智能制造從產(chǎn)品生命周期的角度體現(xiàn)在產(chǎn)品設計智能化、工藝設計智能化、生產(chǎn)過程智能化、檢驗過程智能化、管理決策智能化，其中涉及諸多技術(shù)的應用，包括數(shù)字孿生技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)、智能裝備技術(shù)、智能材料技術(shù)、機器人技術(shù)、人工智能技術(shù)等，機器人技術(shù)是期中比較典型的一個。在航空航天領域，智能制造除了體現(xiàn)在傳統(tǒng)的一智能工廠為核心的產(chǎn)品生命周期的智能化，更是體現(xiàn)在航天領域所特有的在軌制造領域。
一、智能工廠
智能工廠建設是推進智能制造發(fā)展的重要抓手和著力點，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，實現(xiàn)智能化生產(chǎn)制造。
1、國外航空航天智能工廠
洛馬公司“門廊中心”
洛馬公司通過升級改造現(xiàn)有工廠設施或新建工廠等方式，布局智能工廠，推進新一代信息技術(shù)、增材制造、智能裝備等應用，創(chuàng)新衛(wèi)星、導彈等武器裝備研制生產(chǎn)模式。
洛馬公司于2017年8月啟動衛(wèi)星制造“門廊中心”(Gateway Center)智能工廠建設，采用快速可重構(gòu)數(shù)字化生產(chǎn)線，配備滿足ISO 8級水平的高空清潔車間、無回聲艙室、用于進行衛(wèi)星動態(tài)耐受試驗的大型熱真空艙室、用于測試傳感器和通信系統(tǒng)的消聲室，以及先進的測試操作和分析中心，旨在形成敏捷、高效、高精度的大中小多尺度衛(wèi)星柔性制造能力。工廠采用了功能嵌入式設計，經(jīng)過價值工程設計，集成工廠制造衛(wèi)星的最優(yōu)方法，可將衛(wèi)星生產(chǎn)流程由以天計算改進至以小時計算。該設施還將尋求認證和安全許可，以便開展國家安全級別的項目。3D打印和虛擬現(xiàn)實被列為額外的技術(shù)，將通過提高制造速度和周轉(zhuǎn)時間，以及降低成本來幫助“門廊中心”滿足生產(chǎn)需求。
空客未來工廠
2019年初，空客宣布將會投資2500萬歐元升級德國慕尼黑建設航天業(yè)務基地，其中1500萬歐元將會用于現(xiàn)有生產(chǎn)設施的升級改造以及工廠建筑面積擴建，同時還將新引入一條機器人組裝線，另外的1000萬歐元將會用于擴建集成衛(wèi)星光學儀器的潔凈室。
早在2013年，空客就已經(jīng)提出了“未來工廠”的建設理念，空客近些年也在研究工業(yè)機器人、VR技術(shù)、3D打印等前沿制造技術(shù)。此前，空客已經(jīng)在A350 XWB的全生命周期管理進程上應用了虛擬仿真技術(shù)，創(chuàng)造的虛擬環(huán)境的復雜性和規(guī)模也是業(yè)界前所未有的，該虛擬環(huán)境能夠給空客內(nèi)部以及其供應鏈上的工程師提供相關(guān)項目信息。人機工程分析技術(shù)作為該研究的重要組成部分，讓操作人員進入虛擬環(huán)境，與A350XWB全尺寸3D模型機型交互。
2、國內(nèi)AIT智能平臺
天津大型航天器AIT中心是世界上最大的航天器AIT中心，中心內(nèi)的AIT智能平臺用于大型航天器制造過程中的地面支持。航天器的裝配、總裝集成、測試試驗過程需要通過AIT智能平臺來實現(xiàn)，航天器在總裝測試廠房內(nèi)的移動、轉(zhuǎn)移也可以通過AIT智能平臺來實現(xiàn)。該平臺可劃分為主體結(jié)構(gòu)、支架結(jié)構(gòu)、升降系統(tǒng)、全向移動系統(tǒng)和綜控系統(tǒng)五部分：
主體結(jié)構(gòu)作為主承力部分，為各功能模塊提供集成接口。
支架結(jié)構(gòu)用于與大型航天器直接連接，滿足航天器豎直停放的需求。
升降系統(tǒng)用于實現(xiàn)大型航天器高度方向的調(diào)節(jié)與自動調(diào)平。
全向移動系統(tǒng)用于短途移動。
綜控系統(tǒng)用于控制平臺的升降和移動。
圖表：AIT 智能平臺整體布局
資料來源：天津航天機電設備研究所
2020年3月，全國首個民企衛(wèi)星智能AIT中心在浙江臺州開工，該項目是吉利科技集團在臺州打造的國內(nèi)首個脈動式模塊化衛(wèi)星智能AIT中心，規(guī)劃建設衛(wèi)星研發(fā)中心、部組件智造中心、測控中心、云計算大數(shù)據(jù)平臺等設施，借鑒汽車行業(yè)先進的總裝工藝，打造模塊化、柔性化、智能化制造工廠，可以靈活滿足不同型號規(guī)格的衛(wèi)星總裝與測試。
臺州吉利衛(wèi)星項目智能AIT中心
二、在軌制造
在人類空間活動進行中，裝備、材料的的補給是一項關(guān)鍵的制約。受限于航天運載能力，要想突破這一制約需要考慮新的策略。在軌組裝技術(shù)從分散航天運力的角度解決這一問題;而空間3D打印技術(shù)則直接從改變材料需求的角度來解決這一問題。3D打印在空間制造領域的應用優(yōu)勢體現(xiàn)在：為航天器在軌制造替換零件提供堅實的技術(shù)支撐，拓展航天器的壽命，節(jié)約重復發(fā)射的成本;材料的太空再循環(huán)利用。
從概念上來講，在軌制造并非人工智能技術(shù)在空間領域的直接應用，但是在軌制造的實施往往依賴于智能裝配技術(shù)、空間機器人技術(shù)、數(shù)字孿生技術(shù)等做支撐，因而可以視為是人工智能技術(shù)在空間領域的綜合應用。
1、在軌組裝
在軌組裝技術(shù)的發(fā)展歷史中，最成功的任務便是國際空間站的組裝。該組裝過程長達二十年，經(jīng)歷過三十多次的獨立組裝，在宇航員和遠程機械臂的共同努力下，所有模塊在空間站中都完成固定。
James-Webb太空望
美國最近研制的James-Webb太空望遠搭載了一個6.6m的主光圈，如此巨大太空望遠鏡很難找到合適的發(fā)射器，所以它們只能被折疊放進5米高的發(fā)射整流罩，最終在太空中完成組裝。NASA從2018年5月開始使用天基構(gòu)造方法來研究望遠鏡在軌組裝技術(shù)，這項研究與多個機構(gòu)合作以找出巨型望遠鏡在太空中組裝的最佳時間和完善該技術(shù)。
因為有機械臂的存在，執(zhí)行維修和補充燃料任務可以變得非常容易。機械臂在完成任務時會進入休眠階段，直到望遠鏡需要進行維修等操作時才會被喚醒。成功發(fā)射韋伯太空望遠鏡后，太空望遠鏡將結(jié)束地面組裝的時代，迎來太空組裝的新時代，并且隨著科技的發(fā)展，未來的太空望遠鏡的體積將會越來越龐大。
AAReST計劃
英國薩里大學和美國加州理工學院、印度空間科學與技術(shù)學院聯(lián)合開展了針對太空衛(wèi)星在軌組裝、重構(gòu)技術(shù)的研究，他們計劃使用兩顆搭載高精度自適應反射鏡的3U立方星和一顆15U的主平臺衛(wèi)星實現(xiàn)AAReST(Autonomous Assembly of a Reconfigurable Space Telescope)計劃。
AAReST望遠鏡是一種主聚焦設計(焦距為1.2m，視野為0.3°)，主鏡分為一組稀疏孔，稀疏孔由直徑10cm的圓形反射鏡組成。主鏡的組成部分連接到一組Cubesats集群(其中兩個能夠脫離集群并獨立導航)。如下圖所示，該望遠鏡將以收起狀態(tài)發(fā)射，收起體積為0.5m×0.5m×0.6m。與主要有效載荷分離后，望遠鏡使用可展開的吊桿將其傳感器展開到反射鏡陣列的焦點。
使用波前傳感器，可以調(diào)整和校準反射鏡，以最小化反射鏡的單個點擴展函數(shù)(PSF)的大小。在滿足初始校準和成像要求后，由配備推進系統(tǒng)的獨立Cubesats攜帶的兩個鏡面將從鏡組中分離出來，執(zhí)行軌道操縱以將自己重新定位在陣列中的新位置，然后重新定位到集群。這將演示鏡面在軌道上的組裝。重新組裝好儀表組后，將再次執(zhí)行鏡面校準和成像，以顯示各種配置下的校準能力。
AAReST發(fā)射結(jié)構(gòu)(左)，初始成像結(jié)構(gòu)(中)，第二階段成像結(jié)構(gòu)(右)
Hive項目
2018年2月，美國航空航天公司(The Aerospace Corp)宣布正在通過Hive項目研究智能單元模塊在軌按需自組裝成多種航天器平臺的可行性。Hive概念由一群小型衛(wèi)星單元組成，它們不僅可以在太空中形成結(jié)構(gòu)并重新配置自身以完成各種任務，還可以在必要時進行分散。
與樂高積木的組裝方式類似，Hive的構(gòu)造單元是一種智能的、可大量生產(chǎn)的小型衛(wèi)星裝置，可以與其他裝置進行連接。每個單元還可以在連接到其他單元的同時進行面旋轉(zhuǎn)，并可以爬過其他單元或在必要時分離。他們還可以根據(jù)需要自主地集合、�？亢椭匦屡渲米约骸�
Hive可以更改其配置以執(zhí)行各種任務，在單元發(fā)生故障時，升級也將更加容易，因為出現(xiàn)故障或較舊的Hive單元可以單獨更換。而且，如果有接近碎片的空間威脅，Hive可以分散，然后重新組裝，或者在威脅過去后改變姿勢。由于Hive單元是模塊化的，并且每個單元都可以配備特定的功能，因此可以使它們在空間中聚集。因此，有可能在太空中建造非常大的構(gòu)造物，這些構(gòu)造物最初可能因為太大而無法通過單個火箭直接運輸。
蜂巢單元可以在空間中組裝成不同的配置
iBOSS項目
德國宇航局DLR于2010年開始資助iBOSS項目，研究利用在軌服務航天器將智能模塊立方體裝配成模塊化可重構(gòu)航天器。
iBOSS概念的核心組件稱為iSSI(智能空間系統(tǒng)接口)，這是一種多功能的接口。該接口可用于在各個模塊，星載部件或有效載荷之間建立機械、數(shù)據(jù)和能量的連接，從而產(chǎn)生了航空航天應用的第一個USB標準。iBOSS演示了如何從“昂貴、一次性的衛(wèi)星”轉(zhuǎn)向可維護、可修改且具有成本效益的可回收系統(tǒng)。
基于iBOSS的衛(wèi)星的概念設計
2、空間3D打印
人類首次空間3D打印
2014年，SpaceX龍飛船將美國Made In Space公司制造的3D打印機AMF(Additive Manufacturing Facility)運抵國際空間站(ISS)，11月17日安裝成功，隨后地面設計好的工具等模型上傳至ISS，打印機開始工作。2015 年2月，這些在太空中制造的產(chǎn)品同樣搭乘龍飛船順利運回地球，隨后轉(zhuǎn)送到NASA的馬歇爾太空飛行中心(Marshall Space Flight Center)進行后續(xù)的測試，以驗證在零重力環(huán)境下使用3D打印技術(shù)制造產(chǎn)品的可行性。2016年，改進后的第二臺3D打印機被運至ISS。
宇航員Barry(Butch)Wilmore展示了3D打印扳手
火星沙制成的建筑物
如果人們要生活在火星上，他們將需要一個住所。3D打印是使用機器快速構(gòu)建結(jié)構(gòu)的好方法，即使在零重力環(huán)境下也是如此。但是，從地球上運送所有建筑材料是不可行的。NASA科學家正在研究的更好的選擇是使用風化層進行 3D打印。
風化層有點像沙子——數(shù)萬年的小行星撞擊產(chǎn)生的一點碎石。風化層的行為不完全像沙子，需要一些技巧才能使其變成3D可打印形式。
NASA顆粒力學和風化層操作實驗室的內(nèi)森·蓋利諾(Nathan Gelino)稱，“我們已經(jīng)證明這是一個可行的概念，現(xiàn)在我們正在對其進行更廣泛的研究”。
用風化層和塑料進行3D打印
立方體衛(wèi)星
歐洲航天局正在使用一種名為PEEK的特殊熱塑性塑料對3D打印衛(wèi)星進行試驗。聚醚醚酮(縮寫為 PEEK)是用于打印CubeSat的新型且堅固的材料。特殊之處在于，可以將線路打印到CubeSats中，而無需在打印完成后在對這些CubeSats進行布線。
這些示范是ESA的更大計劃的一部分，ESA的愿景是制定新的維護策略。空間站的工作人員需要的各種物品目前都需要從地球運輸。由于PEEK具有生物相容性，所有這些都可以改為3D打印。這些3D打印物品也可以回收利用，從而為空間可持續(xù)性打開了新的大門。
我國首次太空“3D打印”
2020年5月5日，我國新一代載人飛船試驗船和柔性充氣式貨物返回艙試驗艙發(fā)射成功。此次在新一代載人飛船試驗船上還搭載了一臺“3D打印機”，這是我國首次太空3D打印實驗，也是國際上第一次在太空中開展連續(xù)纖維增強復合材料的3D打印實驗。
科研人員將這臺我國自主研制的“復合材料空間3D打印系統(tǒng)”安裝在試驗船返回艙中。飛行期間，該系統(tǒng)自主完成了連續(xù)纖維增強復合材料的樣件打印，并驗證了微重力環(huán)境下復合材料3D打印的科學實驗目標。
在軌3D打印進行中
這套復合材料空間3D打印系統(tǒng)出自航天五院529廠。另外，這次長征五號B的任務，還有其他的3D打印任務。為進一步提升制造精度、擴大可用于太空制造的材料譜系，由中科院空間應用中心研究團隊研制的“在軌精細成型實驗裝置”將創(chuàng)新采用立體光刻3D打印技術(shù)對金屬/陶瓷復合材料進行微米級精度的在軌制造。
中國首次太空3D打印的兩個樣件
小結(jié)
從市場的角度來看，先進制造技術(shù)的價值往往體現(xiàn)在降低生產(chǎn)成本或者滿足個性化需求。相對其他行業(yè)而言，航天制造的生產(chǎn)批量要小得多，因而智能制造對于該行業(yè)的價值更多體現(xiàn)在滿足個性化需求，這個個性化需求就是面對航天運載限制這個根本性的制約。航天器智能工廠的發(fā)展可以參考其他行業(yè)智能工廠的經(jīng)驗，在軌制造是對空間智能制造真正的考驗。
