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解密上海市科技奖特等奖:现代船舶航天如何打通总装“生死卡点”?

上海交通大学王皓团队联合七家单位攻克大型部件高效对接装配技术,解决了船舶与航天总装中巨型构件毫米级精度对接难题,实现自动化智能调姿,已应用于高新船舶和运载火箭总装,显著提升效率。

先说几个核心判断:在全球制造业的竞争中,效率和精度的平衡,正在被中国团队拉到一个新的高度。

你可能已经注意到了,中国造船业现在拿下了全球近七成的订单,新型船舶、高附加值船舶一艘接一艘地交付。另一边,航天领域也不遑多让,载人航天、卫星组网这些大工程,把运载火箭的年发射需求推到了接近一百次。你可能会问,这背后最大的瓶颈是什么?答案很简单:怎么把那些几十米、上百米长的“大家伙”快速、精准地拼到一起去。缩短建造时间,这就是船舶和航天领域眼下最要紧的事。而上海交通大学团队的一项成果,正好是在这个“极限难题”上找到了突破口。

7月2日,2025年度上海市科学技术奖励大会把技术发明特等奖,颁给了由上海交通大学机械与动力工程学院王皓教授领衔的“大型部件高效对接装配技术及船舶航天应用”项目。这个项目由上海交大牵头,联合了江南造船、上海航天设备制造总厂等七家单位,前前后后攻了十几年,才算把这道困扰行业多年的“极限难题”给拿下了。


项目团队,受访对象供图

三大硬核技术路线

工业上的模块化建造,说白了就是“拼积木”——各个分体部件先各自造好,最后再一次性组装。问题是,现在的高新船舶和运载火箭,越来越大,这些最终的“积木块”,动辄就长达百米,重量直奔万吨。而与之形成强烈反差的,是总装阶段的精度要求——被死死卡在了毫米级别。项目团队对第一财经做过一个比喻,形象得很:这就像要把整栋上海大剧院整个吊起来,放下去的位置偏差,不能超过一枚硬币的厚度。


受访对象供图

以前很长一段时间里,面对这种“极限难题”,行业普遍的做法是什么?单点测量、单机操作,外加老师傅的经验判断。说白了,就是靠有经验的老工人,肉眼观察,手动调整,反复试错。这种原始的作业方式,不但容易出错,精度没法保证,关键是太耗时间,直接就把船舶交付和航天发射任务的进度给卡得死死的。

为了彻底扭转局面,上海交大联合了江南造船、上海航天等七家单位,组成了跨领域攻关团队。他们的目标很明确:废除“手工试错”,打造一套能让机器自己“看”、自动“算”、自主“调”的“标定-匹配-调姿”一体化智能对接系统。要让万吨级的庞然大物实现自动化、智能化对接,团队必须在机器人机构学、计算机视觉和结构力学三个维度上,同时攻克世界级难题。

首先,是为重载调姿装备找到“精确基准”。

王皓对第一财经解释过,船舶和火箭舱段的对接,依赖的是大量定位机构协同群组作业。这类并联构型装备的核心瓶颈在于,各支链的运动误差在末端会高度耦合、级联放大。哪怕单条支链的轴线存在微小偏差,经放大后,整个总段的位姿就会严重失准。面对这个机器人机构学界的经典难题,他们构建了一套并联构型定位装备精度标定的独立完备理论体系,首创了与运动机构操作位形无关的误差参数独立性判别方法,严谨证明了最大可辨识参数数目公式,并通过层次化解析消元算法,系统剔除了全部冗余误差参数。这套原创方法,让大型定位装备的标定精度实现了跨越式提升,为精准调姿打下了理论基础。

找到基准之后,下一步是在两个“篮球场”上盲搜“指甲盖”。

中船集团江南造船首席专家张国新介绍,船舶总段的对接端面,足有两个篮球场那么大。但端面上密密麻麻分布着近千个指甲盖大小的微小对接特征。单个特征的投影面积,还不到整个端面的百万分之一。怎么在海量环境噪声里,快速、精准地锁定它们?为此,团队研发了大场景点云小尺寸特征分割技术,实现了众多小尺寸对接结构的精准定位。再配合一套兼顾整体轮廓与局部细节的多特征对接匹配评价体系,系统就能科学测算并锁定最佳对接位姿——相当于为总装现场搭建了一个智能化的对接指挥系统。

解决了上述两个难点,最后要化解的是万吨部件的“柔性变形困扰”。

重达近万吨的船舶巨型总段,它的物理特性是“整体刚性弱、局部刚度高”。受力不均时,部件极易出现扭曲、外翻等变形,直接导致对接特征错位。针对这一痛点,团队建立了载荷分布与结构变形的双向映射模型,实现了从结构变形到装备调控方案的逆向求解。依托高精度在位测量技术,系统能够动态感知构件形变,并主动调控装备姿态来修正误差。这样一来,万吨级的部件即便发生形变,也能完成柔性、精密的调姿,确保特征精准匹配。

“我们采用了模块化建造技术,模块建设带来的一个好处,实际上就是大幅度前置了船舶建造过程中的舾装工程。”江南造船首席专家对第一财经解释。这里的舾装工程,指的是在船体分段建造、组装阶段,就提前把管路、电气、机械设备等舾装件安装上去,而不是等整个大船壳造好下水后再去安装。舾装工程前置的好处很明显——不仅能实现施工效率与周期的“并行加速”,还能降低生产成本,也降低了供应链与现代化管理的难度。

向更多领域拓展

核心技术最终要落到工业一线才能算数。通过整合上述创新成果,研究团队成功研制出了集“高精度标定、多特征匹配、自动化调姿”功能于一体的系列化成套装备。目前,这套拥有完整自主知识产权的技术体系,已经成功应用于我国高新船舶巨型总段的对接装配,以及新一代运载火箭等多型火箭舱段的总装。


受访对象供图

从实际成效看,新装备的落地,显著提升了高新船舶与大型运载火箭的总装效率,推进了总段建造新模式的实施,实现了高端制造向高效高精度建造模式的创新转变。

“我们的自动化对接技术进一步延伸,完全可以作为一个开放的技术让大家一起去用,比如运用到商业火箭,它更需要提高效率降低成本。”王皓透露,未来,该系列技术还将赋能更多高端装备制造领域,为我国“海洋强国”与“航天强国”战略提供关键的自主技术支撑。

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