空間站在軌焊接作業條件及接口技術分析

王敏

(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. 中國科學院機器人與智能制造創新研究院，沈陽 110016)

0 前言

在軌制造對空間站維護維修、結構組裝、在軌新產品研制、空間大型結構建造、空間資源回收再利用等非常重要，對保證空間站長期有效運行，以及下一步深空探測任務的實施意義重大。焊接是在軌制造技術不可或缺的重要組成部分。前期研究表明，有多種焊接方法可能應用于在軌制造，如：釬焊、電子束焊、激光焊、氬弧焊、攪拌摩擦焊等[1]。

在空間站上實施在軌焊接，除了需要滿足空間站對有效載荷的通用要求外，還需要對在軌焊接技術的作業條件需求、接口與技術條件要求進行充分分析，以保證在軌焊接技術與空間站能源、載荷、極端環境等條件相匹配。

1 國內空間站資源

國內空間站的主體結構由3部分組成：核心艙、實驗艙Ⅰ和實驗艙Ⅱ，如圖1所示[2]。核心艙用于統一控制和管理空間站組合體，提供航天員生活和工作場所，同時支持部分學科的科學研究。2個實驗艙主要用于支持開展空間科學與應用研究。核心艙和實驗艙I各配置1套機械臂。

圖1 中國空間站示意圖

在空間站核心艙、實驗艙I和實驗艙II的密封艙內共配備有16個科學實驗柜[2-3]，用于開展空間材料科學、微重力基礎物理、航天新技術等研究方向的科學實驗。科學實驗柜具有類型多樣、功能強大和技術先進等顯著特點。

中國空間站運行于傾角42°～43°、軌道高度340～450 km的近圓低地球軌道。空間站軌道完全脫離了地球大氣，處于地球電離層F2層，微重力水平為1×10-4～1×10-3g。實驗艙I和實驗艙II外配備了暴露實驗平臺，可用于開展天文觀測、地球觀測、空間材料科學、空間生物學等學科的科學試驗。空間站所處的外太空極端環境主要包括：極熱/極冷循環、高真空、原子氧侵蝕、太陽紫外輻射和宇宙高能射線輻射等。宇宙射線的主要成分是質子(約占90%)、氦核即α粒子(約9%)及電子、各種重離子、伽馬射線等(約1%)。由于艙體結構有一定的防護作用，艙內輻射計量比艙外低1～2個數量級，但高能粒子仍能穿透艙壁。太空極端環境會對空間應用材料、電子器件，生物體及組織及空間機構的運行性能將產生顯著影響。

空間站接口要求包括：供電和功耗、外形和尺寸、重量要求、安裝要求、熱控要求、真空接口/排廢氣接口/氮氣接口要求、人機工效要求、醫學要求、產品質量要求、剛度要求、環境影響指標等。如：實驗機柜內獨立載荷單路最大功率不小于500 W，艙外載荷通過載荷適配器可為每個載荷提供100 V 供電接口(供電功率分為 100 W，300 W，1 000 W 3個等級)；空間站密封艙內壓力為81.3～104.3 kPa，溫度為19～26 ℃，相對濕度約30%～70%，氣體成分與地面大氣相近，工作區的噪音水平不大于65 dB[2]。

2 作業條件分析

在軌焊接通常在空間站艙內實施，特殊情況下，需要在艙外開展在軌焊接制造或維修、維護作業。下面從人、機、料、法、環、測等方面分析在空間站實施在軌焊接技術的作業條件。

“人”：實施在軌焊接作業的人員。由于空間站的特殊性，通常不會配備專業的焊接操作人員，航天員乘組將執行在軌焊接任務。因此，要求在軌焊接作業要盡量降低對操作人員技能的要求，力求操作簡單、方便實施，盡可能采用自動化焊接及智能裝夾等技術。同時，航天員也需要就在軌焊接技術的作業特點、操作要領、技術要求等進行前期培訓，熟練焊接設備的使用方法及技術要求，以便勝任空間在軌焊接作業需求。

“機”：在軌焊接設備等硬件設施。每種焊接技術都需要相應的設備。相對來說，釬焊設備比較簡單，電子束焊設備比較復雜。在軌焊接設備除了需要滿足焊接技術要求外，還必須滿足空間站對有效載荷的要求，以及空間站接口條件。艙內焊接設備需要考慮艙內作業空間對在軌制造系統結構尺寸、作業空間的限制，以及艙內環控要求等。艙外焊接設備需要考慮艙外作業平臺條件、太空極端環境對設備結構及電控系統的限制和影響。為此，需要有針對性地開發具有低重量、低功耗、便攜、快速施工能力特點的焊接設備。工裝要求輕便化及具備快速裝夾功能。焊接過程盡可能實現自動化。

“料”：在軌焊接使用的物料、原材料。除固態焊外，釬焊、熔化焊通常都需要一些焊接材料及輔料。為降低空間站載荷、降低火箭發射成本、減低焊后余料的產生及對空間環境的污染，在軌焊接要求盡量減少焊料及輔料的應用。比如在軌釬焊，應選擇自釬劑釬料或采用無釬劑釬焊技術。焊接材料的包裝應便于儲存和使用，且可以實現回收再利用。

“法”：工藝規范、操作規范、檢驗標準等。由于空間站人員的不確定性，為保證在軌焊接的持續有效開展，及產品質量的一致性，針對每種在軌焊接工藝，需要制定相應的焊接工藝規范、檢驗規范、設備操作指南，技術標準等技術文件。

“環”：在軌焊接的作業環境。首先，實施在軌焊接需要滿足空間站環境條件要求，不能對空間站艙內、外環境造成污染；其次，在軌焊接作業需要考慮空間特殊環境條件對焊接工藝及設備的影響；再次，需要保證在軌焊接作業本身對環境的要求，比如，艙內焊接需要的作業條件包括：工作溫度19～32 ℃，濕度<70%，空氣流動速度<2級，電子束焊真空度要求1×10-4～1×10-1Pa；艙外焊接作業條件包括：充足日照，工作區溫度過低時，需局部采取預熱措施，保證焊接區溫度達到要求的溫度方可進行焊接等。

“測”：焊接件在軌原位檢測技術。它是在軌焊接得以實施的重要環節，是在軌焊接的質量保證。在軌原位檢測包括：結構完整性檢測、無損探傷、力學性能評估、組織檢測等。焊縫無損檢測技術包括：射線探傷、渦流探傷、超聲波探傷、紅外探傷等。前期研究表明，渦流探傷是較為可靠的航天器原位無損檢測方法[4]。在軌焊接需要針對有效的在軌檢測技術，制定相應的驗收標準。由于在軌檢測同樣是由航天員負責實施，因此檢測過程及檢驗結果分析應盡可能自動化、智能化。

3 接口技術

3.1 釬焊

由于釬焊所需設備相對簡單、易操作，非常適合在軌焊接。前期研究表明，太空釬焊有利的一面是：太空真空環境、微重力環境有助于增強毛細作用，釬料在太空中的潤濕鋪展效果比地面要好，釬料能夠填充更大的釬縫間隙，降低了對裝配的要求，釬焊釬縫缺陷相對較少；不利的一面是：微重力會使釬料難以過渡到工件上，影響焊縫成形，接頭中易產生孔隙[5]。

烙鐵釬焊是軟釬焊的一種，設備只有一只電烙鐵。烙鐵重量在1 kg以下，在軌釬焊的能耗應不大于100 W。對電源沒有特殊要求。烙鐵釬焊可以在空間站科學實驗柜中進行作業。釬焊的焊接材料包括釬料、釬劑。在軌軟釬焊用于空間站電器元件、儀表等的維護維修等。

在軌硬釬焊方面，可以考慮超聲波釬焊、電子束釬焊、激光釬焊等。鑒于空間站對有效載荷的限制，以及考慮熱源的通用性，最好兼顧在軌熔化焊接選用的電源。Paton等人[6]2019年發表的文獻顯示了最新釬焊用電子束裝置，如圖2所示，電子槍重量僅為1.8 kg。

圖2 釬焊用電子槍

在軌釬焊面臨的最大問題就是釬劑的后續處理。軟釬焊常用的松香酒精釬劑焊后的殘渣無腐蝕作用。硬釬焊釬劑通常由堿金屬和重金屬的氯化物和氟化物，或硼砂、硼酸、氟硼酸鹽等組成。焊后釬劑的殘渣對工件材料有腐蝕作用，需要嚴格清理干凈。空間條件難以處理釬劑的殘渣。為此，需要開發無污染的在軌自釬劑釬焊或無釬劑釬焊技術。目前，該類技術在地面應用已開展研究[7-9]。

釬焊過程中會產生一些揮發性物質，還會散發少許熱量，需經空間站環控系統處理。

3.2 熔化焊

熔化焊工藝方法包括焊條電弧焊、氣體保護焊(TIG,MIG,MAG)、高能束焊(激光焊、電子束焊)等。前期國際上對在軌電弧焊、電子束焊、激光焊等均有所研究，開展研究較多的是在軌電子束焊[10-12]。激光焊與電子束焊同為高能束焊接方法，相比之下，在材料廣泛適用性方面，以及激光焊時的光學鏡頭金屬蒸汽蒸鍍等問題還需要開展進一步研究。

電子束焊裝置包括電源部分和電子槍工作部分、控制部分等，如圖3所示。在軌電子束焊電子槍工作部分可以放置在科學實驗柜中進行作業，必要時也可以在艙外通過手持、或機械臂夾持等方式進行作業。電源部分、控制部分則需要另行放置。

圖3 空間電子束焊接系統構成

前蘇聯研制的多功能電子束焊接系統(VHT)，功率：1 kW，總質量(不含外殼)：30 kg[12]。

由于空間站對實驗系統質量及總功率要求嚴格，在軌電子束焊系統開發時，在設備總質量及功耗方面需要進一步降低。

電子束焊接時會產生一些金屬蒸汽可能污染焊接環境，同時會有少量散熱。此外，采用電子束焊需要注意防止X射線產生。這幾方面均需采取相應措施，以防對空間環境及人員產生影響。

3.3 固態焊

固態焊主要包括電阻焊、超聲波焊、攪拌摩擦焊等。其中，由于攪拌摩擦焊具有焊接前及焊接過程中對環境的污染小，焊前工件無需嚴格的表面清理，焊接過程中無弧光、煙塵和飛濺，不需要填充焊材等優點，被認為非常適合空間在軌焊接[13]。

攪拌摩擦焊設備包括數控控制部分及焊接主機頭。焊接時主機頭高速旋轉與工件摩擦，實現焊接。焊接過程中主軸力一般較大，還會產生一定的噪音。

中科院沈陽自動化研究所前期研究的攪拌摩擦焊機頭重量可以控制在50 kg左右，功率不大于2 kW，如圖4所示。此外，控制系統重量也需要考慮。主機頭可以安裝于機械臂末端，也可以手持作業。

圖4 小型化攪拌摩擦焊設備

研究表明，高速攪拌摩擦焊及對工件焊前預熱到200 ℃以上，可以有效降低焊接時的作用力。

鑒于空間站對實驗系統質量、總功率及噪音水平的嚴格要求，在軌攪拌摩擦焊系統開發時，在設備總質量、功耗、噪聲控制等方面還需要進一步開展研究。

3.4 安裝要求

小型在軌焊接裝置可以安裝在艙內在軌維修裝調支持平臺實施在軌焊接作業，結構外形尺寸需要滿足實驗柜門650 mm×550 mm要求。柜內約有315 L的空間可供作業。平臺中的靈巧機械臂具有6個自由度，末端最大負載150 N，末端最大輸出力矩10 N·m。在軌維修裝調支持平臺提供標準氮氣、排廢氣接口[3]。

大型在軌焊接裝置可以安裝在實驗艙I的材料艙外暴露實驗裝置上，該暴露實驗裝置可以為載荷提供電源、信息、熱控等接口支持。標準載荷適配器有I型和II型2種，I型載荷適配器不提供散熱冷板，由艙外有效載荷自身解決散熱問題，供電功耗有100 W或300 W 2種；II型載荷適配器設計有散熱冷板，提供一定的艙外流體回路散熱能力，供電功耗為300 W或1 000 W 2種。實驗艙I有1個大型載荷掛點和1個擴展實驗平臺掛點，載荷重量可以達到2 000 kg，并且支持掛點的組合使用[3]。

小型結構的在軌焊接維修、制造，可以通過光電接口將作業端引入艙內，在在軌維修裝調支持平臺上進行作業；大型結構的在軌焊接維修、制造可在艙外實施。

4 結束語

在軌焊接是空間在軌制造不可或缺的技術，但現有的焊接技術應用于空間在軌作業，均不同程度存在一些問題。如：釬焊殘留釬劑處理問題；電子束焊裝置總體重量問題，焊接時產生的金屬蒸汽會對環境產生污染問題；激光焊時金屬蒸汽對聚焦鏡頭的蒸鍍問題；攪拌摩擦焊時工件固定問題、陀螺扭矩問題、噪音問題等。面對空間特殊環境，以及有限的空間資源，需要開展深入研究，有針對性地開發在軌焊接技術。