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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”?

  发布于2026-08-19 阅读(0)

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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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