国内航天产品制造技术与装备详解

目前我国已具备了较为完善配套的航天产品研发、设计、试制、生产、试验体系及产品质量保障体系，是世界上为数不多的能够提供火箭、卫星、载人（运输）飞船、深空探测等多类航天产品研制生产、发射服务及空间应用等一揽子服务的国家。长征系列运载火箭已完成了260多次发射，基本实现型谱化、系列化发展和高密度发射，可靠性达到国际先进水平。2015年新一代运载火箭长征六号首飞成功，创造了我国一箭多星发射的新纪录。2016年新一代大推力运载火箭长征五号和中型长征七号陆续成功首飞，实现了我国运载火箭替代升级。载人航天与探月工程取得了里程碑式成果，载人航天工程已完成11次飞行任务，实现了载人天地往返、航天员出舱、空间交会对接；探月工程圆满实现了环月与月表探测、月面着陆与探测两步目标，正在执行第三步月球采样返回任务，我国已成为世界上第三个成功实现航天器地外天体软着陆的国家。图2-1所示为我国运载火箭、卫星、月面巡视探测器。

图2-1　我国运载火箭、卫星、月面巡视探测器

随着我国各行各业对空间信息、卫星应用的需求不断扩大，应用卫星与卫星应用进入蓬勃发展期。2010年起，我国卫星发射进入密集期，每年发射次数在15次以上，位居世界前列，部分卫星性能指标达到世界先进水平。通信、导航、遥感等各类应用卫星系统规模与水平不断提升，逐步开始提供连续稳定的业务化服务。东方红系列第三代通信卫星研制成功，大大缩小了与世界先进水平的差距，并实现整星出口；北斗导航系统完成区域组网并向我国与周边地区提供服务；遥感卫星形成资源、风云、海洋系列以及环境减灾小卫星星座，2012—2015年，资源三号卫星、高分一号、高分二号、高分四号、高分八号卫星相继发射成功，我国开始拥有了自主的高分辨率遥感卫星。2016年发射了高分三号、高分五号、高分六号、高分七号卫星。同年发射了2颗北斗导航卫星，目前已经达到了23颗在轨运行，2018年将率先为“一带一路”国家提供基本服务，2020年形成全球服务能力，建成国际一流的全球卫星导航系统。预测2020年北斗产值有望突破4000亿元。我国空间站工程稳步推进，海南发射场已具备发射条件，2016年我国发射了“天宫二号”空间实验室，并发射了“神舟十一号”载人飞船。2017年成功发射了“天舟一号”货运飞船，与“天宫二号”交会对接。预计2019年前后发射试验核心舱，2022年前后完成空间站建造。航天事业逐渐从服务国防、探索太空转变为服务人类、推动世界经济增长的新热点。据预测，到2020年全球商业航天市场将超过1.7万元规模，中国市场包括运载火箭、卫星应用等将达到8000亿元。

经过60多年的培育发展，我国航天产业已经初具规模，聚群化分布、区域分工日趋显现，主要聚集在环渤海地区、长三角地区、西安地区、四川地区等。中国国运载火箭技术研究院、中国空间技术研究院、上海航天技术研究院为我国航天产品三大总体院。中国国运载火箭技术研究院是长征二号丙、长征三号、长征五号等型号运载火箭抓总单位，设计生产的运载火箭系列包括CZ-3、CZ-7、CZ-5系列。中国空间技术研究院是航天器主要抓总单位，是目前最具实力的卫星、飞船研制基地。上海航天技术研究院为长征二号丁、长征四号、长征六号等运载火箭，以及部分空间飞行器和防空导弹抓总单位。地处西安地区的中国航天推进技术研究院是我国航天液体火箭发动机抓总单位，为我国运载火箭研制配套的液体火箭发动机达50多种。哈尔滨工业大学、北京航空航天大学、南京航空航天大学等为代表的高校设置了航天航空专业的高校，为航天科技工业领域培养大量专业人才，承担完成了许多重要科研任务。中国科学院微小卫星创新研究院、中国航天科工集团公司、中国科学院上海技术物理研究所、中国科学院长春光学精密机械与物理研究所等单位在航天装备研制生产中发挥了重要作用。

运载火箭是航天产品的典型代表，是将卫星、飞船、空间站和深空探测器等航天器送入太空的主要运输工具。根据现有技术条件，一般采用二级或三级火箭。运载火箭箭体结构作用是将有效载荷、动力系统、控制系统、遥测系统等连接和组合成一个整体，承受地面操作和飞行中的各种载荷。箭体结构由整流罩、推进剂贮箱、仪器舱、箱间段、级间段、尾段等大部件组成。运载火箭箭体结构、动力系统、控制系统、遥测系统等结构件主要采用铝合金、镁合金、钛合金、不锈钢、高强钢、高温合金、复合材料和高分子材料等材料，其制造水平直接决定着火箭的性能、生产效率与成本及其可靠性。图2-2所示为三级火箭结构示意图。

图2-2　三级火箭结构示意图

航天产品是高科技产品，从火箭、卫星、飞船、探测器等结构到各种类型发动机，以及各类仪器仪表和有效载荷所涉及的材料、结构、机构等的多样性，技术专业跨度大、系统性强，使其制造技术几乎包括了机械工程产品所有制造专业技术。航天产品一般均为多品种、小批量研制生产，因此要求航天制造技术是一种高效、柔性、快速、协同、复合的制造技术。国内航天制造装备及技术既受基础工业技术的推动，又受制造条件的制约，特别是受国外先进工艺技术与装备的禁运影响，其发展经过几代人的艰苦奋斗，在我国航天产品研发生产的历史进程中逐步形成和完善，这些制造技术与装备有力的支撑和保证了我国航天事业的发展，体现了国家工业综合实力。

2.1.1.1　轻质薄壁构件精密成形

航天产品的主体结构大多为薄壳结构，成形技术是其重要的加工方法。构成航天产品主结构及气动外形的零件材料各异、形状复杂、品种繁多，有严格的性能和重量控制指标。航天舱体的蒙皮、桁条、框环的成形质量直接关系到产品的承载性能和气动性能。航天典型零件现有的成形方法主要有精密铸造、旋压、板材压弯/滚弯/拉弯成形、大型型材拉弯成形、多通接头高压成形、导管三维弯曲成形等工艺。近年，充液拉深、超塑成形、磁力成形、高压胀形等新技术已在我国航天新产品上得到初步应用。

在铸造材料方面，我国在高强度铸造铝合金方面走在世界的前沿，成功研制了ZL205A合金，是目前世界上强度最高的铸造铝合金。我国铸造镁合金在传统非承力或次承力结构件不断拓展应用，但高性能镁合金的基础和应用研究还有很大差距，耐蚀性、耐热性和强韧性等性能水平难以满足要求，应用的领域和用量受到限制。近年来针对Mg-Gd-Y-Zr高强耐热铸造镁合金开展了大量的应用研究，基本形成了工程化研制能力。我国铸造钛合金牌号已有10多种，随着铸钛工艺的发展，钛铸件应用范围不断扩大，铸件日益大型化复杂化，铸件壁厚越来越薄。然而，目前国内应用最多的仍然是最常用的Ti-6Al-4V合金，占铸件数量的90%以上，高强高韧钛合金、高温钛合金的铸造技术仍不成熟。在铸造工艺方面，国内航天领域的铸造技术以砂型铸造为主，金属型、熔模精密铸造等近净形铸造技术为辅。在大型复杂弹体、箭体构件方面有较高的技术水平，最大直径达到3m，但在精密铸造领域技术水平较低，铸件质量、尺寸精度低，机加工余量大，研制周期长。

航天产品钣金零件成形精度与力学性能涉及产品装配协调和使用性能，近年来航天大型钣金零件着力从“少无切削加工”向“净形制造”方向发展，重点做好从“毛坯”转到直接制取“成品”，其过程需要严格控制零件的形状、尺寸、组织和性能。航天铝合金壁板成形主要采取常规的压弯/滚弯/拉弯等方法成形。例如，火箭推进剂贮箱由筒段壁板、顶盖、γ型材框和瓜瓣等组成，筒段壁板采用压弯或者滚弯成形工艺；顶盖采用带有压边圈的拉伸成形工艺，退火状态的板材在阳模上拉伸成带一定曲率半径的成形件后再热处理成使用状态；γ型材框的制造采用型材拉弯机成形，型材拉弯机是一种基于计算机控制的液压拉弯机，具有成形精度可控、生产效率高等优点；瓜瓣可采用3种弯曲成形工艺：压力机压弯成形、蒙皮单向拉伸成形和压力机双向拉伸成形，上述3种箱底瓜瓣成形工艺中以压力机双向拉伸成形工艺的成形精度最高、回弹量最小。

在超塑成形方面，我国从20世纪70年代开始着手超塑性成形技术的研究工作，距今已有40多年的历史。国内已超塑成形出了没有焊缝的整体钛合金高压球罐，生产率提高几十倍到200倍，成本降低80%以上。另外，钛合金超塑性成形产品包括卫星部件、导弹外壳、推进剂贮箱、整流罩、球形气瓶、圆形容器、波纹板和火箭气瓶等，侦察卫星的钛合金回收舱也是钛合金超塑性成形成功应用的实例。

金属成形技术是机械制造业的传统技术，在航天产品制造中占有重要地位。近年来，大量高效、优质、省力和绿色的金属成形新技术相继出现，并得到广泛应用，为保证航天产品质量、完成研制生产任务提供了有力的技术支撑。但是，目前航天产品零件成形精度低、生产效率低、材料利用率低等问题仍然是面临的突出问题。

图2-3　航天典型钣金零件

中国工程院在2013年制定了热处理技术发展路线图，提出了热处理关键技术体系的发展路线及规划。近几年航天企业大力推广先进热处理新工艺、新技术，改造旧设备，在提高生产机械化、自动化程度方面有了一些进展。但总体上我国热处理与世界先进水平存在很大的差距，在制造业中存在重产品开发、轻关键技术研究、重冷轻热、重成形轻控性的现象，没有真正认识热处理在制造业中的关键作用和核心技术地位。

航天航空所属单位使用的热处理设备仍大多数为普通箱式炉、盐浴炉、井式炉等，真空、可控气氛热处理不到30%，自动化程度低，能耗大，效率低，热处理产品存在氧化、脱碳等问题。

国内热处理粗放式的技术和生产模式成为制约机械制造瓶颈的原因之一，将其转变为精密热处理技术和生产模式是主要解决途径。精密热处理是一个由工艺、设备和检测组成的技术体系。国内亟待解决工艺、设备、检测技术全面向精密热处理发展，彻底改变落后状态。发展精密热处理将把国内装备制造业引入一个新的时代。

航天航空表层硬化热处理技术起步较晚，但引进了先进设备，真空低压渗碳技术已经应用于运载型号中的活塞筒、定位销真空低压渗碳处理，目前表面渗碳工艺技术处于国内领先水平，但与国外先进水平还有差距，未来将针对型号产品需求进行进一步研究。在辉光离子氮化方面只做过典型材料的试验，没有针对3J1、17-4PH、15-5PH钢等难渗材料进行专门的系统性试验，与目前国际国内的技术应用能力相差较大，且不能满足型号生产任务需求。激光热处理技术是一项先进热处理技术，包括激光淬火、激光重熔、激光熔覆以及激光与其他表面改性方法的复合处理，国内外在激光热处理技术的研究越来越多，在激光热处理应用方面还存在技术空白，需要引进设备并开展激光淬火、激光重熔、激光熔覆以及激光复合处理工艺技术研究。

虚拟热处理技术主要包括热处理过程数值模拟及热处理数据库的开发，其中热处理过程数值模拟技术是数字化智能热处理的重要组成，但目前许多处理过程没有良好的数学模型，还不成熟，需要大量前期实验数据采集和深入模型研究。在热处理数据库开发方面，航空领域已经走在前列，航空结构件工艺资源库涵盖了航空结构件热处理工艺过程所涉及的大部分数据，如材料牌号、热处理工艺类型、热处理质量检验与控制要求、航空材料硬度与强度换算、常规及化学热处理工艺参数、热处理辅助工具，以及热处理专用工艺装备等内容。而航天领域内相关热处理技术比较落后，需要开发航天材料及产品热处理数据库，积累历史工艺数据，总结已有工艺经验，形成航天型号产品热处理工艺数据库，作为制定热处理工艺指导热处理生产的基础，通过数据库快速、准确及时地获得所需数据材料，进行热处理工艺优化设计及工艺参数优选等。

2.1.1.2　硬脆材料精密超精密加工

随着航天产品功能和性能的提升，硬脆材料获得了广泛的应用，如单晶硅片、工程陶瓷、光学玻璃、光学晶体、蓝宝石基片等，精密超精密加工技术就是为适应这些材料的高精度高表面质量的加工需要而发展起来的。国内精密超精加工技术在超精机床设计制造技术、测量技术、误差补偿技术和某些复合超精加工技术等方面的研究均取得了一些技术突破，单项技术指标已经接近国际先进水平，但工程化程度、产业化生产能力不足，总体技术水平还存在较大差距。 目前，在航天型号研制和生产中，有色金属的加工精度稳定在微米级，加工表面粗糙度在Ra 0.02～0.05 μm；硬脆材料零件的加工精度能达到0.1 μm；大口径非球曲面光学零件的计算机数控研磨抛光加工技术研究取得一定的理论突破；部分实现在位/在线测量。高精度刀具刃磨设备、刃磨工艺和检测技术的差距较大，国外圆弧刃金刚石刀具已实现商品化、系列化、标准化，刀具刃磨水平达到120°圆弧范围内圆轮廓度小于0.1 μm， 60°圆弧范围内圆轮廓度小于0.02 μm，但国内高精度圆弧刃金刚石刀具的研究仍处于初级阶段。适用于金属基复合材料等新型难加工材料，以及微小、复杂结构的精密零件加工要求的精密刀具、钻头、丝锥等的研究也需要进一步加强。

航天企业与高校合作自主研制出多种磁流变和离子束抛光机床用于空间光学反射镜等光学零件的超精密研抛，运用磁流变抛光加工φ200 mm，1∶1.6的K9玻璃抛物面镜，其面形误差小于λ/100（ RMS），粗糙度优于0.5 nm。运用离子束抛光技术加工的平面、球面和非球面面形精度RMS值均达到了纳米级，例如加工φ200 mm面形误差为P-V 378 nm、RMS 68.2 nm的微晶玻璃抛物面镜，可达到P-V 56 nm、RMS 4.9 nm。图2-4、图2-5所示为两种光学高精密加工用设备。

2.1.1.3　薄壁弱刚性零件数控加工

国内航天企业经过多年快速发展，在数控加工方面基本建立起一套与航天航空型号研制相适应的技术与管理体系，逐步缩短了与国外的差距，代表了国内企业数控加工的先进水平。数控机床已成为航天型号研制与批产的重要设备，数控加工已成为航天复杂结构件的主要加工方法。

“十一五”期间，航天企业开始实施数控机床增效工程，在试点企业已取得明显成效；在CAD/CAM技术方面已具备较高的数控编程与后处理单项技术应用水平，并从单一应用CAD/CAM数控编程，发展到DNC系统、加工仿真软件、三坐标检测等应用，初步形成了数控加工配套技术体系。

图2-4　精密光学铣磨机

图2-5　七轴光学抛光机

目前航天企业在数控装备配套方面基础较差，与快速发展的航天型号研制需求存在较大差距，数控化率和设备利用率水平较低，在以数控机床为基础的计算机集成制造系统的应用方面还有较大差距。

我国高速切削加工技术研究起步较晚，比国外迟了几十年，直到国外的高速加工技术从实验室走向大规模工业生产，我国的科研机构才开始涉足该领域的研究。近年来，各大高校围绕高速加工相关金属切削机理、刀具、工艺、设备等各方面开展了深入研究：系统研究了Al2O3基陶瓷刀具高速硬切削的切削力、切削温度、刀具磨损和破裂、加工表面质量等问题；研究高速切削硬铝合金，明确了只有切削速度超过720 m/min时，切削温度和切削力才明显的降低；通过对高速切削机理、高速切削力的研究完善优化了Won-soo Yun瞬态切削力模型；系统研究了薄壁件高速铣削精度控制、不同刀具材料和工件材料的合理配伍、高速切削中切削参数的优化和铣削数据库等；成功开发出了完全自主知识产权的五轴五联动高速数控系统，打破了欧美国家在该领域的垄断。但是，总的来说目前高速加工在国内大部分制造企业并未实现大规模广泛应用。

国内对于薄壁件加工变形控制的研究，和欧美等发达国家相比虽然起步比较晚，但是随着近几年我国航天事业的飞速发展，国内各大高校在薄壁件加工变形的预测理论和方法方面进行了深入的研究，在薄壁件加工变形控制方面的研究也取得了一定的成果。通过有限元数值模型分析结合铣削试验得出了控制薄壁件加工变形的若干结论，同时提出了许多能够有效控制加工变形的手段、方案：例如阶梯对称铣、优先选择夹紧力大小、作用点及作用顺序、高速加工、误差补偿、柔性装夹、角顺铣等。在薄壁件加工变形快速仿真平台上集成了装夹优化、切削参数优化、加工变形预测和误差补偿等模块，以数字化手段对控制薄壁件加工变形的工艺参数和误差补偿这一关键技术做出了重要贡献。以深入研究金属切削理论为基础，对整个铣削过程进行了有限元三维仿真，建立了切削参数和切削力之间的BP神经网络，用遗传算法实现了对最佳切削参数的寻优。

在数字化车间的研究与应用方面，国内的汽车、电子等流程性行业因其自身特点，通过引进、消化、吸收，较早就建立了机械制造数字化车间，并积累了一定的使用经验。但在航天领域，虽然引进了诸多数控设备，但设备利用率较低、柔性发挥不足等问题一直未得到有效解决。期间，虽然采用了多种技术手段来提高数控机床的利用率，但由于缺乏系统的组织实施，在满足产品研制与批产方面存在明显差距，具体表现包括：对人高度依赖，高效数控加工技术应用水平较低，数字化制造能力尚未形成，数控设备综合集成有待提高。

2.1.1.4　难加工结构特种加工

特种加工泛指利用电能、热能、光能、电化学能、化学能、声能及特殊机械能等能量达到去除或增加材料的加工方法。特种加工是指那些不属于传统加工工艺范畴的加工方法，它不同于使用刀具、磨具等直接利用机械能切除多余材料的传统加工方法，特种加工是近几十年发展起来的新工艺，主要用于解决工业制造中用常规方法无法实现的加工难题，是对传统加工工艺方法的重要补充与发展。特种加工领域主要包括：电火花加工、电化学加工、超声波加工、高能束加工、增材制造等。

（1）电加工技术。

国内的电加工最初就应用于航天航空制造领域，随着国产设备水平与工艺技术的不断提升，电加工技术在国内航天制造领域的应用愈加广泛。电火花加工技术在国内航天制造领域最有代表性的应用是闭式整体叶盘的多轴联动电火花加工。首都航天机械公司与西安航天发动机厂均将五轴联动电火花加工技术应用于航天发动机整体涡轮转子与导向叶环中的加工。苏州电加工机床研究所与北京市电加工研究所均自主开发成功五轴联动电火花成形加工机床，并投入实际应用。此外，我国生产的数控高速电火花小孔加工机的技术指标已达到国际先进水平，加工的小孔深径比已超过1000∶1，可加工不锈钢、硬质合金、铜、铝等各种导电难加工材料，具有从斜面和曲面穿入、直接使用自来水工作液等特点，最高加工速度可达60mm/min。高速走丝电火花线切割机就是我国发明创造的，为我国模具工业的发展做出了巨大贡献。聚晶金刚石电火花加工技术和设备、共轭回转式电火花加工技术在国内皆有较大影响。

（2）增材制造技术。

增材制造技术突破了产品结构形态的约束，能够极大地提升产品性能，制造出传统工艺方法难以实现甚至无法实现的空心结构、多孔结构、网格结构、异质材料结构和功能梯度结构，对实现航天航空产品结构轻量化、高性能化和功能集成化意义重大。我国已成功研制了一批先进激光选区成形、激光熔覆成形、电弧（等离子弧）成形、电子束成形等装备，并在运载火箭支架、卫星支座、航空发动机叶片、飞机承力件等零件上得到了初步应用。

国内增材制造优势单位主要集中在几所高校以及相关高新技术企业，经过近三十年的发展，在3D打印装备研发、技术研究和服务等方面开展了各有特色的工作，部分研究成果已在航天航空产品上得到部分应用。但整体上讲，在原材料、成形装备、成形工艺和工业标准等方面还面临大量基础理论和关键技术问题亟待解决，材料制备、成形装备、过程控制、缺陷检测等方面还需要开展深入研究。在增材制造的核心部件、成形软件以及原材料等方面与国外相比还有一定差距，特别是金属激光选区金属成形装备与成形软件方面，工程应用基本都是采用国外等进口设备。真正用于航天航空产品上的增材制造零件种类和数量都很少。

目前，我国航天航空增材制造技术的发展主要体现在以下三个方面：①现有技术的拓展应用，一方面是现有装备与工艺的工程化应用研究，另一方面开展铝合金、梯度结构材料、金属基复合材料、纤维增强复合材料等新材料的原材料和成形工艺技术研究；②结构极端化制造，宏观向着大型或超大型构件扩展，微观向着微细/纳米结构制造尺度发展，实现微细成形和纳米成形，从装备到工艺不断挑战尺度极限；③实现“混合”制造，将增材制造技术与传统铸造、锻造、机加、焊接等多种加工方法复合，在同一台套设备上实现增材、减材和等材制造，发挥各种技术优势，实现零件结构和性能的最优化，降低制造周期和成本。

2.1.1.5　空间防护与减磨润滑处理

对于运载火箭、飞船壳体、紧固件、单机产品机箱等腐蚀防护，要求处理后的表面必须起到良好的保护作用，并且长时间稳定，与工作环境兼容。例如，在高湿盐雾和长时间光照的环境中不变性、不释放出可能引起污染的物质。有时，处理后的表面还需满足颜色、反射率和发射率等特定的要求。一般来说如果工作环境条件不很苛刻，现有的电镀与化学镀、电化学转化处理、物理与化学气相沉积、离子注入等表面处理技术都能够满足需求。特殊环境防护如有航天器表面抗原子氧和空间辐射涂层、火箭发动机（包括运载和星载发动机）的喉管等涂层，一般工作在特殊的或极端的条件下，对表面处理层要求很高，同时涂层质量直接关系到星、箭、弹的可靠性和核心性能，此类防护随着航天器性能、功能和运行时间的增加，表面处理技术也在同步提高。

国内开发的无氰电镀锌、镀铜等工艺已用于航天零件。镁锂合金防护技术处于部分应用阶段。三价镀铬技术仅小规模工程化应用。而新型功能性镀敷技术方面，国内在工艺、设备和镀层质量控制等方面均存在较大差距，在铜-金刚石以及钼箔等难镀基材沉积方面上，尚未大量应用。(www.xing528.com)

相比于国外发达国家，我国离子注入技术起步较晚，在20世纪90年代末开始进行离子注入机理及工艺方面的研究。经过十几年的发展，逐步缩小了与技术先进国家的差距。 目前，已有多家单位对离子注入技术进行了深入的研究并成功应用于型号产品中。北京控制工程研究所对空间飞轮轴承进行了N-PIII处理，将基体硬度由653 HV提高至772 HV（纳米硬度由1.9 GPa提高至10 GPa），基体表面膜层系数由1.2降低至0.2，摩擦寿命提高7倍（100 g载荷下），使用寿命达到进口轴承水平；上海航天设备制造总厂采用TiN+TiCN+DLC梯度过渡方法在对接机构锁系零部件表面制备了复合强化膜层，在提高零件表面硬度、降低摩擦系数的同时，解决了太空环境下的“冷焊”问题，大大提高了机构运行的可靠性及服役寿命。此外，还将该项技术应用到运载火箭低温阀门零件表面的防“咬死”处理，取得显著效果。

低温及多元离子注入技术国内处于起步阶段，大尺寸金属件在离子注入过程中的热变形分析及抑制技术以及低耐热材料离子注入过程损伤方面的研究还非常少，电子束表面改性国内处于试验室研究阶段。相比国外的最大功率109 W/cm2，国内设备功率低，自动化程度低。另外，对复杂曲面的工程化技术相对薄弱。激光表面改性与强化技术在设备自动化、应用对象和材料等方面与国外存在一定差距。微弧氧化技术已经被广泛应用与阀金属表面处理，从而实现其热控、耐磨、强化等功能，但是大面积构件微弧氧化处理技术在相关工艺装备及关键技术开发方面仍显不足，尤其对于利用小功率电源制备大面积构件微弧氧化研究方面尚属空白。

国内磁控溅射起步较晚，20世纪70年代末曾被巴黎统筹委员会列为“向中国禁运技术”。1982年由浙江大学首次研制成功，并在400多家企业中推广。20世纪80年代末起，国内磁控溅射技术和产业化程度飞速发展，基本上实现国产化。兰州物理研究所等单位建造了各自的磁控溅射设备，开展了平衡磁控溅射、非平衡磁控溅射、反应磁控溅射等多项工艺研究，材料种类涉及力、光、电、磁等诸多工业薄膜。洛阳轴承研究所与中国科学院兰州化学物理研究所合作，首次研制出了套圈滚道MoS2溅射膜，以及采用MoS2 +PTFE+玻璃纤维材料的保持架实现转移膜的球轴承，并成功用于卫星太阳帆板驱动机构，填补了国内空白。洛阳轴承研究所还在MoS2干膜、镀金膜等技术方面开展了一系列的试验研究，研制的MoS2固体润滑剂（75% MoS2+25%石墨碳）滚压膜成功地用于卫星反作用飞轮控制力矩轴承上。中国科学院兰州化学物理研究所开发出了一种稀土金属氟化物（FRE）与金和MoS2共溅膜，成功用于“风云二号”气象卫星，开辟了国产长寿命卫星采用物理气相沉积薄膜进行润滑及防止冷焊的新途径。兰州物理研究所和中国科学院兰州化学物理研究所共同研制的MoS2磁控溅射膜，成功用于“风云一号”气象卫星在1988年和1991年两次发射中的星箭解锁。 目前国内采用离子注入与磁控溅射复合工艺制备MoS2固体润滑膜还尚未见报道。

与国内外领先的科研院所和企业几十年的研究基础相比，航天航空磁控溅射技术起步较晚，存在差距不可避免。据初步分析，存在以下差距：技术基础较薄弱，行业壁垒高；缺少必要的检测手段和质量控制；需求信息来源少，研究的材料种类比较少，应用领域比较窄。

在气相沉积技术方面，耐磨自润滑涂层在空间环境应用较多，各种航天器的各类运动机构，如姿态控制系统、电源系统、天线系统及运载推进系统等的运动部件均需要固体润滑。目前研究的薄膜体系主要包括具有一定晶体取向的石墨薄膜、纳米富勒烯结构二硫化钼（MoS2）薄膜、二硫化钨（WS2）薄膜和类金刚石碳膜。其中，二硫化钼薄膜被广泛应用与空间活动机构零部件的表面润滑，主要包括：滚动轴承、滑动轴承、滚珠、滚轴/辊、螺母/丝杠、线轴承、齿轮、滑动电接触件、分离件、凸轮、紧固件、螺纹扣件、密封件及其他相对运动零部件如阀门等。类金刚石薄膜由于其在高承载环境下的长寿命润滑特性，国内目前通过固液复合润滑的方式以实现其空间长寿命润滑，已经在轴承、滚子和液压阀芯上进行了涂层试制。在光电器件激光防护方面，国内处于起步阶段，只有很少的几家高校开展相应研究。与国外先进的气相沉积技术相比，国内在涂层或膜层制备精度、结构与性能、考核评价、应用范围等方面，均存在一定的差距，特别是一些超复杂环境下高质量膜层的制备方面，差距还很大。

在热喷涂技术方面，国内研究的ZrO2、 Al2O3 、 SiO2 、 TiO2涂层性能基本达到了国外水平。超声速火焰喷涂的WC涂层应用于空间飞行器相关活动部件，达到增摩耐磨功能。采用超级爆炸喷涂技术实现非金属材料表面金属化，广泛应用于微波天线等产品。在热喷涂装备方面，北京航空制造工程研究所、装甲兵工程学院等单位也开发了相关的装备，但是与国外装备仍然存在一定的差距。

与国外先进研究机构、单位相比，国内还存在一定的差距：

①技术手段单一、膜层功能及种类单一，主要是采用离子注入与沉积和改性类金刚石基（DLC）固体润滑膜层，其他技术手段及功能膜层涉及较少；

②装备差距明显，离子注入与沉积技术的沉积效率一直是限制其产生规模性效益的短板，与此同时，国产高压电源设备的不稳定性也经常影响工艺的正常实施；

③分析检测手段匮乏，离子注入技术属于精密加工领域，对分析检测设备要求往往比较高，特别是应用于空间环境下的薄膜都需要一系列的分析与检测。

2.1.1.6　树脂基复合材料成形

我国树脂基复合材料经过40多年的发展，基础研究和应用研究都取得了重大成果。各种新工艺技术跟随国外发展，不断涌现并取得飞速发展。在航天领域，先进航天器要求做到小型化、轻量化、高性能、高可靠，因此，树脂基复合材料的应用起到了至关重要甚至不可替代的作用。复合材料在火箭、卫星、飞船等航天产品上的应用范围已不断扩大，特别是主承力结构件的占比逐渐加大。

目前国内树脂基复合材料在树脂方面已形成了高性能环氧、双马、氰酸酯和聚酰亚胺等系列的树脂体系，应用较多的为环氧体系和双马体系。在国产碳纤维研制方面，T300级及以上的碳纤维已经在航天产品上得到规模应用。

复合材料已广泛应用于航天结构整体成形上，典型的如火箭仪器舱将法兰端框、蒙皮、窗口、桁条、隔框等整体共固化成形，极大地减轻了箭体重量。导弹复合材料贮运发射箱，在箱体上整体集成了导轨座、舵轨、整体厚法兰、窗口及加强区，大幅度提高了发射箱的整体性能。卫星本体结构、仪器舱、太阳能电池基板、天线反射面等主要结构几乎全部已采用复合材料。

2.1.1.7　推进剂贮箱特种焊接

运载火箭推进剂贮箱是箭体结构的重要组成部段，主要用于存储火箭发动机的燃料，同时支撑和传递火箭各向载荷。火箭贮箱主要由筒段和箱底组成，采用热处理强化铝合金材料。 目前，现役火箭贮箱的焊接主要采用熔焊，有变极性氩弧焊和等离子弧焊，焊接缺陷通常为气孔、夹杂等，接头强度系数0.5及以上。新一代运载火箭贮箱已部分采用固相搅拌摩擦焊，焊接应力、变形和缺陷较熔焊大为减少，接头强度系数达到0.65以上。

搅拌摩擦焊是铝合金焊接技术上的一次重大创新。它是一种基于微区锻造的绿色固态焊接工艺，尤其适于高强铝合金的焊接。试验研究表明，各类铝合金搅拌擦焊接头的质量和综合力学性能均大大优于其惰性气体钨极保护焊（TIG）焊接接头。搅拌摩擦焊技术的核心是搅拌头的设计制造和结构选材。搅拌摩擦焊是一种数控焊接方法，易与机床、机器人技术集成，能够实现铝合金构件复杂曲线焊缝（箱底焊缝、筒段环焊缝等）的优质高效焊接。实践证明，数控搅拌摩擦焊非常适于推进剂贮箱纵缝和箱底复杂焊缝的高可靠、近无缺陷焊接。

我国火箭推进剂贮箱搅拌摩擦焊装备及工艺水平，基本上与美国、日本等先进工业国家保持同步，在航天产品应用时间上略晚若干年。国内航天2007年实现贮箱筒段直缝搅拌摩擦焊，2009年实现贮箱箱底空间曲线搅拌摩擦焊，2014年实现贮箱总对接环缝搅拌摩擦焊，并均通过飞行考核。搅拌摩擦焊在贮箱的应用，大幅度提高贮箱生产效率和质量，从而缩短了研制周期，降低了生产成本。国内贮箱筒段纵缝、箱底以及箱体环缝搅拌摩擦焊技术和设备与美国等先进国家水平相当，达到国际先进水平。2016年11月长征五号运载火箭直径为3350 mm全搅拌助推液氧贮箱首飞成功，标志着我国运载火箭箭体主结构搅拌摩擦焊已跨入世界的前列，见图2-6所示。

图2-6　长征五号运载火箭助推贮箱总对接搅拌摩擦焊装备

2.1.1.8　大型舱体自动钻铆

运载火箭的尾段、箱间段、级间段、仪器舱、卫星整流罩等非密封箭体结构整体采用铆接结构，一枚火箭上有十多万个铆钉。铆接生产工艺步骤主要包括孔位确定、制孔和铆接，长期以来都是靠手工操作完成，噪声大、劳动强度大，对产品质量、劳动环境和操作者身心健康都存在一定影响。

箭体结构中铆接构件适合采用精度高、无噪声污染、生产效率高、操作简单可靠、低成本的压铆技术。为满足箭体结构铆接构件在结构可靠性、几何气动外形和承载能力等方面的严格要求，需要使用干涉配合铆接工艺，但传统的手工铆接工艺很难实现沿整个钉杆都有干涉，限制了干涉配合连接的广泛应用。

近年来，为了提高航天产品铆接效率、改善工人劳动环境、确保产品装配质量，航天企业积极开展航天产品的先进铆接装配技术研究。在引进国外双机器人自动钻铆系统的同时，联合国内相关单位研制自动钻铆装备，开发了不同直径的筒段壳体自动钻铆系统、助推器壳体自动钻铆系统、壁板自动铆接系统、锥段壳体自动钻铆系统等。 目前，部分航天企业总已经初步具备了φ 5000 mm直径筒段壳体自动钻铆、φ3350直径筒段壳体自动钻铆、φ2250直径筒段壳体自动钻铆、壁板自动钻铆的生产能力。

国内研究院所自20世纪80年代开始研究电磁铆接技术以来，在电磁铆接设备研制、电磁铆接工艺研究方面取得了长足发展，尤其在高强度铆钉、复合材料的干涉铆接进行了大量的研究。针对运载型号大直径、高厚度铆接结构情况，西北工业大学提出了手钳式电磁铆枪方案。手钳式电磁铆枪主要有机体、控制系统、顶把等组成。该种电磁铆枪质量为10 kg，后坐力比较大。控制系统采用单手按钮开关控制设备启动，通过调整电压来确定压力。因控制系统机柜较大且笨重，设计时铆枪与控制系统机柜分体式。操作时控制系统机柜根据产品结构需要移动，操作工手握铆枪和顶把就可方便进行铆接。

近年来，国内航天航空企业在自动化铆接设备的应用方面刚开始起步，大部分企业通过手工装铆方式进行操作，生产效率较低、劳动强度高、铆接质量不稳定，难以应对批量化生产。随着自动化铆接设备日趋成熟，国内航天航空企业都在积极应用自动化铆接设备用于生产。图2-7所示为国内引进的双机器人自动钻铆设备；图2-8所示为国内自主开发的筒段自动钻铆设备。

图2-7　国内引进的双机器人自动钻铆设备

图2-8　国内自主开发的筒段自动钻铆设备

2.1.1.9　运载火箭总装对接

运载火箭总装是一个复杂的装配过程，主要分为结构安装、设备电缆安装、动力系统安装三大部分，其中结构安装是火箭总装中的重要组成部分。对多级火箭结构安装而言，其总装对接装配任务主要包括：火箭发动机与过渡段的对接、氧化剂箱与箱间段对接、燃料箱与箱间段对接、尾段与过渡段对接、级间杆系与氧化剂箱对接、级间段与燃料箱对接、组合体对接等总装工作。随着技术的发展，大型机电设备、船舶、飞机等行业已广泛利用大尺寸测量系统来指导大部件的对接装配，特别是在航空领域，由大尺寸测量系统、调姿系统、伺服控制系统构成的自动对接装配系统已大大提高了飞机的装配效率和质量。在航天领域，大型空间飞行器装配的测量主要是依赖激光跟踪仪等测量手段，大部件的对接装配也主要以手工和经验为主。

在对接过程中需要操作人员目测对接面的安装螺孔是否对齐，如没有对齐，则需发口令指挥行车司机和地面人员继续调整，由于整个过程完全由工人的经验来执行，难以保证两个平面的完整配合和螺孔的对齐，因此需经常采用辅助工具来完成整个螺栓的安装，在所有螺钉紧固好之后，需用塞尺检测对接面的间隙，进而完成整个筒体构件的对接装配。 目前运载火箭总装对接存在的主要问题：箭体对接面紧固件安装孔不易对中、部段对接困难、对接安装后对接面受力状态难以控制。对接面间隙、姿态角等至少需4人目测，容易出现误差。箭体架车自由度少，多台架车无法统一协调控制，导致装配后的组合体对界面容易处于不良受力状态，同时也影响总装对接精度和效率。图2-9所示为箭体与级间段对接；图2-10所示为发动机与箭体对接装配。

上海航天设备制造总厂在“十二五”期间先后开展箭体大部段自动化调姿装备及总装工艺的研究，在软、硬件及系统架构上积累了技术成果，实现部分箭体自动化装配，为全箭柔性、自动化总对接奠定了技术基础。图2-11所示为集多余物检查、称重、调姿一体的调姿装备与测量设备。

图2-9　箭体与级间段对接

图2-10　发动机与箭体对接装配

图2-11　集多余物检查、称重、调姿一体的调姿装备与测量设备

2.1.1.10　无损检测

无损检测技术是保证航天航空产品质量的基本技术，在控制产品质量、提高产品安全性、可靠性方面具有其他技术无法替代的重要作用，射线、超声、电磁、渗透、泄漏、声发射和激光全息等是航天产品采用的主要无损检测技术。以航天型号产品研制和批产需求为牵引，无损检测技术得到了同步发展，并基本满足了研制和生产的需求，特别是在“载人航天”“高新工程”“探月工程”以及战略战术导弹等重点型号的研制和批产中，通过设备引进和自行研制等手段，结合型号产品无损检测的具体要求，开展了大量的无损检测技术研究，使得一些关键检测技术难题得到了解决，取得了多项技术成果，对保证航天型号产品质量发挥了重要作用。

（1）树脂基防热复合材料的超声C扫描检测技术得到突破。喷水穿透超声C扫描检测技术已用于导弹弹头和飞船防热材料制品的质量检测和评价，干耦合超声C扫描检测技术则在固体发动机复合材料喷管扩张段防热复合材料制品的检测中得到应用。

（2）突破了多项金属材料及制品的无损检测关键技术。开展了金属薄板、粉末冶金材料、金属管材/棒材超声自动检测技术的研究，形成了超声自动检测系统的研制能力；可实现板（带）材内部分层和夹杂缺陷的超声C扫描检测，解决了以往兰姆波检测分层缺陷的漏检问题；可实现钨钼渗铜类粉末冶金材料中渗铜不均缺陷的超声检测，解决了大厚度粉末冶金材料射线穿透能力不足的检测难题。

（3）开展了大量的胶接结构无损检测技术研究，形成了较为全面的胶接质量无损检测技术能力。 目前，红外热像、电子散斑、激光全息、手动敲击、声谐振、超声C扫描等检测技术已分别成功应用于卫星结构板、火工品、火箭卫星支架、火箭整流罩、导弹空气舵、导弹弹头防热套装结构、发动机壳体和喷管等胶接质量检测。

（4）解决了多种特殊焊接结构超声无损检测技术难题。开展了钎焊、扩散焊焊接质量的水浸超声C扫描和点焊质量便携式超声C扫描检测技术研究，具备了相应检测系统的研制能力；在搅拌摩擦焊新型焊接工艺的焊接质量检测与评价中进行了超声相控阵检测技术应用研究，并取得了初步的研究成果。

（5）系统开展了钛合金和铝合金压力容器的声发射检测技术研究，研究成果已成功应用于航天运载火箭和飞行器压力容器的质量监测和评价；开展了复合材料压力容器声发射检测技术的探索性研究。