智库声音,智能装备技术

2020-11-17 15:39    来源:互联网    编辑:小狐    浏览量:669

引言2020年,美国SpaceX公司位于德克州博卡奇卡(Boca Chica)的星际飞船制造厂引入了一台波士顿动力公司(Boston Dynamics)的四足机器人Spot。对于SpaceX来说,最可

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引言

2020年,美国SpaceX公司位于德克州博卡奇卡(Boca Chica)的星际飞船制造厂引入了一台波士顿动力公司(Boston Dynamics)的四足机器人Spot。对于SpaceX来说,最可能的用途是泄漏检测、热检查、噪音异常检测,以及人类难以触及的仪表读数等。至于SpaceX计划如何使用Spot机器人,还尚无法确定。

智能制造从产品生命周期的角度体现在产品设计智能化、工艺设计智能化、生产过程智能化、检验过程智能化、决策智能化,其中涉及诸多技术的应用,包括数字孪生技术、虚拟现实技术、智能装备技术、智能材料技术、机器人技术、人工智能技术等,机器人技术是期中比较典型的一个。在航空航天领域,智能制造除了体现在传统的一智能工厂为核心的产品生命周期的智能化,更是体现在航天领域所特有的在轨制造领域。

一、智能工厂

智能工厂建设是推进智能制造发展的重要抓手和着力点,旨在形成工厂信息物理融合,优化生产过程和要素配置,实现智能化生产制造。

1、国外航空航天智能工厂

洛马公司“门廊中心”

洛马公司通过升级改造现有工厂设施或新建工厂等方式,布局智能工厂,推进新一代信息技术、增材制造、智能装备等应用,创新卫星、等武器装备研制生产模式。

洛马公司于2017年8月启动卫星制造“门廊中心”Gateway Center智能工厂建设,采用快速可重构数字化生产线,配备满足ISO 8级水平的高空清洁车间、无回声舱室、用于进行卫星动态耐受试验的大型热真空舱室、用于传感器和通信的消声室,以及先进的操作和分析中心,旨在形成敏捷、高效、高精度的多尺度卫星柔性制造能力。工厂采用了功能嵌入式设计,经过价值工程设计,集成工厂制造卫星的最优方法,可将卫星生产流程由以天计算改进至以小时计算。该设施还将寻求认证和安全许可,以便开展级别的项目。3D打印和虚拟现实被列为额外的技术,将通过提高制造速度和周转时间,以及降低成本来帮助“门廊中心”满足生产需求。

智库声音,智能装备技术(图2)

空客未来工厂

2019年初,空客宣布将会投资2500万欧元升级德国慕尼黑建设航天业务基地,其中1500万欧元将会用于现有生产设施的升级改造以及工厂建筑面积扩建,同时还将新引入一条机器人组装线,另外的1000万欧元将会用于扩建集成卫星光学仪器的洁净室。

早在2013年,空客就已经提出了“未来工厂”的建设理念,空客近些年也在研究工业机器人、VR技术、3D打印等前沿制造技术。此前,空客已经在A350 XWB的全生命周期进程上应用了虚拟仿真技术,创造的虚拟环境的复杂性和规模也是业界前所未有的,该虚拟环境能够给空客内部以及其供应链上的工程师相关项目信息。人机工程分析技术作为该研究的重要组成部分,让操作人员进入虚拟环境,与A350XWB全尺寸3D模型机型交互。

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2、国内AIT智能平台

天津大型航天器AIT中心是世界上最大的航天器AIT中心,中心内的AIT智能平台用于大型航天器制造过程中的地面支持。航天器的装配、总装集成、试验过程需要通过AIT智能平台来实现,航天器在总装厂房内的移动、转移也可以通过AIT智能平台来实现。该平台可划分为主体结构、支架结构、升降、全向移动和综控五部分:

主体结构作为主承力部分,为各功能模块集成接口。

支架结构用于与大型航天器直接连接,满足航天器竖直停放的需求。

升降用于实现大型航天器高度方向的调节与自动调平。

全向移动用于短途移动。

综控用于控制平台的升降和移动。

图表:AIT 智能平台整体布局

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2020年3月,全国首个民企卫星智能AIT中心在浙江台州开工,该项目是吉利科技集团在台州打造的国内首个脉动式模块化卫星智能AIT中心,规划建设卫星研发中心、部组件智造中心、测控中心、云计算大数据平台等设施,借鉴汽车行业先进的总装工艺,打造模块化、柔性化、智能化制造工厂,可以灵活满足不同型号规格的卫星总装与。

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台州吉利卫星项目智能AIT中心

二、在轨制造

在人类空间活动进行中,装备、材料的的补给是一项关键的制约。受限于航天运载能力,要想突破这一制约需要考虑新的策略。在轨组装技术从分散航天运力的角度解决这一问题;而空间3D打印技术则直接从改变材料需求的角度来解决这一问题。3D打印在空间制造领域的应用优势体现在:为航天器在轨制造替换零件坚实的技术支撑,拓展航天器的寿命,节约重复发射的成本;材料的太空再循环利用。

从概念上来讲,在轨制造并非人工智能技术在空间领域的直接应用,但是在轨制造的实施往往依赖于智能装配技术、空间机器人技术、数字孪生技术等做支撑,因而可以视为是人工智能技术在空间领域的综合应用。

1、在轨组装

在轨组装技术的发展历史中,最成功的任务便是国际空间站的组装。该组装过程长达二十年,经历过三十多次的独立组装,在宇航员和远程机械臂的共同努力下,所有模块在空间站中都完成固定。

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James-Webb太空望

美国最近研制的James-Webb太空望远搭载了一个6.6m的主光圈,如此巨大太空望远镜很难找到合适的发射器,所以它们只能被折叠放进5米高的发射整流罩,最终在太空中完成组装。NASA从2018年5月开始使用天基构造方法来研究望远镜在轨组装技术,这项研究与多个机构合作以找出巨型望远镜在太空中组装的最佳时间和完善该技术。

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因为有机械臂的存在,执行维修和补充燃料任务可以变得非常容易。机械臂在完成任务时会进入休眠阶段,直到望远镜需要进行维修等操作时才会被唤醒。成功发射韦伯太空望远镜后,太空望远镜将结束地面组装的时代,迎来太空组装的新时代,并且随着科技的发展,未来的太空望远镜的体积将会越来越庞大。

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AAReST计划

英国萨里大学和美国加州理工学院、印度空间科学与技术学院联合开展了针对太空卫星在轨组装、重构技术的研究,他们计划使用两颗搭载高精度自适应反射镜的3U立方星和一颗15U的主平台卫星实现AAReST(Autonomous Assembly of a Reconfigurable Space Telescope)计划。

AAReST望远镜是一种主聚焦设计(焦距为1.2m,视野为0.3°)主镜分为一组稀疏孔,稀疏孔由直径10cm的圆形反射镜组成。主镜的组成部分连接到一组Cubesats集群(其中两个能够脱离集群并独立导航)如下图所示,该望远镜将以收起状态发射,收起体积为0.5m×0.5m×0.6m。与主要有效载荷分离后,望远镜使用可展开的吊杆将其传感器展开到反射镜阵列的焦点。

使用波前传感器,可以调整和校准反射镜,以最小化反射镜的单个点扩展函数(PSF)的大小。在满足初始校准和成像要求后,由配备推进的独立Cubesats携带的两个镜面将从镜组中分离出来,执行轨道操纵以将自己重新定位在阵列中的新位置,重新定位到集群。这将演示镜面在轨道上的组装。重新组装好仪表组后,将再次执行镜面校准和成像,以显示各种配置下的校准能力。

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AAReST发射结构(左)初始成像结构(中)第二阶段成像结构(右)

Hive项目

2018年2月,美国航空航天公司(The Aerospace Corp)宣布正在通过Hive项目研究智能单元模块在轨按需自组装成多种航天器平台的可行性。Hive概念由一群小型卫星单元组成,它们不仅可以在太空中形成结构并重新配置自身以完成各种任务,还可以在必要时进行分散。

与乐高积木的组装方式类似,Hive的构造单元是一种智能的、可大量生产的小型卫星装置,可以与其他装置进行连接。每个单元还可以在连接到其他单元的同时进行面旋转,并可以爬过其他单元或在必要时分离。他们还可以根据需要自主地集合、停靠和重新配置自己。

Hive可以更改其配置以执行各种任务,在单元发生故障时,升级也将更加容易,因为出现故障或较旧的Hive单元可以单独更换。而且,如果有接近碎片的空间威胁,Hive可以分散,重新组装,或者在威胁过去后改变姿势。由于Hive单元是模块化的,并且每个单元都可以配备特定的功能,因此可以使它们在空间中聚集。因此,有可能在太空中建造非常大的构造物,这些构造物最初可能 因为太大而无法通过单个火箭直接运输。

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蜂巢单元可以在空间中组装成不同的配置

iBOSS项目

德国宇航局DLR于2010年开始资助iBOSS项目,研究利用在轨服务航天器将智能模块立方体装配成模块化可重构航天器。

iBOSS概念的核心组件称为iSSI(智能空间接口)这是一种多功能的接口。该接口可用于在各个模块,星载部件或有效载荷之间建立机械、数据和能量的连接,从而产生了航空航天应用的第一个USB标准。iBOSS演示了如何从“昂贵、一次性的卫星”转向可维护、可修改且具有成本效益的可回收。

智库声音,智能装备技术(图11)

基于iBOSS的卫星的概念设计

2、空间3D打印

人类首次空间3D打印

2014年,SpaceX龙飞船将美国Made In Space公司制造的3D打印机AMF(Additive Manufacturing Facility)运抵国际空间站(ISS)11月17日安装成功,随后地面设计好的工具等模型上传至ISS,打印机开始工作。2015 年2月,这些在太空中制造的产品同样搭乘龙飞船顺利运回地球,随后转送到NASA的马歇尔太空飞行中心(Marshall Space Flight Center)进行后续的,以验证在零重力环境下使用3D打印技术制造产品的可行性。2016年,改进后的第二台3D打印机被运至ISS。

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宇航员Barry(Butch)Wilmore展示了3D打印扳手

火星沙制成的建筑物

如果人们要生活在火星上,他们将需要一个住所。3D打印是使用机器快速构建结构的好方法,即使在零重力环境下也是如此。但是,从地球上运送所有建筑材料是不可行的。NASA科学家正在研究的更好的选择是使用风化层进行 3D打印。

风化层有点像沙子—数万年的小行星撞击产生的一点碎石。风化层的行为不完全像沙子,需要一些技巧才能使其变成3D可打印形式。

NASA颗粒力学和风化层操作实验室的内森·盖利诺(Nathan Gelino)称,“我们已经证明这是一个可行的概念,现在我们正在对其进行更广泛的研究”

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用风化层和塑料进行3D打印

立方体卫星

欧洲航天局正在使用一种名为PEEK的特殊热塑性塑料对3D打印卫星进行试验。聚醚醚酮(缩写为 PEEK)是用于打印CubeSat的新型且坚固的材料。特殊之处在于,可以将线路打印到CubeSats中,而无需在打印完成后在对这些CubeSats进行布线。

这些示范是ESA的更大计划的一部分,ESA的愿景是制定新的维护策略。空间站的需要的各种物品目前都需要从地球运输。由于PEEK具有生物相容性,所有这些都可以改为3D打印。这些3D打印物品也可以回收利用,从而为空间可持续性打开了新的大门。

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我国首次太空“3D打印”

2020年5月5日,我国新一代载人飞船试验船和柔性充气式货物返回舱试验舱发射成功。此次在新一代载人飞船试验船上还搭载了一台“3D打印机”这是我国首次太空3D打印实验,也是国际上第一次在太空中开展连续纤维增强复合材料的3D打印实验。

科研人员将这台我国自主研制的“复合材料空间3D打印”安装在试验船返回舱中。飞行期间,该自主完成了连续纤维增强复合材料的样件打印,并验证了微重力环境下复合材料3D打印的科学实验目标。

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在轨3D打印进行中

这套复合材料空间3D打印出自航天五院529厂。另外,这次长征五号B的任务,还有其他的3D打印任务。为进一步提升制造精度、扩大可用于太空制造的材料谱系,由空间应用中心研究团队研制的“在轨精细成型实验装置”将创新采用立体光刻3D打印技术对金属/陶瓷复合材料进行微米级精度的在轨制造。

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中国首次太空3D打印的两个样件

小结

本文相关词条概念解析:

打印

通常指把电脑或其他电子设备中的文字或图片等可见数据,通过打印机等输出在纸张等记录物上。

技术

世界知识产权组织在1977年版的《供发展中国家使用的许可证贸易手册》中,给技术下的定义是:“技术是一种制造一种产品的系统知识,所采用的一种工艺或提供的一项服务,不论这种知识是否反映在一项发明、一项外形设计、一项实用新型或者一种植物新品种,或者反映在技术情报或技能中,或者反映在专家为设计、安装、开办或维修一个工厂或为管理一个工商业企业或其活动而提供的服务或协助等方面。”

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