航空航天制造技术及设备的现状与发展趋势

航空航天制造技术及设备的现状与发展趋势

摘要：航空航天制造业是一个比较新兴的领域，我国进入航天领域的时间比较晚，在发展过程中更是遇到了人才不足、技术封锁的各种问题，但我国克服了难题，加大对航天领域研究的投入，摆脱了西方发达国家垄断的局面，取得了突破

式的进步。在新时代新时期，航空航天制造业的发展仍然十分重要，西方国家在

该领域的研究更是日益激烈，因此本文对航空航天制造技术及设备的现状进行基

础性研究，分析归纳出其所处阶段的主要特点，并指出其发展状况，为航空航天

领域作一个简单的科普。

关键词：航空航天制造技术；设备；现状；发展趋势

1航空航天制制造业特点及要求

1.1跨学科性强，是衡量国家综合国力的标准之一

航空航天业的发展依赖的是一完整的产业链条，其中涉及的技术主要有喷气

推进技术、材料加工制造技术、电子技术、自动控制理论和技术等，上述学科在

航空航天领域应用的同时也在发生着交叉融合与渗透，并衍生出了一些新的学科。载人航天是航空航天技术的最前沿，21世纪初我国发射的几颗“神舟”系列无人实

验飞船为我国载人航天技术的发展提供了宝贵的实验数据。

1.2以创新为驱动，技术性强

创新是航空航天技术发展的重要推动力，该技术的发展过程中体现出明显的

创新主体多元化趋势，即形成以相关企业为核心、政府为主导、科研机构和院校

为技术依托的创新主体，推动各种技术的发展和应用，同时推动我国航天产业竞

争力的逐步提升，向更高层次和更深领域发展。

1.3服务于其他行业建设

航空航天技术的应用不仅仅在于发射卫星、宇宙飞船来探测外太空，更重要

的是其衍生的科学技术价值，例如用于数据通讯的通信卫星、可提供全天候导航

服务的卫星、用于监测各种地球资源的卫星、监测气候变化的气象卫星等，服务

于国民经济建设发展的各个行业。

1.4航天业的发展对技术要求越来越高

为保证我国的制空权，并在激烈的国际竞争市场中占据强有力的优势，对航

天器设备零件的创新研发和应用成为了必要条件。例如，航天器承力构件对焊接

技术的要求较高，需要真空电子束焊、惯性摩擦焊等先进焊接技术；动力装置对

精度要求、器件表面形态极为苛刻，需采用一些特种加工技术；而鉴于航天器整

体性强的特点，对各种零器件、设备系统间的配合关系要求也较高。

2航空航天制造技术及设备发展趋势

2.1加强新材料的研发与应用

构成航空航天器的材料有其特殊性，对性能和特殊环境下的稳定性要求非常高。近年来，航空航天材料已经成为材料学中一个富有开拓性的分支学科，具体

来讲，航空航天器在穿越大气层的过程中会产生非常高的温度，而外太空对材料

则由更高的要求，因此航空航天材料不仅仅要具有优秀的耐高温和耐低温性能，

还要有较强的抗腐蚀性，以适应外太空的特殊环境。航空航天材料的发展主要取

决于材料理论的进步、材料加工工艺的发展以及材料性能测试技术的进步三个方面，只有当这三个方面都发展到一定程度以后新型材料才能应用于航天材料中。

2.2整体制造技术

现代航空航天产品设计中，广泛采用了先进的整体结构设计和整体制造法，

有效减少了各种定位和连接。如飞机发动机中的整体叶盘加工技术将叶片和轮盘

设计成整体结构，省去了传统连接中的榫头等结构，使发动机结构简化、重量减轻、零件数减少，并避免了榫头气流损失，提高了发动机的推重比和可靠性。第

三代、第四代军用飞机均大量采用整体结构设计和整体制造法，飞机零件数减少40%以上，使原来的加工、装配等多道工序简化为一次完成，提高了生产效率，

生产周期从几个月缩短到几周，大大降低了飞机寿命的使用成本，增强了飞机的

可维护性和保障能力。

2.3先进成形技术

先进成形技术代表着成形技术的发展方向，对国民经济的发展和国防力量的

增强有着重要的作用，一直受到世界各国制造业的高度关注。先进成形技术在航

空航天领域的应用主要表现在大型金属结构件或整体薄壁结构件的复合成形上面。整体薄壁结构件主要结构由侧壁和腹板组成，其基本特点是结构简洁、加工余量大、相对刚度较低、加工工艺性差和尺寸大，在切削力、切削热、切削振颤等因

素的影响下，易发生加工变形。针对整体壁板成形的难题，国际上发展了时效成

形技术和激光喷丸成形技术。时效成形是利用合金材料在时效温度下蠕变而产生

应力松弛的特性，对试件弹性加载获取初始变形，并通过施加恒定载荷保持试件

的变形及在恒温中放置一段时间。在这一过程中，部分弹性应变逐渐转化为蠕变

应变，且材料内的应力水平会随时间的增长而降低，从而达到成形的目的。时效

成形技术在我国尚未工程化应用，是我国新一代飞机尤其是军用飞机研制上需要

突破的重要课题。

2.4高速数控加工与切削技术

现代航空航天产品（尤其是航空产品）中大量采用了整体结构件，且多为复

杂结构及薄壁结构，高速数控切削加工已成为此类构件机械加工最重要的手段。

高速数控切削加工相对于低转速、小进给、大扭矩的传统切削加工，具有高转速、高进给、小切削负荷的特点，在整体结构件切削加工中，可减少加工时间60%～80%，进给速度提高5～10倍，材料去除率提高3～5倍，刀具耐用度增加70%，

切削力降低30%以上，表面粗糙度减小，工作温升低，热变形及热膨胀减小，非

常适合于航空航天产品复杂薄壁整体构件的切削加工。

2.5超精密加工技术的应用

超精密加工技术在航空航天中的应用能够提升航天器性能和质量，并提升航

天器组装过程的效率。随着探测任务对航天器要求的提高，超精密加工技术也亟

待进步和发展。例如超精密偶件加工和超精密异型零件加工中对表面粗糙度、加

工精度都需要精确到微米甚至纳米级；另外，对于硬脆材料的研制和加工，则需

要运用诸如超精密研磨、离子束抛光等来提高加工表面质量。美国Frankfurt 氩离

子束抛光火控系统中采用的高精度非球面镜，精度能够达到0.02λ。不仅仅是国

外兵工厂，我国许多院校在材料加工工艺的创新上也有不小的突破，例如哈工大

对陶瓷、单晶硅、KDP 警惕等的塑性域加工实验，获得了3.17nm 的表面质量；

上海交通大学利用数学工具（主要是有限元建模和分析）对硬脆材料进行了力学

分析，吉林工业大学利用塑性域磨削技术在单晶锗上切出了粗糙度6nm 的表面等，说明我国材料加工技术已逐渐成熟，但缺乏在相关设备装置上的应用，因此要加

强产学研一体化建设以促进科技成果的转化，为航空航天技术进步创造条件。

2.6数字化柔性装配技术

飞机装配是飞机设计制造中的一个特殊环节，共分为组件装配、部件装配和

飞机总装配三大部分。迄今为止，飞机装配技术已经历了从人工装配、半自动化