美國在軌制造技術發展現狀及啟示

王敏 于濤 張驍 吳振強

(1 中國科學院沈陽自動化研究所，機器人學國家重點實驗室，沈陽 110016) (2 中國科學院沈陽自動化研究所，中國科學院機器人與智能制造創新研究院，沈陽 110016)

早在20世紀60年代蘇聯已對在軌焊接技術有所嘗試，然而“在軌制造”的概念提出卻是源于增材制造技術在空間應用的探索。后來，“在軌制造”逐步延伸為泛指人類在近地軌道航天器上進行的各種加工制造行為。隨著人類探索宇宙的步伐邁向深空，為保障人類宇宙空間科學探索的可持續發展，在外層空間構建大型支撐平臺的設想開始形成，“在軌制造”進一步延伸為泛指人類在地外空間有人或自主進行的各種加工、建造等行為。

在軌制造技術的實施，可以為空間設施的運營和維護提供零部件支持，大幅擴展空間設施的功能，由于擺脫地面發射的傳統模式，還可以顯著提高空間活動響應速度和降低空間活動成本。在軌制造預期的主要應用背景針對空間大型結構建造、航天器維護維修、空間急需的產品研制、空間資源回收再利用等，以保障在軌航天器長壽命可靠運行，以及為未來地外行星探測提供技術保障。

根據制造方式不同，可以把制造技術分為三類：①鑄、鍛、焊在制造過程中重量基本不變，屬于“等材制造”；②隨著電動機的發明，能夠車、銑、刨、磨的機床的出現，通過對材料的切削去除達到設計形狀，稱為“減材制造”；③而以3D打印為代表的“增材制造”，1984年提出，1986年實現樣機。考慮到空間廢料處理的問題，目前空間在軌制造主要采用等材制造和增材制造技術。在軌制造技術涉及控制、機械、材料、生物等多種學科的相關技術，技術手段主要包括：空間焊接、空間3D打印(增材制造)、在軌檢測技術等。

空間在軌制造技術是人類發展深空探測技術的有效保障。目前美國在該領域處于國際領先水平。了解美國在軌制造技術的發展情況，可以為我國發展空間在軌制造技術提供有益的參考。篇幅所限，本文僅針對美國空間焊接、空間3D打印技術以及原位資源利用等方面的發展情況進行分析。

1 美國在軌制造技術發展現狀

1.1 空間焊接技術

焊接是形成永久性連接的關鍵技術，也是獲得良好的結構力學性能、有效減重的一種關鍵制造和組裝手段。空間在軌焊接技術是重要的在軌連接技術之一，可用于對空間結構的在軌修復、制造、組裝。主要焊接方法有熔化焊、釬焊、固態焊等。空間焊接技術的研究起源于20世紀60年代。1964年，蘇聯Lawrence E S[1]設計和制造了用于空間材料連接的電子束焊機動力系統。美國20世紀70年代開始進行空間焊接技術方面的研究。

在熔化焊接方面：1970年，Richard Fabiniak等[2]研究了在空間環境中多種材料加工試驗，包括晶體生長、金屬連接、凝固或燒結。Bannister T C[3]研究了重力對凝固的影響，該項研究的主要目的是科學界定重力在涉及凝固的各種過程中的作用，并為此開發了研究材料零重力下凝固特征的落塔實驗裝置。1970—1979年，NASA在“天空實驗室”進行了3個主要的焊接試驗[4]：金屬熔化(M551)、放熱釬焊(M552)、球體成形(M553)。這些試驗用以證明微重力條件下進行材料加工的一些基本概念。1989年，阿拉巴馬大學Workman Gary L[5]論述了激光焊接太空應用的相關理論問題。1992年，NASA與俄羅斯巴頓電焊研究所合作開展國際空間焊接試驗，并對巴頓電焊研究所的手持式電子束焊裝置(VHT)進行了全面評估。在這些工作的基礎上，NASA國際空間焊接試驗中心成功進行了空間環境下的電子束焊接試驗。

在釬焊方面：2000年前后美國開始了一些太空軟釬焊方面的試驗論證[6]，并于2004年在“國際空間站”開展了試驗。2006年，戈達德航天中心Flom Yury[7]開展了空間鈦合金薄壁管結構電子束釬焊的研究。

在固態焊接方面：近年來NASA提出了多種用于空間焊接的固相摩擦焊方案，為空間在軌焊接提供了新的技術途徑[8]。2008年，馬歇爾太空飛行中心Ding Jeff[9]的研究報告提出，攪拌摩擦焊(FSW)是非常適用于空間焊接和維修的一種固相焊接工藝。

空間在軌焊接技術是最早引起關注的在軌制造技術。但是經歷了近半個世紀的發展歷程，卻缺乏突破性進展。主要難點在以下幾個方面。

(1)能源方面。由于電弧焊、電子束焊、激光焊等熔化焊接方法需要熔化被焊金屬及填充金屬，因此需要焊接設備提供足夠的能量。空間站能源供給非常有限，這就限制了熔化焊技術在空間的應用。烙鐵釬焊由于不需要熔化被焊金屬，設備所需能量很低，是目前空間電子元器件維修的可選方法。然而，烙鐵釬焊的應用范圍非常有限，亟待開發適合空間焊接的低能量消耗的焊接技術。

(2)占用空間方面。除烙鐵釬焊外，通常的焊接設備的體積較大，難以滿足空間在軌應用的要求。需要開發適合空間在軌應用的小型焊接設備。

(3)可操作性方面。空間焊接不同于地面，可以由高級焊工操作。空間一般是由宇航員進行操作。這就要求焊接設備操作盡量簡便、易于宇航員掌握，或者開發自動化程度較高的焊接設備及焊接裝夾工裝。

(4)三廢處理方面。焊接施工不可避免會產生一些廢氣、廢渣、廢熱，這在空間環境下是需要嚴格控制，及時處理的。

目前在軌焊接技術方面研究熱點主要集中在以下幾個方面：①尋求新型的、安全有效的空間焊接方法，如空間固態連接技術等；②空間常用的金屬以及金屬基復合材料在空間環境下的焊接性研究；③桁架結構、薄壁導管等典型空間結構的焊接工藝研究；④焊接過程自動化技術研究，包括焊接自動化及裝夾自動化等。

1.2 空間3D打印技術

3D打印技術是20世紀末發展起來的一項先進制造技術，其實質為“增材制造技術”。3D打印技術是一種采用逐層堆積直接進行零件成形的數字化增材制造工藝。與傳統減材或等材制造相比，3D打印技術消除了加工過程對中間模具的需求，能夠進行快速需求響應，具有單件小批量定制化快速制造的優勢，較適合空間制造需求。3D打印技術的興起進一步推動了在軌制造技術的發展。美國空間3D打印技術方面的研究現狀如下。

非金屬材料方面：20世紀90年代，NASA蘭利研究中心和約翰遜航天中心開始對非金屬材料的空間在軌3D打印技術進行相關的研究工作。2011年7月，NASA與太空制造公司首次啟動了微重力環境下的3D打印試驗，并完成了3次針對3類不同的3D打印機及多個獨立組件的飛行試驗。2012年7月，在地球上進行低重力拋物線飛行過程中，NASA測試了3D打印機。將3D打印技術的技術成熟度由TRL3(通過分析和試驗的手段進行了關鍵性功能驗證和/或概念驗證階段)提高至TRL5(相關環境中的部件仿真驗證階段)[10]。同期，美國系繩無限(TUI)空間技術開發公司率先提出“蜘蛛制造”(SpiderFab)的太空制造技術構想，如圖1所示[11]。未來將實現利用3D打印等技術在軌自主制造超大型空間結構和多功能空間系統組件，同時，利用“蜘蛛機器人”(SpiderFab Bot)在軌集成大型空間結構。“蜘蛛制造”預計在2022年完成在軌飛行演示試驗，2024年實現在軌自主裝配。

圖1 “蜘蛛制造”構想Fig.1 SpiderFab concept

2013年1月，太空制造公司在多次微重力試驗的基礎上，確定在“國際空間站”上采用熔融堆積成型(FDM)的3D打印技術，以將聚合物材料逐層打印形成空間站所需的零部件或急需工具等。2014年9月21日，利用太空制造公司與NASA馬歇爾空間飛行中心聯合開發的零重力3D打印機，首次在“國際空間站”驗證了在軌3D打印技術的可行性。2014年11月25日，NASA與Made in Space公司合作在“國際空間站”成功打印了印有“MADE IN SPACE/NASA”字樣的銘牌，并在“國際空間站”制造了約20個結構樣件，這些結構樣件被分成材料性能測試、微重力環境下的成形性能測試、結構工具的功能測試共三類。2015年，NASA選擇太空制造公司制造了一臺帶有機械臂的3D打印機“阿克納特”，計劃將其安裝在“國際空間站”外部的一個分離艙上，研究在無需艙外航天員介入的情況下，利用增材制造技術進行太空大型復雜結構制造及組裝的能力。“阿克納特”最終版本將裝有3個機械臂，它能夠抓住在軌道上運行的結構，為其增加或拆下部件，它甚至能夠從退役的航天器中移除部件，用在新的航天器上[12]。

金屬材料方面：2006年，美國馬歇爾航天飛行中心研究了微重力環境下金屬部件的制造技術，集中評價了電子束熔化(EBM)和選擇激光燒結(SLS)兩種工藝[13]。研究結果顯示，SLS明顯具有更好的表面光潔度，而EBM工藝在真空中進行，非常適合探測任務的非增壓空間飛行環境[14]。NASA蘭利研究中心圍繞金屬零件的空間在軌3D打印開發了一套輕型電子束熔絲沉積成形設備(EBF3),并在NASA的C-9微重力研究飛機上開展了拋物線飛行試驗，研究微重力環境對電子束熔絲沉積工藝及零件性能的影響[15]。

目前，美國在高分子材料的空間增材制造技術成熟度已達到TRL5級，是成熟度最高的3D打印技術。但是，金屬、復合材料和電子元件3D打印仍存在諸多難點。

(1)能源方面。空間站能源供給非常有限，限制了金屬3D打印技術在空間的應用。亟待開發適合空間應用的低能耗金屬3D打印技術。

(2)占用空間方面。目前的金屬、復合材料和電子元件的3D打印設備體積較大，難以滿足空間在軌應用的要求。需要開發適合空間在軌應用的小型多功能3D打印設備。

(3)三廢處理方面。3D打印同樣不可避免會產生一些廢氣、廢渣、廢熱，需要研究3D打印的三廢控制及處理方法。

當前空間增材制造方面的研究熱點：①金屬、復合材料和電子元件的3D打印技術；②下一代多功能3D打印系統研發，即用于金屬和各種塑料等多種用途的更強型擠壓材料的綜合設施；③通過增材制造實現塑料/金屬材料的回收再利用技術；④通過增材制造實現空間大型結構(如大型天線、桁架等)在軌制造；⑤通過增材制造實現小衛星在軌建造等。除此之外，目前多種材料(如金屬、陶瓷、電子元件、月壤等)、多種工藝(光固化成型、電子束熔化、選擇激光燒結等)的3D打印技術都在開展在太空環境下的應用研究，為最終實現深空探索任務提供技術支撐[16]。

1.3 原位資源利用

在美國重返月球計劃(星座計劃)支持下，NASA馬歇爾空間飛行中心圍繞空間原位制造和修復(ISFR)[17]以及空間原位資源利用(ISRU)[18]開展了系統研究。ISFR/ISRU的研究主要圍繞空間制造技術評估、空間資源利用可行性分析、地面驗證試驗等開展了系統研究，并針對電子束熔化(EBM)技術[19]、混凝土擠出(Concrete Extrusion System)工藝[20]、月壤資源利用[21]等增材制造工藝與材料方面開展了系統研究。

美國華盛頓大學機械與材料學院的研究團隊對類月壤材料的激光增材制造開展了研究[22]，NASA對其提供了近4.5 kg的模擬月球表面巖石的材料(見圖2)。該團隊利用上述類月壤材料，通過激光熔化沉積(LMD)技術對其進行了成形試驗，并成形了簡單形狀的樣件。

圖2 華盛頓州立大學開展的原位制造試驗Fig.2 In-situ manufacturing experiments conducted by Washington State University

NASA馬歇爾空間飛行中心開展的月壤電子束選區燒結工藝可行性研究發現，月壤礦物組成中包含了大量鋁、鈦、鐵等元素，月壤選區燒結的最大優勢是可以直接使用月球表面原材料進行3D打印制造，但所面臨的問題是：如何優化工藝，獲取足夠強度的零件結構，避免如傳統陶瓷燒結所同樣面臨的材料脆性問題。為了避免該問題，NASA研究人員采用鋁粉作為粘結劑與模擬月壤混合進行了電子束選區燒結實驗，鋁粉熔化并對月壤進行了包圍連接，但未見有力學性能的相關數據報道[23]。

NASA馬歇爾空間飛行中心還開展了基于月壤的無水混凝土(Waterless Concrete)制備與性能、混凝土擠出成形工藝兩方面的研究。NASA與Toutanji等人合作開展無水水泥的研制與性能評估工作，研究團隊采用可從月壤中提取的硫磺作為粘結劑，與模擬月壤材料混合，制備出一種硫磺水泥，又稱為月壤水泥[24]，與傳統的水基水泥不同，硫磺水泥混合物被加熱到硫磺熔點(140 ℃)之上，然后進行冷卻，瞬間即可達到其最佳力學性能，從而獲得一種無水的混凝土結構。與此同時，NASA與南加州大學合作開展相應的混凝土擠出成形系統，實現混凝土結構的近凈成形，并開展地面試驗，驗證該套裝備在月球或火星的適用性。

1.4 發展規劃

2010年，NASA開始制定詳細的空間在軌制造技術發展路線圖，包括在軌增材制造技術、空間物資回收再利用、多材料實驗室、在軌金屬材料研發、電子打印技術、設計數據庫和部件測試探索系統、在軌無損檢測等部分的發展規劃。之后，該發展路線圖又經過不斷完善。從該發展規劃可知，美國在軌制造技術發展路線分為三步，即地面試驗階段、空間站在軌制造試驗階段及地外星球探索階段。2013年以前為地面試驗階段，主要完成增材制造技術地面模擬試驗、對多種材料和技術進行系統研究和地面測試、驗證及確認、工藝流程開發、材料和打印機特性數據庫開發、自動加工過程開發等；2014—2024年為空間站在軌制造試驗階段，計劃完成多項在軌制造技術的驗證試驗，最終完成在軌回收演示、用于金屬和各種塑料等多種用途的更強型擠壓材料的綜合設施系統、嵌入電子技術演示、合成生物學演示、金屬3D打印演示等；2025年之后為地外星球探索階段，計劃建立月球試驗室，行星表面點實驗室、火星多材料實驗室等[25-26]。

2 啟示

美國的空間在軌制造技術經過將近60年的發展，有很多成功的經驗值得學習借鑒。分析美國在軌制造技術發展歷程，可以得到以下啟示。

(1)總體規劃方面。美國在在軌制造方面遵循了循序漸進的原則，陸續制定了多個發展規劃(如2010年制定了“空間在軌制造技術發展路線圖”，之后又不斷完善)，方案具有一定的前瞻性。我國對空間在軌制造技術方面至今還沒有形成一個完整而清晰的概念，沒有明確提出空間站在軌制造技術的發展規劃及總體方案。這方面可以參考美國，并結合我國航天技術的發展特點制定策略，減少盲目的跟隨、復制他人的技術，制定出符合中國發展的、可行的空間在軌制造發展規劃及總體方案，力求方案整體思路清晰、目標明確，且具有一定的科學性和前瞻性。

(2)關鍵技術研發方面。美國注重統籌各方力量開展技術研究，集中突破空間在軌制造領域關鍵核心技術。我國在空間在軌制造領域技術基礎、經驗積累相對薄弱，可以跟蹤美國等發達國家的最新發展動態，針對在軌制造在材料科學、機械制造技術、自動化技術、增材制造技術以及焊接技術、無損檢測技術等交叉學科的基礎技術問題，組織多方力量開展創新性研究，力爭提出新概念、新原理和新方法；同時圍繞設備/工藝的空間適用性、設備的功能性模塊設計、人機交互技術、空間在軌制造功耗及質量優化管理等關鍵核心技術開展技術攻關，提升在軌制造技術的總體水平。

(3)國際合作方面。NASA與蘇聯/俄羅斯在空間焊接等方面開展合作的事實證明，在科技發展中，國際合作能夠有力促進技術創新、技術發展，有利于成果的共享互惠。中國可以主動加強與航天大國的交流，定期派人員去國外學習先進經驗，同時可以邀請國際上的相關人員來中國進行技術交流，從而獲得互惠互利的最終效果。盡管如此，歷史的經驗也告誡我們，只有自身掌握了核心技術，才能獲得技術發展的主動權。

3 結束語

在軌制造技術是保證在軌和在研航天器能在復雜空間環境中長壽命、高可靠運行以及在全壽命周期內完成既定任務目標的關鍵，已成為各國空間技術發展的主要目標之一。鑒于在軌制造技術對開展外層空間探測活動的特殊意義，目前國內外已對在軌制造技術開展了大量的研究工作，并已逐步將其應用于近地空間站的空間組裝、維護和維修等方面。本文通過對美國空間焊接、空間3D打印等技術的發展情況進行分析，提出了對我國開展在軌制造技術研究的啟示，包括總體規劃、關鍵技術研發和國際合作方面。在掌握國外先進在軌制造技術的發展現狀和應用情況下，明確發展方向，科學規劃、集中攻關，為我國航天事業可持續發展提供可靠保障。