目前,由我国自主研发的一套航天器协同设计系统已经全面应用到航天制造当中。航天器从研发设计到生产试验,全部采用包括全三维建模的数字化手段,告别了过去的图纸。
同时,这套系统还集成了虚拟现实和增强现实,也就是VR和AR等新技术,逐步提升研制效率和可靠性。近日,我们的记者走进我国航天器的研制试验区,一块儿来看看这些新技术是如何应用于航天制造的。
总台央视记者 王世玉:这里是航天科技集团五院的卫星的总装测试厂房,在我手上的是一个用来辅助装配的AR眼镜。我们大家都知道AR就是增强现实,也就是说当我戴上这个眼镜,我看到的卫星就不再单单只是这个卫星。
总台央视记者 王世玉:我现在戴上之后实时看到的画面会显示在我右手边的这个屏幕上。
总台央视记者 王世玉:那么我们也可以看到它能看到卫星上电缆的走向和位置。我现在看到的这跟电缆就是它未来装配的时候要安设的位置。同时我换到不同的角度,就能看到这跟电缆在不同的舱段之间是如何的一个走向。通过这样的方式就可以大幅度地节省工作人员装配的时间,提高装配的效率。
总台央视记者 王世玉:我就是有一个立体感,我感觉就我不用去捋这根线怎么样,我直接跟着它走就行了。
航天科技集团五院总装与环境工程部总装技术专业总师易旺民:对,这也是我们增强现实的一个最大的优势,就能把立体信息给直观地展示出来,不像我们的平面图纸这种传送信息很难展示出来的。
过去航天器在总装时,研制人需要一边对着图纸,一边看着卫星进行装配。同时由于图纸都是平面的,很难知道电缆或是接口在空间的位置,因此要花费大量的时间对照、校准。而现在,研制人员只需要按照AR眼镜里展示的信息执行,效率提升了一倍。
航天科技集团五院总装与环境工程部总装技术专业总师易旺民:我们现在看到的我们新飞船(试验船)上的电缆,90%都是用这种方式来进行铺设的。以前一个人半天可能铺设一根到两根电缆,现在可以说我们半个小时就能铺设一根。
航天科技集团五院总装与环境工程部星船总体装配高级技师 侯隽:基本上还是挺吻合的,然后反正一对一地呈现在我面前照着铺下来就行了,可以说正确率是非常高的。
据了解,这套设备已经应用在包括载人飞船、导航卫星、通信卫星等几十个卫星型号的装配当中。随技术不断成熟,增强现实后的信息与卫星本身的匹配精度也慢慢变得高。通过AR眼镜看到的位置与实际位置的误差在5毫米以内,足以满足操作人员准确执行装配工作。
除了刚刚看到的AR眼镜,记者还在这间总装测试厂房里找到了一台3D激光投影仪。那么,它又有什么用处呢?
这台激光投影仪在卫星上投映出高亮显示的设备外形轮廓,上面的字母和数字代表着设备的代号。也就是说,操作人员只应该要依据提示在投映出的位置安装上相应的设备。而过去,他们要频繁地根据三维模型和实物确认设备的位置和方向。
航天科技集团五院总装与环境工程部研究员 傅浩:我们的这一个投射就是在密集的设施安装过程中,它就可以直接一次能够把所有的设备投射出来,然后就能够很快地能完成所有设备的位置的确定和方向的确定,能快速地实现装配。
总台央视记者 王世玉:我现在看下面(没有投射出来)这些是因为已经装完了?
航天科技集团五院总装与环境工程部研究员 傅浩:这就是我们投射完了之后装完的效果。如果我要是底下这些没有的话,它也会出来一块全投出来的,它就能够把它全部都有绿的显示。
由于卫星部件的装配要求极其严苛,因此激光投影的投射结果误差要控制在1毫米以内。同时,这台激光投影仪还能够最终靠捕捉卫星上的靶标点,来确定自己和卫星之间的关系。这样即便是无意当中移动了投影仪的位置,它也能自动调整找回基准位置,保证投射的位置准确无误。
航天科技集团五院总装与环境工程部研究员 傅浩:像这么一个庞大的航天器上设备在几百台,我们还有很多的支架要安设。所以说这台3D激光投影系统的应用场景还是比较多的。这个会有一倍效率的提升。
除了航天器的研制之外,新一代运载火箭的设计、研发和生产制造同样需要高科技的助力。这其中最具代表性的就是我国运载能力最大的火箭——长征五号。它的零部件总数超过10万个,整体工作量是以往火箭的3.5倍左右。因此,在长征五号火箭的研制过程中,数字化技术方法功不可没。
总台央视记者 王世玉:这里是中国运载火箭技术研究院,我们现在看到的是一套沉浸式的虚拟现实的演示系统。在我旁边的大屏幕上显示的是长征五号火箭的一级尾段,这两个就是火箭发动机的两个大喷管。我们现在可以放大,进去,就能够正常的看到整个火箭一级尾段里面的管路和关键设备。如果我现在戴上我手上这个3D眼镜,就好像置身在了这个火箭的内部,有一个沉浸式的体验。
航天科技集团一院、总体设计部数字化主管设计师 郭逸婧:你现在就跟操作工人一样,你就已经进到了火箭尾段的里面。
这套VR系统还能够在一定程度上帮助研制人员针对各种突发情况迅速制定和验证解决方案。2019年,长征五号遥三火箭的大推力氢氧发动机在交付总装时,火箭其余部分已完成了总装起竖。如果按照常规方式,火箭要重新放平、更换发动机后再重新起竖。这样工作周期太长,将极度影响接下来的发射计划。于是,研发团队决定首次在垂直状态下更换5米大直径发动机,这套系统就派上了大用场。
据了解,研发团队正在开发屏幕更大、体验更真实的VR数字化系统,为后续型号的研制奠定基础。
刚刚介绍的VR、AR等高科技,都是基于目前全三维建模技术的快速发展。有了精细的三维模型,才可以在一定程度上完成航天器的智能生产和制造,进而缩短研发周期。
据了解,由于新一代载人飞船试验船的研制周期受限,研发团队不得不选择用仿真模拟的方式替代部分地面试验,这就对仿真的结果要求极高。研制人员向记者展示了新飞船试验船在发射之前的几项仿真结果,包括研制时的三维设计模型、⻜⾏任务规划、返回再入的完整过程等等,这些结果与最终试验船的状态高度吻合。
航天科技集团五院载人航天总体部载人星际探测研究室副主任 郝平:现在数据来进行了比对,包括我们最后的一个伞也是都很完好无损的。因为如果数据差别比较大的话,最明显的可能就是伞破了,或者是过载过大。我们传感器相关的数据都表明我们的设计和仿真是基本上还是吻合度很好。
此外,研制人员还通过全三维仿真模拟出了未来新飞船的居住环境。包括对航天员在舱内会进行的穿脱航天服、座椅折叠等动作都进行了仿真模拟,才呈现出了眼前充满科技感的设计。
航天科技集团五院信息化总师 王建新:我们实际上给型号研制队伍提供一个环境,提供一套方法。我们把这些新技术介绍给我们的设计人员,他们结合他们的产品的研制,这就跟国家老是说的信息技术和工业要相互融合,实际上就是这么一个关系。
专家介绍,过去设计人员都是各自设计各自负责的部分,最后整合在一起。这对于实现整体的最佳方案有所局限。而现在,有了数字化、信息化手段,各系统从设计之初就可以共同讨论,互相融合,达到整体设计的最优标准。
航天科技集团五院信息中心主任 谢政:它是依托于我们目前五院的就是先进的安全的软件,大家一起在同样一个模型开展工作。有网络环境,有硬件设施,有软件体系,包括还有一套设计的我们的理念,不仅是(实现)互通,而且还可提升你的能力。
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