航天最大的火箭总装厂:以创新为翼 赋能航天制造“三高”发展

航天最大的火箭总装厂:以创新为翼 赋能航天制造“三高”发展

“行之力则知愈进,知之深则行愈达。”纵观我国航天事业63年发展,航天发展史就是一部创新发展史,唯有创新,才能行稳致远。

中国航天科技集团有限公司第七次工作会议作出建设航天强国的战略部署,一院启动全面深化改革,支撑航天强国战略落地。

一院首都航天机械有限公司作为航天最大的火箭总装厂,高擎引领航天制造业的大旗,以创新制造理念为翼,推动“三高”发展,在建设中国航天智能制造领军企业的同时,推动航天制造技术的持续进步。

211厂卓越公司生产现场

211厂运载火箭总装现场

先进制造 卓越航天

运载火箭进入空间的能力有多大,航天的舞台就有多大。作为我国最大的运载火箭总装厂,首都航天机械有限公司全面打破国外严密技术封锁,构建相对完整、科学的运载火箭制造技术体系。国家国防科工局探月与航天工程中心曾评价该厂“实现了箭体结构制造技术的跨代发展”

面向型号需求,首都航天机械有限公司以问题为切入点,搭建箭体结构关键技术体系,破解氢氧发动机制造效率难题,推动火箭制造技术实现重大跨越。

贮箱是火箭箭体结构的主要组成部分之一,其制造技术是影响火箭运载能力的核心技术。首都航天机械有限公司确定了“大尺度构件形性精确制造,部段精准装配与高品质连接”的总体技术路线,持续发力。

首都航天机械有限公司从1997年开始密切关注搅拌摩擦焊技术的发展,在无设备、无技术、无标准的“三无”形势下,迎难而上,先后承担了3项搅拌摩擦焊接国防基础科研课题,2004年成功焊接国内首个模拟贮箱,2009年正式应用到长三丙火箭飞行试验中,首次实现国内贮箱搅拌摩擦焊接的工程化应用。

22年间,首都航天机械有限公司牵头制定了5项搅拌摩擦焊接行业标准,填补国内空白;建立高强铝合金搅拌摩擦焊接“工艺-质量-装备-标准”技术体系;使贮箱焊接后接头无损检测一次合格率达到100%,接头性能提高了30%。2015年,新一代运载火箭贮箱制造技术团队被评为国家重点领域创新团队;2017年,团队负责人获英国TWI布鲁克奖。

贮箱制造中的另一个重要工艺环节是铆接蒙皮框。2013年3月7日,首都航天机械有限公司采用自动铆生产的第一块壁板试验件成功下线,有效提升了产品一致性,而且大幅降低了劳动强度。此后,首都航天机械有限公司持续发力,先后攻克现役火箭全线壁板、3.35米和2.25米级筒段产品自动铆接等难题。2018年,该厂实现外梁结构一级后过渡段自动铆,向实现全箭自动铆接迈出重要一步。

今年3月,首都航天机械有限公司成功研制国内首个带过渡环的整体旋压成形箱底,标志着该厂正式掌握直径3.35米箱底的整体化制造技术。这种制造技术省去了瓜瓣、顶盖和大型过渡环多道制造环节,工序由18道减少到7道,破解了传统工艺制造链条长而带来的生产瓶颈问题,效率提升和成本控制十分可观。同时,由于箱底没有焊缝,质量可靠性也得到大幅提升。

在氢氧发动机方面,2019年,首都航天机械有限公司从可靠性和效率效益出发,全力开展工艺改进。针对推力室沟槽内壁槽加工,实现在机自动化测量补偿加工和铣削防变形装夹,壁厚合格率由30%提高至100%;实现大氢氧发动机导管由纯手工焊接向全位置自动焊转变,导管质量一致性得到显著提高。

引领航天制造业,还需要不断瞄准前沿技术。首都航天机械有限公司着眼未来技术发展,提前启动研究应用,抢占技术高地。

2018年9月,首都航天机械有限公司第一次将3D打印技术用到火箭主承力件上,生产长征五号芯级捆绑支座,并通过全部基础性能考核,开创了国内航天先例。

3D打印技术成功制作长五捆绑支座

3D打印又名金属材料增材制造技术,特别适用于难加工材料及复杂结构件的快速制造。2013年起,首都航天机械有限公司正式启动3D打印技术研究工作,先后取得以航天首个掌握技术、引进首台设备、实现首个规模化应用为代表的研究成果。2015年,该厂获批航天领域首个增材制造国防973课题。目前,该厂已全面掌握了行业应用最广的激光选区熔化、激光熔化沉积、电弧增材制造3个关键技术,实现航天产品中尺寸、精度、功能研制需求全覆盖,并在航天服、长五、长七以及各型号上开花结果。2017年,该厂建成集团公司首个3D打印厂房,至此该厂航天3D打印技术正式进入量产时代。

2017年,该厂开始探索3D打印技术产业化发展模式,并与航天投资控股有限公司深入对接,通过外部融资,推动航天3D打印技术迈向产业化。

3D打印技术的应用,体现了首都航天机械有限公司制造技术的大胆探索,而重型运载火箭的研制,则代表了航天先进制造技术的最前沿。

重型运载火箭的贮箱尺寸成倍放大,对焊接技术提出了更高要求。2017年,首都航天机械有限公司在现有搅拌摩擦焊技术研究的基础上,着手技术升级,开展双轴肩搅拌摩擦焊基础试验研究。从2018年开始,该厂先后实现筒段环缝和纵缝的工程验证应用,均为航天首创。

重型运载火箭瓜瓣比现役运载火箭大2倍多,国内现有成形设备已无法满足研制需求。蠕变时效成形技术在大尺度和复杂曲面薄壁结构高精度高性能制造方面显现出巨大优势。2016年,首都航天机械有限公司联合设计部门和高校进行攻关,突破2219铝合金蠕变时效特性研究等关键技术。2018年,该厂开展了重型运载火箭关深阶段贮箱原理样机瓜瓣配套生产研制,并成功完成首件重型运载火箭瓜瓣蠕变成形,实现蠕变成形技术在大型瓜瓣研制中的应用。

近年来,首都航天机械有限公司获国家科学技术进步奖特等奖1项,《变截面薄壁空间曲线螺旋管束式喷管自动化焊接技术及装备》《新一代运载火箭箭体结构制造关键技术及装备》获国家科学技术进步奖二等奖。另外,该厂申请的“运载火箭贮箱总装环缝搅拌摩擦焊接的卧式装备方法”喜获2018年第二十届中国专利金奖。

贮箱总装环缝搅拌摩擦焊接系统

数字制造 智能航天

今年7月26日,集团公司党组书记、董事长吴燕生赴首都航天机械有限公司下属产业子公司——卓越公司调研,在了解ERP系统建设后,他高兴地说:“这是我几十年来想干的事,没想到在这里实现了。”

自2012年开始,首都航天机械有限公司开始绘制数字化工厂建设蓝图,驱动航天制造向航天“智”造转型。2019年,该厂明确了建设中国航天智能制造领军企业的战略发展目标。

被称为企业“经营大脑”的ERP系统,能够监控成本发生的全过程,让管理更加精细化、透明化。

员工使用ERP系统进行工序报工

首都航天机械有限公司选择卓越公司为试点单位,推行ERP系统建设应用。按照一院改革要求和规划,卓越公司成立于2015年5月,主要承担零件加工任务。

面对竞争激烈的市场环境,卓越公司把以ERP为代表的信息化工作列为发展战略重点,聚焦成本管控,开发完成了一套包括销售管理、采购管理、库存管理、原料等11项资源集成的系统,成功搭建企业成本数据流。今年6月,卓越公司ERP系统建设完成,从一项任务合同签订到产品最终交付,全流程成本数据尽在掌握中。

“我们可以利用这个系统管控生产过程,发现生产的实际成本可能超过预计成本时,及时调整管理方式,控制成本。”一位中层管理人员介绍。

在数字化工厂整体规划的牵引下,基于强大的信息化集成能力基础,首都航天机械有限公司本级数字化生产线建设也成果喜人。

数字化生产线的立体库和AGV小车

2018年,作为泵阀生产线的一个示范加工单元,首都航天机械有限公司机器人上下料系统正式投入使用。该系统可实现约30种轴类、盘类零件数控加工过程中的自动化上下料,加工过程实现“无人管理”

2019年年初,首都航天机械有限公司以舱体壳段智能加工为代表的多条数字化示范生产线建设完成,突破了机器人无人值守、自动仓储物流、生产制造执行等一系列数字化制造关键技术,开发了以MES系统为代表的具有自主知识产权的软件系统,带动产能大幅提升。

早在2012年,MES系统就在首都航天机械有限公司1车间正式上线。它实现了开工与完工、工时管理、历史数据查询等多功能应用,是管理者指挥生产线的智能助手。此外,车间还搭建了ICS工业控制平台,实现数控设备与MES系统互联,打通车间生产动态信息连接的“最后一公里”。

清华大学未来实验室数字化先进制造中心主任马兆远曾评价1车间的MES系统为“可与国际一流MES平台比肩”。

今年4月,首都航天机械有限公司自动浸胶生产线建设完成,实现化铣产品的批量性浸胶生产,生产效率提升3倍之多。自此,手工涂胶的作业方式成为历史。

今年10月,首都航天机械有限公司ERP系统中的成本采集和库存采集模块全部开发完成,进入试运行阶段,初步具备了基础成本费用及原材料等库存的电子化采集能力。

首都航天机械有限公司抓住信息化、智能化、网络化融合发展的契机,为产业发展提供新动能。未来,该厂还将朝着关键工序数控化率65%以上、数控设备联网率90%以上、数字化生产线率达到50%以上的智能化目标迈进。

绿色制造 美丽航天

实现工业绿色安全发展,是每个企业的社会责任。首都航天机械有限公司密切关注环保、安全制造技术的迭代,实现企业经济与环境的和谐发展。

中国载人航天工程开创者之一王永志院士曾提出:“新型火箭要符合无毒无污染的现代环保理念。”因此,首次使用无毒无污染燃料的新一代运载火箭长征五号、长征七号,也被誉为绿色火箭。作为火箭总装厂,首都航天机械有限公司将绿色制造落实到新一代运载火箭制造工艺中。

“钣金不敲、焊接不补、铆接不响”,这是该厂创建子公司天津火箭公司之初的一个制造目标。因新一代运载火箭而生的天津火箭公司,在运载火箭研制之初,就将更加绿色环保的机械铣技术应用到贮箱壁板生产中,避免大量酸碱废液的排放。

相比于年轻的天津火箭公司,首都航天机械有限公司在南苑厂区应用绿色制造工艺,既要克服工艺替代的困难,又要保证大量现役型号的按时保质生产。但是这依然没有挡住该厂推广绿色制造技术的决心。2019年6月12日是现役运载火箭贮箱液压试验工序“跨时代”的一天。这天,已经“服役”50年之久的重铬酸钾溶液彻底退出历史舞台,贮箱液压试验用的液体改用纯水。

重铬酸钾溶液一直是液压试验的首选液体。但是,其中六价铬浓度高达排放标准的8000倍,一旦泄漏将对环境造成重大污染。为此,首都航天机械有限公司从2018年开始,克服任务洪峰考验,开始研究液体替代方案,并于2019年成功实现应用。从此,该厂贮箱液压试验改为纯水试验,对环境的污染风险降为“零”。

在首都航天机械有限公司,绿色制造的理念深入各项生产环节。在筒段制造中,该厂用搅拌摩擦焊和镜像铣代替原有的熔焊和化铣,减少环境污染,降低能耗;自动铆代替手工铆接,噪音由130分贝降低到40分贝,实现绿色铆接生产。

安全制造,也一直在路上。首都航天机械有限公司在零件清洗中改用新型清洗剂,替代传统汽油清洗,消除安全隐患;提出采用立式空气淬火炉等新型空气循环电炉替代硝石槽热处理的方案,将于2023年前消除硝石槽重大安全风险;通过部装与总装分厂房生产、引入自动化作业辅助装备、升级改造远郊厂区各厂(库)房工业监控系统等措施,减少人员操作数量,消除10人以上危险作业场所。

航天制造,国之重器。随着技术的发展,长征系列运载火箭将面临全面升级换代,我国运载火箭制造水平将再次实现新跨越。站在新起点上,首都航天机械有限公司将不忘初心、牢记使命,发动创新的强大引擎,在建设中国航天智能制造领军企业、助力航天强国建设的征程上阔步迈进。

文/宁丽红

编辑/贺喜梅 张晓帆

监制/许斌

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