運載火箭箭體制造關鍵裝備與技術現狀及發展

劉 冬

（上海交通大學科學技術發展研究院，上海 200240）

運載火箭是一個國家進入空間的主要手段，其制造水平對控制空間的進程至關重要。我國把發展航天事業作為國家整體發展戰略的重要組成部分，《中國制造 2025》中指出我國將“發展新一代運載火箭、重型運載器，提升進入空間能力”。為滿足空間站工程、載人航天和月球探測等航天工程需求，需要開展“無毒、無污染、低成本、高可靠、適應性強以及安全性好”的新一代運載火箭研制，按照我國航天工業2030年發展規劃要求，從“十三五”至2030年期間我國宇航產品將迎來高密度并行研制、多型號密集發射和應急發射的高峰期，這對提升運載火箭的制造水平提出了迫切的需求[1]，

箭體結構是運載火箭最為關鍵的結構部件，也是火箭制造中的關鍵[2]，如圖1 所示，箭體結構主要由推進劑貯箱、鉚接艙段等部分構成。推進劑貯箱作為運載火箭的主承力結構，是一種大尺寸、薄壁高強鋁合金焊接結構，具有大尺寸、輕質、薄壁和復雜等典型特征。目前，運載火箭主體結構生產的全工藝主要流程如圖2 所示，主要包括了板材成型、銑削加工、鉆鉚、焊接和箭體對接5個主要部分，在過去幾十年的發展中，這些流程中的制造技術逐漸從以手工操作為主的模式轉向綠色化、自動化技術與裝備為主的模式，極大地提升了運載火箭的生產效率與可靠性。本文將重點介紹各流程制造過程中的關鍵裝備與技術的發展歷程與最新發展趨勢，分析相關技術上的國內外差距以及研究難點，為我國運載火箭箭體結構制造水平的發展提供參考。

圖1 運載火箭箭體組成結構

圖2 運載火箭主體結構生產全工藝流程

1 板材成形裝備與技術

板材成形是運載火箭制造的起始環節。板材可以分為壁板類板材，如貯箱筒段壁板，以及箱底類板材，如瓜瓣。首先介紹箱底與筒段成形技術，最后介紹貯箱3D打印技術的應用前景。

1.1 箱底成形技術與裝備

箱底零件其板材成形技術的發展主要經歷了兩個階段：（1）零件拼接成形制造階段。（2）整體成形制造階段。

在運載火箭的發展初期，由于鋁合金板材成形技術的限制，無法實現大尺寸箱底的整體制造，通常采用“分片制造+拼焊成型”的技術路線。箱底通常由瓜瓣、頂蓋、法蘭組成[2]，如圖3 所示。頂蓋通常采用帶壓邊的拉伸成形工藝。法蘭通過鍛造+機加工的工藝。瓜瓣作為箱底最主要的部件，其制造難度最大，通常使用彎曲成形工藝制造。在歐盟 Ariane5火箭貯箱、俄羅斯火箭貯箱以及我國長征系列火箭貯箱箱底中采用了雙向拉伸成形工藝制作。此外瓜瓣零件也有采用充液拉深成形技術制造，充液成形技術利用柔性介質作為施加壓力的載體來成形板材，表面質量和均勻度也得到提高。箱底的“分片制造+拼焊成型”加工工藝，結構強度弱，具有厚重的承力焊縫，零件廢重高。

圖3 箱底結構示意圖

隨著鋁合金成形工藝的發展，貯箱箱底的整體制造工藝逐漸發展成熟[3]。相比與拼接制造，整體箱底的制造工藝簡化，可靠性提高。整體箱底成形包括整體旋壓成形工藝和充液拉深成形工藝，如圖4、圖5 所示。整體旋壓成形工藝包括板材成形與后熱處理。在成形階段，通過旋轉輪在一定軌跡下旋壓轉動的坯料實現零件成形。其優點是可以實現近似等厚成形，且公差小、加工成本低。缺點是在旋壓過程中產生殘余彎曲應力，需要采用后熱處理。整體旋壓成形工藝在美國Atlas 系列和 Delta系列火箭、日本 H-2系列火箭以及歐盟 Ariane 5 火箭中得到應用。

圖4 旋壓工藝與裝備[1]

圖5 充液拉深工藝與裝備[1]

充液拉深工藝由于采用液體介質，具有潤滑和摩擦保持的效果，零件表面完整度較好，無劃傷。并且可以一次拉深成形，無需多次熱處理，工藝簡單、可靠性高。充液拉深工藝在日本H-2重型火箭4 m貯箱、Ariane 5火箭直徑5.4 m貯箱中得到應用[4]。

與國外相比，我國在箱底整體成形技術方面的差距還較大。國內已具有直徑 2 250 mm 及以下尺寸的貯箱箱底整體旋壓制造能力。對于3 350 mm箱底，航天科技八院149廠采用充液拉深成形工藝、一院211廠及七院7 102廠采用旋壓工藝分別實現了箱底整體成形。但對于直徑更大的箱底，還需要開展攻關研制[5]。

1.2 筒段成形技術與裝備

貯箱筒段或短殼由3～4塊弧形壁板通過縱縫焊接形成[6]，壁板采用的成形工藝主要有滾彎成形、壓彎成形、拉彎成形、噴丸成形、爆炸成形和蠕變成形等，其中以滾彎成形和等距壓彎成形較為常見。

滾彎成形的原理是讓板材通過2～4個輥輪，逐漸產生塑性形變，使得板材獲得所需要的弧度，如圖6所示。滾彎成形板材成形最早使用的工藝，其優點是簡單靈活，生產效率高。滾彎成形的設備為卷板機，可以通過調整工作輥的形狀、旋轉運動和相對位置，加工出弧形件、筒形件等。從輥數上分類，目前較為常見的是三輥卷板機和四輥卷板機，從傳動方式上則可分為機械式和液壓式。受制于國內液壓馬達和行星減速器等基礎件的研發水平，目前我國的卷板機制造主要還集中在中低檔位，在卷制精度、質量控制和配套產線開發等方面有待提高[7]。

圖6 滾彎成形示意圖[7]

壓彎成形的原理是利用機械裝備將板材彎曲成一定角度和曲率，如圖7 所示。整體壁板在壓彎成形主要經歷彈性、彈塑性、塑性變形和回彈4個階段，成形發生在塑性變形階段，而回彈階段則會降低板材的加工精度。運載火箭壁板最早采用的是增量壓彎成形，其適合于成形厚度較大、變截面等外形較復雜的整體壁板。與滾彎成形相比較，壓彎成形是一種不連續的局部三支點彎曲。其優點是裝備簡單，生產成本較低；缺點是殘余應力較大，且勞動強度大，難以實現自動化。

圖7 壓彎成形示意圖[7]

1.3 貯箱3D打印技術

目前，3D打印也開始引入到了貯箱的制造中來，其主要的優勢是可以降低制造的時間周期和成本，特別是對于結構復雜的飛行器貯箱。Relativity Space創建了名為Stargate的大型零件3D打印系統[8]，如圖8a示，該系統基于選擇性激光燒結工藝。目前，Terran 1和Terran R的第一、二級和整流罩通過3D打印完成，其中Terran 1將于2023年初發射。國內，火箭院與西安交通大學聯合研究用3D打印技術制造火箭貯箱，圖8b為測試打印的火箭貯箱件。

圖8 貯箱3D打印技術

目前3D打印貯箱的主要問題是高強鋁合金在3D打印熔化、凝固過程中極易產生氣孔、內裂紋等問題[9]。而貯箱里要裝滿液體推進劑，必須具有良好的致密性。因此研發適合3D打印的高強鋁合金粉末是需要解決的技術難題。John H M等人研發了一種基于納米成核劑實現3D打印鋁合金的技術[10]，該技術適合一系列合金材料，具有一定的普適性。因此火箭貯箱3D打印未來有望得到更大應用。

2 銑削加工裝備與技術

組成貯箱和艙段的板材在成形后，尺寸和壁厚精度無法滿足設計要求，需要進一步通過銑削加工使成形后的毛坯件滿足后續焊接、裝配需求；另一方面通過銑削加工可以在保證結構強度不變的情況下，大幅減少箭體的重量，對提升運載火箭的運載能力至關重要。于是，為了平衡貯箱承載能力和結構強度，對火箭箭體結構的壁厚誤差需要嚴格控制。因此，以控制壁厚為目標的“極端”弱剛性結構件的高效精密減薄加工技術是火箭箭體制造的關鍵技術。

在箭體結構銑削加工中，弱剛性薄壁件占火箭覆蓋面積約60%。這類弱剛性零件的銑削加工工藝發展經歷了從化銑，靠模加工，平板銑后壓型，到鏡像銑削的歷程，如圖9 所示。化銑是傳統制造工藝，相比于后續發展的機械銑削具有高污染、低精度以及多缺陷的弊端。靠模加工通過靠模貼合大型薄壁件從而提高系統剛性，但存在胎模與箱底貼合率低的問題，導致振紋顯著，且部分區域無法均勻加工，壁厚超差嚴重，加工質量無法滿足設計要求。平板銑后壓型容易出現開裂、凸楞及適用性差。鏡像銑削是機械加工火箭箭體高效、精確及綠色的新一代技術[11]。在銑削過程中，通過加入支撐裝置，使銑削端和支撐裝置沿工件兩側鏡像對稱移動，依靠隨動支撐改善薄壁件加工區域的局部動態特性。在支撐裝置中加入實時測量壁厚傳感器，根據壁厚數據實時調整切削深度，實現加工過程中剩余壁厚的精確控制。鏡像銑削技術擺脫了火箭箭體加工對工裝的依賴，一次裝夾即可完成減薄、開孔、切邊等多道工序，經驗證其加工時間和成本均降低50%，顯著提高了大型薄壁件的加工效率。此外，鏡像銑削工藝能耗低、無污染，是火箭箭體加工的最新技術和發展趨勢[12]。

圖9 火箭箭體銑削裝備發展史

經法國空客和西班牙M.Torres驗證，在大型薄壁件加工中可以實現壁厚精度達到±0.1 mm。針對火箭箭體貯箱箱底的加工，上海交通大學與天津航天長征火箭制造有限公司、上海航天設備制造總廠有限公司合作開發了整體箱底雙五軸鏡像銑削裝備，如圖10a所示。使用3 350 mm 級航天蒙皮鏡像銑削裝備加工運載火箭貯箱箱底管板瓜瓣蒙皮，通過鏡像銑削來控制加工精度，壁厚加工精度由±0.5 mm提高到了±0.1 mm。針對火箭貯箱筒段的加工，上海拓璞數控科技股份有限公司研制了整體筒段鏡像銑裝備，如圖10b所示，對于3 350 mm 貯箱筒段，實現了壁厚精度控制，壁厚精度達到了±0.1 mm的要求。在鏡像銑削過程中，為保證工件的壁厚精度，銑削側刀具切深會根據工件實際厚度實時改變，時變的切削厚度會產生時變的激勵。因此鏡像銑削面臨恒定參數隨動支撐被動抑振難以適應時變激勵下時變動態特性工件加工的難題。在火箭箭體在銑削過程中會出現工件切削振動、壁厚隨機超差和曲面整體變形等問題，難以實現高質效加工，因此將鏡像銑削技術應用于火箭箭體的制造仍面臨諸多技術挑戰。

圖10 火箭箭體鏡像銑削技術

火箭箭體由于剛性弱在銑削加工中處于不穩定狀態，極易發生顫振，加工振動影響壁厚精度，導致工件與刀具、工件與支撐的短暫脫離，影響火箭箭體銑削質量。傳統加工中的振動以刀具的顫振為主，而在薄壁件加工中工件剛性遠遠弱于刀具，刀具可以看成剛體，此時影響加工的是薄壁件的振動，需要建立適用于薄壁件加工的穩定動力學模型，反映 “刀具-薄壁件”之間的復雜交互作用[13]，這是進行加工振動穩定性分析以及實現無顫振加工的基礎。由于在加工中存在材料的去除作用，薄壁件的動力學具有隨位置和時間改變的特點，會有短時失穩的現象發生，利用非正交動力學分析的方法可以預測加工中的短時失穩，對短時失穩進行有效的控制。在此基礎上，目前的方法集中于“離線判穩+加工參數修正”以及采用支撐被動抑振抑振，難以適應時變位變的實際加工狀況。通過主動調節支撐參數改變系統的動力學特性，從而實現全狀態下薄壁件穩定銑削是未來穩定性控制的研究方向。

尺寸大、剛性弱和壁厚精度要求高是火箭箭體零件的重要特征，毛坯件變形和切削力變形等誘導工件實際形狀與理論形狀的差異遠大于加工精度，因此變形成為壁厚精度控制的主要難題。利用激光掃描系統對毛坯工件外形進行掃描檢測[14]，得到毛坯外表面的點云數據，通過數據處理得到變形曲面與設計曲面之間的映射關系，以映射關系為約束條件，調整加工刀軌。

目前的火箭箭體銑削支撐裝置采用固體支撐，當裝置與壁面產生相對運動時，會產生劃傷和壓痕，導致工件表面質量無法滿足要求，采用射流支撐能有效解決這個問題。然而目前缺乏射流抑制振動的動力學特性、“射流-弱剛性零件”流固耦合作用的理論研究。此外，目前研究中未考慮極端弱剛性零件加工中工件局部法向變化和大彈塑性變形，亟待進一步深入研究雙五軸運動系統的實時協同控制理論與變形曲面匹配及加工軌跡逐點調控方法。

3 自動鉆鉚裝備與技術

運載火箭筒體殼段是火箭的重要承載部分，如圖11 所示，主要由端框、中間框、桁條和蒙皮等組成，屬于大型復雜薄壁類零件，它的特點在于高曲率、壁厚小、剛性差和結構復雜等[15]。這些特點導致運載火箭筒體殼段在裝配時工藝復雜、定位和裝配困難，目前零件間連接 90% 以上采用鉚接工藝完成[16]。在傳統的運載火箭筒體殼段生產過程中，調整、定位裝卡、擴孔以及鉚接這些流程都需要人力來完成，造成運載火箭筒體殼段裝配勞動強度大、生產效率低、裝配精度差以及質量不穩定的問題。根據統計新一代運載火箭五米艙段鉚釘數量高達16萬余顆[17]，依靠傳統手工的鉚接方法愈發難以滿足運載火箭大型艙段的高可靠、快速制造需求。

圖11 運載火箭筒體殼段結構示意圖

采用自動鉆鉚技術實現的制孔和鉚接是提高運載火箭筒體殼段裝配質量與效率的有效途徑，相比于手工鉆鉚，自動鉆鉚效率能提高5倍；精度能夠提高10倍。國外以美國捷姆科、EI、德國寶捷和意大利 B&C為代表的自動鉆鉚裝備已經廣泛應用在航空航天的各個領域[18]。歐洲的阿里安6火箭的級間筒段為桁架、框、蒙皮結構組裝，在德國奧格斯堡工廠的筒段裝配中應用機器人鉆孔和鉚接技術，實現更高效、更廉價的生產過程[19]，如圖12 所示。

圖12 阿里安6號級間筒段裝配示意圖

我國對于自動鉆鉚技術的研究和應用越來越重視，近年來首都航天機械公司、天津航天長征火箭制造有限公司、上海交通大學以及北京航空制造工程研究所等針對自動鉆鉚系統開展技術研究，為自動鉆鉚技術在運載火箭制造中的應用奠定基礎。上海拓璞數控科技有限公司針對某大直徑運載火箭一二級級間筒段研究了自動鉆鉚設備，如圖13 所示，該設備系統主要由數控柔性定位系統、鉚接機械手、行星鉆頂機構、自動送釘系統、控制系統、直線和回轉運動機構等6部分組成，通過工藝研究與產品的試制，自動鉆鉚裝配能夠提高制孔及鉚接效率6倍以上[20]。

圖13 國內上海拓璞數控科技有限公司自動鉆鉚設備

為實現運載火箭鉆鉚艙段自動鉆鉚裝配，自動鉆鉚技術集檢測、制孔和鉚接等多種技術于一體，涉及高精度定位技術、制孔質量控制與在線檢測技術、通用式自動鉆鉚機器人技術與離線編程與仿真技術等關鍵技術。高精度定位針對自動鉆鉚工藝中桁條、框的定位精度直接影響自動鉆鉚過程自動鉆孔位置尺寸精度的問題，由于筒段殼段裝配存在誤差，工件在機床坐標系中的位置與離線編程所建立的模型之間存在一定的偏離，需采用工件視覺自動定位技術來精確定位工件在鉆鉚系統中的位置；制孔質量控制與在線檢測方面，制孔質量對裝配質量有重要影響，通過開展制孔工藝研究，優選鉆削工藝參數，可以獲得毛刺控制工藝參數，具體可選擇刀具材質、刀具鉆尖頂角、主軸轉速、進給量和夾緊力5個參數進行正交工藝試驗；通用式自動鉆鉚機器人方面，機床式自動鉆鉚設備加工精度與制孔及鉚接質量與機器人自動鉆鉚相比有優勢，但在設備靈活性、適應性上差于機器人自動鉆鉚，并且機床式自動鉆鉚設備結構復雜、規模龐大和投資成本高，往往是以專機形式進行研發投產；機器人自動鉆鉚設備由工業機器人系統與工裝系統組成，加工精度滿足運載火箭鉚接艙段要求，借助機器人的高自由度與合理的工裝設計，可大大提升自動鉆鉚系統的通用性；離線編程與仿真一般包括孔位及緊固件類型信息提取、數控自動編程、刀位文件生成和離線仿真等模塊。自動鉆鉚數控程序是以設計文件為輸入生成的指令文件，數控程序運用到產品生產之前，需要經過嚴格的可視化仿真，驗證產品定位方式的合理性、程序及工藝流程的可行性、可靠性，形成正確的工藝文件[21]。

運載火箭鉚接艙段將逐步全部采用自動鉆鉚技術，進一步提升運載火箭艙段制造自動化，提高產品質量一致性。未來，針對上述自動鉆鉚的各關鍵技術，值得廣泛開展視覺識別等先進檢測技術與設備的集成應用，提升設備的智能化水平。發展面向數字化裝配的結構設計，開展工藝設計的一體化協同工作。深入開展產品標準化工作，提高工藝信息和工藝方法的可繼承性。

4 焊接裝備與技術

貯箱筒段或短殼由3～4塊弧形壁板縱縫焊接形成，其制造路線主要有“滾彎成形?化學銑削?TIG熔焊”和“高速數控銑削?等距壓彎成形?攪拌摩擦焊”兩種[22]。2007年以前，我國的長征系列火箭大多采用第一種方法，其制造質量相對較差，且會造成較大的環境污染問題。隨著攪拌摩擦焊等各項技術的不斷成熟，目前我國和世界其他國家均采用第二種方法實現貯箱制造。火箭燃料貯箱生產過程中的焊接工藝流程如圖14 所示。其中箱底短殼的縱縫焊、箱底組合件的過渡環環縫焊接、頂蓋環縫焊接、短殼鎖底焊接、頂蓋法蘭等焊接、箱體筒段的縱縫焊、火箭燃料貯箱的箱底與筒段環縫焊接、筒段與筒段環縫焊接、筒段與箱底封箱焊接都需要對應的攪拌摩擦焊設備。

圖14 運載火箭貯箱主體結構及主焊縫

攪拌摩擦焊接（FSW）是英國焊接研究所于1991年發明的焊接技術，利用一種特殊形式的攪拌頭邊旋轉邊前進，通過攪拌頭與工件的摩擦產生熱量，使金屬處于熱塑性狀態，并在攪拌頭的壓力作用下從其前端向后部塑性流動，從而使待焊工件連接為一個整體[23]。攪拌摩擦焊接過程如圖15所示。在焊接質量上，攪拌摩擦焊接作為取代傳統熔化焊接的新一代焊接技術，焊接接頭強度平均提升10%～20%，通過先進裝備的控制一次性合格率達到90%，無弧光、輻射等污染。在焊接效率上，傳統熔焊技術需開坡口、填充焊絲并經多道焊完成焊縫成形，而攪拌摩擦焊接技術無需填充焊材，能夠一次完成焊縫成形；攪拌摩擦焊縫在剃除“飛邊”后，表面無需修整，焊縫基本無缺陷，因此攪拌摩擦焊接技術在效率方面更有優勢[24]。

圖15 攪拌摩擦焊接過程[24]

世界航天強國在運載火箭貯箱生產中均廣泛采用了攪拌摩擦焊接技術，研制了成套焊接裝備，在提高可靠性的同時，有效降低了制造成本。美國洛馬公司在航天飛機外貯箱的焊接生產中對攪拌摩擦焊接進行了成功應用。美國國家航空航天局（NASA）針對登陸火星研制的太空發射系統（SLS）采用直徑8.4 m貯箱，為了提高運載火箭發射的可靠性，貯箱全部采用攪拌摩擦焊接技術，在2014年研制了至今為止全世界最大的攪拌摩擦焊接裝備。圖16為美國國家航空航天局箱底攪拌摩擦焊接生產線。

圖16 美國國家航空航天局箱底攪拌摩擦焊接生產線

國內上海拓璞數控科技股份有限公司研制了箱體筒段、箱底多任務焊接任務需求的國產化設備，如圖17 所示。

圖17 上海拓璞數控科技股份有限公司研制的筒段、箱底攪拌摩擦焊設備

在攪拌摩擦焊未來主要發展方向是焊接工藝與質量理論，其中焊接工藝對焊接產品質量有著巨大的影響。焊縫間距、焊接速度、攪拌頭旋轉速度和下壓量等眾多工藝參數都影響著攪拌摩擦焊接頭力學性能。目前通常采用設計正交實驗的方法確定最優焊接參數，工作量大，生產效率低。研究工藝參數對焊接成品質量的理論模型，對優化工藝參數、增大加工效率有著積極的意義[25]。還需要研究焊接過程數值仿真，目前的焊接工藝開發工作耗時太長，需要進行許多實驗來確定不同工具、合金、厚度或接頭配置的工藝參數。如果數值仿真模型能夠準確預測攪拌區和周圍材料中的溫度和材料流動，以及由此產生的接頭特性，可以顯著縮短確定最優工藝參數的時間[26]。

5 箭體對接裝備與技術

箭體級段對接裝配是運載火箭總裝中的重要環節。火箭箱間段與氧化劑箱、級間段與燃料箱、尾端與過渡段等箭體分段都需要通過對接裝配工序完成箭體總裝。箭體對接裝配方式也可分為水平對接和垂直對接。傳統箭體對接方式都為手工操作，對接過程中需要裝配人員前后跑動，主要依靠人眼和經驗判斷艙段間相對位置，并轉動手輪調整艙段位姿，需要經過反復多次的調節試錯才能完成，對接效率與精度都很低。隨著技術的發展，自動對接裝配系統在航空領域已經得到了廣泛應用[27]，大大提高了飛機的裝配效率和質量。自動對接裝配系統一般由大尺寸測量系統、伺服調姿系統和控制系統構成。在航天領域，自動化對接裝配系統的研究與應用還處于發展階段，隨著世界航天產業的蓬勃發展，火箭制造產業急需提升火箭總裝的效率與質量。

5.1 定位測量裝備與技術

為實現箭體艙段間的準確對接，需要測量得到兩個艙段間精確的相對位置與姿態。針對飛機、火箭這類大尺寸設備測量場景，目前應用較為成熟的測量系統主要有激光跟蹤儀、室內iGPS系統、旋轉激光自動經緯儀系統以及攝影測量等方式。箭體筒段屬于大型薄壁件，徑厚比極大，在重力和外力作用下極易變形，使得兩對接面的定位基準難以找正，成為箭體對接裝配中的瓶頸問題[28]。在箭體對接裝配過程中，一般可通過構建大尺寸空間測量系統，在對接箭體筒段的對接端面和外表面布置多個靶標點，測得箭體筒段上的一些特征點坐標（圖18），并通過幾何面擬合、相對坐標變換等方式間接計算得到對接筒段的軸線、對接端面平面或對接銷釘銷孔的相對位置和姿態。隨后可通過建立相應的筒段對接評價指標，求解當前位姿與最優位姿間的位姿變換，用于指導筒段的位姿調整[29]。

圖18 iGPS系統在箭體對接中的應用[23]

5.2 對接調姿裝備與技術

對接調姿裝備是箭體空間6個自由度位姿調節的執行機構，同時也起到對箭體的承載支撐作用。箭體水平對接裝配主要使用支撐架車實現對箭體的支撐和位姿調節。為實現對箭體空間6自由度的位姿調整，單個支撐架車至少需要具備四個自由度的運動功能，即沿X、Y、Z方向直線平動以及繞筒段軸線的回轉運動，剩余兩個空間旋轉自由度的調節則通過前后兩個架車的相對移動實現。傳統支撐架車都采用人工驅動手輪方式進行調節，體力勞動量大。隨著自動化技術的發展，采用伺服電機驅動的伺服調姿架車[30]可以大大降低裝配工作的勞動強度，促進對接裝配流程的全自動化。美國NASA在SLS火箭制造中使用的Wheelift transporter系統使用了重載AGV底盤，集自動運輸功能和對接調姿功能于一體，進一步提升了箭體制造裝配的效率。繩索牽引式并聯機構[31]在火箭箭體對接裝配領域的應用探索也得到了一些研究。圖19 所示為一種繩驅動并聯式筒段對接調姿機構，對接時使用6根鋼絲繩將箭體筒段吊離架車，并通過控制鋼絲繩的長度實現對箭體的位姿調整。

圖19 對接調姿裝備

5.3 自動對接裝配技術

基于大尺寸空間測量系統與伺服調姿機構，可構建相應的閉環自動對接控制系統。文獻[32]展示了一種基于激光跟蹤儀測量系統和伺服調姿架車構成的火箭部端自動對接裝配系統的工作流程。由測量系統實時測量筒段相對位姿信息，并解算得到向最佳對接狀態調整的運動參數反饋至控制系統，驅動執行機構對筒段位姿進行相應調節，從而完成箭體自動化對接裝配。

近年來，航天發射任務密集化對運載火箭制造產能提出了更大的需求，箭體對接技術的數字化、自動化是提升制造效率的重要手段。火箭型號的多樣化以及未來重型運載火箭的需求，使得提升對接調姿設備的通用性、柔性化應用能力以及承載能力成為重要的發展方向。

6 結語

總結了新一代運載火箭箭體結構關鍵制造技術與裝備的發展現狀，主要包括了大型構件的板材成型、銑削加工、自動鉆鉚、攪拌摩擦焊接和箭體對接環節，并對各制造流程中的關鍵技術研究及應用狀況進行了分析。

雖然箭體制造過程逐步實現了制造設備的單機自動化，并且國產裝備的指標參數和可靠性得到了顯著提升，正服務于航天型號產品的研制生產，但在整個制造環節中仍需通過人工干預、離線仿真與自動化設備的方式相結合，來保證當前運載火箭的高質量生產。國產裝備在航天制造工藝適應性和柔性自動化等方面仍存在較大差距，需要開展國產柔性自動化裝備的開發，以數字化物流、專家知識庫、生產過程實時監控、工藝過程自適應控制、在線高精度檢驗和設備故障診斷等智能功能為建設內容，突破工藝自適應控制、制造質量控制、知識獲取與應用等關鍵技術，提升火箭箭體產品質量一致性、增強制造系統柔性、提高制造效率。