北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部李林凌《基于增材制造的航天結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)》

2020年11月29日上午，2020年長沙網(wǎng)絡(luò)安全·智能制造大會(huì)在湖南長沙隆重召開，在“中國（長沙）增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展與技術(shù)應(yīng)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(shù)國內(nèi)外發(fā)展的前景及趨勢，為廣大應(yīng)用企業(yè)及產(chǎn)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(xiàn)眾多行業(yè)知名大咖蒞臨現(xiàn)場。

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

今天參加這樣的會(huì)議有點(diǎn)像劉姥姥進(jìn)大觀院，我們偏重的是應(yīng)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(bào)的題目是基于增材制造結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)技術(shù)及應(yīng)用。為什么說輕量化呢？因?yàn)閺哪撤N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(diǎn)的話，可以用成本來計(jì)算的，所以輕量化在航天里面非常的重視。

我這個(gè)報(bào)告分三個(gè)大方面：

一、中國空間技術(shù)研究院總體設(shè)計(jì)部簡介
成立于1968年8月16日，是我國總體領(lǐng)域最多（月球探測衛(wèi)星、載人飛船、傳輸遙感衛(wèi)星、導(dǎo)航衛(wèi)星、通信廣播衛(wèi)星）、專業(yè)技術(shù)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(gè)第一：

• 第一顆人造地球衛(wèi)星東方紅一號是我們研制生產(chǎn)的；
• 第一個(gè)遙感衛(wèi)星、導(dǎo)航衛(wèi)星。
  

背景情況
現(xiàn)在列舉出來的做航天器的構(gòu)型，這些構(gòu)型有什么特點(diǎn)？了解了這個(gè)特點(diǎn)以后，對我們后續(xù)為什么做輕量化設(shè)計(jì)，有沒有它的余量。

目前這個(gè)結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)、泡沫結(jié)構(gòu)、波紋結(jié)構(gòu)。目前的結(jié)構(gòu)有什么特點(diǎn)？它工藝較為復(fù)雜，必須進(jìn)行熱壓罐，成形周期長。力學(xué)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(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)一體化是比較難的。
（圖）從這個(gè)圖可以看出來，目前傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，以現(xiàn)有的蜂窩結(jié)構(gòu)，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(gòu)建/組裝小衛(wèi)星等，對結(jié)構(gòu)提出更高的要求，要求輕量化、功能化、智能化。

這個(gè)靈感來源于自然界，像人的骨頭，里面是疏松的結(jié)構(gòu)，像龍蝦、鳥的嘴都是蜂窩型結(jié)構(gòu)，但比較硬。我們選取了一些晶體結(jié)構(gòu)，具有多孔的特性，周期進(jìn)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(jié)構(gòu)給我們一些啟示，技術(shù)是創(chuàng)新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法與先進(jìn)制造技術(shù)的交叉融合，體現(xiàn)了材料-結(jié)構(gòu)一體化的設(shè)計(jì)理念。

二、面向增材制造及點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)
1、設(shè)計(jì)方法——拓?fù)鋬?yōu)化方法
剛才盧院士和何主任都提到拓撲優(yōu)化，這個(gè)拓撲優(yōu)化是比較常見的，但是在我們航天器結(jié)構(gòu)來說，拓撲優(yōu)化有什么特點(diǎn)呢？它是一個(gè)多經(jīng)晶構(gòu)的拓撲優(yōu)化結(jié)構(gòu)，它的特點(diǎn)更鮮明了。以前說一些結(jié)構(gòu)進(jìn)行拓撲優(yōu)化可以打印出來，但是里面沒有點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，現(xiàn)在有了3D打印技術(shù)發(fā)展，可以把點(diǎn)陣和拓補(bǔ)結(jié)構(gòu)結(jié)合進(jìn)行優(yōu)化發(fā)展。
設(shè)計(jì)方法——點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)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(diǎn)陣胞元?jiǎng)?chuàng)新構(gòu)型，梯度三維點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，研制了基于增材制造的全三維點(diǎn)陣微小衛(wèi)星整體構(gòu)成。

2、開展基于自支撐點(diǎn)陣的整星結(jié)構(gòu)宏細(xì)觀一體化設(shè)計(jì)方法，測量與金屬增材制造三維點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)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(gòu)，建立了缺陷與力學(xué)性能的映射關(guān)系，開展考慮真實(shí)缺陷集合特征的自支撐三維點(diǎn)陣胞遠(yuǎn)的力學(xué)性能評價(jià)技術(shù)，點(diǎn)陣制造缺陷與結(jié)構(gòu)損傷演化、失敗模式間的內(nèi)稟關(guān)系。

4、檢測方式有限，在力學(xué)方面做實(shí)驗(yàn)測試，方法與傳統(tǒng)的不一樣，在這方面做實(shí)驗(yàn)和看到他的損傷機(jī)制有一點(diǎn)不一樣，就比較難。
三維點(diǎn)陣支架的分析，分析出來做實(shí)驗(yàn)，和分析的結(jié)果誤差在1%以內(nèi)。

三、工程應(yīng)用實(shí)例
1、功能構(gòu)建；
左邊這個(gè)是我們以前老的產(chǎn)品，有3D打印結(jié)構(gòu)的時(shí)候，產(chǎn)品的重量是400克，那么結(jié)構(gòu)所占的重量是280克，相對里面填的工質(zhì)只有120克，工質(zhì)填充低于30%，制造周期超過45天。我們應(yīng)用3D打印產(chǎn)品以后，產(chǎn)品的重量還是400克，但是結(jié)構(gòu)的重量降低到123克。從結(jié)構(gòu)減重的角度的來說超過55%，結(jié)構(gòu)重量減輕以后，里面填充的工質(zhì)就多了。所以工質(zhì)的填充率大于65%，制造的周期不超過5天，大大提高了生產(chǎn)效率。
（圖）左下角是放在辦公室花盆下面的，相當(dāng)?shù)妮p。
（圖）這是打印出來的板子。右邊是我們做的力學(xué)分析，熱分析；

對于航天產(chǎn)品來說，有嚴(yán)格的地面實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，地面實(shí)驗(yàn)包括隨機(jī)振動(dòng)、正弦振動(dòng)、沖擊試驗(yàn)。對3D打印結(jié)構(gòu)的材料也進(jìn)行了這樣的測試，測試結(jié)構(gòu)從幾個(gè)方面都很優(yōu)秀，比如說密封腔的壓力是0.2MPa，儲(chǔ)存熱量提升高于傳統(tǒng)的產(chǎn)品。

2、次級結(jié)構(gòu)；
咱們背景里面提的第一章圖里面講了衛(wèi)星的主結(jié)構(gòu)。主的結(jié)構(gòu)是相反式的。對于我們來說，基于增材制造的應(yīng)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(shè)備不能滿足要求，從這個(gè)角度來說，要快速的推動(dòng)3D打印產(chǎn)品在我們航天領(lǐng)域的應(yīng)用，次級結(jié)構(gòu)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(gòu)型可以打出來，里面是點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)在里面，難就難在這里。今后弄出來以后，結(jié)構(gòu)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(chǎn)生共振，容易把衛(wèi)星搞壞。單機(jī)產(chǎn)品頻率越高有利于保護(hù)產(chǎn)品本身。

3、整體結(jié)構(gòu)；
目前我們單位來說，最大的是1.2米的肼瓶支架，這個(gè)是今年打出來的產(chǎn)品，現(xiàn)在有大型的設(shè)備就更好了。因?yàn)槠唇舆�有它的缺點(diǎn)在里面，里面是點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)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(yán)的航天產(chǎn)品來說，3D打印技術(shù)沒有得到充分體現(xiàn)，另一個(gè)方面也有可能隱含一些隱患在里面。目前拼接出來的產(chǎn)品很輕，我們一個(gè)老總當(dāng)時(shí)端著那個(gè)說這個(gè)太輕了，如果不經(jīng)過3D打印的話他可能端不起，經(jīng)過3D打印技術(shù)他可以把這個(gè)產(chǎn)品輕松的端起來了。
這個(gè)產(chǎn)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(fù)雜。3D打印設(shè)備如果可以打更大的事件了就好很多了。

4、民用產(chǎn)品
衛(wèi)星整體結(jié)構(gòu)，開啟了三維點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)及其增材制造技術(shù)在航天器主承力結(jié)構(gòu)應(yīng)用序幕，它相對而言它比較小。打印出來的進(jìn)行一些相應(yīng)的力學(xué)性能測試，最關(guān)鍵點(diǎn)是主載荷處響應(yīng)與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比下降80%。這是做實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)。

我們這個(gè)技術(shù)方案方岱寧給我們評價(jià)：開啟了增材制造輕量化點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，作為航天器主承力結(jié)構(gòu)的應(yīng)用序幕將對我國航天結(jié)構(gòu)輕量化技術(shù)發(fā)展產(chǎn)生重要的推動(dòng)作用。
后面是我的聯(lián)系方式，以后各位同行、專家有什么需求可以探討，從標(biāo)準(zhǔn)化方面、原材料制備、設(shè)備方面都可以探討，因?yàn)橹挥邪堰@個(gè)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(xiàn)。

謝謝大家！