在軌3D打印及裝配技術(shù)在深空探測領(lǐng)域的應(yīng)用研究進(jìn)展

楊延蕾，江煒

（上海宇航系統(tǒng)工程研究所，上海 201109）

在軌3D打印及裝配技術(shù)在深空探測領(lǐng)域的應(yīng)用研究進(jìn)展

楊延蕾，江煒

（上海宇航系統(tǒng)工程研究所，上海 201109）

以太陽帆深空探測為引子，對(duì)以在軌3D打印及裝配技術(shù)為基礎(chǔ)的在軌制造技術(shù)的必要性和可行性進(jìn)行分析，分別闡述了在軌3D打印技術(shù)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)、技術(shù)可行性以及在軌裝配的最新研究進(jìn)展，并重點(diǎn)研究了美國NASA資助的“蜘蛛制造”在軌制造技術(shù)，此項(xiàng)研究成功地將在軌3D打印和空間自主裝配有機(jī)結(jié)合起來，有望突破目前空間可展開機(jī)構(gòu)無法達(dá)到萬米量級(jí)的技術(shù)局限性，為中國深空探測的發(fā)展提供了一種可供選擇的發(fā)展思路。

在軌3D打?。辉谲壯b配；深空探測

引用格式：楊延蕾，江煒. 在軌3D打印及裝配技術(shù)在深空探測領(lǐng)域的應(yīng)用研究進(jìn)展［J］. 深空探測學(xué)報(bào)，2016，3（3）：282-287.

Reference format: Yang Y L，Jiang W. Review of on-orbit 3D printing and assembly technology for deep space exploration application ［J］. Journal of Deep Space Exploration，2016，3（3）：282-287.

0　引　言

21世紀(jì)以來，世界各航天國家為了進(jìn)一步開發(fā)利用宇宙空間資源，擴(kuò)展人類生存空間，先后推出各具特色的深空探測發(fā)展規(guī)劃。隨著各國深空探測活動(dòng)范圍的進(jìn)一步擴(kuò)大以及探測任務(wù)的復(fù)雜性提高，傳統(tǒng)依靠化學(xué)燃燒反作用力的推進(jìn)方式因發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)可持續(xù)時(shí)間短、燃料的攜帶量有限以及發(fā)射費(fèi)用昂貴等問題已無法滿足深空探測任務(wù)的需求，而太陽帆推進(jìn)顯然從理論上可以解決上述技術(shù)難題。

太陽帆推進(jìn)的機(jī)理是利用太陽光的光壓產(chǎn)生的推力進(jìn)行宇宙航行。不過，太陽光產(chǎn)生的光壓畢竟很小。為了使航天器可攜帶更多的科學(xué)有效載荷質(zhì)量，太陽帆的反射面必須足夠大，而為了獲得更大的加速度，太陽帆航天器的自身質(zhì)量則必須非常輕。由美國NASA發(fā)布的太陽帆推進(jìn)技術(shù)發(fā)展路線可知，隨著深空探測任務(wù)難度的逐漸提高，太陽帆的展開尺寸需要由目前LightSail A/B的32 m2逐步擴(kuò)展至7.5萬 m2甚至是25萬 m2。

這種星際探測所需的10萬 m2量級(jí)的超輕薄太陽帆應(yīng)用需求，對(duì)太陽帆面薄膜材料、展開機(jī)構(gòu)以及支撐機(jī)構(gòu)等關(guān)鍵技術(shù)等提出了近乎苛刻的設(shè)計(jì)需求，這顯然不是現(xiàn)有的薄膜材料、折疊及其空間展開技術(shù)現(xiàn)狀所能勝任的，勢(shì)必要求太陽帆在材料選擇、加工制造以及空間展開方式等方面取得重大突破。

為此，若在太空環(huán)境下可借助于在軌3D打印的增材制造技術(shù)以構(gòu)建太陽帆的膜面及支撐機(jī)構(gòu)，并通過在軌裝配技術(shù)避開傳統(tǒng)大型太陽帆在折疊、空間運(yùn)輸以及空間展開等方面的技術(shù)難題，將能夠極大推動(dòng)太陽帆在低成本深空探測領(lǐng)域的應(yīng)用前景。

1　關(guān)鍵技術(shù)研究分析

1.1在軌3D打印

1.1.1在軌3D打印的技術(shù)優(yōu)勢(shì)

3D打印技術(shù)是20世紀(jì)末發(fā)展起來的一項(xiàng)先進(jìn)制造技術(shù)，其實(shí)質(zhì)為“增材制造技術(shù)”。所謂在軌3D打印，是指在零重力環(huán)境下，在軌航天器利用自身攜帶的3D打印機(jī)及原材料，根據(jù)設(shè)計(jì)需求進(jìn)行航天器零部件的在軌打印制造，其優(yōu)勢(shì)在于：

1）簡化航天器零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，減少零件質(zhì)量。以太陽帆的支撐架（剛性太陽帆）和展開機(jī)構(gòu)為例，若采用傳統(tǒng)的地面加工方式，其在設(shè)計(jì)過程中需要考慮發(fā)射過程中的動(dòng)態(tài)載荷和振動(dòng)，因而需要太陽帆支撐架具備較強(qiáng)的承受過載和振動(dòng)的力學(xué)特性，而若采用在太空中制造太陽帆支撐架等零部件則無需考慮這一問題，因而可大幅簡化其結(jié)構(gòu)，減低設(shè)計(jì)及制造難度，減少質(zhì)量，甚至可以進(jìn)行無支撐設(shè)計(jì)。

2）有效解決火箭整流罩容積限制航天器自身質(zhì)量及壓縮折疊狀態(tài)下的形狀等問題。迄今為止，以日本航天局成功發(fā)射的“伊卡洛斯號(hào)”（Ikaros）［1］太陽帆為代表的全柔性自旋轉(zhuǎn)展開薄膜型太陽帆方案最為成功，利用可展開薄膜結(jié)構(gòu)具有高展開/壓縮比、柔軟、重量輕、易折疊等優(yōu)點(diǎn)，發(fā)射時(shí)的折疊態(tài)呈高0.8 m、直徑1.6 m的圓筒收攏態(tài)，重約300 kg，由聚酰亞胺樹脂材料制成的0.007 5 mm帆面折疊卷繞收藏于圓筒形機(jī)體外側(cè)；展開時(shí)，通過旋轉(zhuǎn)機(jī)體所產(chǎn)生的離心力，使得4根輻條繞著中心展開，在輻條完全展開后，上述薄膜帆面可展開成14 m × 14 m 的正方形（見圖1）。顯然，若要求進(jìn)一步提高太陽帆展開面積至萬平方米或10萬 m2量級(jí)，僅靠減低帆面薄膜材料厚度及密度，優(yōu)化空間展開機(jī)構(gòu)的展開/壓縮比，因目前運(yùn)載工具的空間及質(zhì)量限制似乎很難在近期有所突破。若將適應(yīng)零重力環(huán)境的3D打印機(jī)和原材料送入空間站，在空間站內(nèi)進(jìn)行太陽帆支撐機(jī)構(gòu)及太陽帆面的3D打印，并利用在軌裝配技術(shù)，可有效解決超大太陽帆運(yùn)輸及空間展開等技術(shù)難題。

圖1　“伊卡洛斯號(hào)”太陽帆展開過程Fig.1　Ikaros membrane deployment sequence

3）能夠解決航天器的在軌修復(fù)難題，延長其有效在軌運(yùn)行壽命。在長周期、遠(yuǎn)距離的深空探測中，太陽帆往往會(huì)受到各種粒子碎片的沖擊或破壞，而宇宙中的太陽光及宇宙射線的輻射亦會(huì)加速太陽帆材料的蒸發(fā)。若隨太陽帆航天器配備一臺(tái)3D打印機(jī)及其預(yù)留原料，即可在太陽帆對(duì)應(yīng)性能及故障監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)太陽帆面性能下降或損壞或失靈時(shí)，快速打印替換對(duì)應(yīng)區(qū)域帆面或其他零部件，有效提升其自我修復(fù)能力。

1.1.2在軌3D打印的技術(shù)可行性

近年來，3D打印技術(shù)已廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外的航空航天領(lǐng)域，尤其是在大尺寸零件一體化制造、異型復(fù)雜結(jié)構(gòu)件制造、變批量定制結(jié)構(gòu)件的制造等方面顯示出巨大的競爭優(yōu)勢(shì)。不過，可適應(yīng)太空零重力環(huán)境下的3D打印技術(shù)應(yīng)用研究卻是近幾年才逐步發(fā)展起來的熱門研究課題。為此，下面將系統(tǒng)闡述太空環(huán)境對(duì)傳統(tǒng)3D打印技術(shù)的影響及新的技術(shù)要求。

1）零重力環(huán)境的影響

與地面相比，太空零/微重力環(huán)境對(duì)于傳統(tǒng)的3D打印制造技術(shù)而言，帶來一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)，這是因?yàn)樵诘孛嬷亓Νh(huán)境下，其主要依賴重力來實(shí)現(xiàn)每層材料之間的定位與堆積鍵合，而在零重力環(huán)境下，表面張力則成為決定系統(tǒng)行為的主導(dǎo)因素。零重力或微重力環(huán)境，不但會(huì)對(duì)工藝技術(shù)及參數(shù)產(chǎn)生影響，而且還會(huì)對(duì)擬加工零部件的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、功能集成以及3D打印設(shè)備的傳輸及支撐系統(tǒng)產(chǎn)生影響。在地面環(huán)境下，3D打印制造系統(tǒng)主要是利用直線電機(jī)等線性XYZ驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)其精密運(yùn)動(dòng)，而在零重力環(huán)境下，上述直線運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)則可能被旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)所取代。

當(dāng)然，零重力環(huán)境，亦給在軌制造過程帶來一定優(yōu)勢(shì)，其可加工零件的長度僅取決于其加工設(shè)備所能達(dá)到的極限，且無需考慮重力對(duì)其結(jié)構(gòu)變形的影響，這就意味著在零重力環(huán)境下的在軌太陽帆可進(jìn)行無支撐設(shè)計(jì)。

2011年，NASA啟動(dòng)了“在國際空間站試驗(yàn)零重力環(huán)境下的3D打印技術(shù)”項(xiàng)目［2］，并與太空制造公司（Made in Space）進(jìn)行了一系列的零重力環(huán)境下的3D打印合作研究。2011年7月，太空制造公司首次啟動(dòng)了微重力環(huán)境下的3D打印試驗(yàn)，并完成了3次針對(duì)3類不同的3D打印機(jī)及多個(gè)獨(dú)立組件的飛行試驗(yàn)，使得零重力環(huán)境下的3D打印技術(shù)的技術(shù)成熟度由TRL3提高至TRL5。

2013年1月，太空制造公司在多次微重力試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，確定在國際空間站上采用熔融堆積成型（Fused Deposition Modeling，F(xiàn)DM）的3D打印技術(shù)，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。圖2為太空制造公司與NASA馬歇爾空間飛行中心聯(lián)合開發(fā)的零重力3D打印機(jī)，已于2014年9月21日借助于美國太空探索技術(shù)公司（Space X）貨運(yùn)飛船送上國際空間站，并首次驗(yàn)證了在軌3D打印的技術(shù)可行性，成功在零重力環(huán)境打印出套筒扳手（見圖3）。

圖2　太空制造公司與NASA合作生產(chǎn)的零重力3D打印機(jī)Fig.2　Zero gravity 3D printer made by Made in Space and NASA

圖3　國際空間站打印出來的套筒扳手Fig.3　Socket wrench manufactured by 3D printing in the International Space Station

基于在軌3D打印技術(shù)的按需制造能力大大提高了空間任務(wù)執(zhí)行的可靠性及安全性，維護(hù)成本亦可降低好幾個(gè)數(shù)量級(jí)。

2）高真空環(huán)境的影響

在軌3D打印不僅需要考慮零重力環(huán)境的影響，還需要考慮宇宙空間的高真空環(huán)境對(duì)在軌3D打印材料的熱作用過程及其零部件結(jié)構(gòu)所受的循環(huán)熱應(yīng)力影響。這是因?yàn)?，在宇宙空間的高真空環(huán)境下，輻射成為換熱的主導(dǎo)方式，傳導(dǎo)和對(duì)流換熱效應(yīng)已經(jīng)可以忽略，這顯然與地面大氣環(huán)境條件下的換熱方式有著很大的不同。

盡管目前可供選擇的3D打印技術(shù)方法很多［3］，如可應(yīng)用于熱塑性塑料、金屬粉末以及陶瓷粉末的選擇性激光燒結(jié)（Selected Laser Sintering，SLS），幾乎可用于任何合金的直接金屬激光燒結(jié)（Direct Metal Laser Sintering，DMLS），可應(yīng)用于熱塑性塑料、共晶系統(tǒng)金屬的熔融沉積式（Fused Deposition Modeling，F(xiàn)DM），可應(yīng)用于聚乳酸（PLA）、ABS樹脂的熔絲制造（Fused Filament Fabrication，F(xiàn)FF），可應(yīng)用于高強(qiáng)度鈦合金材料的電子束熔化成型（Electron Beam Melting，EBM）以及電子束無模成形制造（Electron Beam Freeform Fabrication，EBF3）等，但由于太空環(huán)境缺乏熱傳導(dǎo)及熱對(duì)流冷卻，需要對(duì)上述傳統(tǒng)地面環(huán)境下的3D打印制造技術(shù)的冷卻及固化成型的熱處理過程進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。圖4為NASA人員在模擬太空環(huán)境下測試EBF3型3D打印技術(shù)的技術(shù)可行性。

圖4　NASA人員在模擬太空環(huán)境下測試EBF3Fig.4　EBF3 tested in simulated space environment by NASA employee

迄今為止，可改造適用于太空零重力及熱真空環(huán)境的3D打印技術(shù)主要為可適用于塑料的FDM熔融沉積式及可適合金屬的EBF3電子束無模成形制造這兩種，其余3D打印技術(shù)還有待進(jìn)一步完善。

國內(nèi)3D打印技術(shù)研究如火如荼，在航天領(lǐng)域的應(yīng)用也并不鮮見，如中國航天科技集團(tuán)公司上海航天技術(shù)研究院［3］研發(fā)出一種配備雙波長激光器（長波的光纖激光器和短波的二氧化碳激光器）的航天激光金屬3D打印機(jī)，可打印不銹鋼、鈦合金，鎳基高溫合金等，并成功打印出衛(wèi)星星載設(shè)備的光學(xué)鏡片支架。但研究太空環(huán)境下3D打印技術(shù)應(yīng)用的僅有武漢大學(xué)城市設(shè)計(jì)學(xué)院的宋靖華等（2015）［4］發(fā)表了一篇關(guān)于3D打印月球基地可行性研究報(bào)告，其余則鮮見公開文獻(xiàn)報(bào)道。

1.2在軌裝配

1.2.1在軌裝配的意義

盡管上述在軌3D打印技術(shù)能夠提供獨(dú)立零部件的在軌加工制造能力，但由于3D打印設(shè)備的尺寸及其質(zhì)量制約于運(yùn)載工具的有限裝載體積及其輸運(yùn)能力，這在一定程度上制約了在軌3D打印制造技術(shù)的最大尺寸零件的加工能力，顯然無法滿足諸如太陽帆、大型空間反射鏡以及大型通信衛(wèi)星等大型空間結(jié)構(gòu)的在軌構(gòu)建需求，這就需要將在軌3D打印技術(shù)與在軌裝配技術(shù)有機(jī)集成，形成真正的規(guī)模可擴(kuò)展、個(gè)體可復(fù)制的在軌制造模式。

1.2.2在軌裝配技術(shù)發(fā)展

所謂空間在軌裝配技術(shù)是指在空間借助于宇航員或空間機(jī)械人將不同部件組裝起來構(gòu)建成復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)的在軌構(gòu)建技術(shù)。按照裝配過程是否有宇航員參與，空間在軌裝配技術(shù)又可分為借助于裝配輔助的宇航員手動(dòng)裝配和具有高度自主的空間機(jī)器人裝配。

國際空間站在軌手動(dòng)裝配經(jīng)驗(yàn)表明：1）借助于裝配輔助能夠允許宇航員重復(fù)執(zhí)行裝配任務(wù)，但宇航服限制了宇航員操作活動(dòng)，且易于疲勞；2）宇航員手動(dòng)裝配不適合擁有成千上萬個(gè)部件和裝配步驟的大型復(fù)雜空間機(jī)構(gòu)的在軌裝配任務(wù)；3）宇航員出艙手工裝配存在較大的安全風(fēng)險(xiǎn)。

與之相對(duì)，借助于智能控制技術(shù)的空間自主裝配機(jī)器人技術(shù)則顯示出廣闊的發(fā)展前景。圖5所示為美國卡內(nèi)基梅隆大學(xué)［5］設(shè)計(jì)的一款名為Skyworker的空間結(jié)構(gòu)附著移動(dòng)機(jī)器人，它能在幾千米范圍內(nèi)對(duì)大型空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行自主裝配、監(jiān)測和維修，其載荷范圍從千克級(jí)到噸級(jí)。

圖5　Skyworker附著在軌裝配機(jī)器人Fig.5　Skyworker

圖6為NASA噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（JPL）［6］在Lemur Ⅰ六足行走機(jī)器人基礎(chǔ)上按比例擴(kuò)大的版本Lemur Ⅱ，可用于太空設(shè)備的勘測、裝配和維護(hù)。該機(jī)器人每條腿具備4 個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度，肢體呈正六邊形軸對(duì)稱分布，且每條腿上集成有各種先進(jìn)的末端執(zhí)行器，具有快速連接、快速更換執(zhí)行工具等優(yōu)勢(shì)。

圖6　Lemur Ⅱ六足行走機(jī)器人Fig.6　Lemur Ⅱ

美國NASA的約翰遜航天中心與通用公司聯(lián)合設(shè)計(jì)開發(fā)了一款名為Robonaut 2的人形空間機(jī)器人［7］（見圖7），用以協(xié)助宇航員在國際空間站完成零星工作和維修任務(wù)。這種機(jī)器人完全按照宇航員的身體參數(shù)（如力量、體積以及耐力等）進(jìn)行設(shè)計(jì)，具有先進(jìn)的機(jī)械控制技術(shù)、靈敏的傳感器和視覺技術(shù)，計(jì)劃未來將取代航天員完成艙外行走（EVA）等航天作業(yè)任務(wù)。

圖7　Robonaut 2人形機(jī)器人Fig.7　Robonaut 2

2008年3月，美國“奮進(jìn)號(hào)”航天飛機(jī)將由加拿大航天局負(fù)責(zé)分工制造的Dextre大型機(jī)器人（見圖8）運(yùn)送到國際太空站并組裝完成。Dextre重約為1 560 kg，身高為3.7 m，兩臂平伸的長度是2.4 m，其中每只手臂上有可以自由轉(zhuǎn)動(dòng)的7個(gè)關(guān)節(jié)，非常靈活，這也是人類有史以來在太空安置的最大的機(jī)器人裝置。

中國空間機(jī)器人的研究起步較晚，如圖9所示的國家高技術(shù)領(lǐng)域演示項(xiàng)目——“艙外自由移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)”EMR，屬于一套能夠執(zhí)行行走與操作能力的艙外空間機(jī)器人系統(tǒng)。這種移動(dòng)機(jī)器人可以執(zhí)行擰螺絲、插拔插頭及抓拿漂浮物等精細(xì)操作；而且該空間機(jī)器人可以利用預(yù)先輸入的操作指令以及空間站遙控，執(zhí)行對(duì)空間站的裝配、檢測與維修任務(wù)，并承擔(dān)照看及維護(hù)科學(xué)實(shí)驗(yàn)等服務(wù)的工作。

圖8　Dextre機(jī)器人Fig.8　Dextre robot at work

圖9　艙外自由移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)Fig.9　Extravehicular free mobile robot system

在第17屆中國國際工業(yè)博覽會(huì)上，由中國航天科技集團(tuán)公司上海航天技術(shù)研究院研制的機(jī)器人宇航員“小天”首次亮相，如圖10所示。

圖10　宇航員“小天”Fig.10　Robot astronaut “xiaotian”

“小天”由頭部、軀干、3自由度頸部、2自由度腰部、7自由度手臂、12自由度5指靈巧手、專用末端操作工具等部分組成，是一種能應(yīng)對(duì)惡劣空間環(huán)境和復(fù)雜操作任務(wù)的新型空間機(jī)器人。未來可應(yīng)用于空間站、載人登月等有人環(huán)境，也可應(yīng)用于在軌服務(wù)、空間探測等無人環(huán)境。

1.3蜘蛛在軌制造

由美國NASA的創(chuàng)新先進(jìn)概念項(xiàng)目資助，總部位于華盛頓波塞爾的美國系繩無限（TUI）空間技術(shù)開發(fā)公司，率先于2012年提出蜘蛛制造的太空制造技術(shù)［8］構(gòu)想（見圖11），該概念的技術(shù)核心在于利用多臂空間機(jī)器人其自身攜帶的3D打印頭及材料在軌制造特定的空間結(jié)構(gòu)單元，并進(jìn)行在軌裝配以形成巨大的無線電天線、太陽能電池陣或太陽帆等大型空間系統(tǒng)。

圖11　蜘蛛在軌制造技術(shù)構(gòu)想Fig.11　Concept for a SpiderFab Bot

為了論證在軌制造技術(shù)的技術(shù)可行性，TUI公司分別從以下6個(gè)方面進(jìn)行了研究：1）合適的原材料及增材制造技術(shù)以構(gòu)造空間結(jié)構(gòu)；2）移動(dòng)和操縱工具及材料機(jī)理；3）裝配及連接空間結(jié)構(gòu)的方法；4）材料及結(jié)構(gòu)的熱溫度控制方法；5）閉環(huán)控制制造過程；6）集成功能原件形成在軌制造的方法。

在NASA“小企業(yè)創(chuàng)新研究”（SBIR）項(xiàng)目的資助下，系繩無限公司已建造了一個(gè)機(jī)器，可通過3D打印工藝，在地面上用碳纖維條原材料制造輕量級(jí)的結(jié)構(gòu)桁架。這個(gè)“桁架制造”機(jī)器人的尺寸相當(dāng)于微波爐，能以5 cm/min的速度大量生產(chǎn)桁架。這些桁架可組裝成航天器架構(gòu)及其他系統(tǒng)，由此初步驗(yàn)證了“蜘蛛制造”概念關(guān)鍵工藝的可行性。系繩無限公司希望在未來2年內(nèi)發(fā)射一顆小型“制造衛(wèi)星”，以對(duì)該工藝進(jìn)行在軌驗(yàn)證。

2　結(jié)束語

基于在軌3D打印及在軌裝配技術(shù)的在軌制造技術(shù)方興未艾，其技術(shù)的可行性已初步得到驗(yàn)證，這對(duì)于未來深空探測的應(yīng)用具有非常重要的意義。借鑒美國“蜘蛛制造”的研究成果，可以考慮建造一個(gè)在軌制造中心或地外駐留平臺(tái)（地外中轉(zhuǎn)站），將適應(yīng)零重力的3D打印機(jī)、原材料和空間機(jī)器人送入制造中心，形成一定的規(guī)模，可為深空探測航天器提供在軌定制、在軌裝配和在軌維修等服務(wù)，這將大大拓展中國深空探測的能力，為深空探測的規(guī)?；l(fā)展提供無限可能。

［1］Osamu M，Hirotaka S，Ryu F，et a1.First solar power sail demonstration by Ikaros，transactions of the Japanese society for artificial intelligence EJ［J］. Aerospace Technology Japan，2011，27（8）：425-431.

［2］孫紅俊，蔣宇平. NASA在國際空間站試驗(yàn)零重力環(huán)境下的3D打印技術(shù)［J］.軍民兩用技術(shù)與產(chǎn)品，2013（11）：58-60. Sun H J，Jiang Y P. Zero gravity environment test of 3D printing technology in the international space station by NASA［J］. Dual Use Technologies & Products，2013（11）：58-60.

［3］王曉燕. 3D打印與航空航天行業(yè)白皮書［EB/OL］. ［2015-10-05］. http://www.51shape.com/？p=2774. Wang X Y. 3D printing and aerospace industry white paper ［EB/OL］.［2015-10-05］. http://www.51shape.com/？p=2774.

［4］宋靖華，鮑明. 3D 打印月球基地可行性研究［J］. 建筑與文化，2015（5）：145-146. Song J H，Bao M. Research on the feasibility of moon base construction by 3D printing technology［J］. Architecture & Culture，2015（5）：145-146.

［5］Peter J S，Sarjoun S，Chris S，et al.Skyworker：a robot for assembly，inspection and maintenance of large scale orbital facilities［C］//2001 IEEE International Conference on Robotics and Automation. Seoul：IEEE，2001：4180-4184.

［6］Hickey G，Kennedy K. Six-legged experimental robot［R］. NASA Tech Brief-20907.

［7］Bluethmann W. Robonaut：a robot designed to work with humans in space［J］. Autonomous Robots，2003（14）:179-197.

［8］Hoyt R，Cushing J，Slostad J. SpiderFab?：process for on-orbit construction of kilometer-scale apertures［EB/OL］. ［2015-10-05］. http://www.nasa.gov/directorates/spacetech/niac/2012_phase_ I_fellows_hoyt_spiderfab.html#.VyBroyws8jA.

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Review of On-orbit 3D Printing and Assembly Technology for Deep Space Exploration Application

YANG Yanlei，JIANG Wei
（Shanghai Institute of Aerospace Systems Engineering，Shanghai 201109，China）

The solar sails for cost reduction become the trend and research focus of the world in deep space exploration in recent years， and the technologies of how to manufacture and deploy an extremely large scale deployment structure such as solar sail are particularly important， The self-fabrication space technologies based on on-orbit 3D printing and space assembly can provide an available research feasibility for our study. In this paper， the advantage and the feasibility of the on-orbit 3D printing technology is summarized firstly， and then the latest research achievements of on-orbit space assembly technology are introduced. The SpiderFabTMon-orbit manufacturing technology sponsored by NASA Innovative Advanced Concepts （NIAC） is introduced to break through the technical limit of traditional deployment structure with 10 000 m2size. After which， the on-orbit manufacturing technology may provide an available direction for future deep space exploration research.

on-orbit 3D printing；on-orbit assembly；deep space exploration

P575.4

A

2095-7777（2016）03-0282-6

10.15982/j.issn.2095-7777.2016.03.013

楊延蕾（1983- ），女，工程師，主要研究方向：深空探測航天器機(jī)械總體設(shè)計(jì)。

［責(zé)任編輯：宋宏］

2015-10-05；

2016-04-20