NASA《航天技術路線圖與優(yōu)先發(fā)展技術》——把增材制造和創(chuàng)新設計列為優(yōu)先發(fā)展技術

來源：安世亞太


為了確保美國在未來太空探索領域的領導地位，2010年，美國航空航天局（NASA）首席技術專家辦公室全面系統地梳理并制定了美國航天技術領域未來發(fā)展方向及技術研發(fā)規(guī)劃，于2010年11月發(fā)布了《2010航天技術路線圖（草案）》，梳理出由14個技術領域組成的一體化航天技術路線圖。在技術路線圖草案發(fā)布前的同年6月，NASA委托美國國家科學院下屬的國家研究委員會組織開展了路線圖中技術優(yōu)先級的評價工作，為NASA形成最終的技術路線圖提供參考。經過研究、評分與審查，美國國家研究委員會于2012年2月發(fā)布了其研究成果——《NASA航天技術路線圖與優(yōu)先發(fā)展技術：重建NASA的技術優(yōu)勢，為太空新紀元鋪平道路》，該報告確定了83項高優(yōu)先級技術，闡述了高優(yōu)先級技術的價值，明確了NASA未來（定位為2015－2035年）航天技術的發(fā)展方向和研發(fā)戰(zhàn)略。

2015年5月，NASA在其官方網站上公布了《2015航天技術路線圖（草案）》。該草案在2010年NASA公布的技術路線圖基礎上，根據過去5年以來各技術領域研究進展，修正完善而成。NASA公布該草案旨在增強公眾對NASA未來技術發(fā)展的認知度，創(chuàng)造更多、更具創(chuàng)新性的解決方案，發(fā)展更強大的太空探索和科學發(fā)現能力，鼓勵更多機構和人員參與美國的航天項目。同樣在2015年，NASA委托美國國家研究委員會對在2015技術路線圖中列出的而在2012年未被評估的技術進行評估。2016年美國國家研究委員會發(fā)布了《NASA航天技術路線圖與優(yōu)先發(fā)展技術修訂》。

上述4份報告是美國航天領域及國家科學院國家研究委員會眾多知名專家研究成果的結晶，既有對太空探索技術領域前沿技術的介紹，又涵蓋技術管理和戰(zhàn)略規(guī)劃等頂層設計內容，全面系統地介紹了NASA對未來航天技術的發(fā)展思路和發(fā)展規(guī)劃，為我們提供了美國未來航天技術發(fā)展戰(zhàn)略的全貌。本文主要介紹14個技術領域之一——材料、結構、機械系統與制造領域的NASA航天技術路線圖與優(yōu)先發(fā)展技術，供國內航天領域和國防工業(yè)部門的廣大科研工作者、工程技術人員及項目管理人員參考。

一、材料、結構、機械系統與制造領域的技術路線圖與頂級技術挑戰(zhàn)

材料、結構、機械系統與制造領域技術路線圖的最終目標（到2035年）是：（1）開發(fā)多功能材料及能夠減少成本與結構質量的新材料；（2）為深空任務使用的結構產品提供原創(chuàng)性的設計與分析工具以提高其耐用性；（3）設計與開發(fā)能夠在極端惡劣環(huán)境下長時間可靠服役的機構；（4）提供制造工藝及基于模型的制造能力以獲得經濟性更好、性能更優(yōu)的產品。

為了實現上述目標，有6項頂級技術挑戰(zhàn)需要應對，見表1。

▽表1 材料、結構、機械系統與制造領域中的頂級技術挑戰(zhàn)

NASA航天技術路線圖將該領域劃分為材料、結構、機械系統、制造及交叉技術共5個子領域，提出了23項具體技術來應對該領域的6項頂級技術挑戰(zhàn)，見表2。

▽表2 材料、結構、機械系統與制造領域需要的具體技術

二、技術評估與優(yōu)先發(fā)展技術的確定

基于NASA在材料、結構、機械系統與制造領域的航天技術路線圖，美國國家研究委員會對上述的23項具體技術進行了評估。圖1為評審專家組按照技術的預期收益、與NASA需求的一致性、與非NASA的航空技術需求的一致性、與非航天航空的國家目標的一致性、技術風險與合理性、排序與進度、所需付出的時間與投入等評分項目的每項得分，以及綜合考慮各評分項目權重后的質量功能展開（QFD）分數，QFD分數越高，表明該項技術的優(yōu)先級越高。表3為23項具體技術與6項頂級技術挑戰(zhàn)的關聯程度。

△圖1 材料、結構、機械系統與制造領域的質量功能展開矩陣

▽表3 材料、結構、機械系統與制造領域中各項技術與頂級技術挑戰(zhàn)的關聯程度

注:●表示強關聯，即NASA在這項技術上的投資可能會對解決這一挑戰(zhàn)產生重大影響; ○表示中關聯，即NASA在這項技術上的投資可能會對解決這一挑戰(zhàn)產生中等影響;“空白”表示弱/無關聯，即NASA在這項技術上的投資可能對應對挑戰(zhàn)產生很少影響或沒有影響。

最終，評審專家組根據每項具體技術的QFD分數及與頂級技術挑戰(zhàn)的關聯程度，確定了以下9項技術為材料、結構、機械系統與制造領域的優(yōu)先發(fā)展技術：（1）（結構）新型、多功能概念；（2）（結構）輕質概念；（3）（材料）輕質結構；（4）（結構）設計與驗證方法；（5）非破壞性評估與傳感器；（6）（機械）設計、分析工具及方法；（7）可展開、對接與接口；（8）（機械）可靠性/壽命評估/健康監(jiān)測；（9）智能集成制造與信息物理系統。

三、材料、結構、機械系統與制造領域的優(yōu)先發(fā)展技術

（一）（結構）新型、多功能概念

傳統結構的主要功能是支撐和傳遞力。與之對應，多功能結構是具備兩個或多個功能，集成電子、熱控、能源與傳統結構等功能的新型結構，它是材料、電子、控制、制造、熱輻射與傳導、力學等多學科高度交叉的結果。除了承受載荷和保持形狀之外，多功能結構可以在提高任務完成能力的同時減少結構質量和體積，未來所有的太空任務都將因此受益。

這是一種改變游戲規(guī)則的顛覆性技術，影響航天技術的多個領域和多項任務，并且在航天領域之外也有其用武之地。評估認為，該技術的技術成熟度為2~5級；該技術的研發(fā)風險是中等至高等。

（二）（結構）輕質概念

結構輕質概念可以顯著增強未來的探索任務與科學任務能力，使新任務成為可能。實現運載火箭結構減重、提高有效載荷所占質量比重所帶來的性能增強可使未來所有的航天任務從中受益。輕質低溫貯箱可以提高運載火箭的性能，并使在軌燃料貯存成為可能。輕質的充氣展開星體表面棲息系統可能實現未來的探索任務。一些新的科學任務還會用到可展開太陽帆、精密航天結構和充氣式可展開防熱板的輕質概念。一些應用輕質概念技術的空間項目已經得到演示驗證，如鋁鋰合金低溫貯箱結構、固體火箭發(fā)動機殼體。圖2為復合材料液氫貯箱的纖維鋪設。

評估認為，結構輕質概念的技術成熟度為2~6級；該技術的研發(fā)風險是中等至高等。

△圖2 復合材料液氫貯箱的纖維鋪設

（三）（材料）輕質結構

未來航天領域的輕質結構研發(fā)需要先進復合材料、金屬和陶瓷材料及經濟有效的加工和制造方法。要從輕質結構中獲取更大益處，就必須深入推動相關技術的發(fā)展。與金屬結構相比，非熱壓固化的大型復合材料結構在運載火箭上的應用可能會減少30％以上的結構質量。先進的材料體系可以實現多功能結構設計，以降低輻射水平，改善微流星體和軌道碎片防護效果，并增強熱管理能力。將納米技術工程材料納入輕質結構中，在減重和性能提升方面具有改變游戲規(guī)則的潛力。輕質結構的材料技術與NASA的所有計劃和未來任務都相關。該技術與（結構）輕質概念技術是強耦合的。該技術將顯著減小幾乎所有運載火箭和有效載荷的質量，提高產品的性能并降低成本。

評估認為，輕質材料的技術成熟度一般為2、3級；該技術的研發(fā)風險是中等至高等。

（四）（結構）設計與驗證方法

當前的結構驗證方法依賴于基于統計的材料性能數據與基于經驗的載荷系數和安全系數的保守組合校核，然后是設計研發(fā)和鑒定試驗。試驗和任務結果表明采用這種方法設計的結構一般為過度設計，因此其質量比較大。這里提出一種基于物理的高級模型的“虛擬數字驗證”方法，能夠以較低的費效比來設計和驗證航天結構。使用確定性和概率方法來預測結構響應、故障模式和可靠性是這種方法的關鍵點。這種方法及相關模型應該使用所有必要規(guī)模和復雜程度的試驗數據進行檢驗，以確認其有效性。通過減少當前設計方法中的過度保守性，并刪減當前設計過程中需要的大型結構試驗，基于經確認有效的高保真分析模型的設計與驗證方法將實現結構減重，并降低成本。

該技術為更輕和更經濟的航天結構提供了另一種實現途徑，同時確保其具有足夠的可靠性。由于NASA的多個任務將從改善的結構設計與分析能力中獲益，該技術與NASA需求的一致性在該領域中是最高的，適用于所有NASA航天飛行器。

評估認為，結構設計與驗證方法的技術成熟度一般為3級；該技術的研發(fā)風險是高風險。

（五）非破壞性評估與傳感器

非破壞性評估（NDE）已從其早期用于質量控制、產品驗收和定期檢驗發(fā)展成為用于持續(xù)健康監(jiān)測和自主檢測。長時間航天任務需要新的非破壞性評估與傳感器技術，包括評估運載火箭和航天系統健康狀況的原位嵌入式傳感器陣列技術，預測運載火箭及箭上系統運行能力的綜合分析技術，以及自主的非破壞性評估與傳感器操作技術。提前檢測、定位潛在故障將提高任務的安全性和可靠性。

非破壞性評估與傳感器技術是一項橫向交叉技術，影響航天技術的多個領域和多項任務，特別是隨著任務持續(xù)時間不斷增加，其影響將會更廣。對于涉及復雜火箭的長時間任務來說，以最少的人為干預來評估和維持火箭完整性是最基本的要求。

評估認為，非破壞性評估與傳感器的技術成熟度一般為2、3級；該技術的研發(fā)風險是中等至高等。

（六）（機械系統）設計、分析工具及方法

高保真運動學與動力學設計及分析工具和方法對建模、設計和驗證先進的航天結構和機械系統至關重要。工具與接口程序（用來增加各個系統之間的數據傳輸速率以實現機械系統數據的實時調用）包含于該項技術中。機械相關性分析方法旨在創(chuàng)建飛行器機械系統的單一模型，減少跨學科（如氣動載荷、火箭動力學與結構響應）的裕度疊加。這樣的模型可以被集成到用于機械系統診斷、預測與性能評估的健康管理系統中。

該技術包括用于實現展開、剛度控制、形狀控制與干擾抑制的控制設計技術，這將涉及迭代技術的研發(fā)，因為產生最優(yōu)控制結果的模型與用于其他目的的模型（如應力分析）不同。

該技術能夠顯著提高機械系統的可靠性，例如，分離、釋放與展開所需的機械系統的可靠性。改進的航天器機械系統的預測模型將減少各個系統的預留裕度，從而減小質量，并通過規(guī)模最小的地面試驗來實現更好的使用性能。該技術的總體優(yōu)勢與結構的設計和驗證方法技術相同，由于多個NASA任務（包括用于科學任務的無人/機器人/載人航天飛行器及長時間的人類探索任務）將從中受益，因此該技術與NASA需求的一致性在該領域中是最高的。

評估認為，先進設計與分析方法的技術成熟度一般為2級；該技術的研發(fā)風險是高等。

（七）可展開、對接與接口

涉及成像與科學數據采集的航天科學任務將從大孔徑結構與精密幾何機械系統的聯合應用中受益。在可預知的運載火箭約束條件下實現這種結構很可能涉及可展開機構（包括柔性材料），也可以考慮包括裝配或空間制造在內的其他方法。對接與相關的接口為實現基于較小平臺建造較大平臺提供了一種不同的方法。這種機械系統與結構必須在極端環(huán)境中可靠展開并且高精度地實現所期望的最終形狀，一些系統可能需要使用控制子系統以在干擾下保持精確的形狀。這樣的系統包括天線（圖3）、光學元件與太陽帆。模塊性與可擴展性是這種系統的期望特征。

△圖3 徑向肋可展天線

該技術將確保大型精密結構的可靠展開，并實現預期的功能。如果不對該技術進行相關的演示驗證，在實際任務中使用相關系統時會存在相當大的不確定性和風險。提高系統的可靠性是該項技術的關鍵。

評估認為，可展開、對接與接口的技術成熟度名義上為4級；對于一些規(guī)模較小的可展開與對接系統，其技術成熟度已經達到6級。該技術的研發(fā)風險是中等至高等。

（八）（機械系統）可靠性/壽命評估/健康監(jiān)測

航天機械系統結構復雜、零件數量多、出現故障的概率大。從最近的經驗看，機械系統的可靠性（包括展開、分離、釋放及機動）對航天飛行任務成敗有著非常大的影響，這與為滿足當前驗證指標而設計的結構的可靠性相比更為重要。

該技術可以大大提高機械系統與結構的可靠性，特別適用于長時間航天任務。通過研發(fā)健康監(jiān)測系統，可以減少具體任務中與可靠性相關的內在風險。該技術與可展開、對接與接口技術密切相關。

評估認為，機械系統可靠性/壽命評估/健康監(jiān)測的技術成熟度為1~4級；該技術的研發(fā)風險是中等至高等。

（九）智能集成制造與信息物理系統

智能集成制造是在傳感技術、網絡技術、自動化技術及人工智能的基礎上，通過感知、人機交互、決策、執(zhí)行與反饋，實現產品設計過程、制造過程與項目管理和服務的智能化，是信息技術、制造技術和管理科學的深度融合與集成。信息物理系統是一個綜合計算、網絡與物理環(huán)境的多維復雜系統，它通過3C技術——計算（Computation）、通信（Communication）與控制（Control）技術的有機融合與深度協作，實現大型工程系統的實時感知、動態(tài)控制和信息服務。

一般來說，用于航天的高性能材料、結構與機構需要專門的制造能力。隨著技術的發(fā)展，大部分基于IT技術、更加通用而又靈活的制造方法可以適應生產專門部件與系統的需求。數據庫與數據挖掘能力將有助于支持地面與行星際設計、制造和運營供應鏈。高保真制造過程模型可用于模擬各種制造場景，可以快速地對備選工藝進行評估。智能產品定義模型可用于模擬組件在其生命周期內所有階段的完整行為。此外，為了開發(fā)下一代空間結構所需的機器人和自動化產品，需要硬件與軟件協同開展技術攻關。這就要求研發(fā)信息物理系統為長時間的載人航天飛行提供適應性較強的自主制造能力，包括直接數字制造（DDM）能力�？臻g制造在減少傳送到軌道或其他星球表面的必需結構質量方面具有改變游戲規(guī)則的潛力。

該技術可以在太空中制造物理部件，見圖4、圖5。對于太空探索任務，可以減小必須攜帶到太空的載荷質量。此外，該技術還可能提高由高性能材料制成的一次性結構的經濟性。該技術與NASA需求的一致性也是該領域中最高的。

△圖4 采用結構拓撲優(yōu)化與激光增材制造技術制備的衛(wèi)星支架


△圖5 運往“國際空間站”的3D打印機

評估認為，智能集成制造技術的技術成熟度為4級；雖然已經實現了毫米量級的空間制造，空間制造的技術成熟度仍處于較低水平，其技術成熟度為1、2級。該技術的研發(fā)風險是高等。

四、結束語
NASA在材料、結構、機械系統與制造領域的航天技術路線圖側重于應用研究與產品開發(fā)。路線圖中提出的尖端技術是為了實現NASA未來的一系列戰(zhàn)略目標與計劃。NASA和美國國家研究委員會認為該領域的這些創(chuàng)新性技術，尤其是優(yōu)先發(fā)展技術，可以從根本上改變結構分系統的構建方式，大大縮短硬件產品的設計生產周期，不僅是未來NASA執(zhí)行任務所必需的，而且可以用于其他工業(yè)領域，進一步鞏固美國的技術領先地位。