DfAM专栏 |NASA《航天技术路线图与优先发展技术》——把增材制造和创新设计列为优先发展技术

为了确保美国在未来太空探索领域的领导地位，2010年，美国航空航天局（NASA）首席技术专家办公室全面系统地梳理并制定了美国航天技术领域未来发展方向及技术研发规划，于2010年11月发布了《2010航天技术路线图（草案）》，梳理出由14个技术领域组成的一体化航天技术路线图。在技术路线图草案发布前的同年6月，NASA委托美国国家科学院下属的国家研究委员会组织开展了路线图中技术优先级的评价工作，为NASA形成最终的技术路线图提供参考。经过研究、评分与审查，美国国家研究委员会于2012年2月发布了其研究成果——《NASA航天技术路线图与优先发展技术：重建NASA的技术优势，为太空新纪元铺平道路》，该报告确定了83项高优先级技术，阐述了高优先级技术的价值，明确了NASA未来（定位为2015－2035年）航天技术的发展方向和研发战略。

2015年5月，NASA在其官方网站上公布了《2015航天技术路线图（草案）》。该草案在2010年NASA公布的技术路线图基础上，根据过去5年以来各技术领域研究进展，修正完善而成。NASA公布该草案旨在增强公众对NASA未来技术发展的认知度，创造更多、更具创新性的解决方案，发展更强大的太空探索和科学发现能力，鼓励更多机构和人员参与美国的航天项目。同样在2015年，NASA委托美国国家研究委员会对在2015技术路线图中列出的而在2012年未被评估的技术进行评估。2016年美国国家研究委员会发布了《NASA航天技术路线图与优先发展技术修订》。

上述4份报告是美国航天领域及国家科学院国家研究委员会众多知名专家研究成果的结晶，既有对太空探索技术领域前沿技术的介绍，又涵盖技术管理和战略规划等顶层设计内容，全面系统地介绍了NASA对未来航天技术的发展思路和发展规划，为我们提供了美国未来航天技术发展战略的全貌。本文主要介绍14个技术领域之一——材料、结构、机械系统与制造领域的NASA航天技术路线图与优先发展技术，供国内航天领域和国防工业部门的广大科研工作者、工程技术人员及项目管理人员参考。

材料、结构、机械系统与制造领域技术路线图的最终目标（到2035年）是：（1）开发多功能材料及能够减少成本与结构质量的新材料；（2）为深空任务使用的结构产品提供原创性的设计与分析工具以提高其耐用性；（3）设计与开发能够在极端恶劣环境下长时间可靠服役的机构；（4）提供制造工艺及基于模型的制造能力以获得经济性更好、性能更优的产品。

为了实现上述目标，有6项顶级技术挑战需要应对，见表1。

表1 材料、结构、机械系统与制造领域中的顶级技术挑战

NASA航天技术路线图将该领域划分为材料、结构、机械系统、制造及交叉技术共5个子领域，提出了23项具体技术来应对该领域的6项顶级技术挑战，见表2。

表2 材料、结构、机械系统与制造领域需要的具体技术

基于NASA在材料、结构、机械系统与制造领域的航天技术路线图，美国国家研究委员会对上述的23项具体技术进行了评估。图1为评审专家组按照技术的预期收益、与NASA需求的一致性、与非NASA的航空技术需求的一致性、与非航天航空的国家目标的一致性、技术风险与合理性、排序与进度、所需付出的时间与投入等评分项目的每项得分，以及综合考虑各评分项目权重后的质量功能展开（QFD）分数，QFD分数越高，表明该项技术的优先级越高。表3为23项具体技术与6项顶级技术挑战的关联程度。

图1 材料、结构、机械系统与制造领域的质量功能展开矩阵

表3 材料、结构、机械系统与制造领域中各项技术与顶级技术挑战的关联程度

注:●表示强关联，即NASA在这项技术上的投资可能会对解决这一挑战产生重大影响; ○表示中关联，即NASA在这项技术上的投资可能会对解决这一挑战产生中等影响;“空白”表示弱/无关联，即NASA在这项技术上的投资可能对应对挑战产生很少影响或没有影响。

最终，评审专家组根据每项具体技术的QFD分数及与顶级技术挑战的关联程度，确定了以下9项技术为材料、结构、机械系统与制造领域的优先发展技术：（1）（结构）新型、多功能概念；（2）（结构）轻质概念；（3）（材料）轻质结构；（4）（结构）设计与验证方法；（5）非破坏性评估与传感器；（6）（机械）设计、分析工具及方法；（7）可展开、对接与接口；（8）（机械）可靠性/寿命评估/健康监测；（9）智能集成制造与信息物理系统。

（一）（结构）新型、多功能概念

传统结构的主要功能是支撑和传递力。与之对应，多功能结构是具备两个或多个功能，集成电子、热控、能源与传统结构等功能的新型结构，它是材料、电子、控制、制造、热辐射与传导、力学等多学科高度交叉的结果。除了承受载荷和保持形状之外，多功能结构可以在提高任务完成能力的同时减少结构质量和体积，未来所有的太空任务都将因此受益。

这是一种改变游戏规则的颠覆性技术，影响航天技术的多个领域和多项任务，并且在航天领域之外也有其用武之地。评估认为，该技术的技术成熟度为2~5级；该技术的研发风险是中等至高等。

（二）（结构）轻质概念

结构轻质概念可以显著增强未来的探索任务与科学任务能力，使新任务成为可能。实现运载火箭结构减重、提高有效载荷所占质量比重所带来的性能增强可使未来所有的航天任务从中受益。轻质低温贮箱可以提高运载火箭的性能，并使在轨燃料贮存成为可能。轻质的充气展开星体表面栖息系统可能实现未来的探索任务。一些新的科学任务还会用到可展开太阳帆、精密航天结构和充气式可展开防热板的轻质概念。一些应用轻质概念技术的空间项目已经得到演示验证，如铝锂合金低温贮箱结构、固体火箭发动机壳体。图2为复合材料液氢贮箱的纤维铺设。

评估认为，结构轻质概念的技术成熟度为2~6级；该技术的研发风险是中等至高等。

图2 复合材料液氢贮箱的纤维铺设

（三）（材料）轻质结构

未来航天领域的轻质结构研发需要先进复合材料、金属和陶瓷材料及经济有效的加工和制造方法。要从轻质结构中获取更大益处，就必须深入推动相关技术的发展。与金属结构相比，非热压固化的大型复合材料结构在运载火箭上的应用可能会减少30％以上的结构质量。先进的材料体系可以实现多功能结构设计，以降低辐射水平，改善微流星体和轨道碎片防护效果，并增强热管理能力。将纳米技术工程材料纳入轻质结构中，在减重和性能提升方面具有改变游戏规则的潜力。轻质结构的材料技术与NASA的所有计划和未来任务都相关。该技术与（结构）轻质概念技术是强耦合的。该技术将显著减小几乎所有运载火箭和有效载荷的质量，提高产品的性能并降低成本。

评估认为，轻质材料的技术成熟度一般为2、3级；该技术的研发风险是中等至高等。

（四）（结构）设计与验证方法

当前的结构验证方法依赖于基于统计的材料性能数据与基于经验的载荷系数和安全系数的保守组合校核，然后是设计研发和鉴定试验。试验和任务结果表明采用这种方法设计的结构一般为过度设计，因此其质量比较大。这里提出一种基于物理的高级模型的“虚拟数字验证”方法，能够以较低的费效比来设计和验证航天结构。使用确定性和概率方法来预测结构响应、故障模式和可靠性是这种方法的关键点。这种方法及相关模型应该使用所有必要规模和复杂程度的试验数据进行检验，以确认其有效性。通过减少当前设计方法中的过度保守性，并删减当前设计过程中需要的大型结构试验，基于经确认有效的高保真分析模型的设计与验证方法将实现结构减重，并降低成本。

该技术为更轻和更经济的航天结构提供了另一种实现途径，同时确保其具有足够的可靠性。由于NASA的多个任务将从改善的结构设计与分析能力中获益，该技术与NASA需求的一致性在该领域中是最高的，适用于所有NASA航天飞行器。

评估认为，结构设计与验证方法的技术成熟度一般为3级；该技术的研发风险是高风险。

（五）非破坏性评估与传感器

非破坏性评估（NDE）已从其早期用于质量控制、产品验收和定期检验发展成为用于持续健康监测和自主检测。长时间航天任务需要新的非破坏性评估与传感器技术，包括评估运载火箭和航天系统健康状况的原位嵌入式传感器阵列技术，预测运载火箭及箭上系统运行能力的综合分析技术，以及自主的非破坏性评估与传感器操作技术。提前检测、定位潜在故障将提高任务的安全性和可靠性。

非破坏性评估与传感器技术是一项横向交叉技术，影响航天技术的多个领域和多项任务，特别是随着任务持续时间不断增加，其影响将会更广。对于涉及复杂火箭的长时间任务来说，以最少的人为干预来评估和维持火箭完整性是最基本的要求。

评估认为，非破坏性评估与传感器的技术成熟度一般为2、3级；该技术的研发风险是中等至高等。

（六）（机械系统）设计、分析工具及方法

高保真运动学与动力学设计及分析工具和方法对建模、设计和验证先进的航天结构和机械系统至关重要。工具与接口程序（用来增加各个系统之间的数据传输速率以实现机械系统数据的实时调用）包含于该项技术中。机械相关性分析方法旨在创建飞行器机械系统的单一模型，减少跨学科（如气动载荷、火箭动力学与结构响应）的裕度叠加。这样的模型可以被集成到用于机械系统诊断、预测与性能评估的健康管理系统中。

该技术包括用于实现展开、刚度控制、形状控制与干扰抑制的控制设计技术，这将涉及迭代技术的研发，因为产生最优控制结果的模型与用于其他目的的模型（如应力分析）不同。

该技术能够显著提高机械系统的可靠性，例如，分离、释放与展开所需的机械系统的可靠性。改进的航天器机械系统的预测模型将减少各个系统的预留裕度，从而减小质量，并通过规模最小的地面试验来实现更好的使用性能。该技术的总体优势与结构的设计和验证方法技术相同，由于多个NASA任务（包括用于科学任务的无人/机器人/载人航天飞行器及长时间的人类探索任务）将从中受益，因此该技术与NASA需求的一致性在该领域中是最高的。

评估认为，先进设计与分析方法的技术成熟度一般为2级；该技术的研发风险是高等。

（七）可展开、对接与接口

涉及成像与科学数据采集的航天科学任务将从大孔径结构与精密几何机械系统的联合应用中受益。在可预知的运载火箭约束条件下实现这种结构很可能涉及可展开机构（包括柔性材料），也可以考虑包括装配或空间制造在内的其他方法。对接与相关的接口为实现基于较小平台建造较大平台提供了一种不同的方法。这种机械系统与结构必须在极端环境中可靠展开并且高精度地实现所期望的最终形状，一些系统可能需要使用控制子系统以在干扰下保持精确的形状。这样的系统包括天线（图3）、光学元件与太阳帆。模块性与可扩展性是这种系统的期望特征。

图3 径向肋可展天线

该技术将确保大型精密结构的可靠展开，并实现预期的功能。如果不对该技术进行相关的演示验证，在实际任务中使用相关系统时会存在相当大的不确定性和风险。提高系统的可靠性是该项技术的关键。

评估认为，可展开、对接与接口的技术成熟度名义上为4级；对于一些规模较小的可展开与对接系统，其技术成熟度已经达到6级。该技术的研发风险是中等至高等。

（八）（机械系统）可靠性/寿命评估/健康监测

航天机械系统结构复杂、零件数量多、出现故障的概率大。从最近的经验看，机械系统的可靠性（包括展开、分离、释放及机动）对航天飞行任务成败有着非常大的影响，这与为满足当前验证指标而设计的结构的可靠性相比更为重要。

该技术可以大大提高机械系统与结构的可靠性，特别适用于长时间航天任务。通过研发健康监测系统，可以减少具体任务中与可靠性相关的内在风险。该技术与可展开、对接与接口技术密切相关。

评估认为，机械系统可靠性/寿命评估/健康监测的技术成熟度为1~4级；该技术的研发风险是中等至高等。

（九）智能集成制造与信息物理系统

智能集成制造是在传感技术、网络技术、自动化技术及人工智能的基础上，通过感知、人机交互、决策、执行与反馈，实现产品设计过程、制造过程与项目管理和服务的智能化，是信息技术、制造技术和管理科学的深度融合与集成。信息物理系统是一个综合计算、网络与物理环境的多维复杂系统，它通过3C技术——计算（Computation）、通信（Communication）与控制（Control）技术的有机融合与深度协作，实现大型工程系统的实时感知、动态控制和信息服务。

一般来说，用于航天的高性能材料、结构与机构需要专门的制造能力。随着技术的发展，大部分基于IT技术、更加通用而又灵活的制造方法可以适应生产专门部件与系统的需求。数据库与数据挖掘能力将有助于支持地面与行星际设计、制造和运营供应链。高保真制造过程模型可用于模拟各种制造场景，可以快速地对备选工艺进行评估。智能产品定义模型可用于模拟组件在其生命周期内所有阶段的完整行为。此外，为了开发下一代空间结构所需的机器人和自动化产品，需要硬件与软件协同开展技术攻关。这就要求研发信息物理系统为长时间的载人航天飞行提供适应性较强的自主制造能力，包括直接数字制造（DDM）能力。空间制造在减少传送到轨道或其他星球表面的必需结构质量方面具有改变游戏规则的潜力。

该技术可以在太空中制造物理部件，见图4、图5。对于太空探索任务，可以减小必须携带到太空的载荷质量。此外，该技术还可能提高由高性能材料制成的一次性结构的经济性。该技术与NASA需求的一致性也是该领域中最高的。

图4 采用结构拓扑优化与激光增材制造技术制备的卫星支架

图5 运往“国际空间站”的3D打印机

评估认为，智能集成制造技术的技术成熟度为4级；虽然已经实现了毫米量级的空间制造，空间制造的技术成熟度仍处于较低水平，其技术成熟度为1、2级。该技术的研发风险是高等。

NASA在材料、结构、机械系统与制造领域的航天技术路线图侧重于应用研究与产品开发。路线图中提出的尖端技术是为了实现NASA未来的一系列战略目标与计划。NASA和美国国家研究委员会认为该领域的这些创新性技术，尤其是优先发展技术，可以从根本上改变结构分系统的构建方式，大大缩短硬件产品的设计生产周期，不仅是未来NASA执行任务所必需的，而且可以用于其他工业领域，进一步巩固美国的技术领先地位。