超硬材料網(wǎng)

       隨著商業(yè)航天產(chǎn)業(yè)的興起，更多商業(yè)公司嘗試采用工業(yè)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)化零件，以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的專用零件。

       在商業(yè)航天領(lǐng)域，一個(gè)根本性的問題始終挑戰(zhàn)著工程師們的創(chuàng)新極限：將工業(yè)級(jí)組件應(yīng)用于太空的極端環(huán)境，是否真的可行？

       民營衛(wèi)星企業(yè)銀河航天與學(xué)者李俊陽在諧波減速器方面的合作經(jīng)歷，給出了肯定的答案。李俊陽是重慶大學(xué)機(jī)械傳動(dòng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副教授、重慶精剛傳動(dòng)科技有限公司董事長(zhǎng)。

       諧波減速器，作為一項(xiàng)精密的機(jī)械裝置，對(duì)于航天衛(wèi)星太陽翼、天線等核心單機(jī)的關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)至關(guān)重要。然而，在傳統(tǒng)航天領(lǐng)域，諧波減速器因需滿足極端太空環(huán)境中的高可靠性和長(zhǎng)壽命要求，不得不采用昂貴的金剛石材料進(jìn)行特殊處理，導(dǎo)致成本居高不下。

       但銀河航天和李俊陽通過合作提出了一種創(chuàng)新的工業(yè)設(shè)計(jì)理念，他們重新設(shè)計(jì)了齒輪的接觸面，并優(yōu)化了材料及潤滑方式，成功開發(fā)出了成本僅為傳統(tǒng)航天減速器一半的新型諧波減速器。

       作為一家商業(yè)性質(zhì)的衛(wèi)星制造商，銀河航天，成立6年來已成功發(fā)射8顆低軌寬帶通信衛(wèi)星。公司主業(yè)是研發(fā)和制造商業(yè)衛(wèi)星，最終目標(biāo)是為商業(yè)用戶提供衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)。

       銀河航天機(jī)熱能源部部長(zhǎng)楊巧龍對(duì)經(jīng)濟(jì)觀察報(bào)表示：“在航天產(chǎn)品的發(fā)展歷程中，衛(wèi)星從一個(gè)專門為航天任務(wù)設(shè)計(jì)和制造的系統(tǒng)，逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)更加商品化的產(chǎn)品。這個(gè)轉(zhuǎn)變的過程涉及了零件的標(biāo)準(zhǔn)化和成本效益的考量。”

       具體來說，傳統(tǒng)的衛(wèi)星制造往往依賴于專門設(shè)計(jì)的零件，這些零件是為了滿足太空環(huán)境中極端條件的特定需求而制造的。但隨著商業(yè)航天產(chǎn)業(yè)的興起，更多商業(yè)公司嘗試采用工業(yè)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)化零件，以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的專用零件。

       李俊陽認(rèn)為，中國工業(yè)體系擁有大量資源，可供航天企業(yè)開發(fā)利用。“通過適當(dāng)?shù)募夹g(shù)升級(jí)和調(diào)整，工業(yè)級(jí)零件不僅能滿足太空環(huán)境中的真空、高低溫等特殊需求，還能顯著降低成本。這一探索為商業(yè)航天產(chǎn)業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新和成本控制開辟了新途徑。”

       突破成本瓶頸

       作為一家商業(yè)航天公司，銀河航天的目標(biāo)是通過實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星的低成本制造和大規(guī)模生產(chǎn)來獲得市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。在這一過程中，成本控制成為了銀河航天的重要手段。

楊巧龍稱，一個(gè)傳統(tǒng)航天諧波減速器的成本可高達(dá)數(shù)萬元人民幣，這對(duì)任何商業(yè)航天公司來說都是一筆不小的開支。

       2021年，銀河航天的工程師們認(rèn)識(shí)到，要實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星的低成本量產(chǎn)，就必須對(duì)衛(wèi)星上的一些關(guān)鍵但成本高昂的組件進(jìn)行替換或改進(jìn)。

       諧波減速器作為一種精密的機(jī)械部件，它內(nèi)部的波發(fā)生器、柔輪和剛輪相互配合，能夠?qū)崿F(xiàn)高減速比和強(qiáng)大的扭矩傳遞。這一特性對(duì)于精確控制衛(wèi)星結(jié)構(gòu)件，使其能夠按照需求進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)非常關(guān)鍵。

       但其生產(chǎn)成本非常高昂。為了確保在極端太空環(huán)境中的高可靠性和長(zhǎng)壽命，航天研究人員通常會(huì)在諧波減速器的關(guān)鍵部件表面鍍上一層類似金剛石的膜，從而提高部件的耐用性。這種昂貴的金剛石材料的使用，顯著提高了產(chǎn)品的整體成本。因此，傳統(tǒng)衛(wèi)星上使用的諧波減速器的成本可高達(dá)數(shù)萬元。

       楊巧龍稱，公司的工程師們有一個(gè)主意：能否運(yùn)用工業(yè)設(shè)計(jì)思路來解決航天場(chǎng)景的問題。

       楊巧龍稱，諧波減速器在工業(yè)領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，并且已成為標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品。這表明，它在技術(shù)和生產(chǎn)方面已經(jīng)相當(dāng)成熟。他們認(rèn)為，工業(yè)領(lǐng)域的設(shè)計(jì)思路和制造經(jīng)驗(yàn)有潛力被借鑒到航天領(lǐng)域。這樣的跨界應(yīng)用，可能會(huì)為解決航天諧波減速器的高成本問題提供新的思路。

       2021年底，銀河航天開始尋求與航天領(lǐng)域之外的供應(yīng)商進(jìn)行合作，在搜尋過程中，發(fā)現(xiàn)了李俊陽的一篇博士課題論文。該論文與諧波減速器和航天密切相關(guān)。于是，銀河航天便找到李俊陽并提出了需求。

       “接到銀河航天的需求后非常激動(dòng)，因?yàn)槲业牟┦空撐恼n題正是與空間應(yīng)用諧波減速器相關(guān)。”李俊陽將多年做國家項(xiàng)目積累的諧波減速器技術(shù)應(yīng)用到工業(yè)機(jī)器人場(chǎng)景上，并形成了產(chǎn)品的批量銷售。

       工業(yè)與航天的融合

       李俊陽的確想到了一個(gè)可行的方案：借鑒工業(yè)諧波減速器的研發(fā)思路，通過精確的齒廓設(shè)計(jì)與修形技術(shù)來改善齒輪的嚙合，減少摩擦，從而省去傳統(tǒng)上在齒輪表面鍍膜來減少磨損的工藝，使得整體結(jié)構(gòu)件成本大大降低。

       但是，他也意識(shí)到，太空使用的工況環(huán)境與工業(yè)截然不同，航天對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量和耐用性有著更為嚴(yán)苛的要求。“如何在更改設(shè)計(jì)的情況下保證產(chǎn)品的穩(wěn)定性和可靠性，這是很有難度的。”

       為了滿足這些要求，李俊陽利用自己實(shí)驗(yàn)室的設(shè)備條件，針對(duì)太空中可能遇到的極端條件，如高真空、寬溫度范圍、微重力等等環(huán)境的影響，對(duì)減速器進(jìn)行了一系列的技術(shù)驗(yàn)證和測(cè)試。

       經(jīng)過兩年時(shí)間，李俊陽與銀河航天公司共同開發(fā)出了新型的諧波減速器，比傳統(tǒng)航天減速器便宜了超過一半的價(jià)格。

       2023年7月，搭載著這款新型諧波減速器的靈犀03型號(hào)衛(wèi)星成功發(fā)射升空。楊巧龍稱，這一突破不僅大幅降低了衛(wèi)星的制造成本，更實(shí)現(xiàn)了從傳統(tǒng)專用零件到工業(yè)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)化零件的一次轉(zhuǎn)變。

       楊巧龍稱，隨著衛(wèi)星的結(jié)構(gòu)件逐步變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品，商業(yè)衛(wèi)星不再是傳統(tǒng)衛(wèi)星的復(fù)制，一條屬于它的產(chǎn)業(yè)鏈也會(huì)從無到有地發(fā)展起來。

       李俊陽稱，商業(yè)航天使得原本只服務(wù)于地面工業(yè)的供應(yīng)商能夠跨界到航天領(lǐng)域。在與銀河航天的合作之后，他陸續(xù)接到了來自其他商業(yè)衛(wèi)星公司的訂單。這些公司同樣面臨著降低成本、提高產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力的需求。

       李俊陽稱，雖然當(dāng)前商業(yè)航天還處于前期試用階段，并沒有大批量的需求，但是，這一次合作不僅推動(dòng)了產(chǎn)品的技術(shù)迭代，還促進(jìn)了產(chǎn)業(yè)鏈的多元化發(fā)展。