．聚焦美國：高端裝備製造業發展分析

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來源：《中國航天》雜誌作者：孫紅俊

國防高端製造裝備，是以高新技術為引領，決定國防裝備製造業整體競爭力的高附加值裝備。國防高端製造裝備，最能體現一個國家裝備製造業的技術水平，也是武器裝備研製能力的重要基礎。

自歐巴馬政府提出「重振製造業」以來，美國立足國家大工業基礎，充分運用協同創新機制，推出一系列頂尖水準的國防高端製造裝備，包括極端製造裝備、智慧製造裝備、增減材複合製造裝備、太空製造裝備等，這對實現武器裝備大型化、高效化、智慧化研製生產具有重要意義。

一、發展背景

1.製造業重新成為全球經濟競爭的焦點，國防高端製造裝備迎來快速發展機遇期

經濟危機後，實體經濟的戰略意義再次凸顯，美國等世界主要發達國家，紛紛實施以重振製造業為核心的「再工業化」戰略，瞄準高端製造領域，謀求打造新的競爭優勢。

國防高端製造裝備作為武器裝備，研製生產的基礎和支柱，以及國防工業不可或缺的戰略資源，已成為先進國家國防製造業，爭奪技術優勢的關鍵點，其水準和擁有量，是衡量國防工業綜合競爭力的重要指標。

2.在新一代資訊技術與製造業的融合促動下，國防高端製造裝備向智慧化方向發展

美歐等國加大智慧製造相關創新力度，推動3D列印、行動互聯、雲端運算、大數據等新興技術取得新突破，並致力於發展基於虛擬實體系統（CPS，Cyber Physical System）的智慧製造裝備，積極佈局「智慧工廠」，推進「智能慧」，引領製造模式的智慧化轉型。

為在新一輪工業革命中佔據先機，美國於2013年發佈《工業網路戰略》，其核心是實現智慧機器、高級分析和人的有機融合，推動智慧製造成為美國製造業的發展重點和未來方向。

3.美國政府頂層謀劃、大力扶持國防製造技術與裝備發展

2011年，美政府發佈《確保美國先進製造的領先地位》，提出重點發展新一代機器人、創新型節能製造技術等；2012～2014年，相繼出台《製造業促進法案》、《先進製造夥伴計劃》、國防部《製造技術（ManTech）戰略規劃》、《振興美國製造與創新法案》等，重點支持模組化、智慧化、增材製造、綠色可持續製造等國防高端製造裝備發展。

2012年，美政府啓動「國家製造創新網路」計劃，擬投資10億美元，並吸引高於10億美元的社會資金，組建超過15家製造創新機構，截至2016年4月已成立8家，其中6家由國防部負責，對促進國防高端製造技術，與裝備創新發展具有重要意義。

二、發展態勢

美國防高端製造裝備日益呈現出極端化、智慧化、複合化、模組化、綠色化發展態勢，製造技術已逐步從「以減材製造為主」向「增減材製造並舉」的方向發展，製造環境已從「在地球製造」向「太空製造」拓展。

1.極端化

為滿足新一代重型和超大型武器裝備發展需求，美國高度重視極端製造裝備發展，建造了代表世界最高水準的巨型攪拌摩擦焊裝備、機器人製造裝備、鍛造裝備等。

為支撐「航天發射系統」（SLS）重型運載火箭的建造，2014年NASA和波音公司，以及伊薩公司等聯合建造出全球最大的攪拌摩擦焊裝備「垂直集成中心」。

該裝備高51.8米、寬23.8米，整合了焊縫質量無損檢測功能，可支撐SLS第一級（直徑8.46米、高約61米）箭體結構焊接整合，是極端製造和綠色製造的典型；2016年，NASA將使用「垂直整合中心」完成SLS第一級的焊接整合，為2018年SLS的首飛奠定基礎。

2015年，NASA研製出世界最大的機器人複合材料纖維鋪放系統，其臂長6.4米，安裝在長12.2米的軌道上，機械臂頭部一次可裝入16束碳纖維，能在多個方向上精確運動，以實現精細鋪絲，將為SLS建造直徑超過8米的，全球最大的複合材料液氫貯箱。

此外，美國還投資1億美元發展了5萬噸級的巨型模鍛裝備，鍛造出世界上最大的整鍛鋁合金戰車車底；建成了世界上最大的線性摩擦焊機，焊接表面積達10000平方毫米，打破了焊接鍛造負載100噸的紀錄。

2.智慧化

利用現代傳感、網路、自動控制、人工智慧等技術，實現製造裝備的智慧化，已成為21世紀美國製造業的重要發展方向，和新工業革命的主要標誌。

製造創新機構、DARPA、NASA等機構成為美國國防智慧製造裝備創新發展的源泉

為在智慧製造裝備和技術發展方面引領創新，加速國防工業智慧化轉型，美國計劃構建智慧製造創新機構，並通過國防部牽頭組建的「美國造」製造創新機構、數位化製造與設計創新機構，大力推進智慧機器、增強現實、可穿戴計算、虛擬實體系統、先進增材製造裝備等，智慧製造裝備相關項目的研發。

2016年，美國防部提出製造創新機構，將重點關注先進機床和控制系統、輔助和柔性機器人等領域。

早在2010年，DARPA就啓動了自適應車輛製造項目，旨在預先研究智慧製造裝備和技術，以實現大型複雜系統研製生產智慧化，其成果將與製造創新機構成果結合，轉化應用到武器裝備研製中。

此外，NASA在2015年《航天技術路線圖（草案）》中也提出發展智慧一體化製造、虛擬實物體系統，推進可持續製造。

機器人製造裝備、智慧機器、增材製造裝備等已成為美國國防高端智慧製造裝備發展的潮流。

美國在機器人增材製造裝備、複合材料製造裝備，以及自動化裝配裝備等方面，已取得重大突破。

2015年11月，美國Arevo實驗室宣佈，建成世界上首台機器人增材製造裝備。該裝備整合了瑞士ABB機器人跨國公司的商用6軸機器人系統、熔融沈積成形3D列印技術、末端執行器硬體，以及綜合軟體套件等，可實現航空航天高性能碳纖維增強熱塑性複合材料零組件的高效自動化製造，建造範圍在1000立方毫米～8立方米之間；NASA於2015年建成的世界最大的機器人複合材料纖維鋪放系統，既是極端製造裝備的典型，也是機器人製造裝備的典型。

2014年，波音公司「機身自動站立裝配」裝備通過技術驗證，已用於「波音」777飛機裝配。此外，波音公司將先進態勢感知、虛擬實物體系統等技術，引入飛機裝配生產線中，構建智慧裝配生產線，並應用於「波音」737和「波音」787飛機研製生產中；美海軍金屬加工中心開展了多型水面艦艇加強筋製造自動化工裝裝備研究，可大量節省艦艇加強筋的建造成本。

3.複合化

技術複合化、功能複合化已成為高端製造裝備提高效率、節約成本的重要發展方向。美國通過工序複合、技術複和、模組化設計等方式，建成增減材製造裝備、「攪拌摩擦焊裝備庫」等複合化國防高端製造裝備。

2015年5月，「美國造」創新機構宣佈，基於模組化設計方案，首創建成兼具數控加工能力和雷射工程化淨成形金屬增材製造能力的增減材複合製造裝備，預示著製造企業和生產車間能以較低成本、較高效率，對現有數控機床進行升級改造，使同一機器同時具備增材製造和減材製造雙重技術能力，進而大幅提升生產能力和成本效益。

2016年，NASA將基於「攪拌摩擦焊裝備庫」建成SLS第一級，其中有5套裝備用於焊接製造貯箱的筒型結構、圓形封頭、連接環箍結構等分系統及其組件，「垂直整合中心」則完成各種大型部件的裝配整合。

未來，機器人與常規製造裝備的複合化、基於虛擬實體系統的智慧機器，互聯將是複合化發展的新潮流。

4.太空製造

為滿足未來在太空按需製造零組件，並進行自動化整合裝配的需求，NASA、DARPA等政府機構聯合太空製造公司、勞拉空間系統公司、諾格公司、奇點大學等工業界和學術界的力量，致力於發展太空3D列印製造裝備和太空機器人一體化的製造裝備。目前，太空製造裝備發展已在一些領域取得突破。

太空3D列印製造裝備研製取得階段性成果

2011年，NASA授權太空製造公司開展零重力3D列印機研究。

2014年，該公司研製的首台試驗型零重力3D列印機被送往國際空間站；2015年2月，完成了首輪太空3D列印試驗；2016年3月底，第二台太空3D列印機被送往國際空間站，並於6月列印出首個工具扳手，成為人類歷史上首台商用太空製造裝備。

太空機器人整合製造裝備研發加速推進

2015年8月， DARPA授權勞拉間空系統公司，研究在太空製造通信衛星的機器人裝備（「蜻蜓」項目）；2015年12月，勞拉間空系統公司，宣佈已與NASA簽署合同，將在DARPA「蜻蜓」項目基礎上，發展利用機器人在太空製造、裝配航天器和太空結構的技術（「臨界點」項目）。兩個項目都致力於發展太空機器人整合製造裝備。

太空機器人整合製造裝備和3D列印機製造裝備的一體化系統成為發展重點

2016年，NASA已投資2000萬美元，授權太空製造公司、諾格公司以及海洋工程太空系統公司等，實施「多功能太空機器人精密製造與裝配系統」（Archinaut）項目，旨在研發裝有多個機械臂的3D列印機，並將其安裝在國際空間站上，未來可利用Archinaut的機械臂，在軌拆卸廢棄航天器上的可用零組件，或在軌列印零組件，並組裝新航天器。

太空製造公司負責製造Archinaut的3D列印機，海洋工程太空系統公司，負責製造列印機上的機械臂，諾格公司負責為系統工程、電子控制、軟體和測試等提供支撐。

此外，太空製造公司2016年2月稱，5年內有望實現在軌製造和裝配通信衛星反射器，或其他大型結構。

三、發展模式

美國通過國家層面的統籌建設和發展，以及政府、工業界、學術界的協同創新模式，大力推進國防高端製造發展，支撐世界一流武器裝備研制，加速國防製造業變革，提升製造業國際競爭力。

1.以武器裝備需求為牽引，從國家層面統籌建設和發展

美國將國防高端製造裝備，特別是重大製造設施，視為國防建設的核心戰略資源，並以武器裝備發展需求為牽引，從國家層面對其進行統籌建設和發展。

通過加強管理，加大政府投入，充分發揮製造創新機構、DARPA、NASA等機構的主導作用，推動重大國防高端製造裝備，與武器裝備研製的穩步協調發展，保障武器裝備始終處於世界領先水平。

2.採取政產學研用結合的協同發展模式

美國立足國家大工業基礎，集中優勢力量，採取政產學研用聯合攻關模式，進行重大國防高端製造裝備的研發建造。

例如，「增減材混合製造裝備建造」項目由「美國造」創新機構資助，美國Optomec公司牽頭，聯合MachMotion公司、TechSolve公司、洛馬公司，以及美陸軍貝尼特實驗室等，共同完成。

2016年2月，美國發佈的首個《國家製造創新網絡計劃戰略規劃》指出，要發揮政產學研用的力量，推動先進製造技術與裝備發展，加速整個國家的製造業創新。