北京空間飛行器總體設計部李林凌《基于增材制造的航天結構輕量化設計》

2020年11月29日上午，2020年長沙網絡安全·智能制造大會在湖南長沙隆重召開，在“中國（長沙）增材制造產業(yè)發(fā)展與技術應用分論壇”上，邀請了增材制造行業(yè)的院士、專家、航空航天、裝備、材料、檢測等龍頭企業(yè)的代表，共同探討增材制造技術國內外發(fā)展的前景及趨勢，為廣大應用企業(yè)及產業(yè)鏈上下游單位未來的發(fā)展，提供重要的參考方向，南極熊發(fā)現眾多行業(yè)知名大咖蒞臨現場。

來自北京空間飛行器總體設計部研究員李林凌，發(fā)表了題目是《基于增材制造的航天結構輕量化設計》的演講。

今天參加這樣的會議有點像劉姥姥進大觀院，我們偏重的是應用，對于增材制造的原材料、工藝、檢測方面我們涉及比較少。我先跟大家匯報的題目是基于增材制造結構輕量化設計技術及應用。為什么說輕量化呢？因為從某種角度來說，我們飛行器的成本，一公斤的飛行器成本是50萬元左右。如果把航天器的重量減輕一點的話，可以用成本來計算的，所以輕量化在航天里面非常的重視。

我這個報告分三個大方面：

一、中國空間技術研究院總體設計部簡介
成立于1968年8月16日，是我國總體領域最多（月球探測衛(wèi)星、載人飛船、傳輸遙感衛(wèi)星、導航衛(wèi)星、通信廣播衛(wèi)星）、專業(yè)技術最齊備的空間飛行器研制核心總體單位。

我們單位創(chuàng)立了我們國家多個第一：

• 第一顆人造地球衛(wèi)星東方紅一號是我們研制生產的；
• 第一個遙感衛(wèi)星、導航衛(wèi)星。
  

背景情況
現在列舉出來的做航天器的構型，這些構型有什么特點？了解了這個特點以后，對我們后續(xù)為什么做輕量化設計，有沒有它的余量。

目前這個結構以承載功能為主，也考慮往多功能方面發(fā)展，熱、電綜合在一起，目前用得比較多的是蜂窩型結構、泡沫結構、波紋結構。目前的結構有什么特點？它工藝較為復雜，必須進行熱壓罐，成形周期長。力學性能有限，而且在一些特殊的環(huán)境、工藝下沒法滿足要求，尤其對于一些封閉結構，實現一體化是比較難的。
（圖）從這個圖可以看出來，目前傳統的結構，以現有的蜂窩結構，中間是蜂窩心子，兩邊是夾層板。對以后未來載人航天升空探測、在軌構建/組裝小衛(wèi)星等，對結構提出更高的要求，要求輕量化、功能化、智能化。

這個靈感來源于自然界，像人的骨頭，里面是疏松的結構，像龍蝦、鳥的嘴都是蜂窩型結構，但比較硬。我們選取了一些晶體結構，具有多孔的特性，周期進行排步就可以滿足我們的要求。

從某種角度來說，自然界的輕量化結構給我們一些啟示，技術是創(chuàng)新結構設計方法與先進制造技術的交叉融合，體現了材料-結構一體化的設計理念。

二、面向增材制造及點陣結構的設計
1、設計方法——拓撲優(yōu)化方法
剛才盧院士和何主任都提到拓撲優(yōu)化，這個拓撲優(yōu)化是比較常見的，但是在我們航天器結構來說，拓撲優(yōu)化有什么特點呢？它是一個多經晶構的拓撲優(yōu)化結構，它的特點更鮮明了。以前說一些結構進行拓撲優(yōu)化可以打印出來，但是里面沒有點陣結構，現在有了3D打印技術發(fā)展，可以把點陣和拓補結構結合進行優(yōu)化發(fā)展。
設計方法——點陣結構胞元

基于晶體對稱原理，提出了考慮工藝的約束自支撐三維點陣胞元創(chuàng)新構型，梯度三維點陣結構設計方法，研制了基于增材制造的全三維點陣微小衛(wèi)星整體構成。

2、開展基于自支撐點陣的整星結構宏細觀一體化設計方法，測量與金屬增材制造三維點陣結構工藝適用性的方法，來開展一些工作。

3、基于工藝方面的和評測方面的，基于UCT掃描缺陷重構，建立了缺陷與力學性能的映射關系，開展考慮真實缺陷集合特征的自支撐三維點陣胞遠的力學性能評價技術，點陣制造缺陷與結構損傷演化、失敗模式間的內稟關系。

4、檢測方式有限，在力學方面做實驗測試，方法與傳統的不一樣，在這方面做實驗和看到他的損傷機制有一點不一樣，就比較難。
三維點陣支架的分析，分析出來做實驗，和分析的結果誤差在1%以內。

三、工程應用實例
1、功能構建；
左邊這個是我們以前老的產品，有3D打印結構的時候，產品的重量是400克，那么結構所占的重量是280克，相對里面填的工質只有120克，工質填充低于30%，制造周期超過45天。我們應用3D打印產品以后，產品的重量還是400克，但是結構的重量降低到123克。從結構減重的角度的來說超過55%，結構重量減輕以后，里面填充的工質就多了。所以工質的填充率大于65%，制造的周期不超過5天，大大提高了生產效率。
（圖）左下角是放在辦公室花盆下面的，相當的輕。
（圖）這是打印出來的板子。右邊是我們做的力學分析，熱分析；

對于航天產品來說，有嚴格的地面實驗標準，地面實驗包括隨機振動、正弦振動、沖擊試驗。對3D打印結構的材料也進行了這樣的測試，測試結構從幾個方面都很優(yōu)秀，比如說密封腔的壓力是0.2MPa，儲存熱量提升高于傳統的產品。

2、次級結構；
咱們背景里面提的第一章圖里面講了衛(wèi)星的主結構。主的結構是相反式的。對于我們來說，基于增材制造的應用面比較廣的來說，是相板式的，它的空間比較大。目前對于相板式的尺寸比較大，目前打印設備不能滿足要求，從這個角度來說，要快速的推動3D打印產品在我們航天領域的應用，次級結構里面的像飛輪，它肯定安裝在支架上，以前的支架重量，比如說某一款支架的重量是1.1公斤，通過優(yōu)化以后，外面是這樣的構型可以打出來，里面是點陣結構在里面，難就難在這里。今后弄出來以后，結構的重量430克，減重超過了60%，平均不低于110克。為什么把頻率要求這么高呢？頻率太低的話，衛(wèi)星在發(fā)射過程中與火箭產生共振，容易把衛(wèi)星搞壞。單機產品頻率越高有利于保護產品本身。

3、整體結構；
目前我們單位來說，最大的是1.2米的肼瓶支架，這個是今年打出來的產品，現在有大型的設備就更好了。因為拼接還有它的缺點在里面，里面是點陣結構外面是蒙皮，拼接的話里面有很多的缺陷在里面查不出來。對于要求比較嚴的航天產品來說，3D打印技術沒有得到充分體現，另一個方面也有可能隱含一些隱患在里面。目前拼接出來的產品很輕，我們一個老總當時端著那個說這個太輕了，如果不經過3D打印的話他可能端不起，經過3D打印技術他可以把這個產品輕松的端起來了。
這個產品的直徑1.2米，重量14kg，頻率110hz，周期30天，拼接過程中特別的復雜。3D打印設備如果可以打更大的事件了就好很多了。

4、民用產品
衛(wèi)星整體結構，開啟了三維點陣結構及其增材制造技術在航天器主承力結構應用序幕，它相對而言它比較小。打印出來的進行一些相應的力學性能測試，最關鍵點是主載荷處響應與傳統結構相比下降80%。這是做實驗的數據。

我們這個技術方案方岱寧給我們評價：開啟了增材制造輕量化點陣結構，作為航天器主承力結構的應用序幕將對我國航天結構輕量化技術發(fā)展產生重要的推動作用。
后面是我的聯系方式，以后各位同行、專家有什么需求可以探討，從標準化方面、原材料制備、設備方面都可以探討，因為只有把這個行業(yè)的優(yōu)勢了解更充分了，才能為我國航天事業(yè)作出更大的貢獻。

謝謝大家！