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

來源：安世亞太


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

2015年5月，NASA在其官方網(wǎng)站上公布了《2015航天技術(shù)路線圖（草案）》。該草案在2010年NASA公布的技術(shù)路線圖基礎(chǔ)上，根據(jù)過去5年以來各技術(shù)領(lǐng)域研究進(jìn)展，修正完善而成。NASA公布該草案旨在增強(qiáng)公眾對NASA未來技術(shù)發(fā)展的認(rèn)知度，創(chuàng)造更多、更具創(chuàng)新性的解決方案，發(fā)展更強(qiáng)大的太空探索和科學(xué)發(fā)現(xiàn)能力，鼓勵更多機(jī)構(gòu)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(shù)路線圖中列出的而在2012年未被評估的技術(shù)進(jìn)行評估。2016年美國國家研究委員會發(fā)布了《NASA航天技術(shù)路線圖與優(yōu)先發(fā)展技術(shù)修訂》。

上述4份報告是美國航天領(lǐng)域及國家科學(xué)院國家研究委員會眾多知名專家研究成果的結(jié)晶，既有對太空探索技術(shù)領(lǐng)域前沿技術(shù)的介紹，又涵蓋技術(shù)管理和戰(zhàn)略規(guī)劃等頂層設(shè)計內(nèi)容，全面系統(tǒng)地介紹了NASA對未來航天技術(shù)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(shù)發(fā)展戰(zhàn)略的全貌。本文主要介紹14個技術(shù)領(lǐng)域之一——材料、結(jié)構(gòu)、機(jī)械系統(tǒng)與制造領(lǐng)域的NASA航天技術(shù)路線圖與優(yōu)先發(fā)展技術(shù)，供國內(nèi)航天領(lǐng)域和國防工業(yè)部門的廣大科研工作者、工程技術(shù)人員及項目管理人員參考。

一、材料、結(jié)構(gòu)、機(jī)械系統(tǒng)與制造領(lǐng)域的技術(shù)路線圖與頂級技術(shù)挑戰(zhàn)

材料、結(jié)構(gòu)、機(jī)械系統(tǒng)與制造領(lǐng)域技術(shù)路線圖的最終目標(biāo)（到2035年）是：（1）開發(fā)多功能材料及能夠減少成本與結(jié)構(gòu)質(zhì)量的新材料；（2）為深空任務(wù)使用的結(jié)構(gòu)產(chǎn)品提供原創(chuàng)性的設(shè)計與分析工具以提高其耐用性；（3）設(shè)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(jī)構(gòu)；（4）提供制造工藝及基于模型的制造能力以獲得經(jīng)濟(jì)性更好、性能更優(yōu)的產(chǎn)品。

為了實現(xiàn)上述目標(biāo)，有6項頂級技術(shù)挑戰(zhàn)需要應(yīng)對，見表1。

▽表1 材料、結(jié)構(gòu)、機(jī)械系統(tǒng)與制造領(lǐng)域中的頂級技術(shù)挑戰(zhàn)

NASA航天技術(shù)路線圖將該領(lǐng)域劃分為材料、結(jié)構(gòu)、機(jī)械系統(tǒng)、制造及交叉技術(shù)共5個子領(lǐng)域，提出了23項具體技術(shù)來應(yīng)對該領(lǐng)域的6項頂級技術(shù)挑戰(zhàn)，見表2。

▽表2 材料、結(jié)構(gòu)、機(jī)械系統(tǒng)與制造領(lǐng)域需要的具體技術(shù)

二、技術(shù)評估與優(yōu)先發(fā)展技術(shù)的確定

基于NASA在材料、結(jié)構(gòu)、機(jī)械系統(tǒng)與制造領(lǐng)域的航天技術(shù)路線圖，美國國家研究委員會對上述的23項具體技術(shù)進(jìn)行了評估。圖1為評審專家組按照技術(shù)的預(yù)期收益、與NASA需求的一致性、與非NASA的航空技術(shù)需求的一致性、與非航天航空的國家目標(biāo)的一致性、技術(shù)風(fēng)險與合理性、排序與進(jìn)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(quán)重后的質(zhì)量功能展開（QFD）分?jǐn)?shù)，QFD分?jǐn)?shù)越高，表明該項技術(shù)的優(yōu)先級越高。表3為23項具體技術(shù)與6項頂級技術(shù)挑戰(zhàn)的關(guān)聯(lián)程度。

△圖1 材料、結(jié)構(gòu)、機(jī)械系統(tǒng)與制造領(lǐng)域的質(zhì)量功能展開矩陣

▽表3 材料、結(jié)構(gòu)、機(jī)械系統(tǒng)與制造領(lǐng)域中各項技術(shù)與頂級技術(shù)挑戰(zhàn)的關(guān)聯(lián)程度

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

最終，評審專家組根據(jù)每項具體技術(shù)的QFD分?jǐn)?shù)及與頂級技術(shù)挑戰(zhàn)的關(guān)聯(lián)程度，確定了以下9項技術(shù)為材料、結(jié)構(gòu)、機(jī)械系統(tǒng)與制造領(lǐng)域的優(yōu)先發(fā)展技術(shù)：（1）（結(jié)構(gòu)）新型、多功能概念；（2）（結(jié)構(gòu)）輕質(zhì)概念；（3）（材料）輕質(zhì)結(jié)構(gòu)；（4）（結(jié)構(gòu)）設(shè)計與驗證方法；（5）非破壞性評估與傳感器；（6）（機(jī)械）設(shè)計、分析工具及方法；（7）可展開、對接與接口；（8）（機(jī)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(tǒng)。

三、材料、結(jié)構(gòu)、機(jī)械系統(tǒng)與制造領(lǐng)域的優(yōu)先發(fā)展技術(shù)

（一）（結(jié)構(gòu)）新型、多功能概念

傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的主要功能是支撐和傳遞力。與之對應(yīng)，多功能結(jié)構(gòu)是具備兩個或多個功能，集成電子、熱控、能源與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)等功能的新型結(jié)構(gòu)，它是材料、電子、控制、制造、熱輻射與傳導(dǎo)、力學(xué)等多學(xué)科高度交叉的結(jié)果。除了承受載荷和保持形狀之外，多功能結(jié)構(gòu)可以在提高任務(wù)完成能力的同時減少結(jié)構(gòu)質(zhì)量和體積，未來所有的太空任務(wù)都將因此受益。

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

（二）（結(jié)構(gòu)）輕質(zhì)概念

結(jié)構(gòu)輕質(zhì)概念可以顯著增強(qiáng)未來的探索任務(wù)與科學(xué)任務(wù)能力，使新任務(wù)成為可能。實現(xiàn)運(yùn)載火箭結(jié)構(gòu)減重、提高有效載荷所占質(zhì)量比重所帶來的性能增強(qiáng)可使未來所有的航天任務(wù)從中受益。輕質(zhì)低溫貯箱可以提高運(yùn)載火箭的性能，并使在軌燃料貯存成為可能。輕質(zhì)的充氣展開星體表面棲息系統(tǒng)可能實現(xiàn)未來的探索任務(wù)。一些新的科學(xué)任務(wù)還會用到可展開太陽帆、精密航天結(jié)構(gòu)和充氣式可展開防熱板的輕質(zhì)概念。一些應(yīng)用輕質(zhì)概念技術(shù)的空間項目已經(jīng)得到演示驗證，如鋁鋰合金低溫貯箱結(jié)構(gòu)、固體火箭發(fā)動機(jī)殼體。圖2為復(fù)合材料液氫貯箱的纖維鋪設(shè)。

評估認(rèn)為，結(jié)構(gòu)輕質(zhì)概念的技術(shù)成熟度為2~6級；該技術(shù)的研發(fā)風(fēng)險是中等至高等。

△圖2 復(fù)合材料液氫貯箱的纖維鋪設(shè)

（三）（材料）輕質(zhì)結(jié)構(gòu)

未來航天領(lǐng)域的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)研發(fā)需要先進(jìn)復(fù)合材料、金屬和陶瓷材料及經(jīng)濟(jì)有效的加工和制造方法。要從輕質(zhì)結(jié)構(gòu)中獲取更大益處，就必須深入推動相關(guān)技術(shù)的發(fā)展。與金屬結(jié)構(gòu)相比，非熱壓固化的大型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在運(yùn)載火箭上的應(yīng)用可能會減少30％以上的結(jié)構(gòu)質(zhì)量。先進(jìn)的材料體系可以實現(xiàn)多功能結(jié)構(gòu)設(shè)計，以降低輻射水平，改善微流星體和軌道碎片防護(hù)效果，并增強(qiáng)熱管理能力。將納米技術(shù)工程材料納入輕質(zhì)結(jié)構(gòu)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(zhì)結(jié)構(gòu)的材料技術(shù)與NASA的所有計劃和未來任務(wù)都相關(guān)。該技術(shù)與（結(jié)構(gòu)）輕質(zhì)概念技術(shù)是強(qiáng)耦合的。該技術(shù)將顯著減小幾乎所有運(yùn)載火箭和有效載荷的質(zhì)量，提高產(chǎn)品的性能并降低成本。

評估認(rèn)為，輕質(zhì)材料的技術(shù)成熟度一般為2、3級；該技術(shù)的研發(fā)風(fēng)險是中等至高等。

（四）（結(jié)構(gòu)）設(shè)計與驗證方法

當(dāng)前的結(jié)構(gòu)驗證方法依賴于基于統(tǒng)計的材料性能數(shù)據(jù)與基于經(jīng)驗的載荷系數(shù)和安全系數(shù)的保守組合校核，然后是設(shè)計研發(fā)和鑒定試驗。試驗和任務(wù)結(jié)果表明采用這種方法設(shè)計的結(jié)構(gòu)一般為過度設(shè)計，因此其質(zhì)量比較大。這里提出一種基于物理的高級模型的“虛擬數(shù)字驗證”方法，能夠以較低的費(fèi)效比來設(shè)計和驗證航天結(jié)構(gòu)。使用確定性和概率方法來預(yù)測結(jié)構(gòu)響應(yīng)、故障模式和可靠性是這種方法的關(guān)鍵點。這種方法及相關(guān)模型應(yīng)該使用所有必要規(guī)模和復(fù)雜程度的試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗，以確認(rèn)其有效性。通過減少當(dāng)前設(shè)計方法中的過度保守性，并刪減當(dāng)前設(shè)計過程中需要的大型結(jié)構(gòu)試驗，基于經(jīng)確認(rèn)有效的高保真分析模型的設(shè)計與驗證方法將實現(xiàn)結(jié)構(gòu)減重，并降低成本。

該技術(shù)為更輕和更經(jīng)濟(jì)的航天結(jié)構(gòu)提供了另一種實現(xiàn)途徑，同時確保其具有足夠的可靠性。由于NASA的多個任務(wù)將從改善的結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析能力中獲益，該技術(shù)與NASA需求的一致性在該領(lǐng)域中是最高的，適用于所有NASA航天飛行器。

評估認(rèn)為，結(jié)構(gòu)設(shè)計與驗證方法的技術(shù)成熟度一般為3級；該技術(shù)的研發(fā)風(fēng)險是高風(fēng)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(zhì)量控制、產(chǎn)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(wù)需要新的非破壞性評估與傳感器技術(shù)，包括評估運(yùn)載火箭和航天系統(tǒng)健康狀況的原位嵌入式傳感器陣列技術(shù)，預(yù)測運(yùn)載火箭及箭上系統(tǒng)運(yùn)行能力的綜合分析技術(shù)，以及自主的非破壞性評估與傳感器操作技術(shù)。提前檢測、定位潛在故障將提高任務(wù)的安全性和可靠性。

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

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

（六）（機(jī)械系統(tǒng)）設(shè)計、分析工具及方法

高保真運(yùn)動學(xué)與動力學(xué)設(shè)計及分析工具和方法對建模、設(shè)計和驗證先進(jìn)的航天結(jié)構(gòu)和機(jī)械系統(tǒng)至關(guān)重要。工具與接口程序（用來增加各個系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸速率以實現(xiàn)機(jī)械系統(tǒng)數(shù)據(jù)的實時調(diào)用）包含于該項技術(shù)中。機(jī)械相關(guān)性分析方法旨在創(chuàng)建飛行器機(jī)械系統(tǒng)的單一模型，減少跨學(xué)科（如氣動載荷、火箭動力學(xué)與結(jié)構(gòu)響應(yīng)）的裕度疊加。這樣的模型可以被集成到用于機(jī)械系統(tǒng)診斷、預(yù)測與性能評估的健康管理系統(tǒng)中。

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

該技術(shù)能夠顯著提高機(jī)械系統(tǒng)的可靠性，例如，分離、釋放與展開所需的機(jī)械系統(tǒng)的可靠性。改進(jìn)的航天器機(jī)械系統(tǒng)的預(yù)測模型將減少各個系統(tǒng)的預(yù)留裕度，從而減小質(zhì)量，并通過規(guī)模最小的地面試驗來實現(xiàn)更好的使用性能。該技術(shù)的總體優(yōu)勢與結(jié)構(gòu)的設(shè)計和驗證方法技術(shù)相同，由于多個NASA任務(wù)（包括用于科學(xué)任務(wù)的無人/機(jī)器人/載人航天飛行器及長時間的人類探索任務(wù)）將從中受益，因此該技術(shù)與NASA需求的一致性在該領(lǐng)域中是最高的。

評估認(rèn)為，先進(jìn)設(shè)計與分析方法的技術(shù)成熟度一般為2級；該技術(shù)的研發(fā)風(fēng)險是高等。

（七）可展開、對接與接口

涉及成像與科學(xué)數(shù)據(jù)采集的航天科學(xué)任務(wù)將從大孔徑結(jié)構(gòu)與精密幾何機(jī)械系統(tǒng)的聯(lián)合應(yīng)用中受益。在可預(yù)知的運(yùn)載火箭約束條件下實現(xiàn)這種結(jié)構(gòu)很可能涉及可展開機(jī)構(gòu)（包括柔性材料），也可以考慮包括裝配或空間制造在內(nèi)的其他方法。對接與相關(guān)的接口為實現(xiàn)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(jī)械系統(tǒng)與結(jié)構(gòu)必須在極端環(huán)境中可靠展開并且高精度地實現(xiàn)所期望的最終形狀，一些系統(tǒng)可能需要使用控制子系統(tǒng)以在干擾下保持精確的形狀。這樣的系統(tǒng)包括天線（圖3）、光學(xué)元件與太陽帆。模塊性與可擴(kuò)展性是這種系統(tǒng)的期望特征。

△圖3 徑向肋可展天線

該技術(shù)將確保大型精密結(jié)構(gòu)的可靠展開，并實現(xiàn)預(yù)期的功能。如果不對該技術(shù)進(jìn)行相關(guān)的演示驗證，在實際任務(wù)中使用相關(guān)系統(tǒng)時會存在相當(dāng)大的不確定性和風(fēng)險。提高系統(tǒng)的可靠性是該項技術(shù)的關(guān)鍵。

評估認(rèn)為，可展開、對接與接口的技術(shù)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(tǒng)，其技術(shù)成熟度已經(jīng)達(dá)到6級。該技術(shù)的研發(fā)風(fēng)險是中等至高等。

（八）（機(jī)械系統(tǒng)）可靠性/壽命評估/健康監(jiān)測

航天機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、零件數(shù)量多、出現(xiàn)故障的概率大。從最近的經(jīng)驗看，機(jī)械系統(tǒng)的可靠性（包括展開、分離、釋放及機(jī)動）對航天飛行任務(wù)成敗有著非常大的影響，這與為滿足當(dāng)前驗證指標(biāo)而設(shè)計的結(jié)構(gòu)的可靠性相比更為重要。

該技術(shù)可以大大提高機(jī)械系統(tǒng)與結(jié)構(gòu)的可靠性，特別適用于長時間航天任務(wù)。通過研發(fā)健康監(jiān)測系統(tǒng)，可以減少具體任務(wù)中與可靠性相關(guān)的內(nèi)在風(fēng)險。該技術(shù)與可展開、對接與接口技術(shù)密切相關(guān)。

評估認(rèn)為，機(jī)械系統(tǒng)可靠性/壽命評估/健康監(jiān)測的技術(shù)成熟度為1~4級；該技術(shù)的研發(fā)風(fēng)險是中等至高等。

（九）智能集成制造與信息物理系統(tǒng)

智能集成制造是在傳感技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、自動化技術(shù)及人工智能的基礎(chǔ)上，通過感知、人機(jī)交互、決策、執(zhí)行與反饋，實現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計過程、制造過程與項目管理和服務(wù)的智能化，是信息技術(shù)、制造技術(shù)和管理科學(xué)的深度融合與集成。信息物理系統(tǒng)是一個綜合計算、網(wǎng)絡(luò)與物理環(huán)境的多維復(fù)雜系統(tǒng)，它通過3C技術(shù)——計算（Computation）、通信（Communication）與控制（Control）技術(shù)的有機(jī)融合與深度協(xié)作，實現(xiàn)大型工程系統(tǒng)的實時感知、動態(tài)控制和信息服務(wù)。

一般來說，用于航天的高性能材料、結(jié)構(gòu)與機(jī)構(gòu)需要專門的制造能力。隨著技術(shù)的發(fā)展，大部分基于IT技術(shù)、更加通用而又靈活的制造方法可以適應(yīng)生產(chǎn)專門部件與系統(tǒng)的需求。數(shù)據(jù)庫與數(shù)據(jù)挖掘能力將有助于支持地面與行星際設(shè)計、制造和運(yùn)營供應(yīng)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(jìn)行評估。智能產(chǎn)品定義模型可用于模擬組件在其生命周期內(nèi)所有階段的完整行為。此外，為了開發(fā)下一代空間結(jié)構(gòu)所需的機(jī)器人和自動化產(chǎn)品，需要硬件與軟件協(xié)同開展技術(shù)攻關(guān)。這就要求研發(fā)信息物理系統(tǒng)為長時間的載人航天飛行提供適應(yīng)性較強(qiáng)的自主制造能力，包括直接數(shù)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(jié)構(gòu)質(zhì)量方面具有改變游戲規(guī)則的潛力。

該技術(shù)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(wù)，可以減小必須攜帶到太空的載荷質(zhì)量。此外，該技術(shù)還可能提高由高性能材料制成的一次性結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性。該技術(shù)與NASA需求的一致性也是該領(lǐng)域中最高的。

△圖4 采用結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化與激光增材制造技術(shù)制備的衛(wèi)星支架


△圖5 運(yùn)往“國際空間站”的3D打印機(jī)

評估認(rèn)為，智能集成制造技術(shù)的技術(shù)成熟度為4級；雖然已經(jīng)實現(xiàn)了毫米量級的空間制造，空間制造的技術(shù)成熟度仍處于較低水平，其技術(shù)成熟度為1、2級。該技術(shù)的研發(fā)風(fēng)險是高等。

四、結(jié)束語
NASA在材料、結(jié)構(gòu)、機(jī)械系統(tǒng)與制造領(lǐng)域的航天技術(shù)路線圖側(cè)重于應(yīng)用研究與產(chǎn)品開發(fā)。路線圖中提出的尖端技術(shù)是為了實現(xiàn)NASA未來的一系列戰(zhàn)略目標(biāo)與計劃。NASA和美國國家研究委員會認(rèn)為該領(lǐng)域的這些創(chuàng)新性技術(shù)，尤其是優(yōu)先發(fā)展技術(shù)，可以從根本上改變結(jié)構(gòu)分系統(tǒng)的構(gòu)建方式，大大縮短硬件產(chǎn)品的設(shè)計生產(chǎn)周期，不僅是未來NASA執(zhí)行任務(wù)所必需的，而且可以用于其他工業(yè)領(lǐng)域，進(jìn)一步鞏固美國的技術(shù)領(lǐng)先地位。