衛星整星智能制造關鍵技術及應用

姜 釗 于 輝 解曉莉 劉 博 杜 洋

綜述·專稿

衛星整星智能制造關鍵技術及應用

姜 釗 于 輝 解曉莉 劉 博 杜 洋

（天津電源研究所，天津 300384）

介紹了世界先進的整星制造技術，包括增材制造技術、脈動式生產線技術、數字孿生技術等。概述了著名宇航制造廠商各類產品的突出優勢，其智能制造模式主要體現在產品設計模塊化、工藝設計數字化、生產過程智能化等方面。最后客觀分析了我國衛星產業發展所面臨的問題與解決途徑。

航空航天；衛星；空間技術；智能制造

1 引言

衛星整星包含的系統由以下幾部分組成：位置與姿態控制系統、天線系統、轉發器系統、遙測指令系統、電源系統、溫控系統、入軌和推進系統[1]。在衛星整星制造領域，以美國、歐洲為代表的西方發達國家具有較大的技術優勢。NASA、ESA等國家級航天組織，在衛星航天器的技術研發、項目管理、批量研制等方面具有豐富的經驗與先進的技術水平。國外先進的宇航企業，對衛星的智能化、數字化制造已經進行了廣泛的應用，具體包括增材制造技術、數字孿生技術等，通過這些智能制造技術應用，實現了企業資源的合理配置，為其組網等星座計劃奠定了堅實的生產基礎與產品質量保證[2]。

近年來，隨著我國“空間一體化專項”、“北斗”、“衛星互聯網”等空間建設計劃的不斷推進，在2019年中國已經超越俄羅斯，成為衛星發射第二大國[3]。民用與商用市場對衛星等航天器的需求已呈井噴式增長，據市場分析，2025年前，僅在我國低軌星座等商業航天領域，衛星的重要配套產品就需2600余套。但與國外先進宇航公司相比，中國衛星整星生產模式的智能化程度偏低，雖在先進生產理念與單點制造環節都有所提升，但整體來講，尚未形成有效的脈動式生產模式，要滿足未來幾年商業航天與傳統航天的衛星大批量發射需求，形勢較為嚴峻。

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

2 國外衛星整星先進制造工藝

2.1 增材制造技術

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、新技術推進低成本衛星的研制，采用增材制造技術，材料浪費最小，同時也縮短了制造周期。另外，增材制造也意味著在不需要模具的前提下，具有更大的設計自由度，非常適合小規模或一次性生產的復雜零件[4]，如曲線、孔、腔等衛星高精度微小零部件的生產。美國洛馬公司（Lockheed Martin）正在使用此項工藝來制作衛星零件，并計劃將此工藝擴展到航天器微小復雜零件的加工，乃至整星的制造過程中。輕型衛星可能會采用更小、更便宜的火箭發射，將會集成更多的傳感器。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星貯箱箱底，如圖1所示，比傳統制造工藝節約成本80%，節省時間約85%，目前產品質量已通過檢測驗證。

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與模塊化設計方法，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星相比，但波音公司的目標是以其生產的波音737為標準，即生產周期為11周左右。

2.2 脈動式生產線技術

脈動式生產線是一種先進的裝配生產線技術，目前主要用于宇航領域。脈動生產線可以設定緩沖時間，對生產節拍要求不高，當某個生產環節出現問題時，整個生產線可以不移動，或留給下個站位去解決。

脈動式生產線作業模式的智能程度介于固定站位式生產模式與連續流動生產模式之間，與汽車等成熟產品的連續流動生產模式相比，航空航天領域產品由于其制造工藝極其復雜，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模式，但是上千道工序只在同一固定站位裝配會使生產效率極低，因此，伴隨著波音717與波音737飛機總裝時的成功應用，2008年波音公司為美軍方建設了新型GPS衛星脈動裝配線。圖2、圖3分別是飛機脈動生產線與衛星脈動生產線。

圖2 F-35型飛機脈動生產線

圖3 波音公司衛星脈動生產模式

美國雷聲公司（Raytheon Company）對旗下的圖森工廠所生產的SeeMe衛星也設立了新型智能工廠與特定的脈動生產線，并針對其特殊化設計的衛星，開展了三維化自動組裝與測試環節的部署，組裝環節將由固定式與移動高自由度工業機器人完成設備的組裝，并通過數字化車間控制系統管理；其測試環節則依次由通信和射頻測試系統、熱真空系統、振動測試系統、通用工具和部件系統、質量和重心測試等系統組成。據悉，圖森工廠將進一步完善智能生產線，最終達到可實現小衛星批量生產和研發工作的智慧工廠。

脈動裝配線在軍工制造領域的廣泛應用，徹底打破了航天和軍工復雜零件不能采用流水線生產的制約，為發展航天工業的生產力提供了無限的可能。

2.3 數字孿生技術

數字孿生技術是指充分利用物理模型、傳感器采集、運行歷史等數據，集成多學科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程。伴隨著工業4.0概念日漸普及，眾多世界先進衛星研制廠商為提升整個過程的技術狀態與產品質量的控制能力，紛紛引入了數字孿生技術。擬通過對生產線、車間物料，以及相關制造資源建模，在虛擬空間中建立物理車間相應的數字孿生體，并依托多傳感器融合技術，實現生產數據的實時采集，最后通過數據挖掘技術比對所建立模型與物理車間的一致性，驅動虛擬車間與物理車間保持一致，通過在虛擬車間對實際生產過程監控，提前規劃與響應關鍵儀器零部件壽命預測、資源沖突、故障排查等生產擾動[5]。

圖4 洛馬公司數字孿生車間

美國空軍與NASA結合數字孿生，提出了數字紐帶的概念，所謂數字紐帶是一種可以擴展、可選擇配置的企業分析框架。通過提供訪問、整合以及將不同數據轉換，作為操作的一種信息能力提供給信息決策者。洛馬公司則計劃采用數字孿生技術實現工程設計與制造的連接，這就意味著在設計階段產生的3D精確實體模型，可用于加工模擬、NC編程、坐標測量機的設計與檢測等環節，如圖4所示。此外，數字紐帶中的數據可存儲在產品數據管理PDM系統中，世界各地的合作伙伴與供應商都可以無縫使用，這將有利于降低現場工程更改次數，提升研制效率。

泰雷茲阿萊尼亞宇航公司（Thales Alenia Space）[6]建立了一個虛擬環境研究平臺VERITAS，用來驗證各種虛擬現實的原型，該平臺采用OpenSG作為圖形引擎，TinyXML和Boost作為XML解析工具，OpenAL作為音效引擎，該平臺用于實現精細問題的仿真求解與大數據的可視化，支持自然交互設備的集成與應用，能夠運行于單個PC或CAVE系統，運用該系統，使用者能夠將三維模型轉化到CAVE中，進行協同裝配序列規劃與可視化，如圖5所示。

圖5 泰雷茲阿萊尼亞宇航公司的VR試驗室

3 國外衛星整星制造商技術現狀

3.1 一網公司

一網衛星公司（Oneweb）在創建整星裝配生產線初期，便著手進行關鍵工藝端到端的驗證、測試與裝備集成，并在法國圖盧茲智慧工廠內開展高性能衛星生產工藝制造驗證，以消除可能存在的技術風險[7]。該裝配生產線包括最先進的自動化集成設備、測試數據和相關數據采集功能，可以縮短整星裝配時間。同時基于空中客車公司的工業4.0智能工廠方法，致力于簡化生產與設計組織，以提高生產率。基于此可提供分析工廠性能和過程改進的方法，在其生產線中制造的衛星可提供有價值的在軌數據，用來驗證航天器的設計分析及相關生產工藝參數，并在必要時修改生產參數，糾正制造過程中的任何異常。該策略也強調網絡物理系統，并著重關注物聯網和云計算的應用。依計劃在9個月內完成了第一顆衛星的發射，并陸續為低地球軌道（LEO）衛星星座的900顆通信衛星開展了部署。此外，其為肯尼迪航天中心附近多條Oneweb衛星工廠的框架建設奠定了深厚的基礎，Oneweb衛星設計概念如圖6所示。

圖6 Oneweb衛星設計概念圖

3.2 洛馬公司

洛馬公司的航天系統分部是其5大商業部門之一，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投資3.5億美元，建設了名為“網關中心”的設施，計劃于2020年完成，占地面積約為24.7萬平方米，用于設計開發下一代衛星.還建立了用于微小到大中型衛星的頂級潔凈室和用于模擬測試衛星空間環境的熱真空室。當前項目主要有GPSIII、火星探測、GOES等美政府項目[5]。

該公司利用增強現實技術所需的頭戴設備和相關軟件，縮短工程師了解并應用航天器制造工藝的時間，對加快衛星零部件的設計、制造與檢測速度有重要作用，因此，增強現實技術正成為洛馬整星制造部門數字基礎設施的重要組成部分。

3.3 波音公司

圖7 波音公司衛星裝配生產線

波音公司作為世界領先的航空航天公司，目前已經發射了270余顆航天器，航天器總壽命達到2500年。2019年，波音公司同美國空軍達成協議，并簽署了價值6.05億美元的合同，用于制造美國空軍第11顆“寬帶全球衛星通訊（WGS）”衛星的硬件生產，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星總裝線至2023年工作完成時，WGS-11將具有以往WGS衛星容量的兩倍[6]，波音公司衛星裝配生產線如圖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。在預算受限的大背景下，波音公司采用了一體化設計技術和模塊化、流程化的裝配工藝執行模式，不僅節約了大量研制成本，而且降低了飛船整體重量。

3.4 太空探索技術公司

太空探索技術公司（SpaceX）成立于2002年，Starlink是該公司目前影響最大和獲利最大的衛星發射計劃，可將若干個人造衛星以激光通訊的方式連接。Starlink計劃最終將約12000顆衛星送入地球軌道進行組網，從而覆蓋全球的網絡通訊，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、遠程集群控制、人工智能等內容。這項需要超低成本的重型運載火箭的高頻發射需求，不僅需要充足的資金鏈，更需要先進的軌道控制技術與頂尖的衛星制造技術。2020年6月4日，SpaceX成功完成了Starlink-7系列任務，此次任務發射了第8批60顆Starlink衛星[7]，Starlink整星生產線與衛星外觀如圖8所示。

圖8 Starlink整星生產線與衛星外觀

4 結束語

伴隨著中國未來幾年高質量、大批量的衛星發射計劃，其生產模式也應向著智能化、柔性化、數字化領域進軍與發展。就中國現階段衛星整星智能制造發展趨勢來講，為達到在各工序生產過程中，實現生產工藝參數可視化、精確化控制、檢驗過程的標準化控制，實現產能極速提升，必須轉變傳統衛星研制思路，從優化工藝、模塊化制造零部件、開發自動化工藝技術角度入手，發展多用途衛星的整星制造新工藝，解決傳統衛星研制中成本高居不下與產能日益不足的問題。

同時，作為空間產品，考慮到其在軌不可維修性，衛星整星在未來的智能制造新工藝中，還要保持傳統制造模式的高質量和高可靠性。為了兼顧產能提升和可靠性增長，需要加強衛星制造過程控制，可綜合運用現代無損檢測技術、AI技術、數字孿生等技術，結合衛星制造大數據分析，對生產環節進行在線監測與判斷。

另外，參照國際先進經驗，中國衛星互聯網衛星星座要達到低成本目標，可采取以下途徑：盡量打破航天封閉體系，融合航天領域質量控制、汽車等大規模自動化制造經驗，推動衛星制造的自動化水平，提升產量降低成本；參考國際先進整星制造商，在衛星集成選址方面可選擇距離發達城市較偏遠地帶，以滿足衛星集成對場地面積大與調度實時性強的要求；提升供應商集中度，優選衛星總體以及部件供應商，初期可以通過多家對比，選出優勢企業，以提升大規模生產水平。

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

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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

姜釗（1990），博士，機械工程專業；研究方向：電池智能生產線的設計與研發。

2020-08-06