星可能会采用更小、更便宜的火箭发射，将会集成更多的传感器。2020年，洛马公司采用增材制造完成了目前最大的航空航天零件：钛合金材料制成的卫星贮箱箱底，如图1所示，比传统制造工艺节约成本80%，节省时间约85%，目前产品质量已通过检测验证。

图1 洛马公司增材制造超大贮箱箱底

波音公司（Boeing）制造的高端大型卫星，成本将近1.5亿美元，波音公司高管也将希望寄托于增材制造技术与模块化设计方法，试图大幅降低材料成本与人工成本。虽然不能与空中客车公司（Airbus）约50万美元成本的小卫星相比，但波音公司的目标是以其生产的波音737为标准，即生产周期为11周左右。

2.2 脉动式生产线技术

脉动式生产线是一种先进的装配生产线技术，目前主要用于宇航领域。脉动生产线可以设定缓冲时间，对生产节拍要求不高，当某个生产环节出现问题时，整个生产线可以不移动，或留给下个站位去解决。

脉动式生产线作业模式的智能程度介于固定站位式生产模式与连续流动生产模式之间，与汽车等成熟产品的连续流动生产模式相比，航空航天领域产品由于其制造工艺极其复杂，再加上制造商的一定局限性，在最开始阶段，一直采用固定站位式生产模式，但是上千道工序只在同一固定站位装配会使生产效率极低，因此，伴随着波音717与波音737飞机总装时的成功应用，2008年波音公司为美军方建设了新型GPS卫星脉动装配线。图2、图3分别是飞机脉动生产线与卫星脉动生产线。

图2 F-35型飞机脉动生产线

图3 波音公司卫星脉动生产模式

美国雷声公司（Raytheon Company）对旗下的图森工厂所生产的SeeMe卫星也设立了新型智能工厂与特定的脉动生产线，并针对其特殊化设计的卫星，开展了三维化自动组装与测试环节的部署，组装环节将由固定式与移动高自由度工业机器人完成设备的组装，并通过数字化车间控制系统管理；其测试环节则依次由通信和射频测试系统、热真空系统、振动测试系统、通用工具和部件系统、质量和重心测试等系统组成。据悉，图森工厂将进一步完善智能生产线，最终达到可实现小卫星批量生产和研发工作的智慧工厂。

脉动装配线在军工制造领域的广泛应用，彻底打破了航天和军工复杂零件不能采用流水线生产的制约，为发展航天工业的生产力提供了无限的可能。

2.3 数字孪生技术

数字孪生技术是指充分利用物理模型、传感器采集、运行历史等数据，集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程。伴随着工业4.0概念日渐普及，众多世界先进卫星研制厂商为提升整个过程的技术状态与产品质量的控制能力，纷纷引入了数字孪生技术。拟通过对生产线、车间物料，以及相关制造资源建模，在虚拟空间中建立物理车间相应的数字孪生体，并依托多传感器融合技术，实现生产数据的实时采集，最后通过数据挖掘技术比对所建立模型与物理车间的一致性，驱动虚拟车间与物理车间保持一致，通过在虚拟车间对实际生产过程监控，提前规划与响应关键仪器零部件寿命预测、资源冲突、故障排查等生产扰动[5]。

图4 洛马公司数字孪生车间

美国空军与NASA结合数字孪生，提出了数字纽带的概念，所谓数字纽带是一种可以扩展、可选择配置的企业分析框架。通过提供访问、整合以及将不同数据转换，作为操作的一种信息能力提供给信息决策者。洛马公司则计划采用数字孪生技术实现工程设计与制造的连接，这就意味着在设计阶段产生的3D精确实体模型，可用于加工模拟、NC编程、坐标测量机的设计与检测等环节，如图4所示。此外，数字纽带中的数据可存储在产品数据管理PDM系统中，世界各地的合作伙伴与供应商都可以无缝使用，这将有利于降低现场工程更改次数，提升研制效率。

泰雷兹阿莱尼亚宇航公司（Thales Alenia Space）[6]建立了一个虚拟环境研究平台VERITAS，用来验证各种虚拟现实的原型，该平台采用OpenSG作为图形引擎，TinyXML和Boost作为XML解析工具，OpenAL作为音效引擎，该平台用于实现精细问题的仿真求解与大数据的可视化，支持自然交互设备的集成与应用，能够运行于单个PC或CAVE系统，运用该系统，使用者能够将三维模型转化到CAVE中，进行协同装配序列规划与可视化，如图5所示。

图5 泰雷兹阿莱尼亚宇航公司的VR试验室

3 国外卫星整星制造商技术现状

3.1 一网公司

一网卫星公司（Oneweb）在创建整星装配生产线初期，便着手进行关键工艺端到端的验证、测试与装备集成，并在法国图卢兹智慧工厂内开展高性能卫星生产工艺制造验证，以消除可能存在的技术风险[7]。该装配生产线包括最先进的自动化集成设备、测试数据和相关数据采集功能，可以缩短整星装配时间。同时基于空中客车公司的工业4.0智能工厂方法，致力于简化生产与设计组织，以提高生产率。基于此可提供分析工厂性能和过程改进的方法，在其生产线中制造的卫星可提供有价值的在轨数据，用来验证航天器的设计分析及相关生产工艺参数，并在必要时修改生产参数，纠正制造过程中的任何异常。该策略也强调网络物理系统，并着重关注物联网和云计算的应用。依计划在9个月内完成了第一颗卫星的发射，并陆续为低地球轨道（LEO）卫星星座的900颗通信卫星开展了部署。此外，其为肯尼迪航天中心附近多条Oneweb卫星工厂的框架建设奠定了深厚的基础，Oneweb卫星设计概念如图6所示。

图6 Oneweb卫星设计概念图

3.2 洛马公司

洛马公司的航天系统分部是其5大商业部门之一，起步最早，影响力也最大。2017年8月，洛马公司于丹佛以外的沃特森峡谷园区投资3.5亿美元，建设了名为“网关中心”的设施，计划于2020年完成，占地面积约为24.7万平方米，用于设计开发下一代卫星.还建立了用于微小到大中型卫星的顶级洁净室和用于模拟测试卫星空间环境的热真空室。当前项目主要有GPSIII、火星探测、GOES等美政府项目[5]。

该公司利用增强现实技术所需的头戴设备和相关软件，缩短工程师了解并应用航天器制造工艺的时间，对加快卫星零部件的设计、制造与检测速度有重要作用，因此，增强现实技术正成为洛马整星制造部门数字基础设施的重要组成部分。

3.3 波音公司

图7 波音公司卫星装配生产线

波音公司作为世界领先的航空航天公司，目前已经发射了270余颗航天器，航天器总寿命达到2500年。2019年，波音公司同美国空军达成协议，并签署了价值6.05亿美元的合同，用于制造美国空军第11颗“宽带全球卫星通讯（WGS）”卫星的硬件生产，以作为美国和其同盟国宽带通信星座的一部分，而波音公司最新的卫星总装线至2023年工作完成时，WGS-11将具有以往WGS卫星容量的两倍[6]，波音公司卫星装配生产线如图7所示。

由波音公司出资和NASA共同研制的新型载人宇宙飞船CST-100，作为NASA载人飞船的一部分，有望于未来承载太空飞行任务。在预算受限的大背景下，波音公司采用了一体化设计技术和模块化、流程化的装配工艺执行模式，不仅节约了大量研制成本，而且降低了飞船整体重量。

3.4 太空探索技术公司

太空探索技术公司（SpaceX）成立于2002年，Starlink是该公司目前影响最大和获利最大的卫星发射计划，可将若干个人造卫星以激光通讯的方式连接。Starlink计划最终将约12000颗卫星送入地球轨道进行组网，从而覆盖全球的网络通讯，其组建成功后将改变世界的通讯方式，包含游戏、3D视频通话、远程集群控制、人工智能等内容。这项需要超低成本的重型运载火箭的高频发射需求，不仅需要充足的资金链，更需要先进的轨道控制技术与顶尖的卫星制造技术。2020年6月4日，SpaceX成功完成了Starlink-7系列任务，此次任务发射了第8批60颗Starlink卫星[7]，Starlink整星生产线与卫星外观如图8所示。

图8 Starlink整星生产线与卫星外观

4 结束语

伴随着中国未来几年高质量、大批量的卫星发射计划，其生产模式也应向着智能化、柔性化、数字化领域进军与发展。就中国现阶段卫星整星智能制造发展趋势来讲，为达到在各工序生产过程中，实现生产工艺参数可视化、精确化控制、检验过程的标准化控制，实现产能极速提升，必须转变传统卫星研制思路，从优化工艺、模块化制造零部件、开发自动化工艺技术角度入手，发展多用途卫星的整星制造新工艺，解决传统卫星研制中成本高居不下与产能日益不足的问题。

同时，作为空间产品，考虑到其在轨不可维修性，卫星整星在未来的智能制造新工艺中，还要保持传统制造模式的高质量和高可靠性。为了兼顾产能提升和可靠性增长，需要加强卫星制造过程控制，可综合运用现代无损检测技术、AI技术、数字孪生等技术，结合卫星制造大数据分析，对生产环节进行在线监测与判断。

另外，参照国际先进经验，中国卫星互联网卫星星座要达到低成本目标，可采取以下途径：尽量打破航天封闭体系，融合航天领域质量控制、汽车等大规模自动化制造经验，推动卫星制造的自动化水平，提升产量降低成本；参考国际先进整星制造商，在卫星集成选址方面可选择距离发达城市较偏远地带，以满足卫星集成对场地面积大与调度实时性强的要求；提升供应商集中度，优选卫星总体以及部件供应商，初期可以通过多家对比，选出优势企业，以提升大规模生产水平。

1 Liu Junyan, Wang Xinjian, Wang Yang. A complete study on satellite thruster structure (STS) manufactured by a hybrid manufacturing (HM) process with integration of additive and subtractive manufacture[J]. International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2017, 92(5): 1～11

2 Nardone V, Santone A, Tipaldi M, et al. Model checking techniques applied to satellite operational mode management[J]. IEEE systems journal, 2019, 13(1): 1018～1029

3 Neogy R , Dharan H . Measures of test effectiveness in a communications satellite program[J]. IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 2003, 4(7): 1039～1043

4 A W J G , B S M S , B P H , et al. Combination and processing keratin with lignin as biocomposite materials for additive manufacturing technology[J]. Acta Biomaterialia, 2020, 104: 95～103

5 Saddik A E. Multimedia and the tactile internet[J]. IEEE MultiMedia, 2020, 27(1): 5～7

6 Cesare S, Allasio A, Anselmi A, et al. The European way to gravimetry: From GOCE to NGGM[J]. Advances in Space Research, 2016, 57(4):1047-1064.

7 Griebler A, Latz C. Das projekt oneWeb satellitenbau in neuen dimensionen[J]. Luft- Und Raumfahrt, 2019(2): 35～37

8 Montenbruck O, Thoelert S, Langley R. First Light: Broadcast of L1C by GPS III[J]. GPS World, 2019, 30(3): 12～37

9 Henry C . Boeing unveils small GEO product as part of new 702X satellite lineup[J]. Space news, 2019, 30(11): 6～7

10 Alexandra, Witze. SpaceX launch highlights threat to astronomy from megaconstellations[J]. Nature, 2019, 575(7782): 268～269

Key Technology and Application of Satellite Intelligent Manufacturing

Jiang Zhao Yu Hui Xie Xiaoli Liu Bo Du Yang

(Tianjin Institute of Power Sources, Tianjin 300384)

Introduced the world's advanced whole-star manufacturing technology, including additive manufacturing technology, pulsating production line technology, digital twin technology, etc. The outstanding advantages of various products of well-known aerospace manufacturers are summarized. The intelligent manufacturing mode is mainly reflected in the modularization of product design, digitalization of process design, and intelligent production process. Finally, it objectively analyzes the problems and solutions faced by the development of my country's satellite industry.

aerospace；satellite；space technology；intelligent manufacturing

姜钊（1990），博士，机械工程专业；研究方向：电池智能生产线的设计与研发。

2020-08-06