衛(wèi)星整星智能制造關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用

姜 釗 于 輝 解曉莉 劉 博 杜 洋

綜述·專稿

衛(wèi)星整星智能制造關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用

姜 釗 于 輝 解曉莉 劉 博 杜 洋

（天津電源研究所，天津 300384）

介紹了世界先進(jìn)的整星制造技術(shù)，包括增材制造技術(shù)、脈動(dòng)式生產(chǎn)線技術(shù)、數(shù)字孿生技術(shù)等。概述了著名宇航制造廠商各類產(chǎn)品的突出優(yōu)勢，其智能制造模式主要體現(xiàn)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)模塊化、工藝設(shè)計(jì)數(shù)字化、生產(chǎn)過程智能化等方面。最后客觀分析了我國衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)發(fā)展所面臨的問題與解決途徑。

航空航天；衛(wèi)星；空間技術(shù)；智能制造

1 引言

衛(wèi)星整星包含的系統(tǒng)由以下幾部分組成：位置與姿態(tài)控制系統(tǒng)、天線系統(tǒng)、轉(zhuǎn)發(fā)器系統(tǒng)、遙測指令系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)、入軌和推進(jìn)系統(tǒng)[1]。在衛(wèi)星整星制造領(lǐng)域，以美國、歐洲為代表的西方發(fā)達(dá)國家具有較大的技術(shù)優(yōu)勢。NASA、ESA等國家級(jí)航天組織，在衛(wèi)星航天器的技術(shù)研發(fā)、項(xiàng)目管理、批量研制等方面具有豐富的經(jīng)驗(yàn)與先進(jìn)的技術(shù)水平。國外先進(jìn)的宇航企業(yè)，對(duì)衛(wèi)星的智能化、數(shù)字化制造已經(jīng)進(jìn)行了廣泛的應(yīng)用，具體包括增材制造技術(shù)、數(shù)字孿生技術(shù)等，通過這些智能制造技術(shù)應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了企業(yè)資源的合理配置，為其組網(wǎng)等星座計(jì)劃奠定了堅(jiān)實(shí)的生產(chǎn)基礎(chǔ)與產(chǎn)品質(zhì)量保證[2]。

近年來，隨著我國“空間一體化專項(xiàng)”、“北斗”、“衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)”等空間建設(shè)計(jì)劃的不斷推進(jìn)，在2019年中國已經(jīng)超越俄羅斯，成為衛(wèi)星發(fā)射第二大國[3]。民用與商用市場對(duì)衛(wèi)星等航天器的需求已呈井噴式增長，據(jù)市場分析，2025年前，僅在我國低軌星座等商業(yè)航天領(lǐng)域，衛(wèi)星的重要配套產(chǎn)品就需2600余套。但與國外先進(jìn)宇航公司相比，中國衛(wèi)星整星生產(chǎn)模式的智能化程度偏低，雖在先進(jìn)生產(chǎn)理念與單點(diǎn)制造環(huán)節(jié)都有所提升，但整體來講，尚未形成有效的脈動(dòng)式生產(chǎn)模式，要滿足未來幾年商業(yè)航天與傳統(tǒng)航天的衛(wèi)星大批量發(fā)射需求，形勢較為嚴(yán)峻。

截至2019年1月9日，美國擁有的衛(wèi)星數(shù)量為901顆，位居世界第一，中國擁有衛(wèi)星數(shù)量為299顆，位列第二，俄羅斯與日本的衛(wèi)星數(shù)量分別為153顆與87顆，位列第三位和第四位。而且這些國家今后的發(fā)射密度也會(huì)越來越大。近年來，隨著中國空間技術(shù)的進(jìn)步，航天科技產(chǎn)品增長迅速，但在這種生產(chǎn)工藝繁雜、人工密集的離散型制造行業(yè)卻存在著先進(jìn)制造水平普遍偏低，產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊的問題，無法滿足國內(nèi)持續(xù)增長的對(duì)高質(zhì)量、高可靠、高效率空間航天器的需求。因此，向國外先進(jìn)的衛(wèi)星制造廠商學(xué)習(xí)，引進(jìn)適宜的先進(jìn)技術(shù)并為我所用，對(duì)中國航天的國際地位提升與軍民領(lǐng)域的發(fā)展都具有極其重要的意義。

2 國外衛(wèi)星整星先進(jìn)制造工藝

2.1 增材制造技術(shù)

隨著美國政府大幅削減軍事開支，迫使世界著名航天器制造廠商尋求新工藝、新技術(shù)推進(jìn)低成本衛(wèi)星的研制，采用增材制造技術(shù)，材料浪費(fèi)最小，同時(shí)也縮短了制造周期。另外，增材制造也意味著在不需要模具的前提下，具有更大的設(shè)計(jì)自由度，非常適合小規(guī)?；蛞淮涡陨a(chǎn)的復(fù)雜零件[4]，如曲線、孔、腔等衛(wèi)星高精度微小零部件的生產(chǎn)。美國洛馬公司（Lockheed Martin）正在使用此項(xiàng)工藝來制作衛(wèi)星零件，并計(jì)劃將此工藝擴(kuò)展到航天器微小復(fù)雜零件的加工，乃至整星的制造過程中。輕型衛(wèi)星可能會(huì)采用更小、更便宜的火箭發(fā)射，將會(huì)集成更多的傳感器。2020年，洛馬公司采用增材制造完成了目前最大的航空航天零件：鈦合金材料制成的衛(wèi)星貯箱箱底，如圖1所示，比傳統(tǒng)制造工藝節(jié)約成本80%，節(jié)省時(shí)間約85%，目前產(chǎn)品質(zhì)量已通過檢測驗(yàn)證。

圖1 洛馬公司增材制造超大貯箱箱底

波音公司（Boeing）制造的高端大型衛(wèi)星，成本將近1.5億美元，波音公司高管也將希望寄托于增材制造技術(shù)與模塊化設(shè)計(jì)方法，試圖大幅降低材料成本與人工成本。雖然不能與空中客車公司（Airbus）約50萬美元成本的小衛(wèi)星相比，但波音公司的目標(biāo)是以其生產(chǎn)的波音737為標(biāo)準(zhǔn)，即生產(chǎn)周期為11周左右。

2.2 脈動(dòng)式生產(chǎn)線技術(shù)

脈動(dòng)式生產(chǎn)線是一種先進(jìn)的裝配生產(chǎn)線技術(shù)，目前主要用于宇航領(lǐng)域。脈動(dòng)生產(chǎn)線可以設(shè)定緩沖時(shí)間，對(duì)生產(chǎn)節(jié)拍要求不高，當(dāng)某個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題時(shí)，整個(gè)生產(chǎn)線可以不移動(dòng)，或留給下個(gè)站位去解決。

脈動(dòng)式生產(chǎn)線作業(yè)模式的智能程度介于固定站位式生產(chǎn)模式與連續(xù)流動(dòng)生產(chǎn)模式之間，與汽車等成熟產(chǎn)品的連續(xù)流動(dòng)生產(chǎn)模式相比，航空航天領(lǐng)域產(chǎn)品由于其制造工藝極其復(fù)雜，再加上制造商的一定局限性，在最開始階段，一直采用固定站位式生產(chǎn)模式，但是上千道工序只在同一固定站位裝配會(huì)使生產(chǎn)效率極低，因此，伴隨著波音717與波音737飛機(jī)總裝時(shí)的成功應(yīng)用，2008年波音公司為美軍方建設(shè)了新型GPS衛(wèi)星脈動(dòng)裝配線。圖2、圖3分別是飛機(jī)脈動(dòng)生產(chǎn)線與衛(wèi)星脈動(dòng)生產(chǎn)線。

圖2 F-35型飛機(jī)脈動(dòng)生產(chǎn)線

圖3 波音公司衛(wèi)星脈動(dòng)生產(chǎn)模式

美國雷聲公司（Raytheon Company）對(duì)旗下的圖森工廠所生產(chǎn)的SeeMe衛(wèi)星也設(shè)立了新型智能工廠與特定的脈動(dòng)生產(chǎn)線，并針對(duì)其特殊化設(shè)計(jì)的衛(wèi)星，開展了三維化自動(dòng)組裝與測試環(huán)節(jié)的部署，組裝環(huán)節(jié)將由固定式與移動(dòng)高自由度工業(yè)機(jī)器人完成設(shè)備的組裝，并通過數(shù)字化車間控制系統(tǒng)管理；其測試環(huán)節(jié)則依次由通信和射頻測試系統(tǒng)、熱真空系統(tǒng)、振動(dòng)測試系統(tǒng)、通用工具和部件系統(tǒng)、質(zhì)量和重心測試等系統(tǒng)組成。據(jù)悉，圖森工廠將進(jìn)一步完善智能生產(chǎn)線，最終達(dá)到可實(shí)現(xiàn)小衛(wèi)星批量生產(chǎn)和研發(fā)工作的智慧工廠。

脈動(dòng)裝配線在軍工制造領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，徹底打破了航天和軍工復(fù)雜零件不能采用流水線生產(chǎn)的制約，為發(fā)展航天工業(yè)的生產(chǎn)力提供了無限的可能。

2.3 數(shù)字孿生技術(shù)

數(shù)字孿生技術(shù)是指充分利用物理模型、傳感器采集、運(yùn)行歷史等數(shù)據(jù)，集成多學(xué)科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程。伴隨著工業(yè)4.0概念日漸普及，眾多世界先進(jìn)衛(wèi)星研制廠商為提升整個(gè)過程的技術(shù)狀態(tài)與產(chǎn)品質(zhì)量的控制能力，紛紛引入了數(shù)字孿生技術(shù)。擬通過對(duì)生產(chǎn)線、車間物料，以及相關(guān)制造資源建模，在虛擬空間中建立物理車間相應(yīng)的數(shù)字孿生體，并依托多傳感器融合技術(shù)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集，最后通過數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)比對(duì)所建立模型與物理車間的一致性，驅(qū)動(dòng)虛擬車間與物理車間保持一致，通過在虛擬車間對(duì)實(shí)際生產(chǎn)過程監(jiān)控，提前規(guī)劃與響應(yīng)關(guān)鍵儀器零部件壽命預(yù)測、資源沖突、故障排查等生產(chǎn)擾動(dòng)[5]。

圖4 洛馬公司數(shù)字孿生車間

美國空軍與NASA結(jié)合數(shù)字孿生，提出了數(shù)字紐帶的概念，所謂數(shù)字紐帶是一種可以擴(kuò)展、可選擇配置的企業(yè)分析框架。通過提供訪問、整合以及將不同數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，作為操作的一種信息能力提供給信息決策者。洛馬公司則計(jì)劃采用數(shù)字孿生技術(shù)實(shí)現(xiàn)工程設(shè)計(jì)與制造的連接，這就意味著在設(shè)計(jì)階段產(chǎn)生的3D精確實(shí)體模型，可用于加工模擬、NC編程、坐標(biāo)測量機(jī)的設(shè)計(jì)與檢測等環(huán)節(jié)，如圖4所示。此外，數(shù)字紐帶中的數(shù)據(jù)可存儲(chǔ)在產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理PDM系統(tǒng)中，世界各地的合作伙伴與供應(yīng)商都可以無縫使用，這將有利于降低現(xiàn)場工程更改次數(shù)，提升研制效率。

泰雷茲阿萊尼亞宇航公司（Thales Alenia Space）[6]建立了一個(gè)虛擬環(huán)境研究平臺(tái)VERITAS，用來驗(yàn)證各種虛擬現(xiàn)實(shí)的原型，該平臺(tái)采用OpenSG作為圖形引擎，TinyXML和Boost作為XML解析工具，OpenAL作為音效引擎，該平臺(tái)用于實(shí)現(xiàn)精細(xì)問題的仿真求解與大數(shù)據(jù)的可視化，支持自然交互設(shè)備的集成與應(yīng)用，能夠運(yùn)行于單個(gè)PC或CAVE系統(tǒng)，運(yùn)用該系統(tǒng)，使用者能夠?qū)⑷S模型轉(zhuǎn)化到CAVE中，進(jìn)行協(xié)同裝配序列規(guī)劃與可視化，如圖5所示。

圖5 泰雷茲阿萊尼亞宇航公司的VR試驗(yàn)室

3 國外衛(wèi)星整星制造商技術(shù)現(xiàn)狀

3.1 一網(wǎng)公司

一網(wǎng)衛(wèi)星公司（Oneweb）在創(chuàng)建整星裝配生產(chǎn)線初期，便著手進(jìn)行關(guān)鍵工藝端到端的驗(yàn)證、測試與裝備集成，并在法國圖盧茲智慧工廠內(nèi)開展高性能衛(wèi)星生產(chǎn)工藝制造驗(yàn)證，以消除可能存在的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)[7]。該裝配生產(chǎn)線包括最先進(jìn)的自動(dòng)化集成設(shè)備、測試數(shù)據(jù)和相關(guān)數(shù)據(jù)采集功能，可以縮短整星裝配時(shí)間。同時(shí)基于空中客車公司的工業(yè)4.0智能工廠方法，致力于簡化生產(chǎn)與設(shè)計(jì)組織，以提高生產(chǎn)率?；诖丝商峁┓治龉S性能和過程改進(jìn)的方法，在其生產(chǎn)線中制造的衛(wèi)星可提供有價(jià)值的在軌數(shù)據(jù)，用來驗(yàn)證航天器的設(shè)計(jì)分析及相關(guān)生產(chǎn)工藝參數(shù)，并在必要時(shí)修改生產(chǎn)參數(shù)，糾正制造過程中的任何異常。該策略也強(qiáng)調(diào)網(wǎng)絡(luò)物理系統(tǒng)，并著重關(guān)注物聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算的應(yīng)用。依計(jì)劃在9個(gè)月內(nèi)完成了第一顆衛(wèi)星的發(fā)射，并陸續(xù)為低地球軌道（LEO）衛(wèi)星星座的900顆通信衛(wèi)星開展了部署。此外，其為肯尼迪航天中心附近多條Oneweb衛(wèi)星工廠的框架建設(shè)奠定了深厚的基礎(chǔ)，Oneweb衛(wèi)星設(shè)計(jì)概念如圖6所示。

圖6 Oneweb衛(wèi)星設(shè)計(jì)概念圖

3.2 洛馬公司

洛馬公司的航天系統(tǒng)分部是其5大商業(yè)部門之一，起步最早，影響力也最大。2017年8月，洛馬公司于丹佛以外的沃特森峽谷園區(qū)投資3.5億美元，建設(shè)了名為“網(wǎng)關(guān)中心”的設(shè)施，計(jì)劃于2020年完成，占地面積約為24.7萬平方米，用于設(shè)計(jì)開發(fā)下一代衛(wèi)星.還建立了用于微小到大中型衛(wèi)星的頂級(jí)潔凈室和用于模擬測試衛(wèi)星空間環(huán)境的熱真空室。當(dāng)前項(xiàng)目主要有GPSIII、火星探測、GOES等美政府項(xiàng)目[5]。

該公司利用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)所需的頭戴設(shè)備和相關(guān)軟件，縮短工程師了解并應(yīng)用航天器制造工藝的時(shí)間，對(duì)加快衛(wèi)星零部件的設(shè)計(jì)、制造與檢測速度有重要作用，因此，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)正成為洛馬整星制造部門數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分。

3.3 波音公司

圖7 波音公司衛(wèi)星裝配生產(chǎn)線

波音公司作為世界領(lǐng)先的航空航天公司，目前已經(jīng)發(fā)射了270余顆航天器，航天器總壽命達(dá)到2500年。2019年，波音公司同美國空軍達(dá)成協(xié)議，并簽署了價(jià)值6.05億美元的合同，用于制造美國空軍第11顆“寬帶全球衛(wèi)星通訊（WGS）”衛(wèi)星的硬件生產(chǎn)，以作為美國和其同盟國寬帶通信星座的一部分，而波音公司最新的衛(wèi)星總裝線至2023年工作完成時(shí)，WGS-11將具有以往WGS衛(wèi)星容量的兩倍[6]，波音公司衛(wèi)星裝配生產(chǎn)線如圖7所示。

由波音公司出資和NASA共同研制的新型載人宇宙飛船CST-100，作為NASA載人飛船的一部分，有望于未來承載太空飛行任務(wù)。在預(yù)算受限的大背景下，波音公司采用了一體化設(shè)計(jì)技術(shù)和模塊化、流程化的裝配工藝執(zhí)行模式，不僅節(jié)約了大量研制成本，而且降低了飛船整體重量。

3.4 太空探索技術(shù)公司

太空探索技術(shù)公司（SpaceX）成立于2002年，Starlink是該公司目前影響最大和獲利最大的衛(wèi)星發(fā)射計(jì)劃，可將若干個(gè)人造衛(wèi)星以激光通訊的方式連接。Starlink計(jì)劃最終將約12000顆衛(wèi)星送入地球軌道進(jìn)行組網(wǎng)，從而覆蓋全球的網(wǎng)絡(luò)通訊，其組建成功后將改變世界的通訊方式，包含游戲、3D視頻通話、遠(yuǎn)程集群控制、人工智能等內(nèi)容。這項(xiàng)需要超低成本的重型運(yùn)載火箭的高頻發(fā)射需求，不僅需要充足的資金鏈，更需要先進(jìn)的軌道控制技術(shù)與頂尖的衛(wèi)星制造技術(shù)。2020年6月4日，SpaceX成功完成了Starlink-7系列任務(wù)，此次任務(wù)發(fā)射了第8批60顆Starlink衛(wèi)星[7]，Starlink整星生產(chǎn)線與衛(wèi)星外觀如圖8所示。

圖8 Starlink整星生產(chǎn)線與衛(wèi)星外觀

4 結(jié)束語

伴隨著中國未來幾年高質(zhì)量、大批量的衛(wèi)星發(fā)射計(jì)劃，其生產(chǎn)模式也應(yīng)向著智能化、柔性化、數(shù)字化領(lǐng)域進(jìn)軍與發(fā)展。就中國現(xiàn)階段衛(wèi)星整星智能制造發(fā)展趨勢來講，為達(dá)到在各工序生產(chǎn)過程中，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)工藝參數(shù)可視化、精確化控制、檢驗(yàn)過程的標(biāo)準(zhǔn)化控制，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)能極速提升，必須轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)衛(wèi)星研制思路，從優(yōu)化工藝、模塊化制造零部件、開發(fā)自動(dòng)化工藝技術(shù)角度入手，發(fā)展多用途衛(wèi)星的整星制造新工藝，解決傳統(tǒng)衛(wèi)星研制中成本高居不下與產(chǎn)能日益不足的問題。

同時(shí)，作為空間產(chǎn)品，考慮到其在軌不可維修性，衛(wèi)星整星在未來的智能制造新工藝中，還要保持傳統(tǒng)制造模式的高質(zhì)量和高可靠性。為了兼顧產(chǎn)能提升和可靠性增長，需要加強(qiáng)衛(wèi)星制造過程控制，可綜合運(yùn)用現(xiàn)代無損檢測技術(shù)、AI技術(shù)、數(shù)字孿生等技術(shù)，結(jié)合衛(wèi)星制造大數(shù)據(jù)分析，對(duì)生產(chǎn)環(huán)節(jié)進(jìn)行在線監(jiān)測與判斷。

另外，參照國際先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，中國衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)衛(wèi)星星座要達(dá)到低成本目標(biāo)，可采取以下途徑：盡量打破航天封閉體系，融合航天領(lǐng)域質(zhì)量控制、汽車等大規(guī)模自動(dòng)化制造經(jīng)驗(yàn)，推動(dòng)衛(wèi)星制造的自動(dòng)化水平，提升產(chǎn)量降低成本；參考國際先進(jìn)整星制造商，在衛(wèi)星集成選址方面可選擇距離發(fā)達(dá)城市較偏遠(yuǎn)地帶，以滿足衛(wèi)星集成對(duì)場地面積大與調(diào)度實(shí)時(shí)性強(qiáng)的要求；提升供應(yīng)商集中度，優(yōu)選衛(wèi)星總體以及部件供應(yīng)商，初期可以通過多家對(duì)比，選出優(yōu)勢企業(yè)，以提升大規(guī)模生產(chǎn)水平。

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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

姜釗（1990），博士，機(jī)械工程專業(yè)；研究方向：電池智能生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)與研發(fā)。

2020-08-06