◎北京宇航系統(tǒng)工程研究所 羅恒 陳海鵬中國(guó)航天科技集團(tuán)公司 褚洪杰

面向產(chǎn)品的低成本快速設(shè)計(jì)制造技術(shù)研究

◎北京宇航系統(tǒng)工程研究所 羅恒 陳海鵬中國(guó)航天科技集團(tuán)公司 褚洪杰

未來(lái)10年全球商業(yè)衛(wèi)星發(fā)射市場(chǎng)需求繼續(xù)保持強(qiáng)勁，以空間太陽(yáng)能電站為代表的重大工程需要大規(guī)模的運(yùn)載能力、高效率的發(fā)射能力，同時(shí)低成本商業(yè)太空旅游近年來(lái)成為熱點(diǎn)。21世紀(jì)以來(lái)，尤其是近5年來(lái)世界主要航天國(guó)家均把低成本作為運(yùn)載火箭的重要發(fā)展方向，并且在總體方案優(yōu)化、專項(xiàng)技術(shù)發(fā)展等方面作出了很大努力。

一、國(guó)際運(yùn)載火箭低成本措施

1．合理規(guī)劃運(yùn)載能力，采用模塊化設(shè)計(jì)思路

Ariane 5和Ariane 6火箭的不同境遇很好地詮釋了型譜規(guī)劃的重要性。Ariane 5系列火箭運(yùn)載能力過(guò)大，單星發(fā)射運(yùn)載能力富裕較多，雙星發(fā)射用戶協(xié)調(diào)較為困難。Ariane 6瞄準(zhǔn)以一箭一星或一箭雙星方式發(fā)射5噸級(jí)衛(wèi)星，6.2構(gòu)型的地球同步轉(zhuǎn)移軌道（GTO）運(yùn)載能力5噸，年發(fā)射9次情況下發(fā)射價(jià)格為6500萬(wàn)歐元；6.4構(gòu)型的GTO運(yùn)載能力11噸，年發(fā)射9次情況下發(fā)射價(jià)格為8500萬(wàn)歐元，既能滿足國(guó)際商業(yè)發(fā)射需求，同時(shí)可大幅降低單位載荷的發(fā)射成本。

火箭產(chǎn)品模塊化設(shè)計(jì)是降低運(yùn)載火箭成本的有效措施。H-2A火箭采用通用的分系統(tǒng)和組件，通過(guò)不同配置組成不同型號(hào)來(lái)滿足多軌道發(fā)射需要，單次發(fā)射費(fèi)用從H-2火箭的1.7億美元降低至8500萬(wàn)美元；Angala系列運(yùn)載火箭采用模塊化設(shè)計(jì)、漸進(jìn)式分階段研制思路，其國(guó)際商業(yè)衛(wèi)星發(fā)射價(jià)格為1500～9000萬(wàn)美元；美國(guó)未來(lái)新一代中型運(yùn)載火箭Vulcon通過(guò)捆綁不同數(shù)量的助推器實(shí)現(xiàn)合理的運(yùn)載能力梯度。

2．簡(jiǎn)化系統(tǒng)方案，采用繼承性設(shè)計(jì)

Delta 4系列運(yùn)載火箭采用的RS-68發(fā)動(dòng)機(jī)與航天飛機(jī)主發(fā)動(dòng)機(jī)相比減少了80%的零部件，其成本降低了近80%；Ariane 6火箭將捆綁不同數(shù)量的較為簡(jiǎn)單的固體助推器，在繼承Ariane火箭高可靠性的同時(shí)，也力爭(zhēng)降低研制成本。

Vulcon火箭將繼承Atlas 5火箭的大量成熟技術(shù)；Falcon 9火箭采用簡(jiǎn)單可靠低成本的液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)、成熟的2198鋁鋰合金以及攪拌摩擦焊技術(shù)；重型運(yùn)載火箭SLS Block 1型充分利用航天飛機(jī)主發(fā)動(dòng)機(jī)、Delta 4火箭上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)和航天飛機(jī)固體助推器組件；Antares火箭一子級(jí)采用AJ-26發(fā)動(dòng)機(jī)，其前身即前蘇聯(lián)N-1火箭的NK-33發(fā)動(dòng)機(jī)；2013年成功首飛的Epsilon火箭第一級(jí)采用H-2A和H-2B火箭的SRB-A發(fā)動(dòng)機(jī)，借助批量生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)低成本化目的。

3．采用新技術(shù)降低成本

技術(shù)創(chuàng)新是運(yùn)載火箭降低成本的有效手段。Epsilon火箭通過(guò)采用最新材料減輕纖維纏繞助推器殼體的重量并簡(jiǎn)化制造過(guò)程，將復(fù)雜的壓熱器改造為加熱爐，進(jìn)一步降低成本，提高性能；J-2X發(fā)動(dòng)機(jī)的主承包商洛克達(dá)因公司利用先進(jìn)3D打印工藝建造用于發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣孔蓋，極大地縮短了生產(chǎn)時(shí)間，降低了成本；Falcon 9火箭在箭體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上采用CAD/CAM一體化柔性制造技術(shù)，使得工裝數(shù)量大大減少，由于廣泛采用數(shù)控加工技術(shù)，產(chǎn)品的可移植性好，可靠性也高。

4．引入市場(chǎng)化競(jìng)爭(zhēng)

后航天飛機(jī)時(shí)代，商業(yè)軌道運(yùn)輸系統(tǒng)已成為美國(guó)近地軌道運(yùn)輸?shù)闹匾绞?，以SpaceX為 代表的私營(yíng)公司改變了整個(gè)國(guó)際商業(yè)發(fā)射服務(wù)市場(chǎng)的格局。未來(lái)歐洲運(yùn)載火箭的研制生產(chǎn)與運(yùn)營(yíng)也將完全由私營(yíng)企業(yè)承擔(dān)，日本也計(jì)劃引入民營(yíng)企業(yè)參與H-3火箭項(xiàng)目研制。

二、我國(guó)低成本火箭存在的差距

1．價(jià)格優(yōu)勢(shì)逐漸削弱

在國(guó)際商業(yè)發(fā)射服務(wù)市場(chǎng)，“長(zhǎng)征”系列運(yùn)載火箭一直以較高的性價(jià)比吸引用戶。但是隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)總量的快速擴(kuò)張、經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變、人民幣匯率不斷攀升以及原材料和人力成本的不斷上升，“長(zhǎng)征”系列火箭的價(jià)格上漲勢(shì)在必行。與此同時(shí)國(guó)際衛(wèi)星發(fā)射市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日趨白熱化，F(xiàn)alcon 9火箭的發(fā)射費(fèi)用為5400萬(wàn)美元左右，可提供包括任務(wù)綜合費(fèi)用、發(fā)射場(chǎng)費(fèi)用和附加費(fèi)用的全套發(fā)射服務(wù)，發(fā)射成本顯著降低。

2．通用化、系列化和組合化水平較低

在運(yùn)載火箭研制項(xiàng)目中，波音公司、洛克希德·馬丁公司、阿里安航天公司等采用矩陣管理的方式，項(xiàng)目管理人員既要向項(xiàng)目經(jīng)理負(fù)責(zé)，也要向本部門領(lǐng)導(dǎo)負(fù)責(zé)，一個(gè)成員可同時(shí)參與多個(gè)項(xiàng)目，對(duì)單機(jī)產(chǎn)品高度重視，確保產(chǎn)品通用化、系列化和組合化設(shè)計(jì)。我國(guó)傳統(tǒng)的航天裝備科研生產(chǎn)以型號(hào)任務(wù)為牽引，自下而上逐級(jí)開(kāi)展設(shè)計(jì)、分析、試驗(yàn)、考核、驗(yàn)收、交付等工作，通用化、系列化、組合化的思路雖然早已提出，但缺乏系統(tǒng)、全面的產(chǎn)品化組織機(jī)制，導(dǎo)致當(dāng)前的航天裝備科研生產(chǎn)存在相似產(chǎn)品重復(fù)研制，產(chǎn)品化程度偏低。

3．發(fā)射模式單一

“長(zhǎng)征”系列運(yùn)載火箭對(duì)外發(fā)射服務(wù)的測(cè)試發(fā)射成本占發(fā)射服務(wù)總報(bào)價(jià)的約34%，這其中發(fā)射場(chǎng)成本占據(jù)了大部分，國(guó)外主流運(yùn)載火箭的測(cè)試發(fā)射成本僅占發(fā)射服務(wù)總報(bào)價(jià)的15%左右。由于發(fā)射場(chǎng)和地面固定發(fā)射費(fèi)用較高，通過(guò)采用空中發(fā)射等方式可顯著降低發(fā)射場(chǎng)使用成本。

4．工藝水平落后

我國(guó)新一代運(yùn)載火箭研制正在開(kāi)展三維制造下廠，但技術(shù)成熟度尚存在差距。航天焊接技術(shù)整體水平相對(duì)落后，自動(dòng)化程度較低，針對(duì)新材料的焊接技術(shù)研究較少。

5．市場(chǎng)化程度不足

目前，我國(guó)航天事業(yè)依然采用政府導(dǎo)向的舉國(guó)體制，航天領(lǐng)域未向市場(chǎng)和私營(yíng)企業(yè)開(kāi)放，在一定程度上削弱了創(chuàng)新，破壞了整個(gè)產(chǎn)業(yè)的長(zhǎng)遠(yuǎn)健康發(fā)展。

三、初步規(guī)劃與技術(shù)改進(jìn)思路

鑒于低成本是一個(gè)既包含型號(hào)頂層設(shè)計(jì)，也包含系統(tǒng)集成，既涉及到設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、試驗(yàn)、運(yùn)輸、發(fā)射、測(cè)控等技術(shù)環(huán)節(jié)，也包含管理思路的綜合問(wèn)題，各項(xiàng)措施既涉及到降低成本、快速生產(chǎn)與制造，也涉及到技術(shù)先進(jìn)性，帶有極強(qiáng)的技術(shù)復(fù)雜性和前瞻性。筆者初步提出四維一體的規(guī)劃思路，即以低成本快速設(shè)計(jì)與制造工程為中心，從全系統(tǒng)、全壽命、分步驟、多角度4個(gè)維度對(duì)低成本工程進(jìn)行拓展（見(jiàn)圖1）。

根據(jù)四維一體的規(guī)劃思路，針對(duì)型號(hào)全箭、總體分系統(tǒng)、單機(jī)3個(gè)層面開(kāi)展低成本快速設(shè)計(jì)與制造能力規(guī)劃（見(jiàn)圖2）。

根據(jù)初步規(guī)劃，對(duì)運(yùn)載火箭在設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、試驗(yàn)、運(yùn)輸、發(fā)射、測(cè)控、管理環(huán)節(jié)提出了技術(shù)改進(jìn)思路

圖1 低成本快速設(shè)計(jì)與制造工程規(guī)劃示意圖

1．設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)

低成本設(shè)計(jì)是降低成本的源頭，未來(lái)可在以下幾個(gè)方面開(kāi)展工作：

總體可開(kāi)展精細(xì)化設(shè)計(jì)和基于源數(shù)據(jù)的多專業(yè)聯(lián)合仿真，優(yōu)化各專業(yè)設(shè)計(jì)余量；探索火箭部段級(jí)可控回收，最終實(shí)現(xiàn)可重復(fù)使用。電氣系統(tǒng)可簡(jiǎn)化系統(tǒng)冗余方案，研究單表級(jí)冗余代替系統(tǒng)級(jí)冗余；統(tǒng)一箭上測(cè)試發(fā)射控制和供配電設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)化箭上接口設(shè)計(jì)，提升測(cè)量手段，采用無(wú)線傳輸技術(shù)、光纖傳感器等。箭體結(jié)構(gòu)可統(tǒng)一現(xiàn)有火箭機(jī)械接口，減少接口種類；開(kāi)展基于工藝的閉環(huán)設(shè)計(jì)，降低工藝難度；實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)部件標(biāo)準(zhǔn)化，減少產(chǎn)品種類。動(dòng)力系統(tǒng)可選用增生增壓、排放預(yù)冷、虹吸式出流裝置等簡(jiǎn)化方案。發(fā)射支持系統(tǒng)可探索簡(jiǎn)化地面設(shè)備，取消箭體垂直度調(diào)整系統(tǒng)，取消箭上瞄準(zhǔn)玻璃；設(shè)計(jì)通用吊具，減少吊具數(shù)量。

2．生產(chǎn)與試驗(yàn)環(huán)節(jié)

探索采用貯箱箱底旋壓整體成型技術(shù)，改進(jìn)貯箱焊接工藝，采用大厚度板材代替鍛件工藝與激光增材制造技術(shù)，提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本。

各系統(tǒng)可探索采用批抽檢方式代替現(xiàn)有的全樣驗(yàn)收方式；電氣系統(tǒng)可探索取消單元測(cè)試、匹配測(cè)試，縮短發(fā)射場(chǎng)的測(cè)試流程；動(dòng)力系統(tǒng)可優(yōu)化氫系統(tǒng)用氦量，減少氣瓶置換次數(shù)，合并貯箱蒸發(fā)量試驗(yàn)、增壓試驗(yàn)、動(dòng)力系統(tǒng)試車等試驗(yàn)項(xiàng)目。

3．運(yùn)輸、發(fā)射、測(cè)控環(huán)節(jié)

統(tǒng)一公路運(yùn)輸設(shè)備，提高產(chǎn)品的通用性，減少產(chǎn)品配套種類和數(shù)量。

優(yōu)化發(fā)射場(chǎng)流程，簡(jiǎn)化發(fā)射場(chǎng)設(shè)施設(shè)備，取消地面瞄準(zhǔn)系統(tǒng)，采用箭上自瞄方案，減少人力資源成本和時(shí)間成本。

取消地基遙測(cè)，通過(guò)回收和天基遙測(cè)獲取遙測(cè)數(shù)據(jù)；取消起飛段高速攝影，簡(jiǎn)化外測(cè)系統(tǒng)。

4．管理環(huán)節(jié)

對(duì)型號(hào)可統(tǒng)一技術(shù)狀態(tài)，組批投產(chǎn)；統(tǒng)一力學(xué)環(huán)境條件和箭上測(cè)量系統(tǒng)的傳感器與變換器選型，推進(jìn)產(chǎn)品化進(jìn)程；部分產(chǎn)品適度引入競(jìng)爭(zhēng)，采用雙定點(diǎn)配套或者全球采購(gòu)，通過(guò)市場(chǎng)化進(jìn)一步降低成本。

圖2 型號(hào)低成本快速設(shè)計(jì)與制造能力規(guī)劃

四、未來(lái)重點(diǎn)發(fā)展方向

1．低成本固液混合運(yùn)載火箭構(gòu)型

固體助推器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、活動(dòng)部件少、研制周期短、研制成本相對(duì)較低、可靠性高、維護(hù)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，被世界各國(guó)普遍采用，我國(guó)尚未大規(guī)模應(yīng)用固體助推器。未來(lái)可探索將固體、液體發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)勢(shì)結(jié)合起來(lái)，形成在技術(shù)、成本上都具有一定可行性的運(yùn)載火箭總體構(gòu)型，并帶動(dòng)固體、液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)發(fā)展。研究?jī)?nèi)容包括：瞄準(zhǔn)太陽(yáng)同步軌道運(yùn)載能力不低于4噸，地球同步轉(zhuǎn)移軌道運(yùn)載能力不低于6噸，全面降低運(yùn)載火箭成本，形成總體構(gòu)型論證方案；針對(duì)捆綁固體助推器構(gòu)型，在固體助推器分離技術(shù)、固體助推器捆綁技術(shù)、力熱環(huán)境預(yù)示技術(shù)方向開(kāi)展研究；針對(duì)固體芯一級(jí)技術(shù)、芯級(jí)固體狀態(tài)下關(guān)鍵技術(shù)開(kāi)展研究。

2．遠(yuǎn)程分布式測(cè)試發(fā)射技術(shù)

遠(yuǎn)程分布式測(cè)試發(fā)射系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)航天運(yùn)輸系統(tǒng)低成本、快速制造、測(cè)試及發(fā)射的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，通過(guò)異地協(xié)同，提高測(cè)試發(fā)射效率，降低人力、物力資源保障成本，對(duì)運(yùn)載火箭發(fā)射場(chǎng)總裝和測(cè)試全過(guò)程的管理、監(jiān)控、判讀、故障分析一體化。研究?jī)?nèi)容包括：信息遠(yuǎn)程傳遞和發(fā)布技術(shù)；現(xiàn)場(chǎng)互動(dòng)協(xié)調(diào)及視頻部署技術(shù)；遠(yuǎn)程協(xié)同故障診斷技術(shù)；多策略故障診斷推理技術(shù)； IETM虛擬樣機(jī)信息管理技術(shù)。

3．快速測(cè)試與發(fā)射技術(shù)

我國(guó)現(xiàn)有“長(zhǎng)征”火箭均采用固定塔架發(fā)射方式，發(fā)射準(zhǔn)備周期長(zhǎng)，與快速進(jìn)入空間以及航天運(yùn)輸系統(tǒng)低成本的需求相比還有很大差距。通過(guò)利用先進(jìn)測(cè)試技術(shù)縮短測(cè)試發(fā)射流程，從根本上降低物資和人員保障成本，提升火箭發(fā)射的效率和經(jīng)濟(jì)性。研究?jī)?nèi)容包括：發(fā)射場(chǎng)電氣系統(tǒng)測(cè)試發(fā)射流程優(yōu)化技術(shù)；測(cè)試數(shù)據(jù)快速判讀技術(shù)；簡(jiǎn)化的箭地接口設(shè)計(jì)技術(shù)；射前準(zhǔn)備自動(dòng)化設(shè)計(jì)技術(shù)；地面發(fā)射系統(tǒng)集成化技術(shù)。

4．發(fā)動(dòng)機(jī)任務(wù)適應(yīng)性設(shè)計(jì)技術(shù)

多星發(fā)射、多任務(wù)集成、多軌道適應(yīng)性、多任務(wù)適應(yīng)性等都考驗(yàn)著火箭的適應(yīng)能力。如果一發(fā)火箭或者多模塊組合火箭同時(shí)具有上述能力，就可以實(shí)現(xiàn)規(guī)模生產(chǎn)，進(jìn)一步降低費(fèi)用。研究?jī)?nèi)容包括：發(fā)動(dòng)機(jī)飛行任務(wù)適應(yīng)性設(shè)計(jì)技術(shù)；液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)性能提升技術(shù)；低溫火箭加注后推遲24小時(shí)發(fā)射技術(shù)；降低發(fā)動(dòng)機(jī)使用維護(hù)成本綜合研究。

5．高可靠電氣產(chǎn)品和測(cè)試技術(shù)

隨著技術(shù)的飛速發(fā)展，目前民用產(chǎn)品的性能和功能已經(jīng)達(dá)到甚至超過(guò)軍用及航天標(biāo)準(zhǔn)要求，未來(lái)只需在民用產(chǎn)品基礎(chǔ)上進(jìn)一步開(kāi)發(fā)適應(yīng)軍用環(huán)境的特殊技術(shù)即可。因此，采用商用成熟技術(shù)（COTS）開(kāi)發(fā)航天運(yùn)輸系統(tǒng)箭上及地面測(cè)試產(chǎn)品成為航天產(chǎn)品低成本發(fā)展的一個(gè)重要趨勢(shì)。研究?jī)?nèi)容包括：器件采購(gòu)與篩選控制；應(yīng)用環(huán)境機(jī)、電、熱設(shè)計(jì)；COTS器件檢錯(cuò)、容錯(cuò)； COTS測(cè)控軟件集成技術(shù)；可靠性分析、驗(yàn)證與評(píng)估。

6．高可靠箭上電氣系統(tǒng)一體化設(shè)計(jì)

高可靠一體化的電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案是實(shí)現(xiàn)航天運(yùn)輸系統(tǒng)低成本化的必然趨勢(shì)，也是實(shí)現(xiàn)航天運(yùn)輸系統(tǒng)輕型化、測(cè)試自動(dòng)化、發(fā)射快速化的重要前提。電氣系統(tǒng)須以總線為信息傳輸紐帶，實(shí)現(xiàn)電氣單機(jī)小型化、功能集成化，減少電氣系統(tǒng)設(shè)備種類、數(shù)量及重量，提高電氣系統(tǒng)可靠性、可測(cè)試性，使電氣系統(tǒng)具有模塊化結(jié)構(gòu)及更強(qiáng)的適應(yīng)性，提升電氣系統(tǒng)綜合性能，降低產(chǎn)品成本。研究?jī)?nèi)容包括：電氣系統(tǒng)統(tǒng)一供配電技術(shù)；電氣系統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)技術(shù)；電磁兼容技術(shù)。

7．重復(fù)使用運(yùn)載器總體設(shè)計(jì)及優(yōu)化技術(shù)

可重復(fù)使用運(yùn)載器技術(shù)指標(biāo)先進(jìn)，設(shè)計(jì)難度大，其最顯著的特點(diǎn)是總體、氣動(dòng)、彈道、防熱、結(jié)構(gòu)、動(dòng)力、制導(dǎo)導(dǎo)航與控制等多個(gè)專業(yè)間存在強(qiáng)耦合性。運(yùn)載器總體設(shè)計(jì)必須全面開(kāi)展多學(xué)科一體化設(shè)計(jì)工作，以避免方案顛覆。研究?jī)?nèi)容包括：形成各學(xué)科仿真技術(shù)的綜合建模方法，設(shè)計(jì)學(xué)科涵蓋氣動(dòng)、布局、動(dòng)力、彈道、結(jié)構(gòu)、防隔熱、操控等；通過(guò)建立總體優(yōu)化設(shè)計(jì)模型，對(duì)運(yùn)載器總體性能進(jìn)行優(yōu)化迭代分析，給出優(yōu)化的總體方案，總體優(yōu)化設(shè)計(jì)模型應(yīng)反映運(yùn)載器重要參數(shù)和主要約束；重點(diǎn)針對(duì)結(jié)構(gòu)、防熱、彈道等多個(gè)學(xué)科進(jìn)行仿真技術(shù)的綜合建模方法研究，建立多學(xué)科、多參數(shù)、多約束的總體優(yōu)化設(shè)計(jì)模型。

以IT行業(yè)為代表的新科技革命已經(jīng)極大地提高了科技更新?lián)Q代的速度，低成本、工業(yè)4.0的發(fā)展浪潮對(duì)傳統(tǒng)航天業(yè)帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)，IT化的管理模式、密切跟蹤市場(chǎng)需求、新穎的設(shè)計(jì)理念、縮短的研制周期、務(wù)實(shí)的頂層設(shè)計(jì)為世界航天工業(yè)發(fā)展注入了新鮮血液，是報(bào)成守舊，還是自我革新？留給我國(guó)迎接挑戰(zhàn)、作出響應(yīng)的時(shí)間已然不多?！?/p>