美歐先進(jìn)軍工企業(yè)航天制造智能化發(fā)展分析

文|孫紅俊 張文杰 張利艷

1.中國航天系統(tǒng)科學(xué)與工程研究院 2.北京理工大學(xué) 3.中國航天科技集團(tuán)有限公司

近年來，在全球新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)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(wù)與航天公司（ADS）、泰雷茲-阿萊尼亞航天公司（TAS）等先進(jìn)軍工企業(yè)積極布局智能工廠，創(chuàng)新航天研制生產(chǎn)模式，深化機(jī)器人與增材制造裝備技術(shù)應(yīng)用，推進(jìn)數(shù)字孿生、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)等新一代信息技術(shù)與航天研制生產(chǎn)緊密融合，加速航天制造業(yè)智能化升級轉(zhuǎn)型，對保障新型航天裝備研制生產(chǎn)，增強(qiáng)企業(yè)核心競爭力，提升企業(yè)質(zhì)量效益等具有重要意義。

一、布局智能工廠，創(chuàng)新航天研制生產(chǎn)模式

智能工廠建設(shè)已成為美歐推進(jìn)智能制造發(fā)展的重要抓手和著力點(diǎn)，旨在形成工廠信息物理融合系統(tǒng)，優(yōu)化生產(chǎn)過程和要素配置，實(shí)現(xiàn)智能化生產(chǎn)制造。洛馬公司、空客防務(wù)與航天公司、雷神公司等軍工巨頭采取現(xiàn)有工廠設(shè)施升級改造或新建工廠等方式，布局智能工廠，推進(jìn)新一代信息技術(shù)、增材制造、智能裝備等應(yīng)用，創(chuàng)新衛(wèi)星、導(dǎo)彈等航天裝備研制生產(chǎn)模式，引領(lǐng)美歐航天制造業(yè)創(chuàng)新發(fā)展。

1.洛馬公司投資建設(shè)多尺度衛(wèi)星柔性制造智能工廠

為推進(jìn)機(jī)器人、增材制造、虛擬現(xiàn)實(shí)、智能載荷等新興技術(shù)與衛(wèi)星研制生產(chǎn)的融合應(yīng)用，洛馬公司于2017年8月投資3.5億美元啟動衛(wèi)星制造“門廊中心”（Gateway Center）建設(shè)，旨在形成衛(wèi)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(chǔ)建設(shè)，預(yù)計(jì)2020年建成并通過安全標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證。

“門廊中心”將采用數(shù)字化生產(chǎn)結(jié)合快速可重構(gòu)的生產(chǎn)線，配備滿足ISO 8級水平的高空清潔車間，可滿足從微小衛(wèi)星到大型衛(wèi)星等多尺度衛(wèi)星的需求，具備一次生產(chǎn)5顆A2100衛(wèi)星平臺或多顆微小衛(wèi)星的能力；將配備可模擬太空環(huán)境的大型熱真空室、測試高敏感傳感器和通信系統(tǒng)的消音室，以及先進(jìn)測試操作和分析中心，使衛(wèi)星可在1小時(shí)內(nèi)從清潔車間移動到熱真空室和消聲室；將擁有完全數(shù)字化和無紙化環(huán)境，可自行檢查、鏈接并將相關(guān)數(shù)據(jù)直接記錄到工作指令中；可實(shí)現(xiàn)測試過程完全自動化，測試執(zhí)行時(shí)間縮短15%。

2.雷神公司發(fā)展兼具導(dǎo)彈與微小衛(wèi)星制造能力的智能工廠

近年來，雷神公司引入機(jī)器人、計(jì)算機(jī)控制、精益生產(chǎn)、柔性制造等先進(jìn)技術(shù)和理念，通過多種措施推進(jìn)基于物聯(lián)網(wǎng)的導(dǎo)彈智能工廠建設(shè)，在各個(gè)工廠部署多種機(jī)器人與工人協(xié)同作業(yè)，如自動導(dǎo)引車、導(dǎo)引頭裝配機(jī)器人、測試機(jī)器人等。其紅石導(dǎo)彈總裝廠（Redstone Arsenal）是世界上第一個(gè)用于大型導(dǎo)彈組裝的自動化工廠，采用洞穴式自動虛擬環(huán)境技術(shù)進(jìn)行生產(chǎn)線建設(shè)布局，實(shí)現(xiàn)了智能物流和全自動化組裝，推進(jìn)導(dǎo)彈研制生產(chǎn)智能化轉(zhuǎn)型。

雷神公司于2014年開始考慮使用導(dǎo)彈裝配、集成和測試生產(chǎn)線發(fā)展微小衛(wèi)星制造能力，并在位于圖森市的導(dǎo)彈智能工廠啟動了下一代航天智能工廠建設(shè)，用于制造和測試微小衛(wèi)星與傳統(tǒng)導(dǎo)彈產(chǎn)品。圖森工廠部署了裝配、集成和測試生產(chǎn)線，配備了機(jī)器人材料處理設(shè)備，投資建設(shè)了作為小衛(wèi)星工作單元的光學(xué)測試、射頻通信測試、太陽光模擬器等專業(yè)測試設(shè)施，并在小衛(wèi)星工作單元安裝了機(jī)器人輔助航天器組部件測試。2018年12月，雷神導(dǎo)彈智能工廠生產(chǎn)的“看我”（SeeMe）計(jì)劃微小衛(wèi)星（圖1）成功發(fā)射。

圖1 雷神公司智能工廠制造的“看我”微小衛(wèi)星

3.空客公司與一網(wǎng)公司合建微小衛(wèi)星快速批量生產(chǎn)智能工廠

空客公司通過建設(shè)智能工廠，推進(jìn)模塊化設(shè)計(jì)、協(xié)作機(jī)器人、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、智能裝配、增材制造等技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了工廠高度智能化，制造效率和質(zhì)量大幅提升。2018年7月，空客公司與一網(wǎng)公司（OneWeb）聯(lián)合建設(shè)的美國佛羅里達(dá)智能工廠完成主體結(jié)構(gòu)建設(shè)，后續(xù)將安裝2條OneWeb微小衛(wèi)星的批量生產(chǎn)線。這2條生產(chǎn)線集微小衛(wèi)星組裝、集成、測試于一體，采用先進(jìn)制造技術(shù)和流水線裝配模式，每天可生產(chǎn)4顆OneWeb衛(wèi)星，為組建900星低軌小衛(wèi)星星座奠定了基礎(chǔ)。

該智能工廠大量應(yīng)用增材制造、機(jī)器人、流水線等工藝和技術(shù)，OneWeb衛(wèi)星各模塊生產(chǎn)單元和總裝線引入了協(xié)作機(jī)器人、智能裝配工具、自動光學(xué)檢測系統(tǒng)、大數(shù)據(jù)控制系統(tǒng)、自動精準(zhǔn)耦合系統(tǒng)、自動導(dǎo)軌傳送、自動加熱分配系統(tǒng)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)工具以及自動測試系統(tǒng)等多種智能制造手段，開辟了極具創(chuàng)新特點(diǎn)的自動化生產(chǎn)線模式（圖2）。這種模式未來將推動微小衛(wèi)星生產(chǎn)制造進(jìn)入批量化時(shí)代，在保證質(zhì)量和可靠性的同時(shí)，大幅縮短量產(chǎn)微小衛(wèi)星的制造周期并降低生產(chǎn)成本，推動衛(wèi)星制造向流水線作業(yè)轉(zhuǎn)變，為構(gòu)建超大規(guī)模微小衛(wèi)星星座以及實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星快速補(bǔ)網(wǎng)發(fā)射提供有效保障。

為確保在2020年前完成900顆衛(wèi)星星座部署，2016年初，空客公司與一網(wǎng)公司在法國圖盧茲合資建設(shè)了一條試驗(yàn)生產(chǎn)線，驗(yàn)證和優(yōu)化OneWeb衛(wèi)星的批量化生產(chǎn)流程。2017年3月，開始建設(shè)美國佛羅里達(dá)衛(wèi)星制造智能工廠。截至2018年7月，圖盧茲衛(wèi)星制造智能工廠已啟動最先進(jìn)流水生產(chǎn)線，開始生產(chǎn)OneWeb星座第一批10顆衛(wèi)星，佛羅里達(dá)衛(wèi)星制造智能工廠將負(fù)責(zé)生產(chǎn)剩余的890顆衛(wèi)星。

圖2 空客公司與一網(wǎng)公司合建衛(wèi)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(shí)現(xiàn)智能制造工業(yè)化應(yīng)用，波音公司、空客公司等企業(yè)面向未來布局智能工廠。波音公司與英國謝菲爾德大學(xué)（University of Sheffield）聯(lián)合成立先進(jìn)制造研究中心，面向航空航天等高端制造業(yè)，構(gòu)建世界上首個(gè)可按照產(chǎn)品生產(chǎn)需求重組的“2050未來工廠”（Factory 2050），將綜合運(yùn)用先進(jìn)機(jī)器人技術(shù)、柔性自動化技術(shù)、無人工作區(qū)、即插即用機(jī)器人與虛擬環(huán)境下離線編程技術(shù)、增材制造技術(shù)、人機(jī)界面技術(shù)和新型編程與培訓(xùn)工具等先進(jìn)技術(shù)?？湛凸咎岢觥拔磥砉S”（Factory of the Future）研發(fā)計(jì)劃，主要研究機(jī)器人、虛擬現(xiàn)實(shí)、增材制造等智能制造技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用，已開發(fā)出“逼真人機(jī)工程分析”工具，正開發(fā)多自由度協(xié)同機(jī)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(shí)內(nèi)制造出定制零件，解決備件短缺問題。

二、推動機(jī)器人制造裝備應(yīng)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(chǎn)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(yè)積極推動機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用，并逐步擴(kuò)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(lǐng)域。

1.研發(fā)裝配機(jī)器人助推衛(wèi)星與導(dǎo)彈核心零部件集成

美歐軍工企業(yè)積極研發(fā)航天核心零部件裝配機(jī)器人，旨在形成高精度自動化裝配能力，提升裝配質(zhì)量和效率。泰雷茲-阿萊尼亞航天公司研發(fā)的首個(gè)用于集成電子設(shè)備的多用途協(xié)作機(jī)器人已于2017年底完成首個(gè)任務(wù)，即實(shí)現(xiàn)第二代“地中海盆地”遙感小衛(wèi)星電子組件集成；正在建造的衛(wèi)星太陽帆板光電池自動化裝配生產(chǎn)線，將采取機(jī)器人裝配、數(shù)字化的數(shù)據(jù)管理和追溯管理、在線測試與檢測、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)、快速智能數(shù)據(jù)分析等新技術(shù)，推進(jìn)生產(chǎn)車間實(shí)現(xiàn)人機(jī)融合，有望大幅提高生產(chǎn)效率和制造柔性。雷神公司已在末端執(zhí)行器設(shè)計(jì)、視覺檢測、精確定位等機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)研究方面有所突破，研發(fā)出世界首臺導(dǎo)彈導(dǎo)引頭光學(xué)系統(tǒng)精密自動化裝配工業(yè)機(jī)器人（圖3），能夠高質(zhì)量完成光學(xué)透鏡拾放、清潔、視覺檢測、粘結(jié)劑注入、紫外光固化等一系列裝配工序，導(dǎo)引頭光學(xué)系統(tǒng)裝配時(shí)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(dǎo)彈導(dǎo)引頭光學(xué)系統(tǒng)精密自動化裝配工業(yè)機(jī)器人

2.發(fā)展兼具增減材制造能力的智能化混合制造機(jī)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(yè)通過發(fā)展智能化增/減材混合制造機(jī)器人，以期實(shí)現(xiàn)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(zhì)量，加速增材制造推廣應(yīng)用。例如，洛馬公司建成世界上首臺“多機(jī)器人增減材混合設(shè)備”，該設(shè)備由2個(gè)機(jī)器人串行工作，具備增材制造、減材加工和工藝過程監(jiān)測、尺寸檢查、熱測量等多種功能，適用于多種材料加工，已經(jīng)過衛(wèi)星零部件制造的驗(yàn)證。

3.加速太空裝配與制造機(jī)器人創(chuàng)新發(fā)展

為滿足未來在太空按需制造零部件并實(shí)現(xiàn)自動化集成裝配的太空制造的需求，在美國“鳳凰”（Phoenix）計(jì)劃、“蜻蜓”（Dragonfly）計(jì)劃、“太空建筑師”（Archinaut）項(xiàng)目等太空裝配與制造相關(guān)項(xiàng)目任務(wù)支持下，諾格公司、麥克薩技術(shù)公司（Maxar Technologies）、太空制造公司（Made In Space）等企業(yè)積極主持或參與太空裝配、太空制造集成一體化機(jī)器人創(chuàng)新研究。例如，在“蜻蜓”計(jì)劃支持下，麥克薩技術(shù)公司正研發(fā)通信衛(wèi)星大型天線太空機(jī)器人裝配系統(tǒng)，旨在實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星自行在軌裝配和置換天線反射器，預(yù)計(jì)2020- 2029年間進(jìn)行在軌演示驗(yàn)證；太空制造公司于2010年開始發(fā)展太空機(jī)器人太空制造裝配一體化技術(shù)，2019年3月成功完成了太空機(jī)器人增材制造與裝配能力地面驗(yàn)證，即將開展全系統(tǒng)飛行試驗(yàn)；諾格公司、馬里蘭大學(xué)（University of Maryland）等正參與“鳳凰”計(jì)劃提出的“細(xì)胞星”集成裝配服務(wù)機(jī)器人研制，預(yù)計(jì)于2021年開展在軌試驗(yàn)。

三、加速新興技術(shù)融合應(yīng)用，促動航天制造顛覆性變革

當(dāng)前，增材制造、數(shù)字孿生/數(shù)字線索技術(shù)、增強(qiáng)/虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)等新興技術(shù)蓬勃發(fā)展并加速融入航天制造領(lǐng)域，促動航天制造模式轉(zhuǎn)變和技術(shù)創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)更加快速、智慧和低成本生產(chǎn)。主要軍工企業(yè)推動新興技術(shù)在航天裝備設(shè)計(jì)研發(fā)、生產(chǎn)制造、運(yùn)行維護(hù)等全過程的融合應(yīng)用，取得重大突破。

1.增材制造應(yīng)用范圍逐步擴(kuò)展到關(guān)鍵衛(wèi)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(shù)制造衛(wèi)星部件，制造范圍已從簡單的小型支架逐步擴(kuò)展到燃料貯箱、天線等大型和關(guān)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(shù)年制造的產(chǎn)品可在數(shù)周內(nèi)完成。洛馬公司首個(gè)增材制造衛(wèi)星部件為手掌大小的鈦波導(dǎo)支架，后續(xù)制造了“先進(jìn)極高頻”（AEHF）通信衛(wèi)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(shè)備制造的直徑1.17m的衛(wèi)星燃料貯箱鈦合金封頭完成了最后一輪測試，創(chuàng)造了增材制造太空部件尺寸新紀(jì)錄?？湛凸韭?lián)合3D系統(tǒng)公司（3D Systems）于2017年8月成功制造出全球首個(gè)增材制造金屬射頻濾波器，有望安裝在商業(yè)通信衛(wèi)星上，大幅降低衛(wèi)星制造及發(fā)射成本，同時(shí)于2019年2月開始建設(shè)“工業(yè)4.0”工廠，用于衛(wèi)星太陽能電池陣的自動化、數(shù)字化制造，重點(diǎn)發(fā)展機(jī)器人裝配生產(chǎn)線，以期實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)周期和成本減半。泰雷茲-阿萊尼亞航天公司于2015年開始應(yīng)用增材制造技術(shù)，其2017年發(fā)射的通信衛(wèi)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(dá)1m的首個(gè)全尺寸用于太空探索的鈦合金壓力容器，利用該工藝生產(chǎn)能節(jié)省原材料200多千克，并大幅減少了廢料量。

2.數(shù)字孿生/線索技術(shù)日益成為數(shù)字化能力建設(shè)重點(diǎn)方向

數(shù)字孿生/線索是融合了物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、虛擬建模、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等的綜合性前沿技術(shù)，已成為實(shí)現(xiàn)航天智能制造的關(guān)鍵技術(shù)之一。美歐大型軍工企業(yè)以及達(dá)索系統(tǒng)公司（Dassault Systemes）、西門子公司（Siemens）等軟件提供商都在結(jié)合各自發(fā)展需求積極開發(fā)數(shù)字孿生解決方案。在企業(yè)戰(zhàn)略層面，洛馬公司將數(shù)字孿生技術(shù)列為2018年度影響國防和航天領(lǐng)域的六大頂尖技術(shù)之首；空客公司也將數(shù)字孿生技術(shù)作為實(shí)施數(shù)字化戰(zhàn)略、構(gòu)建“未來工廠”的重要內(nèi)容。在軟件解決方案方面，達(dá)索系統(tǒng)公司針對復(fù)雜產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)，建立了基于數(shù)字孿生技術(shù)的3DEXPERIENCE平臺，利用用戶交互反饋的信息不斷改進(jìn)產(chǎn)品的數(shù)字化設(shè)計(jì)模型，并反饋到物理實(shí)體產(chǎn)品中；西門子公司以數(shù)字孿生技術(shù)為核心形成數(shù)字化企業(yè)解決方案。在航天裝備研制生產(chǎn)方面，太空探索技術(shù)公司（SpaceX）等企業(yè)開始使用西門子數(shù)字化企業(yè)解決方案，將制造空間的數(shù)據(jù)添加到模型中，不斷創(chuàng)新并提高行業(yè)競爭力，預(yù)計(jì)能夠使運(yùn)載火箭研發(fā)成本降低一半；洛馬公司已實(shí)現(xiàn)增材制造與數(shù)字孿生技術(shù)的集成。

3.增強(qiáng)/虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)日益融入航天研制生產(chǎn)全過程

增強(qiáng)/虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在大型復(fù)雜裝備制造、大批量零部件質(zhì)檢、高端精密產(chǎn)品維護(hù)保障等應(yīng)用領(lǐng)域不斷取得突破。大型軍工企業(yè)面向航天智能工廠，將增強(qiáng)/虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)融入設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、維修等研制生產(chǎn)全過程，顯著提升貫穿生產(chǎn)線檢測設(shè)計(jì)和制造問題的效率，降低缺陷率，促進(jìn)航天裝備研制生產(chǎn)能力提升。洛馬公司已經(jīng)將增強(qiáng)/虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于衛(wèi)星制造過程，該公司每年執(zhí)行2～3次“深潛式審查”，工程人員處于虛擬環(huán)境中，以他們實(shí)際在生產(chǎn)線建造中的相同順序組裝數(shù)千個(gè)零件，識別存在的問題，還可將特定組件執(zhí)行數(shù)十次仿真，以最高效的方式安裝線束或推進(jìn)系統(tǒng)。2017年4月，洛馬公司在其衛(wèi)星生產(chǎn)線中利用增強(qiáng)/虛擬現(xiàn)實(shí)工具，在航天產(chǎn)品進(jìn)入生產(chǎn)線之前利用三維成像發(fā)現(xiàn)并糾正工程失誤，目前保守估計(jì)每年成本可節(jié)省約1000萬美元。2018年，洛馬公司宣布正使用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)頭戴設(shè)備和軟件縮短工程師了解航天器制造工藝過程的時(shí)間，并強(qiáng)調(diào)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)設(shè)施已成為數(shù)字化基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分。

四、結(jié)束語

智能制造作為新一代信息技術(shù)與制造技術(shù)深度融合的產(chǎn)物，已成為全球制造業(yè)發(fā)展的共識，智能轉(zhuǎn)型成為建設(shè)制造強(qiáng)國的關(guān)鍵。美歐軍工企業(yè)持續(xù)推進(jìn)以數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、自動化和人工智能為代表的先進(jìn)制造技術(shù)應(yīng)用，改造傳統(tǒng)制造業(yè)生產(chǎn)方式和發(fā)展模式，推動航天裝備研制生產(chǎn)模式敏捷化、精益化、網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化，加速航天制造業(yè)智能化升級，對于推動航天裝備升級換代，增強(qiáng)企業(yè)核心競爭力等具有重要意義。