当前国外航天产品制造技术与装备概览

2.1.2.1　薄壁构件精密成形

在铸造材料方面，国外发达国家主要发展高强度兼顾铸造成形工艺性和力学性能的合金牌号，在铝合金、镁合金、钛合金开发方面进行了大量研究，代表的轻质高性能铸造合金有A-U5GT高强度铸造铝合金、WE43耐热镁合金、Ti6242S高温钛合金，广泛应用于各类主承力构件。在铸造工艺方面，国外发达国家更重视近净形的成形工艺，显著减轻重量，缩短研制周期，降低零件成本，且对铸件冶金质量和成形质量的要求越来越提高，以满足宇航产品的指标。

国外强力旋压工艺应用较普遍的国家有美国、德国、日本、苏联和法国等，强力旋压设备正不断向大型化、强力化、多用途和自动化发展。其中，美国制造旋压机床的能力最强，产量最大，在航天航空领域应用最多，“民兵”固体导弹第一级发动机壳体、“大力神ⅢC”固体发动机端盖、登月舱燃料箱封头、航天飞机固体助推器壳体等均采用了强力旋压工艺。图2-12为美国航空航天局与洛克希德·马丁（洛·马）公司合作，利用旋压成形技术成形的直径5500 mm的2195铝锂合金火箭箱底，图2-13为整体旋压成形的日本H-2A运载火箭箱底。

俄罗斯曾开发出半球形箱底爆炸成形工艺，并为美国DC-XA航天器贮箱成形了直径2.4 m的1460铝锂合金半球形顶箱底。爆炸成形的优点是工装简单、成本低、回弹小、无需焊接和对称性好。其缺点是因该工艺属于特殊工艺，应用难以普及，需要抽真空，成形尺寸受模具尺寸和材料的限制。

图2-12　美国铝锂合金整体旋压箱底

图2-13　日本H-2A运载火箭箱底

美国航天飞机外贮箱、欧盟Ariane 5火箭贮箱、俄罗斯火箭贮箱和我国长征系列火箭贮箱箱底的瓜瓣零件成形均大量采用了基于液压机的双向拉伸成形工艺。对于直径5m以下的火箭，如美国的Atlas系列和Delta系列、日本的H-2B火箭等，其贮箱箱底均采用整体旋压成形+热处理工艺制造。与国外相比，我国在大型薄壁零件整体成形装备与技术方面的差距还较大。图2-14所示为美国A-100WT型材拉弯装备。

图2-14　美国A-100WT型材拉弯装备

在热成形技术方面，国外开展了蠕变时效成形和超塑成形等研究。具体研究如下：①欧美等先进国家很早就开展了时效成形技术的相关研究，并已用于大力神Ⅳ火箭正交格栅结构的成形，采用热压罐时效成形后的壁板表面光滑，形状准确度高，装配贴合度可控制在0.25 mm以下；②近年来国外超塑成形技术在国防航天航空工业得到广泛应用，已广泛用于导弹外壳、推进剂储箱、整流罩、球形气瓶、波纹板等钛合金部件的成形。MBB公司在Ztalast和DFS/Kopernikas两种通信卫星上采用超塑成形制造了各种推进剂箱。 目前，国外SPF及SPF/DB技术广泛应用于航天航空飞行器零部件的生产，展示出巨大的技术经济效益，发展空间巨大。图2-15所示为蠕变成形壁板；图2-16所示为蠕变成形热压罐。

图2-15　蠕变成形壁板

图2-16　蠕变成形热压罐

液力成形国外发展较早，20世纪80年代起，国外就开展内等径三通管和四通管成形的液力成形，其支管的长径比达到了1.2。 20世纪90年代，液力成形工艺在各工业领域得到了普遍的关注，目前正朝设备大型化、精密化和模块化方向发展。

单点渐进成形方面，日本开发出世界首台渐进成形专用机，并且实现了渐进成形专用设备的实用化和系列化。多点成形方面，日本研制了自动送料的三列压力机，用于船体外板的自动弯曲及冷加工；美国麻省理工学院自1999年起开展柔性多点模具蒙皮拉形技术研究，并于2002年研制出一台成形尺寸为1.2 m×1.8 m（4 ft×6 ft）的工程化应用多点模具。

美国和欧洲等许多航天大国都十分重视热处理技术的发展，投入大量资金发展热处理技术，先后制定热处理技术发展规划和目标，美国由政府组织行业协会牵头制定了热处理工业2020年远景规划，把目前和将来国外热处理先进技术与装备水平的目标和主要标志阐述得十分明确，用于指导热处理技术发展。国外热处理工艺技术的发展重点主要集中在少无氧化热处理、高能密度热处理、热处理工艺过程的数值模拟和优化、自动化精密热处理技术等。

在真空热处理方面，国外推广应用高压气冷淬火，非常重视热处理过程的冷却，根据产品的技术和工艺要求，高压气体由计算机控制流速和流量的变化，以达到在特定时间内的冷却速度，从而实现热处理过程中所要求的冷却曲线，确保零件的热处理质量。现已研究采用空气作为气源，强烈喷射快速冷却工件，淬火后表面仅有极薄的氧化色膜，从而节约大量的氮气和惰性气体。真空热处理约占整个热处理的20 %，真空油淬正被高压、超高压气淬所替代。

在役传动齿轮、轴承关键构件表层硬化技术国外普遍采用真空脉冲技术，脉冲渗碳、渗氮、复合渗碳-氮等，正在发展离子技术，离子渗碳、渗氮、复合渗碳-氮等；在役传动齿轮、轴承关键构件普遍达到62～64 HRC，正在提高到68～72 HRC；且开始采用先进的高纯轴承齿轮钢。因此国外在役传动齿轮、轴承关键构件满足各种高端机械装备、变速箱需求，服役寿命达到数万至十多万小时。渗碳、渗氮、碳氮共渗等表层硬化设备广泛采用可控气氛设备和真空脉冲设备，正大力推广普及真空等离子设备，该类技术长期对国内实行封锁，甚至对航天航空、军工等行业禁售。

发达国家的精密热处理发展很快，因而垄断了关键构件和高端机械装备制造。国外可控气氛渗碳热处理设备如今采用红外分析仪-氧探头双重控制，炉内碳势控制精度可达到±5%；渗氮设备已采用氢探头直接测量绝对氢分压，达到计算氮势控制气氛的水平。美国重点研究了构件热处理畸变的控制，并把“热处理零畸变”和“质量零分散度”列入2020年热处理技术路线图中，控制了不同炉次关键构件组织和性能的均匀性、一致性和可靠性，从而保证了服役的稳定性和可靠性。美国航天产品零件中也广泛使用激光、高频感应淬火等新型热处理技术。

虚拟热处理是世界热处理的主要发展方向和研究热点，美国2007年和2010年发表的技术路线图中都将虚拟热处理作为重点发展方向，日本围绕着虚拟热处理重点方向与其他工业发达国家进行虚拟热处理研究与开发。

国外热处理瞄准生产实际，注重节能减排，力求设备升级更新，强化质量处理，重视材料配件、传感器等硬件开发，对加热和冷却的传热学、热处理工艺应力与畸变的模拟、能源管理软件等的开发予以重点投入。

2.1.2.2　精密超精密加工

目前国外超精密加工技术在航天航空领域已经延伸到纳米尺度范围，其加工精度已经接近纳米级，表面粗糙度已经达到10～1 nm级（具有这种特征的表面称为“超光滑表面”）。如美国国家航空航天局（NASA）推动的太空开发计划，以制作1m以上反射镜为目标，目的是探测X射线等短波（0.1～30 nm），由于X射线能量密度高，必须使反射镜表面粗糙度达到埃级来提高反射率。超精密加工目前包括4个领域：①超精密切削加工；②超精密磨削加工；③超精密抛光加工；④超精密特种加工（如电子束、离子束加工）。 目前，国外超精密切削加工表面粗糙度可达到几十纳米，包括超精密车削、镗削、铣削及复合切削（超声波振动车削加工技术等）；超精密磨削加工精度达到或高于0.1μm，加工表面粗糙度Ra ＜0.025 μm；超精密抛光加工精度可达到数纳米，加工表面粗糙度Ra可达到10～1 nm级。国外在精密和超精密加工技术领域的领先不光体现在工艺技术指标可稳定达到极高水准，且在装备技术、相关支撑基础关键技术上处于垄断地位。国外精密、超精密加工技术目前的趋势正向着极限精度、超高效率发展，在被加工对象尺度上也向着大型化和微型化两相反的方向发展，同时跟随整个制造业领域的趋势，精密和超精密加工的加工检测一体化、智能化也成为焦点。

国外针对难加工材料的精密、超精密磨削技术起步较早，与其相关的精密超精密机床技术、磨削工艺技术、超硬磨料工具制备及修整技术等工程化应用程度较高，很多已经形成工业化产品。英国开发的Nanocenter600超精密车床因配有磨头和可塑性磨削装置，其实际磨削深度可以达亚微米级，从而实现硬脆材料的超精密磨削加工，最大限度提高工件的形状精度和降低其表面损伤。美国研制的PEGASUS XJ型超硬材料加工专用磨床，具有微小进给系统及误差补偿装置，能实现硬脆材料的纳米级磨削表面。 日本则开发出了主轴膨胀系数为零的超精密磨床，主要用于硬脆材料的超精密磨削加工。

对于非球面镜的磨削、研抛加工，国外基于计算机控制光学表面成形原理发展了多种精密曲面抛光技术用于光学零件的曲面加工，如小磨头计算机数控光学表面成形技术、应力抛光、磁流变抛光、应力盘抛光、离子束抛光等。这些技术各有其优缺点，目前都广泛应用于大中型非球面光学零件的加工过程中，在工艺上形成互相补充和互相衔接的关系。其中，采用小磨头的计算机数控光学表面成形技术是其中发展最早且最具代表性的非球面表面成形技术，可以用于加工大部分常用的非球面光学表面，著名的哈勃望远镜就是小工具加工技术的代表作。离子束抛光技术被国内外广泛认为是现代光学加工技术中最具革命性的创新之一，它将光学加工在抛光阶段的收敛率提高了一个数量级以上，显著提高了光学加工的确定性及抛光精度，可以用于高精度、超高精度修形。国外有报道的离子束抛光最成功的运用之一是Keck 10 m主镜的子镜面形修正工作，其中有详细报道的SN 009子镜，加工前的面形精度为3.13μmP-V，共作了两次加工循环，加工时间分别为14天和6天，最后加工精度为0.51 μm P-V，单次收敛效率达到257%，远高于普通非球面加工技术所能达到的110%～130%的水平。

现在美国超精密机床的水平最高，对于单件大型零件的超精密切削加工，大型超精密金刚石车床（DTM-3型）可加工φ2100 mm、质量4500 kg的工件，大型光学金刚石车床LODTM可加工φ 1625 mm、质量1360 kg的非球面工件，其加工精度可达0.025 μm，表面粗糙度Ra 0.0045 μm。对于大量生产的中小型零件的超精密切削加工，美国Moore公司的Nanotech系列、英国Taylor公司的Nanoform系列超精密机床代表了当今商品化超精密机床的技术水平和发展趋势，也代表了国外航天加工设备能力和水平。以Taylor公司的超精密机床Nanoform 250机床为例所示，该系统具有两轴超精密CNC机床，加工工件直径φ 250 mm，在该机床上既能进行超精密车削，又能进行超精密磨削，另外还能进行超精密抛光，能直接磨削出满足光学表面质量和面型精度的硬脆材料的光学零件，还能够磨削非轴对称的零件。机床数控系统的分辨率为0.001μm，位置反馈元件是分辨率8.6 nm的光栅或分辨率1.25nm的激光干涉仪，加工工件的面型精度优于0.2 μm，表面粗糙度优于Ra 0.01 μm。

2.1.2.3　复杂零件数控加工

发达国家军工企业依托先进的数控设备，大力开展数控技术的应用研究，数控设备的普及率达到80%以上，数控设备利用率达到60%～80%。高速加工和复合加工在航天航空复杂结构件、精密模具等加工中得到大量应用，已成为航天航空复杂结构件高效加工的主要方法，从而显著地提高了数控切削效率和质量。发达国家已经普遍采用NC仿真与优化技术、并行工程技术、模块化设计技术、虚拟设计技术、快速资源重组技术、客户化生产方式等；另一方面，国外在数据采集与测量技术方面发展迅速，普遍重视建立自身企业（行业）生产工艺系统数据库，包含金属（非金属）切削数据库、专家系统、知识库、企业内外有效资源数据库等，并在此基础上建立了一套完整的技术、管理与评价体系，有效提高了数控机床的使用效率。

高速切削加工采用远高于常规加工的切削速度和进给速度，不仅可提高加工效率，缩短加工工时，同时还可获得很高的加工精度。20世纪90年代以来，以美国、德国、法国、日本为代表的发达国家，他们的高速切削加工技术日臻完善，高速机床、高速切削刀具、高速数控系统在国际市场的占有率不断提高，高速加工的CAM软件得到广泛应用。高速切削加工技术进入了产业化发展的新阶段，相关产品发展迅速，成果不断涌现。高速切削加工技术在世界范围内得到大规模的推广应用，标志着高速加工已从理论研究进入工业应用阶段。随着铣削工艺、新型刀具结构、刀具材料等技术的综合发展使得高速铣削加工发展更加迅速。国外航天航空类整体结构件目前已普遍采用高速数控加工技术，先进的大型多轴联动加工中心、装备功能复合化、柔性工装系统和高速加工技术，充分发挥了数控装备的效能。如法国ForestLine公司的5坐标加工中心，主轴转速最高大40000 r/min，可加工铝合金零件壁厚到0.76 mm。而对于钛合金类难加工材料，粗加工材料去除率达40～50 cm3 /min，精加工切削速度达150～200 m/min，并具有配套的高速切削工艺数据库。在发达国家，高速加工被广泛地推广到各个领域，成为推动生产力发展的有力工具。

在加工变形控制这一关键技术的研究方面，国外已经取得了一些成果。欧美等发达国家开展了工艺路线优化和有限元模拟、加工变形的工艺和变形校正方面的研究。研究了铣削力、切削参数、刀具几何参数、装夹、设备对工件加工变形的影响；通过改变每齿进给量来控制铣削力、优化刀具参数、采用特殊刀具、利用可自动调整夹紧力的智能夹具、优化夹具布局、以双轴机床采用两侧同时铣削的方式同时加工薄壁件的两侧、运用周铣的方法有效控制工件的变形。通过研究辅助支撑的个数和位置对工件局部变形的影响，对控制薄壁工件加工变形提供了一个很好的方案。在考虑工件和刀具变形，以及主轴倾斜等因素下，对工件面铣加工中的变形进行了预测；通过有限元法和实验统计法在薄壁件变形误差补偿方面进行了研究；明确了高速铣削可以大大降低铣削力，从而减少工件加工变形的结论。

自20世纪80年代以来，国外发达国家汽车、飞机等先进的制造企业，基于自动化、智能化、传感器、机器人、信息、计算机网络等技术，逐步实现了机械制造车间的数字化、智能化，代表了当今世界制造车间的发展水平。数字化车间的主要特点包括：制造过程的数字化，信息化与智能化，制造现场的信息化与网络化，制造装备的高精高效和智能化。波音公司的数字化车间综合应用了数字化物流、自动化辅助装备、在线监控等多种智能化手段和数字化制造技术，取得了制造时间减少66%、装配工装减少90%的显著成效。

2.1.2.4　复杂结构特种加工

1）电加工

电加工技术在发达国家军工制造领域已广泛用于难加工材料、难加工结构的精密加工。欧美航天制造企业将多轴联动电火花加工技术应用于闭式整体叶轮的加工，解决了传统铣削加工难以应对的加工难题。美国通用航空发动机公司提出的Blue Arc高效电火花铣削技术，依靠可控的电弧放电与火花放电实现难切削材料的高效去除，结合多轴数控技术，将其应用于镍基高温合金材质的航空发动机压气机整体叶轮的加工，整体加工效率是传统铣削加工的4倍。在慢走丝加工领域，设备的智能化与自动化是目前的发展趋势，夏尔米公司提出了双走丝自动切换技术，两套走丝系统相互独立，粗加工完成后，自动断丝，换精加工系统再穿丝，整个过程45 s完成，使用一个导向器，加工效率可提高200%以上。三菱电机公司开发了切割厚度识别系统，在切割厚度发生改变时，能自动调整加工参数，有效避免断丝，提高加工效率，其拐角切割技术，采用了能量与轨迹控制相结合的方法，确保了割出拐角的准确性。在微细电加工领域，多通道、纳秒级超高频脉冲电源和多电极的专用数控电火花设备，加工效率高达2～3 s/孔，表面粗糙度Ra 0.4μm，在日本对混粉工作液电火花镜面加工技术、微细电火花加工、陶瓷等非导电材料的加工技术进行了广泛研究，并进入实用阶段。

2）增材制造

美国和欧洲各国是增材制造技术的领跑者。2012年美国成立基于高能束加工的国家增材制造创新联盟，波音、洛·马、诺·格、通用动力、通用航空发动机、霍尼韦尔、派克·汉尼汾、IBM、 Autodesk等航天航空领域的制造都与软件商以及众多相关技术领域的中小企业都参与了这个联盟。欧盟在英国成立了大型航空零件快速制造中心，在3D打印装备、核心元器件、原材料和工艺方面开展了大量的工作，大幅提升了增材制造水平和技术竞争优势，推动了国家先进制造业的发展。其他发达国家如澳大利亚、日本和韩国政府也高度重视增材制造技术的研究与应用，通过政府优惠政策和国家专项资金持续支持等手段开展广泛的产、学、研、用密切合作工作。他们针对镍基高温合金、不锈钢、工具钢、钛合金和钻基合金等多种工程合金材料进行了大量实验研究，激光熔敷增材制造产品已在F/A-18E/F舰载机、小卫星、火箭发动机、火星飞船等航天航空领域率先使用。

国际各大航天航空企业将可制备精密复杂金属构件的激光选区熔化成形技术（selective laser melting， SLM）列为首要发展技术之一。NASA的“太空发射系统”计划中，正在对SLM技术生产多种金属零件进行验证，从小卫星到火箭发动机，遍布6大中心。J-2X发动机的排气孔盖，RS-25发动机的弹簧Z隔板利用SLM工艺制造。2012年，NASA在亚利桑那州沙漠中测试的火星飞船，甲板上装有SLM技术成形的带有曲线和镂空结构的金属零部件，如图2-17所示。2015年4月，NASA在金属3D打印有了新突破，对外展示了采用SLM技术打印的全尺寸铜质火箭发动机零部件（即铜质发动机燃烧室内衬），如图2-18所示，即铜质发动机燃烧室内衬，该功能部件能够承受极高和极低的温度。

图2-17　NASA采用SLM技术制备的零件

图2-18　铜质火箭发动机零部件

一台典型的BANTON发动机由几十个不同的零部件组成，并且将需要大约一年的时间进行设计和制造。使用增材制造，BANTON发动机的零部件数量急剧缩减到只有三个，其中包括喉部和喷嘴部分、喷油器和圆顶组件、燃烧室。

洛克达因公司成功完成MPS-120立方体卫星高推力可适应模块化推进系统（图2-19）的热点火测试。MPS-120是首个通过3D打印的肼推进系统，设计用于为立方体卫星提供动力，而该系统以前无法用于这些微型卫星。

洛克达因公司成功验证微型卫星火箭推进系统MPS-120系统包括四个微型火箭发动机和推进剂供应系统组件、3D打印的钛合金活塞、推进剂储箱和增压室。MPS-120可以兼容肼类推进剂和绿色推进剂，MPS-120的整个系统与一个咖啡杯大小相当。采用3D打印技术，该系统的制造仅需一个星期，系统组装只需要两天时间。经验证，MPS-120发动机的推进能力比所要求的高5倍以上，并几次将推进剂储箱内的燃料用尽以进行测试。经过验证测试，该系统的技术成熟度和制造成熟度均达到6级。MPS-120热点火测试是验证革命性推进方案的一个重要里程碑，它将使许多新的立方体卫星任务成为可能。

图2-19　增材制造的MPS-120立方星推进系统

SpaceX Dragon货运飞船将特殊的3D打印机送上国际空间站，这种3D打印机特制，由美国加州一家公司生产，专门适用于低重力工作，见图2-20。这套3D打印机可以直接接收电子邮件数据，由NASA远程控制，所以宇航员不需要做任何事情，等待3D打印机打印完成即可。以前，扳手从制造到用飞船送上国际空间站需要数月时间；现在，国际空间站的宇航员借助3D打印，可以得到他们想要的大部分工具，而且无需长时间等待。宇航员在太空中根据需要来打印所需零部件，比起用火箭将所需要更换的零件和工具发射上去，要显著节省时间和成本。

图2-20　空间3D打印机

Stratasys的子公司RedEye与美国航空航天局的喷气推进实验室合作，3D打印了卫星天线模组的30套支架，用于帮助气象卫星群FORMOSAT-7/COSMIC-2观察地球大气电离层、气候、气象状况的太空任务。

美国航空喷气洛克达因公司与美国航空航天局格伦研究中心及马歇尔航天飞行中心，近两年已针对3D打印的火箭发动机喷嘴在3316℃高温下进行了一系列点火试验（图2-21）。在此基础上，航空喷气洛克达因公司已分别于2014年6月及12月对采用3D打印技术打印的“Baby Bantam”火箭发动机和MPS-120立方星高比冲自适应模块化推进系统进行了点火试验。较精密的发动机喷嘴的点火试验成功标志着3D打印技术在航天领域的应用由研发阶段向工程化应用迈进了一步。

图2-21　3D打印的火箭发动机喷嘴正在进行点火试验

2015年1月，微重力环境3D打印在国际空间站完成了太空环境增材制造。

2017年，欧洲航天局推出了一项新的3D打印CubeSat立体小卫星项目，材质为PEEK塑料，随着第一次测试运行正式开始进行，欧洲航天局旨在使这些3D打印的微型卫星投入商业使用，并配有内部电气线路，而仪器、电路板和太阳能电池板只需插入即可使用。

2017年乔治亚理工学院开发了一种“记忆”形状零件，可以在特定温度下一次又一次地回到原来状态，这种形状记忆4D打印可拓展应用到空间结构上，到空间中的物体质量和体积对于火箭飞行非常重要。(www.xing528.com)

近年，美、日、欧盟等国家或组织积极开展增材制造技术在航天领域的研究与应用。尽管目前在太空中进行增材制造尚处于试验验证阶段，但已规划与实施的诸多在地面上进行增材制造的项目表明：3D打印技术已在卫星与火箭等航天制造领域显示出重要的发展价值和应用潜力。调查显示，其在航天航空工业领域的应用份额已占全部应用领域的10%以上。

（1）大尺寸金属航天零部件的制造。

开展大尺寸航天零部件3D打印因受限于打印设备体积等因素的限制而处在起步应用阶段。洛·马公司与红眼公司已利用3D打印技术造出两个卫星的大型燃料贮箱模拟器；航空喷气洛克达因公司被美空军基地授予了液体火箭发动机大尺寸零部件的3D打印合同，标志着使用3D打印技术或可造出更多种大尺寸航天器零部件。

（2） 3D打印新材料研制。

现有3D打印材料范围比较局限，甚至只能加工某种材料中个别牌号，如激光选区熔化技术主要加工材料为钛合金TC4、不锈钢316 L、镍合金718等材料，拓展3D打印应用范围，必定需要开发更多的新材料，建立更加完善的材料加工工艺库。

（3）太空应用进入在轨试验阶段。

在太空平台上应用3D打印技术具有诸多独特优势，例如可就地取材，节约运输成本。美国华盛顿州立大学已成功利用激光将仿月球岩石材料熔化，用于制造小型科研卫星零部件；美国航空航天局已将首台零重力3D打印机送到国际空间站，打印出首个物体（该3D打印机面板）；欧洲航天局和欧盟也设立了AMAZE项目，将第一台3D金属打印机运至国际空间站；欧洲航天局于2015年将欧洲第一台非金属3D打印机安装到国际太空站。

2.1.2.5　空间表面工程

美国在电/化学沉积方面突破了镁锂合金表面高结合力超低孔隙率化学镀镍技术，已经广泛应用于空天飞行器。在钼箔、铜-金刚石、铝基碳化硅等新型材料表面镀敷方面，欧洲已经成熟应用于宇航产品。此外，美国开发出了厚度达100 μm铬厚镀电镀三价铬工艺，逐步在功能性镀层上进行应用。在微弧氧化技术方面，加拿大温莎大学发展了移动喷射微弧氧化技术，可以采用小功率微弧氧化设备，通过优化喷淋头设计和移动喷淋头的位置，进行大尺寸构件表面的微弧氧化涂层制备。

国外在离子注入领域起步较早，主要应用领域集中在精密零部件的表面强化及减摩处理，如美国著名宇航企业休斯公司将离子注入技术应用到卫星运动零部件上。为解决离子注入层浅，应用工况有限的实际应用问题，美国劳伦斯实验室将阴极弧沉积技术与离子注入技术结合，发明了离子注入与沉积技术；为解决束线离子注入技术直线性难以实现复杂零件的表面改性处理，美国威斯康星大学提出了全方位离子注入与沉积技术，大大提高了离子注入技术的适用范围及工况。在液氮环境条件下，将注入钛和碳离子的不锈钢滚珠和注入铬和氦离子的钢滚道对磨，其耐磨性和未经处理的钢相比可提高两个数量级。近些年来，国外离子注入技术的发展主要集中在以下几个方面：内表面离子注入与沉积技术；大面积离子注入与沉积技术；批量离子注入技术。

溅射沉积MoS2薄膜技术是由美国NASA的T Spalvin于1969年开发的，该技术制备的薄膜厚度薄且均匀，可控性强，非常适用于空间精密活动件如滚动轴承、精密齿轮等表面的润滑改性。NASA的研究人员Becker等人采用溅射法研制了一种VO2激光防护薄膜，用飞秒激光器照射时，发现其相变时间＜500 fs，冷态透过率甚至可以超过90%，相变后透射率仅为1%。

在气相沉积方面，国外针对膜层综合性能不断提高的发展趋势，重点开展先进功能薄膜、更低缺陷以及更高精度膜层沉积工艺。国外采用离子镀技术在高温抗氧化涂层、空间轻量化天线、薄膜航天器等复合材料表面金属化方面研究比较深入，且实现了应用。在光电器件激光防护方面，国际上针对特定波长的激光防护薄膜制备技术已经趋于成熟，通过在光学器件表面制备单层厚度为0.25λ的多层薄膜，对波长λ的激光反射率可达到99%以上。针对复杂环境下，活动机构关键部位防护，美、日等国采用磁控溅射技术以及多弧离子镀技术制备金属掺杂二硫化钼（MoS2）和类金刚石（DLC）薄膜及氮化物薄膜，解决了极端环境下工件长寿命高可靠服役问题。在气相沉积装备方面，英国TEER公司开发的闭合场非平衡磁控溅射设备被广泛用于制备二硫化钼、氮化物等薄膜，荷兰Hauzer公司开发的多弧离子镀设备被广泛用于制备类金刚石（DLC）等固体润滑薄膜，并大量应用于国内外的宇航飞行器相关活动部件。

自从20世纪70年代中期以来，热障涂层（thermal barrier coating， TBC）已经成功用于燃烧室和其他热端部件的保护，最早将TBC用于航空技术方面的是美国NASA。 X-15先后创造了6.72 Mach和108 km的速度与升限的世界纪录。X-15的喷火管的TBC由NiCr金属粘结层和CaO-ZrO2陶瓷面层组成，这是人类历史上第一次将TBC技术用于人造飞行器上。在J-75叶片上使用的TBC由NiCrAlY金属粘结层和12Y2O3-ZrO2陶瓷面层组成，标志着现代TBC技术的开始。20世纪90年代末，普惠公司成功开发了第四代TBC，其热导率更低，这种先进的低热导率涂层在IHPTET研究计划第三阶段的JTDEXTE76验证机低压涡轮叶片上成功进行了试验验证。

国外热喷涂技术发展成熟，美国Praxair公司爆炸喷涂涂层的结合强度达150 MPa以上，对基体材料的热影响非常小，喷涂过程中基体升温不高于100℃。此外，Sulzer Metcois开发的超音速火焰喷涂装备被用于WC系列涂层的制备，其开发的装备也在全世界广泛应用。

2.1.2.6　树脂基复合材料成形

在运载火箭方面，DELTA Ⅱ 、 DELTA Ⅲ、DELTA Ⅳ火箭的级间段、头锥、整流罩、热防护罩均采用了复合材料结构，美国研制的“飞马座”火箭，IM7纤维增强结构复合材料占总结构质量的94%，被称为“全复合材料火箭”。在航天器方面，应用卫星和一些大型空间结构如国际空间站的支承桁架系统、日本ETS-1卫星的承力筒壳体、美国的海盗号飞行器天线系统和国际通信卫星Ⅲ号、Ⅳ号、Ⅴ号和Ⅵ号太阳电池阵结构能源系统所用结构材料也已基本实现了复合材料化。

纤维缠绕技术最早起始于20世纪50年代的美国，主要应用与航天航空及军用产品领域。美国和欧洲从20世纪70年代开始，发展自动下料、自动铺带、纤维自动铺放、自动缠绕等自动化制造技术，80年代第一台计算机控制的纤维缠绕机问世，使生产缠绕精度更高、形状更复杂的复合材料构件成为可能。 目前，树脂基复合材料制造全过程自动化程度越来越高，从干法预浸料生产、自动下料、自动编织、自动铺放到自动固化、自动装配，利用自动化制造技术提高了生产效率、成形精度、产品质量，降低了制造成本。

复合材料数字化技术已成熟应用。复合材料数字化技术主要包括设计制造数字一体化技术、成形工艺数字化模拟仿真技术、数字化加工技术与数字化装配技术。波音公司在JSF验证机设计制造中应用虚拟制造技术，JSF的前机身各部件和中机身、后机身、尾翼等各部件包括复合材料构件采用异地设计制造，它们的制造依据是同一个数字样机，只要取出零件数字化定义即可自动生成NC代码，加工便能一次完成，然后由合作伙伴在另外第三个地点成功地进行异地装配，整个设计制造过程出错率减少了80%。

图2-22所示为航天复合材料主结构示意图。

2.1.2.7　推进剂贮箱特种焊接

自运载火箭诞生以来，国外推进剂贮箱的结构材料已从第1代铝镁合金（5086和AMΓ6），第2代铝铜合金（2014和2219）发展到第3代铝锂合金（1460和2195）。其发展趋势是材料的强度越来越高、比重越来越轻，而其熔焊焊接性呈明显的下降趋势。国外贮箱焊接技术已由最初的钨极氩弧焊发展到变极性TIG焊接、变极性等离子弧焊和搅拌摩擦焊（FSW）等。从焊缝金属成形本质而言，已由最初的熔焊凝固结晶成形发展到固相塑性连接成形，从而使焊缝质量得到提高。美国NASA马歇尔宇航中心采用搅拌摩擦焊部分取代钨极氩弧焊工艺焊接航天飞机外贮箱。“能源号”芯级贮箱制造过程中筒段纵焊缝和法兰盘采用局部真空电子束焊接，环缝采用熔化极高频脉冲焊。阿里安5芯级推进剂贮箱采用了变极性TIG焊自动焊工艺。搅拌摩擦焊工艺由于其焊接过程固有的特点，在铝合金贮箱结构中有极好的应用前景。

图2-22　航天复合材料主结构示意图

美国航天企业在搅拌摩擦焊的应用方面同样走在了世界前列。1997年，波音公司委托英国焊接研究所（The Welding Institute， TWI）进行了全搅拌摩擦焊运载火箭燃料贮箱模拟件研制，并进行了爆破试验，验证了搅拌摩擦焊技术应用于火箭燃料贮箱的可行性。1997年12月瑞典ESAB为波音公司制造了第一台应用于航天结构件制造的搅拌摩擦焊设备。1998年波音公司引入了第二台搅拌摩擦焊设备，可焊接焊缝长度15.3 m，构件直径为2.1～6.1 m，主要用于Delta Ⅱ火箭燃料贮箱的制造。图2-23所示为搅拌摩擦焊设备。

图2-23　美国航天用搅拌摩擦焊设备

1999年波音公司在Decatur引入了垂直立式的搅拌摩擦焊设备，主要用于焊接5m直径的Delta Ⅳ型运载火箭的纵缝。采用上述设备，波音公司制造了Delta Ⅱ运载火箭4.8 m高的中间舱段纵缝，并于1999年8月17日成功发射升空。2001年，波音公司采用搅拌摩擦焊制造的液氧、液氢低温燃料压力贮箱也在Delta Ⅱ型运载火箭上成功发射升空。据波音公司报导，在Delta火箭的助推器和燃料箱的焊接过程中，采用搅拌摩擦焊技术焊接了长达2100 m的焊缝，焊接时间由原来的23天减少为6天，成本降低了60%。图2-24为波音公司采用全搅拌摩擦焊方法制造的Delta Ⅳ火箭的液氢贮箱。

图2-24　全搅拌摩擦焊制造的火箭燃料贮箱

在NASA，主要将搅拌摩擦焊应用于航天飞机外部助推燃料贮箱的制造，该贮箱直径达8.41 m。从1997年开始，洛克希德·马丁公司就开始对航天飞机外部超轻低温燃料贮箱材料2195以及2219铝合金进行FSW开发研究。洛·马公司制造航天飞机外贮箱的Michoud工厂利用现有工装设备，采用FSW方法成功焊接厚度16～20 mm、直径2m以上、长4.57 m的2195铝锂合金贮箱圆筒壳段。1998年，马歇尔宇航飞行中心引入了贮箱环缝搅拌摩擦焊设备，并实现了直径8.4 m外贮箱和Ares Ⅴ贮箱搅拌摩擦焊制造。图2-25所示为FSW制造的航天飞机外贮箱；图2-26所示为美国MSFC的贮箱FSW工装。

图2-25　搅拌摩擦焊制造的航天飞机外贮箱

图2-26　美国MSFC的贮箱FSW工装

从搅拌摩擦焊在航天制造领域的应用深度和广度而言，美国以NASA、波音等机构和企业为代表，走在了世界前列，也推动了全世界FSW在航天结构件制造中的应用进程。2009年9月日本首次成功发射的H-2B火箭，其贮箱的结构焊缝全部采用了数控搅拌摩擦焊，贮箱结构形位制造精度和焊缝质量均得到大幅提高。在欧洲，欧空局也进行了搅拌摩擦焊应用于火箭结构件的制造进行了研究，欧洲Fokker Space公司用FSW焊接Ariane 5发动机主承力框、贮箱缩比件。图2-27所示为日本H-2B火箭FSW贮箱；图2-28所示为欧洲Ariane发动机FSW主承力框。

图2-27　日本H-2B火箭搅拌摩擦焊贮箱

图2-28　欧洲Ariane发动机搅拌摩擦焊主承力框

2.1.2.8　箭体结构自动钻铆

当代飞行器制造技术的发展，对疲劳寿命、密封、防腐的要求越来越高，为了满足各类飞行器对各种性能的要求，飞行器制造领域发展了各种先进铆接技术，其中自动钻铆技术和电磁铆接技术就是其中的两个典型。

电磁铆接技术的优势体现于可以解决目前生产中大直径铆钉铆接、复合材料铆接、厚夹层铆接方面，而自动钻铆技术的优势在于不受人为因素影响，实现装配件的夹紧、钻孔/锪窝、涂胶、送钉、铆接等工作的自动化。美国电磁铆接技术的发展经历了三个阶段：第一阶段，即高电压电磁铆接阶段，从20世纪70年代到80年代中期，设备的工作电压一般为6000～10000 V；第二阶段，即低电压电磁铆接阶段，从20世纪80年代末到90年代初，设备的工作电压一般低于500 V；第三阶段，即自动化电磁铆接阶段，现在已开始进行计算机控制和低电压电磁铆接设备的工程化研究。新型的低压电磁铆接既保证了优异的干涉配合铆接效果，又大幅降低了手工铆接的劳动强度、噪声和后坐力，成为最具发展和应用前景的铆接新技术。低压电磁铆接技术的突出特色为：电磁铆接产生的干涉量均匀，质量稳定，铆接噪声小。如美国Electroimpact公司开发的一种11kg钻铆两用电磁铆枪铆接4.7 mm的普通铝铆钉时后坐力为35 kg，噪声不超过90 dB。此外，电磁铆接一次完成铆钉的成形，噪声的持续时间短，对人的影响远小于冲击铆。按等效连续噪声计算，电磁铆枪的噪声约为10 dB，远低于先进风动工具的35 dB等效连续噪声。在美国，电磁铆接属于低噪声铆接工艺，不需要劳动保护。美国、欧盟和俄罗斯等国家的箭体结构普通铆接技术（手工钻铆、锤铆和液压自动钻铆等）已被新兴低压电磁铆接技术所替代。

美国是最早发展自动钻铆技术的国家之一，早在20世纪50年代初就已在飞机铆接装配生产线上应用了自动钻铆机，经过60多年的发展，现在世界各航天航空工业发达国家都已广泛采用这项技术。美国Electroimpact公司是目前世界上最大的自动化紧固机制造商之一，20世纪90年代中期，将电磁铆接技术用于自动钻铆机，并开始计算机控制的低电压电磁铆接设备工程化的研究。为满足复合材料机身结构自动化装配，波音和美国EI公司联合研制了B787飞机机身第43段的复合材料整体筒体与钛合金框件的自动化装配系统。意大利的自动钻铆技术的研究起步则比较晚，但依托其强大的企业制造技术开发出了一种完全不同于GEMCOR公司产品的自动钻铆系统。德国在发展自动钻铆技术方面走的是另一条道路，在此项技术的应用与发展中，凭借其雄厚的资金、技术力量，一方面大量引进先进的自动钻铆系统和柔性装配系统，另一方面自己也积极研制开发高自动化的铆接装配系统。法国从20世纪80年代起开始进行国产化，是在从美国等国家引进了许多型号的自动钻铆机的基础上的，在国外推销比较多的产品是法国生产的自动钻铆机，型号为PRECA600和PRECA300，它的性能方面可以与美国的G300系统相当。

国外火箭壳体铆接技术已经发展到了较高水平，大量采用机器人柔性装配、自动化钻铆、自动化电磁铆接等技术，如美国航空航天局的航天飞机火箭推进器的中箱采用了自动钻铆装配技术。较为著名公司包括美国通用电气机械公司、EI公司、法国ALEMA公司、德国的GANTRY公司、意大利BISACH/CARRU公司等，相继为波音和空客研制的壁板自动铆接系统、半壳自动铆接系统等，成功应用于波音和空客的产品研制生产中。

2.1.2.9　火箭箭体总装与综测

图2-29　SpaceX公司Falcon9火箭装配箭体对接

美国是世界航天强国，其自动化装配技术已经在火箭总装中得到了广泛的应用。图2-29是美国SpaceX公司火箭总装图，整个火箭的各级筒段置于伺服调姿架车上，由多台激光跟踪仪测量系统形成对接过程的闭环控制，辅助总装的对接工作。在各级组合体装配完成后，再进行火箭整体测量以及相关的测试工作。肯尼迪宇航中心（John.F.Kennedy Space Center， KSC）的火箭组装配备141个吊索机构，吊装装配是其主要的工作模式。俄罗斯联盟号火箭的装配在局部采用了一些自动化装配手段，依然以手工装配为主，与美国相比仍有一定差距。此外韩国罗老号火箭已经针对火箭结构特点开发了相应的装备，利用测量手段形成闭环实现对接装配。

2.1.2.10　无损检测

无损检测技术的研究和应用在国外工业发达国家，尤其在航天航空等具有高质量、高安全、高可靠性要求的工业部门，一直受到高度重视。20世纪80年代初期，美国政府就将无损检测技术列为支撑其科学技术进步的八项关键支撑技术之一。 目前，国外工业发达国家已形成较为完善的无损检测基础理论、技术及其工程化应用研究体系，而且基本实现无损检测技术与材料、工艺研究和产品研制同步协调发展。具体表现在以下几个方面。

（1）积极开展无损检测基础研究工作，使新的检测原理不断转化为检测技术，如THz波成像、微波成像、红外热成像、超声相控阵、超声TOFD、激光超声、电磁超声以及空气耦合超声等均有应用于航天产品检测技术研究的报道。这些新技术的发展和应用，不仅扩大了无损检测技术涉及的专业领域，还拓展了无损检测的应用范围，为新材料新结构产品的检测提供了更多的技术手段和方法。

（2）与快速发展的计算机技术、自动控制技术、现代信号处理技术、工艺仿真技术等有机结合，使得自动化、图像化和数字化的无损检测技术得到普遍应用。例如，超声自动扫描成像检测技术、数字化超声检测技术、射线实时成像检测技术、工业CT检测技术、数字化射线成像检测技术、涡流成像检测技术等。这些先进技术的应用大幅度提高了无损检测效率、检测结果的直观性和无损检测可靠性，为实现定量无损检测奠定了技术基础。

（3）与材料、工艺研究紧密结合，针对具体材料和产品结构特征深入系统地开展了无损检测技术研究，综合性的无损检测技术方案在产品检测中得到大量应用，并形成了比较系统和相对完善的检测方法标准和评定标准体系。

（4）注重无损检测实验室的建立，国外各大宇航、航空公司如波音、雷锡恩和NASA等都建立了无损检测实验室，拥有一大批国际一流的专业技术人才和研究设施，拥有大量的专利和其他各种形式的技术成果，为这些公司在解决无损检测技术的工程化应用以及争取各项军品合同方面起到了非常重要的作用。

图2-30所示为波音公司自动无损检测设备。

图2-30　波音公司自动无损检测设备