空間在軌制造技術發展綜述及展望

楊興文,韓靜濤,劉 靖,張從發,梁進超

(1.北京科技大學材料科學與工程學院,北京 100083；2.中原工學院,鄭州 451191 3.北京空間飛行器總體設計部,北京 100094)

0 引 言

隨著信息、新材料、智能制造、快速成形技術的迅猛發展,空間在軌制造技術已成為各航天強國在航天領域的新研究熱點,如今的空間在軌制造技術已不再是遠景目標,而極具現實意義,被認為是提升人類太空活動能力、保障地外基地建設和深空探測任務的戰略性關鍵技術之一[1-2]。

在現有的許多科學計劃中,大型空間結構的需求越來越強,比如代表國家科技實力的大型空間站[3]、空間在軌服務與維護平臺[4]、大型通信天線[5]、大口徑紅外空間望遠鏡[6]、空間太陽能電站[7-8]、深空探測中轉站以及地外太空基地[9]等。這些大型空間結構共同的特點都是體積巨大,結構復雜,其遠遠超出了火箭的運載能力及整流罩包絡尺寸的限制,目前所有的運載工具都不能滿足其以獨立單元從地球一次發射入軌。而國際空間站中安裝有四對大型的太陽能帆板電池的主承力構件-桁架式的龍骨架結構(桁架總長度109 m),采用的是多次發射組件并在軌裝配完成構建[10]。作為航天技術最為先進的美國,其在軌服役的最大展開結構尺寸為150 m,這幾乎已達到在軌構建尺寸的上限[11]。諸如空間太陽能電站、空間在軌維護或服務平臺等大型結構其設計尺寸達到數百米甚至千米級；再加上現代軍事對太空偵察、預警的需求大幅提高,空間天線的口徑也從最初的幾米突破到數百米,其中作為典型代表的雙天線干涉SAR (Synthetic aperture rade)[12],其基線的理想長度為200～500 m,若要實現對運動目標的跟蹤觀測需求,載荷探測基線至少需達到公里級；基于光學偵察的太空光學遙感器其光學口徑至少要達到10 m,因其結構設計復雜,在發射過程還需考慮苛刻的力學環境,為提高結構的可靠性和安全性,雖運行于微重力狀態下卻需要經歷9 g準靜態過載考核,制造成本極高[10]。因此未來的超大空間設施構建再采用傳統的地面制造在軌展開或裝配的模式[13-16]已難以滿足要求,而空間在軌制造技術已成為破解未來大型空間結構發展的重要技術途徑。

所謂空間在軌制造技術,主要是指在地球之外的太空環境中,使用攜帶材料或者利用地外資源進行目標產品原位制造的集合[17]。本文按照空間在軌制造技術制造方法的不同,從空間在軌3D打印技術、空間在軌焊接技術、基于帶材的空間在軌塑性成形制造技術以及在軌原位制造技術等四方面對在軌制造技術的發展現狀進行歸納分類和評述,并結合國外在軌制造技術的成功經驗,給出了中國在軌制造技術發展需重點關注的方面,以期為中國空間在軌制造技術的布局提供有益參考。

1 空間在軌3D打印技術發展現狀

3D打印技術作為一項先進制造技術,發展于20世紀末,屬于“增材制造”的范圍,是一種主要采用逐層堆積直接成形零件的數字化工藝。美國自1993年開始空間在軌3D打印技術的研究,發展到2012年,該技術成熟度已從TRL3提升至TRL5,是目前最為成熟的空間在軌制造技術。2013年,美國系繩無限公司(Tethers Unlimited,TUI)提出“蜘蛛制造”(SpiderFab)的太空制造技術計劃,如圖1所示,主要是利用3D打印技術在軌制造超大型空間結構及多功能系統組件,“蜘蛛制造”規劃在2022年完成在軌飛行演示試驗,2024年實現在軌自主裝配[18]。2014～2016年間,NASA與美國太空制造公司(MIS)合作,先后兩次將研制的兩代增材制造設備送往國際空間站,以探究微重力條件下ABS、HDPE等高分子材料的增材制造工藝,尤其是將第二代設備進行系列改造后,將在軌制造的拉伸、壓縮、彎曲試樣及棘輪扳手等與地面打印件比較,其壓縮強度、彎曲強度與拉伸強度等力學性能非常相近,并且符合多種零部件的使用需求,綜合兩階段研究成果,NASA得出結論微重力對空間打印樣品的載荷性能有一定影響但對熔融沉積成型過程影響不大[19-20]。2015年TUI在NASA資助下開展一項名為Refabricator項目[21],旨在研制一臺設備兼具高分子材料循環利用與增材制造功能,該設備已于2018年送入國際空間站,在太空中利用ABS和ULTEM材料展開制造實驗,以探索材料在回收和打印過程中降解利用情況,以便于后續太空回收方面的研究工作[22]；這表明NASA已開始考慮盡量減少空間任務的初始原材料質量需求,充分利用原位資源和回收技術將太空垃圾變廢為寶,以減少原材料發射成本和太空廢料的污染,從而為下一代空間在軌3D設備的開發指明了研究方向。

圖1 “蜘蛛制造”太空制造概念圖Fig.1 Concept map of “SpiderFab”space manufacturing

2015年NASA出資2000萬美元,由MIS公司主導,聯合斯羅普-格魯曼和海洋空間系統等商業公司開發了名為“多功能空間機器人精密制造與裝配系統”的項目,又稱“太空建筑師”(Archinaut)項目[23],如圖2所示,其目標是制造一臺帶有機械臂的3D打印機,利用增材制造技術在無需航天員介入的情況下,在軌自主完成太空中大型復雜結構制造及組裝。在Archinaut項目中,核心系統是擴展結構增材制造機(Extended structure additive manufacturing machine,ESAMM),其新穎之處在于擴展了傳統的增材制造工藝,通過打印頭本身在兩個維度上運行并設置最大橫截面積時,機器人橫移系統以連續移動的方式完成子區域,從而實現任意高度的打印[24]。在地面實驗中采用ESAMM制作的桁架結構如圖3所示,2017年6月MIS公司成功完成了擴展結構增材制造機(ESAMM)的熱真空打印桁架測試,并將空間增材制造技術(AM)的技術成熟度水平從TRL3提高到TRL6[25]；在完成熱真空打印桁架測試后,MIS利用ESAMM平臺在接近0-g的構建環境進行了長時間打印測試,通過數十次的補充原料,滿足了暫停和繼續運行的操作要求,最終打印530小時后制造出了長度達37.7 m的桁架梁,此長度與現有的折疊鉸接方形桁架桅桿(被用于國際空間站的太陽能桁架)相當。該項目將傳統的增材制造技術與機器人操作深度融合,已具備生產定制高度、特定強度、相對較小發射風險的大型結構件,可成為未來大型空間結構在軌構建的有效范式,尤其是其擴展結構增材制造技術充分利用微重力環境的優勢,減少了苛刻的發射環境對制造部件結構質量及長度的限制,大大提高了增材制造構件的應用范圍,但明顯的不足在于其構件生產速率僅為約2 mm/min,容易導致空間大型構件在長時間制造過程中出現不可控的質量風險問題；同年NASA又支持了一項“多材料制造實驗室項目[26]”,其目標是為復雜、集成的在軌制造提供一個解決方案,以便能在軌制造精密零件、備品備件,并為在軌維修及后勤提供支持。其中打印的材料包含航天級金屬材料、高分子材料及復合材料、可打印的電子墨水等,這表明NASA已開始從單一材料制造向多材料混合制造發展,并開始面向應用層面開展。

圖2 “太空建筑師”概念圖Fig.2 Concept map of “Archinaut”

圖3 ISM采用ESAMM制作的桁架結構的太陽電池陣概念圖Fig.3 Conceptual drawing of the truss structure solar array made by ISM using ESAMM

歐洲航天局(ESA)和俄羅斯航天局(ROSCOSMOS)在空間在軌3D打印方面也展開了諸多研究,如ESA在高分子材料打印方面開展了POP3D和MELT3D項目[27]；在金屬材料3D打印技術方面,英國伯明翰大學、德國聯邦材料研究所(BAM)分別利用金屬熔絲、金屬粉末開展了微重力環境下的金屬3D打印過程研究。2016年歐洲航天局和伯明翰大學合作研發了鋁絲的定向能量沉積3D打印技術,但該技術未能解決微重力條件下金屬熔融液體精確控制的問題;2018年德國BAM聯合一些研究機構開展了“失重狀態下的粉末增材制造項目”,該項目通過在微重力環境中利用粉末層建立氣體流動的新方式以彌補重力下的作用力,采用激光束熔化的方法成功制造出世界第一個金屬工具-12 mm的不銹鋼扳手[28];2018年底,俄羅斯宇航員在國際空間站利用Invitro醫療公司研制的Organ.Aut生物3D打印機首次在軌打印出了人類軟骨組織及嚙齒動物的甲狀腺組織,另外該打印機還支持在軌培養多種器官以用于研究宇宙輻射對器官的不利影響,該研究發現在零重力環境下打印出的器官和組織要比地球上成熟的更快,效率也更高。

中國的空間在軌3D打印技術起步比歐美國家要晚,但近幾年發展迅速,2016年2月中國科學院研究團隊在法國波爾多利用拋物線飛機產生的微(低)重力環境成功開展了微重力高分子材料及其碳纖維復合材料增材制造技術驗證,獲取了不同材料與工藝在微重力環境下相關數據,是我國首次開展的微重力環境下增材制造技術試驗驗證。為開展復合材料空間3D打印技術及空間超大結構的在軌制造,中科院團隊通過熔融沉積制造工藝(FDM)成功打印出了正交取向的PEEK和CF/PEEK復合材料[29],但如何提高熔融沉積工藝打印件層間結合力,進而提高打印件的整體性能仍需要進一步研究。2020年5月,中科院團隊研制的“復合材料空間3D打印系統”搭載中國新一代載人飛船實驗船完成了首次“太空打印”[30],本次太空實驗主要成果為自主完成了連續纖維增強復合材料樣件的打印,并驗證了微重力環境下復合材料3D打印的相關實驗目標,對中國以后開展空間站的復合材料在軌3D打印、空間超大結構在軌制造有十分重要的意義,實驗中打印出的代表航天器輕量化的蜂窩結構和航天科技集團CASC標志如圖4所示。

圖4 試驗船上成功打印出的蜂窩結構及CASA標志Fig.4 The honeycomb structure and CASA logo successfully are printed on the test ship

相對來講,空間在軌3D打印技術是目前最為成熟的空間在軌制造技術。近幾年中國在軌3D打印技術發展迅猛,但與國外相比仍有不小的差距。從國外空間在軌3D打印技術發展來看,通過空間站內增材制造工藝的研究,初步驗證了空間艙內3D打印技術受微重力影響較小；從空間3D打印材料的發展來看,已從最初的ABS塑料逐漸擴展到其它高分子塑料、金屬材料、碳纖維復合材料、生物材料等多材料領域,但金屬材料、復合材料等在軌3D打印仍存在諸多難點,如微重力條件下金屬熔融液體的表面張力、內聚附著力等精確控制問題、CF/PEEK復合材料在熔融沉積工藝過程中層間結合力問題,產品打印精度和質量較低、打印速度慢、產品性能穩定度較差、且打印過程會產生廢氣、廢渣、廢熱等問題；另外受限于空間站能源供給、空間有限等因素,空間在軌3D打印技術仍有一系列技術問題亟待解決；從發展時間來看在軌3D打印技術在空間構建大型結構模式發展方面時間仍然偏短,技術成熟度仍處于較低水平,相比與艙內制造,艙外制造的開發成形環境的高真空、溫度交變、強輻射、空間微重力等多種因素的交織對大型構件的增材制造工藝及制件性能差異的影響還未進行系統的研究；基于以上的種種問題,未來空間在軌3D打印技術將主要向多材料、高精度、多功能、小型化、低工耗、低釋放、高適應性等方向發展。

2 在軌焊接技術的發展現狀

對于空間焊接的研究源于20世紀60年代,前蘇聯在該時期內開展多項太空焊接研究計劃,1984年前蘇聯的兩位宇航員攜帶巴頓焊接研究所(蘇聯解體后歸烏克蘭)研發的手持式焊接工具VHT進入太空并在“禮炮7號”空間站艙外完成人類首次的太空艙外焊接作業[31]。從1992年開始美國國家航空航天局(NASA)與烏克蘭巴頓電焊研究所合作,開展了一項國際空間焊接試驗(ISWE)項目,主要針對巴頓電焊研究所開發的VHT工具進行全面評估,其內容包括地面模擬試驗的焊接質量、熔滴脫落的可能性、電子束及熔池金屬對宇航服的影響、電子束的光輻射危害等[32-34],評估結果表明VHT設備穩定,該設備給宇航員安全帶來的風險較小。在這些工作的基礎上,90年代中期NASA蘭利研究中心將電子束加工成型(EBF3)作為空間在軌制造開發項目的一個重要方向,主要研究了微重力和低溫等因素對焊縫的影響,并對EBF3試驗設備樣機進行多次優化。2006年NASA應用小型EBF3設備在拋物線飛機上進行多次微重力試驗,采用2219鋁合金測試分析微重力下影響金屬成型的因素,以完善工藝參數,圖5所示為EBF3試驗設備和飛行演示過程。此次試驗結果表明,通過合理的調整焊接速率、送絲速度及角度等參數可得到較好焊縫,0 g下到熔池的送絲角度較1 g環境下對焊縫成形的影響更為明顯,空間環境下熔滴形狀主要受表面張力和潤濕力的影響,絲材頂端與底板的距離、熱輸入是影響焊縫表面不平的重要參數[35]。但EBF3技術存在電子束功率高、產生電子束的附件較大、電子槍需專業維護等問題。2018年烏克蘭巴頓研究所新提出了一種開放空間中焊接的電子束槍新設計方案,經試驗證明了其在開闊空間條件下應用的可能性[36]。空間電子束焊是目前開展空間焊接地面模擬實驗和論證最多的焊接方法,也是目前唯一進行了太空艙外實際操作的焊接方法。

圖5 EBF3試驗設備與飛行試驗過程Fig.5 EBF3 test equipment and flight test process

另有研究表明釬焊也是太空條件下實現材料連接的一種有效方法,NASA于2004年在“國際空間站”上進行了軟釬焊搭載試驗,如圖6所示,發現釬料在太空中比地面的潤濕鋪展效果更佳,太空釬焊時釬縫缺陷更少,太空釬焊的焊接接頭不受形狀和壁厚的影響,且不產生焊渣和煙霧。但太空焊接中最大的問題是微重力環境下釬料難以過渡到工件上,使得接頭形狀受到影響,且微重力環境不利于接頭中氣體排出[37]。在固相連接方法中,近年來發展較好是攪拌摩擦焊,其突破了傳統固相連接方法在空間應用中的諸多不足,2008年NASA馬歇爾空間飛行中心研究人員提出了多種可用于空間在軌焊接的固相摩擦焊方案,并得出了攪拌焊(FSW)是非常適用于空間焊接和維修的一種固相焊接工藝[38],其優勢主要體現在對真空和微重力環境不敏感、焊接過程材料不熔化、焊接過程無電弧和飛濺、不需添加焊絲、不依賴重力來促進焊接區材料的流動、易自動化等方面,但也存在一些問題,如焊接過程中需很大的壓力、焊接頭需高速旋轉、焊接設備尺寸大不易攜帶等,針對上述問題,NASA馬歇爾空間飛行中心先后提出了高速旋轉攪拌摩擦焊、超聲復合攪拌摩擦焊和熱輔助攪拌摩擦焊等方法來解決以上問題。

圖6 國際空間站軟釬焊試驗Fig.6 Soft soldering test on the International Space Station

根據中國深空探測及建設空間站的需求,國內一些機構也開始了電子束在軌焊接技術的研究工作。2011年哈爾濱工業大學與烏克蘭巴頓焊接研究所聯合開發了用于開展空間電子束焊、釬焊、切割和涂覆等試驗的太空電子束焊接平臺[39]。中國空間技術研究院開發出一套太空電子焊接裝置[40],蘭州理工大學開展了針對空間站應用的手工電子束焊槍的電聚焦系統的設計研究[41],航天五院北京衛星制造廠還申請了“一種用于空間在軌焊接的手持式電子束焊接電源”專利[42]。2020年哈爾濱工業大學王婷等利用與巴頓焊接研究所聯合研制的小型電子束槍,研究了以AgCu28絲為釬料的純鈦TA2的真空電子束釬焊試驗,發現以AgCu28為釬料,采用自動送絲的真空電子束釬焊在空間中焊接TA2是可靠的[43],但其他類型的在軌焊接方法國內鮮有研究。

整體來講,空間在軌焊接技術雖是最早引起關注的在軌制造技術,但歷經半個多世紀的發展歷程,仍未有突破性進展,主要的難點體現在能源、可操作性、焊接工藝等方面。從能源方面來講,不論是電弧焊、電子束焊還是釬焊等熔化焊方法,均需要熔化被焊的金屬及填充金屬材料,這就要求焊接設備能夠提供足夠的能量,而空間站能源供給十分有限,極大的限制了在軌焊接的發展；其次焊接操作一般需要專業的焊工來執行,而在太空中這些工作主要由宇航員來操作,顯然需要宇航員太空行走并完成高難度焊接,為降低太空焊接難度,有效減少宇航員出艙行走次數,最大程度的保證宇航員的生命安全,就需要開發自動化程度高、易攜帶的太空焊接設備,而目前存在的焊接工藝與設備自動化的匹配性差等一系列瓶頸問題限制了在軌焊接的快速發展；另外就焊接工藝來說,微重力下的熔滴凝固十分復雜,在技術層面上在軌焊接機理研究還不夠深入,諸多工藝問題未能解決。相比于發達國家的研究情況,中國的在軌焊接技術差距更為明顯,主要體現在宏觀上國內對在軌焊接技術研究的關注度不高,缺乏總體規劃,相關領域研究機構較少,且缺乏相應的經費支持；結合國內外研究來看,未來空間焊接發展方向仍集中在空間焊接基礎理論研究、空間焊接設備的開發、空間焊接材料研發、空間焊接工藝地面模擬、焊接質量評定技術開發等方面,但空間固態連接技術、金屬基復合材料空間環境下焊接性研究、空間桁架及薄壁導管等典型空間結構的焊接工藝、焊接過程自動化技術研究將會成為近幾年在軌焊接的研究熱點。

3 基于帶材的在軌塑性成形制造技術發展

基于帶材的在軌塑性成形制造技術發展起源于上世紀70年代,美國NASA蘭利研究中心(LaRC)針對空間用桁架結構平臺提出了在軌制造,即通過向太空發射原始的帶狀材料及制造設備,利用設備對原材料進行塑性成形、焊接、裝配等一系列工序后自動生產出桁架梁各個部分,并在軌組裝成大型結構,如空間平臺。NASA/JSC資助了一項名為“空間結構自動化制造實驗定義研究”(SCAFEDS)的項目,兩種空間梁制造機器在1978年被同時開發出來,其中一臺由美國通用動力的康維爾分部制造,以復合材料作為原材料進行塑性成形制備梁結構,如圖7(a)所示,另外一臺由美國格魯曼公司制造,如圖7(b)所示,采用鋁作為原材料進行梁制造[44]。

圖7 SCAFEDS“梁建造者”兩種設備圖Fig.7 Two equipment diagrams of “Beam Builder”

該技術最大的優點就是可以實現原材料的高密度包裝發射入軌,在太空中利用設備進行連續塑性成形制造,建造大型空間平臺,該設備的關鍵技術是梁帽成形和超聲波焊接,但該設備的尺寸過于龐大,相當于一輛皮卡,嚴重的限制了其應用。在后續的研究中格魯曼公司考慮到雙纖維/熱塑性樹脂復合材料在熱瞬變期間變形小,熱膨脹系數幾乎為0,且軸向剛度是鋁的2.5倍,密度是鋁的0.91倍等一系列優點,轉向開發復合材料的桁架梁建造器[45]；1980年,LaRC研究了連續石墨纖維增強材料的拉擠工藝在軌制造的潛力,結果表明,通過使用拉擠卷材和在軌制造,包裝密度提高了132%,并且有效負載量需求減少了56.3%[46]。1980～1990年之間,美國在軌塑性成形制造桁架設備開發進入快速發展期,期間申請了多項專利,例如Jack A.Kinzler申請的“結構構件、方法和裝置”,專利號為4237662,其裝置如圖8所示[47]。2013年在NASA“小企業創新研究”合同的支持下,TUI公司在進行“蜘蛛制造”技術的同時開發了“Trusselator”設備,而該設備被認為是實施‘蜘蛛制造’體系結構關鍵的第一步,前期的“SCAFEDS”項目正是Trusselator概念的前身,其第一階段的工作重點是創建一階復合桁架結構,為驗證技術可行性,設計了一種能夠加工碳纖維/PEEK原料膠帶形成長連續長度的復合材料桁架的原型機,如圖9所示,并以5 cm/min的速度演示了10 m桁架的制造,在實驗室環境中成功進行的第一階段測試使Trusselator技術成熟度達到TRL4[48]。通過對桁架樣品進行力學測試,結果表明,與飛行傳統可展開桁架技術相比,桁架樣品具有更高的“抗彎剛度效率”。

圖8 一種桁架在軌制造設備圖Fig.8 Drawing of a truss on-orbit manufacturing equipment

而中國關于帶材塑性成形在軌制造的研究報道不多,2018年哈爾濱工業大學姜生元等申請了“基于組件連接成型的桁架在軌建造系統及在軌建造方法”專利[49],其原理也是利用帶材在軌成形桁架結構,但是具體塑性成形細節并未批露；2019年北京科技大學韓靜濤教授團隊與航天五院北京空間飛行器總體設計部聯合正在進行基于帶材的冷彎成形在軌生產中空桁架桿的研究,設計的原型樣機原理圖10所示,并已獲專利授權[50],其主要原理為利用原型樣機采用帶材螺旋冷彎成形技術快速生產桁架桿件,其速度可達到5 m/min,連接形式主要采用咬口連接形式,不涉及機械連接、焊接等工藝,方法簡單,且性能可靠,相關的研究工作正在進行中。

圖10 基于帶材冷彎成形桁架原理圖Fig.10 Schematic diagram of cold-formed truss based on strip

對于帶材在軌塑性成形制造技術來講,目前比較成功的就是美國的Trusselator項目,其技術成熟度達到TRL5[51],其他的項目仍在地面實驗室研究階段,該技術需解決的關鍵問題主要有三個,第一是設備體積問題,縱觀目前的在軌塑性成形桁架一體機設計,成形工序相對較多,普遍體型巨大,且結構復雜,難以抵御苛刻的火箭發射段力學環境,如何盡可能的使設備設計簡單化并有效減少成型設備體積成為制約其技術發展的首要因素；第二是微重力條件下的塑性成形問題,相對于在軌3D打印和焊接技術來說,塑性成形過程不涉及熔滴凝固等問題,受微重力影響要小的多,但是微重力條件下塑性成形機理相對滯后,須展開深入研究；第三是塑性成形過程中的功耗問題,帶材塑性成形過程中變形抗力較大,因此對能量需求強烈,而考慮空間站的能量供給限制,未來低功耗設備與成形材料選擇(塑性好易變形的材料強度低；而高強韌性材料變形困難)將十分關鍵。未來帶材在軌塑性成形技術的發展重點將集中在設備小型化及高強高塑帶材的優化等方面。

4 在軌原位制造技術發展現狀

太空原位制造技術主要是指在空間站、月球、火星及其他太空基地表面利用其自身原材料來進行零件制造的工藝,該技術是未來實現載人深空探測任務必不可少的一項技術。

20世紀60～70年代美國所完成的6次阿波羅登月任務從月球取回的土壤,包含月巖石、礦樣、沙土及塵埃等共382 Kg,前蘇聯自動探月飛船也取回300 g的月球土壤[52]。這些月壤為地面進行太空原位制造技術的實驗研究提供了寶貴的原料,馬歇爾宇航中心和明尼蘇達大學等科研機構還開發出了JSC-1、MLS-1等一系列月球土壤模擬樣本。美國華盛頓大學研究團隊研究了類月壤材料的激光制造技術并成形出簡單的形狀樣件。NASA馬歇爾空間飛行中心在對月壤電子束選區燒結工藝可行性研究中發現月壤礦物中包含了大量的鋁、鈦、鐵等金屬元素,因此未來有可能直接利用月球表面原材料進行原位制造,但是存在如何優化工藝以獲得足夠強度的結構零件及如何解決材料脆性的問題,為避免該問題,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,但相關的性能數據未見后續報道[53]。2017年美國西北大學Shannon L.Taylor等人介紹了一種利用直接擠壓3D技術對JSC-1類月土壤燒結制造蜂窩結構多孔月球長方體微桁架,并對其微觀結構、壓縮特性、鐵磁特性進行細致研究,該方法可用于原位制造建造材料的微桁架,比如月球上的棲息地[54]。2019年美國克萊姆森大學M.Z.Naser綜述探討了從月球和火星等地外建筑材料以及混凝土衍生物在行星原位建造中實用性,還給出外星空間環境中原位生產建筑材料的加工技術,如熔融/燒結、干混/蒸汽注入、冷壓等,并重點介紹了新興趨勢和未來的研究方向[55]。我國目前在月球原位資源大型設施3D打印技術的研究還停留于設想階段,中國空間技術研究院載人航天總體部率先開展了月球基地建造的概念研究工作,并對月面設施制造的方案和技術途徑進行了研究,設計的月球基地概念如圖11所示[56],相關的原位制造研究還未開展。

圖11 月球基地初步建造規劃方案Fig.11 Preliminary construction plan for the lunar base

目前關于太空在軌原位制造技術主要集中在美國,其在太空探索中處于領先地位,太空原位制造技術代表了未來在軌制造技術的研究方向,該技術可最大限度的利用原位資源,降低發射成本,并可作為未來深空探測的補給基地,但受目前的技術限制,相關研究主要在實驗室階段,還未進行太空原位制造驗證,但這些前沿研究可為未來重大在軌航天工程的實施提供必要的技術儲備,美國研究機構在這方面的關注對中國的在軌航天事業發展方向具有非常重要的參考意義。

5 關于中國在軌制造技術發展的思考

國外的航天機構尤其是以美國國家航天局NASA為首,太空在軌制造研究方面已有60多年的發展歷程,取得了很多豐碩的成果,相比較而言,中國近幾年在軌制造方面雖取得了一些成績,但對太空制造的探索仍處在摸索階段,國外許多成功的經驗值得我們借鑒和學習,中國在軌制造技術要取得長足的發展,需重點關注以下三個方面：

1)在總體規劃方面,要有長遠而清晰的發展計劃,加強基礎創新,避免盲目跟風。

空間在軌制造技術的發展離不開國家航天任務的牽引,因此制定一個循序漸進、有簡到難、布局合理、前瞻性強的長期發展路線圖就尤為重要,如NASA為在軌制造技術規劃了從地面失重飛機驗證、國際空間站應用到深空探測等清晰明了的“空間在軌制造技術發展路線圖”；在技術研發方面,注重多頭并進,從在軌3D打印技術到外太空原位制造均有探索,為太空制造發展途徑增加更多的可能性。要發展在軌制造技術,新材料、新工藝、新裝備的研究必不可少,這需要時間的積淀,美國在新材料、機械、數學、控制工程、材料力學、動力學、自動化等基礎學科的長期投入已顯現出非常巨大的創造力和創新潛能,而中國在相關學科方面的發展還有很大的差距,基礎學科重視程度不夠,創新潛力匱乏,雖然中國近些年來在航天技術上取得了驕人成績,但更多是跟隨、復制、模仿、驗證他人的技術,原創性的技術創新不足,必須加強基礎創新,并結合國內航天技術發展特點,盡快制定出符合中國發展、思路清晰、目標明確、具體可行的在軌制造發展規劃及總體方案,多重視與在軌制造技術相關的先進材料制備方法、精密制造設備、交互控制技術等創新內涵豐富的綜合性基礎技術的研究投入,注重基礎性、系統性、原創性,爭取能產生出一批重要的開創性研究成果,為在軌制造技術的發展奠定堅實基礎。

2)注重關鍵核心自主技術研發,重視學科交叉融合。

美國、英國及德國等航天強國之所以在相關技術領域領先,還在于其善于集中統籌各方力量,集中突破空間在軌制造領域關鍵核心技術。在NASA和ESA部署的項目中,一個典型的特點就是以MIS為代表的初創型企業參與度很高,國家層面的航天研究機構加上廣泛的社會企業共同努力,成就了一大批關鍵核心技術的突破。而中國目前的在軌制造技術領域基礎及經驗積累方面相對薄弱,但可跟蹤美國、俄羅斯的最新發展動態,針對在軌制造技術的核心熱點問題,集中國內的頂尖技術團隊及實力雄厚的航天科技企業進行聯合攻關,力爭率先提出一些新概念、新原理、新方法、新技術,以實現彎道超車。比如在設備/工藝的空間適用性、設備功能性模塊設計、人機交互技術、在軌制造低功耗、高精度、多功能等方面實現重大突破。要實現關鍵核心技術的突破,必須注重學科交叉融合。因為在軌制造技術屬于多學科交叉、工程技術與基礎科學并重的研究領域,涉及材料、物理、化學、控制、先進制造等多個學科,尤其是在微重力、高真空、交變溫度的復雜太空環境中,新材料的在軌制造涉及諸多新問題,單純的學科理論已無法解決,以材料熔凝制造來講,就涉及流體物理中的驅動對流、熔滴懸浮、空間凝固界面動力學、流動成型、組分運輸、黏結固化等諸多科學新問題,必須深入開展交叉學科的基礎理論才能解決。

3)加大實驗硬件投入,利用空間實驗平臺,加強國際合作,提升在軌制造能力。

在軌制造技術的快速發展,離不開太空失重模擬環境等硬件條件的支撐,如日本北海道的落井設施(為當前獲微重力時長最長的自由落體裝置),烏克蘭巴頓研究所的“Ty-104”失重飛機、俄羅斯空間模擬艙、國際空間站等；中國在這些空間試驗硬件條件上還有所欠缺,必須加大投入。當然,中國自主建造的空間站將于2022年建成,勢必會大大推進在軌制造技術的發展。在經濟全球化的今天,要想更快的推進科技發展,國際合作就非常必要,它可有力的推進技術創新、技術發展、有利于科技成果的互惠互利,中國可以主動加強與美國、俄羅斯、英國、德國等航天強國的航天科技交流,科技人員的定期交流互換,先進成果開放與共享,以促進技術的創新和快速發展,迅速提高在軌制造能力。但是我們也必須清醒的認識,歷史的經驗告訴我們“打鐵還需自身硬”,只有自身科技實力的強大,掌握了核心技術,才能在國際舞臺上有自己的話語權。

6 結束語

空間在軌制造技術是大型空間結構構建、保證在軌和在研航天器在復雜空間環境中長壽命、高可靠運轉,降低航天發射成本以及在全壽命周期內完成既定任務目標的關鍵技術之一,已成為各航天強國的研究熱點。本文針對在軌制造技術的發展進程,從在軌3D打印技術、在軌焊接技術、基于帶材在軌塑性成形制造技術、在軌原位制造技術等四方面進行了分類歸納和評述,指出相關技術當前發展過程遇到的一系列瓶頸問題,并結合國外在軌制造技術成功經驗給出中國在軌制造技術需重點努力的方向。未來的在軌制造技術將趨于向更高精度、更快速度、更智能化方向發展,中國即將建成的空間站也將成為在軌制造技術驗證和試應用的絕佳平臺,可以預見,在不久的將來在軌制造技術必將在中國的航空航天重大戰略任務中迎來發展的春天。