论文赏析阿里安6火箭装配和制造技术综述

　　来源 知网 《飞航导弹》2019第十期
　　作者 黄 涛 黄 迪 秦筱璇 杨 开
　　摘 要 欧洲正在研制新一代阿里安 6 火箭，该火箭在构型设计很大程度上继承了现役阿里安 5 火箭，其改进的重点则放到制造和装配技术上，以期通过制造环节降本增效来提高火箭产品的竞争力。通过梳理阿里安 6 火箭芯级和上面级两个主要部段、金属结构和发动机等关键产品的生产装配设施，以及在新设施中采用的各类装配制造技术，揭示了欧洲如何在新一代火箭上实现低成本的目标，并分析和总结了欧洲新型火箭的装配制造特点。
　　引 言
　　当前，美欧日等主要航天大国都在开展新一代运载火箭的研制，在提高火箭性能的同时，试图大幅降低发射价格，适应航天发射服务领域竞争日益激烈的环境。其中，欧洲的阿里安 6 火箭计划在2020 年进行首飞，逐步替代现役的阿里安 5 火箭，其发射价格也将降低 40% ～ 50% 。为了实现上述目标，很重要的一个方面就是降低火箭的制造成本。
　　为此，欧洲为阿里安 6 建设很多新的装备制造设施，并且以工业 4． 0 为标签，试图通过引进新工艺新设备来提效率、降成本。
　　1 芯级装配厂房
　　从 2016 年开始，阿里安集团在巴黎西部的勒斯穆罗( Les Mureaux) 为阿里安 6 火箭芯级新建生产装 配 厂 房，面 积 为 24 000 m2，建 设 成 本 为4 000 万欧元，在 2018 年底建成完工。
　　相比以往，阿里安 6 的芯级生产和装配厂房有了很大的改进，其中最大的变化是完全采用水平装配的方式。从阿里安 1 到阿里安 5，欧洲的火箭芯级一直采用垂直装配模式，为此阿里安 5 火箭芯级在装配过程中需要 4 次起竖操作，而每次调整火箭的水平或者垂直状态要耗费 5 ～ 7 h。相比而言，阿里安 6 火箭芯级从生产到发射只需要 1 次起竖———只有在发射台进行最后总装时才需要调整为垂直状态。阿里安 6 芯级的生产周期大约是 110 天，相比阿里安 5 芯级缩短了一半左右，而阿里安集团的目标是实现年产 12 枚火箭芯级。
　　基于精益生产和＂与第一次做对＂的理念，厂房内的工作流程设计尽可能简单直接，减少转弯和交叉。芯级厂房的装配线上共有 8 个工位，采用流水线式布局，最多能够同时处理7 ～ 8 枚芯级。在水平装配模式下，工人不再分散于各个楼层上，缩短了相互之间的距离，沟通更流畅。车间主管也能够对现场工作有全面和直观的了解。
　　芯级的总装厂房分为 3 个主要区域 : 备件和调配区主要用来接收零部件，以及进行部分零部件的组装; 制造区主要开展焊接、铆接、激光表面处理、热防护层喷涂、涂装、贮箱内外设备安装等; 总装区包括贮箱组装区、尾段和发动机的组装区、火工品装配区、装箱区。
　　芯级厂房内采用的新工艺包括: 箭体表面采用喷涂式热防护层替代传统的隔热板; 金属表面处理用激光处理工艺替代了传统的化学工艺; 采用搅拌摩擦焊替代传统的钨极惰性气体焊，装备了欧洲规模最大的搅拌摩擦焊设备，用于贮箱的焊接。上述新工艺对于提升效率和提高质量起到了关键的作用。
　　新装配厂房的建设成本和运营成本会大幅降低。厂房高度为 25 m，相比阿里安 5 芯级装配厂房降低了一半多，建设所需钢材大幅减少。由于采用了更加稳定的生产工艺，厂房内部需要严格控制温度的区域面积大幅缩减，再加上厂房高度降低，空调效率会大幅提高。温度控制范围从原来的 19 ～23 ℃，扩展到 18 ～ 25 ℃。装配厂房内部还有基于虚拟现实技术的虚拟装配室，能够在进行实际装配工作之前，利用虚拟装配来检验工装的兼容性。阿里安集团希望能够利用虚拟装配，将潜在工装布局问题的 95% 暴露出来，从而避免在实际装配时对产品或工装造成损坏。
　　2 上面级装配厂房
　　阿里安 6 火箭上面级的装配厂房位于德国不莱梅( Bremen) 市机场附近，占地面积大约 6 000 m2，高 21 m，2018 年底建成。上面级装配厂房的成本为4 000 万欧元，包括厂房建设费用以及各类设施的采购安装费用，上面级装配大约需要 100 名工人。
　　在装配流程上，与芯级的制造和装配厂房类似，上面级装配厂房同样采用了水平装配、流水线式的布局，多个上面级在各个工位上流转，让所有设备得到充分利用。在新技术方面，上面级装配厂房也引进了激光表面处理和虚拟装配技术，同时还采用 3D 打印技术来制造螺纹件和连接件等 。另外，该厂房和上面级结构件( 氢氧贮箱和箱间段等)的厂房相邻，缩短了运输距离。
　　3 金属结构制造设施
　　2017 年 6 月，阿里安集团和德国 MT 宇航公司签订了阿里安 6 火箭金属结构的研发合同，总计1． 7亿欧元，包括为首飞箭制造开展结构研制，以及实现年产 12 枚阿里安 6 火箭的制造能力建设目标。阿里安 6 火箭的主要金属结构见图 3，相关的生产设施主要位于德国奥斯伯格。
　　MT 宇航公司在阿里安 6 金属件的制造上采用的制造和装配工艺包括 :
　　1) 喷丸成型
　　MT 宇航公司采用了喷丸成型工艺来加工阿里安 6 火箭的筒段壁板，基于阿里安 5 结构的制造经验，对工艺参数进行了优化。之所以采用喷丸成型工艺，主要是考虑到: 可适应于壁板厚度分布不均的情况，以及不同形状的局部强化结构; 对于面板曲率和总体尺寸具有灵活性; 能够适应设计变更和产品升级; 具有高度自动化的潜力。
　　2) 搅拌摩擦焊
　　MT 宇航公司于 2018 年 6 月在德国奥斯伯格工厂启用其搅拌摩擦焊设备( 如图 5 所示) ，将用于阿里安 6 金属板材的纵向和环向焊接、法兰焊接以及箱底的弧线焊接等。
　　上面级的氢氧贮箱壁板和箱底在奥斯伯格完成加工后，会运往不莱梅机场附近的厂房内完成最终装配。该厂房与阿里安 6 上面级装配厂房相邻，面积大约为 3 000 m2，高 5 m，内部只有一台高 6 m、宽 4 m 的大型搅拌摩擦焊设备，设备质量达 40 t。
　　这套焊接设备能够将加工误差控制在 0． 1 mm 级，而且能够在加工过程中记录压力、焊接速度和温度等参数 。
　　3) 自动铆接
　　为了提高芯级箱间段和上面级箱间段的装配效率，满足降低成本的需求，MT 宇航公司引进了自动铆接设备，该设备能够以很高的精度和可靠性执行钻孔和铆接操作。以上述自动铆接设备为核心，MT 宇航公司对相应的工装夹具进行了优化，设计出了如图 6 所示的装配工位。
　　4) 无损检测
　　基于阿里安 5 火箭的检测方式，MT 宇航公司研发了自动或半自动化的检测技术。用于检查特征和表面裂纹的方法包括渗透检验、涡流检验和超声波检验。另外，MT 宇航公司还在探索 X 射线探伤和中子射线探伤技术，应用到支架、阀门和贮箱等复杂或大型结构上。
　　通过采用自动铆接机器人、先进的搅拌摩擦系统以及设备间的信息互通等新技术，MT 宇航公司在奥斯伯格建立了一个面积 2 500 ㎡ 的数字化制造车间。其中，焊接系统是核心，该系统能够记录焊接过程参数，然后利用超声检测技术自动检查各个部件的质量。MT 宇航公司利用这样的数字化车间，能够最大程度地实现减轻结构质量、提高生产效率的目标 。
　　4 发动机的装配设施及采用的新技术
　　4． 1 液体火箭发动机
　　在法国勒斯穆罗附近的韦尔农( Vernon) ，欧洲新建了 2 条称为 V-Line 的生产线，用于装配阿里安6 芯级的火神 2． 1 氢氧发动机和上面级的芬奇氢氧发动机。V-Line 和芯级、上面级的装配厂房类似，也是通过借鉴汽车生产线的理念，提高设备使用率，从而提高生产效率。以火神 2． 1 为例，发动机在完成装配之后只需要半天的时间就能完成封装，而阿里安 5 的火神 2 发动机所需的时间为三天半。
　　采用 V-Line 装配后，使得火神 2． 1 发动机的整个生产周期缩短了一半。
　　在 V-Line 上，火神 2． 1 发动机装配过程是在一个名为 P3M 装配架的活动机械臂上完成的。P3M装配架承载能力为 2 t，能够随时调整高度和方向，便于工人操作，降低质量误差。这种装配方式的改进主要是借鉴了赛峰公司航空发动机的装配哲学。
　　装配工艺的改进还影响了发动机的设计，因为更简易的制造方法，允许设计人员更灵活地进行零部件的设计布局，例如凹槽不一定非得安排在密封的下方。另外，在芬奇发动机的装配区引入了虚拟现实技术进行装配校验。同时，还对发动机的操作平台进行了改进，从人体工程学上提升装配效率。
　　除装配线的创新外，欧洲在液体火箭发动机上大量采用了增材制造技术。GKN 宇航公司采用激光焊接和激光金属沉积( LMD) 技术来制造火神 2． 1发动机的喷管制造，零部件数量从 1 000 个减少至100 个左右，成本降低 40% ，制造周期缩短 30% 。
　　EOS 公司采用镍基合金和成熟的商业 3D 打印设备( 基于直接金属激光烧结技术———DMLS) ，为芬奇发动机制造出了一体式的喷注器头，把零部件数量从 248 个减少到 1 个，制造时间缩短为原来的 1 /3，成本降低了一半 。
　　4． 2 固体火箭发动机
　　2018 年 7 月，阿里安集团在法国海拉兰( LeHaillan) 的一条称为 B-Line 的生产线建成投入使用，该设施的投资超过 2 000 万欧元 ，用时 3 年完工，为 P120C 固体火箭发动机生产喷管。B-line 生产线的面积为 1 600 m2，分为 4 个大的区域，分别进行装配、表面处理、纤维缠绕和粘合等工艺操作流程。通过采用机器人操作，借鉴汽车工业工作的经验和技术，并结合不同工艺流程的要求，部分操作精度能够达到数十微米。B-Line 每年能生产 35个喷管，每个喷管的生产周期小于 28 天。相比阿里安 5，生产效率提高了 3 倍。
　　意大 利 Avio 公 司 为 制 造 阿 里 安 6 火 箭 的P120C 固体发动机壳体，从德国罗斯复合材料机械公司( Roth Composite Machinery) 引进了目前世界上最大的复合材料缠绕设备之一———长 17 m，工作直径达 3． 6 m，可以支撑重达 120 t 的芯轴。该设备配有 3 个托架，每个托架长 7． 4 m，移动速度可达90 m /min。每个支架上的设备分别完成一种缠绕工艺: 第一个托架用于将热防护层缠绕到芯轴上; 在热防护层硫化之后，利用第二个托架进行碳纤维预浸缠绕工艺; 第三个托架配备自动铺带输送头，利用超声波切割头整修，能够实现较高的精度制造复杂形状结构。通过采用复合材料，阿里安 6 火箭的固体助推器实现减重 35% 。
　　5 阿里安 6 的装配制造特点
　　1) 利用新型制造技术，实现产品的优化升级。发动机作为火箭的核心产品，由于设计复杂，零部件数量极多，而且对材料和工艺的要求非常高，所以其制造周期长，也是成本最高的部件之一，例如航天飞机主发动机( 不含喷管) 的零部件数量超过 3 611 个，焊接工序超过 1 394 道; 2 台 RD-180 发动机占宇宙神 5 火箭一子级成本的 55% 以上。因此，欧洲并没有专门为阿里安 6 芯级设计新的发动机，而是在阿里安 5 火神 2 发动机的基础上，重点通过 3D 打印技术减少零部件数量，实现发动机的改进，缩短周期，降低制造成本。另外，阿里安 5 采用的分段式固体助推器也被淘汰，而是采用大型复合材料结构编织技术制造一段式整体助推器，在避免分段式金属结构复杂连接工艺的同时，还能够大幅减轻结构质量，提高运载效率。
　　2) 贯彻自动化的理念，打造工业 4． 0 时代的数字化工厂。
　　欧洲为阿里安 6 新建的装配和制造设施中，大量采用了自动化设备和生产线，将欧洲在工业 4． 0上的成果应用到了航天领域，包括 V-Line 和 B-Line生产线、自动铆接机器人等。在这些新设施中，通过 3D 打印、射频识别、自动引动车辆、协同机器人等设备，以及增强现实等技术手段，同时利用数字化信息管理系统实时采集生产和质量数据，实现装配制造流程的在线监控。相比传统方式，数字化工厂通过自动化理念，使得生产精度和生产效率得到了大幅提升。
　　3) 优化操作流程，提升工位设备的利用率。
　　区别于阿里安 5 的垂直装配操作流程，阿里安6 火箭的生产和装配操作都是基于水平状态，包括芯级、上面级和整箭总装，只有固体助推器是最后在活动发射平台上以垂直状态连接到芯级。采用水平装配之后，可以借鉴汽车工业的流水线作业，在装配厂房的多个工位上，多个芯级( 或上面级) 可以同时作业，提升了设备的利用率，从而促进生产效率的提升，达到降低成本的目标。另外，在发动机生产线上也借鉴了航空发动机批量化生产的操作流程和相关的操作设备，提高了生产效率。
　　6 结束语
　　欧洲原本在商业发射市场中占据优势地位，然而，随着 SpaceX 这个搅局者进入商业发射市场，尤其是猎鹰 9 火箭运载能力大幅提升，开始染指大型同步轨道通信卫星发射任务后，欧洲开始紧张起来。再加上 SpaceX 的一子级复用技术渐入佳境，未来的发射价格可能会进一步降低。为了应对挑战，欧洲也有自己的理论和实践，那就是基于工业 4． 0的理念，以装配和制造环节作为突破点，通过批量化生产，追求规模效益，实现单箭成本的最小化。