美國在軌制造技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及啟示

王敏 于濤 張驍 吳振強

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

早在20世紀60年代蘇聯(lián)已對在軌焊接技術(shù)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(shù)在空間應(yīng)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(xué)探索的可持續(xù)發(fā)展，在外層空間構(gòu)建大型支撐平臺的設(shè)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(shù)的實施，可以為空間設(shè)施的運營和維護提供零部件支持，大幅擴展空間設(shè)施的功能，由于擺脫地面發(fā)射的傳統(tǒng)模式，還可以顯著提高空間活動響應(yīng)速度和降低空間活動成本。在軌制造預(yù)期的主要應(yīng)用背景針對空間大型結(jié)構(gòu)建造、航天器維護維修、空間急需的產(chǎn)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(shù)保障。

根據(jù)制造方式不同，可以把制造技術(shù)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(fā)明，能夠車、銑、刨、磨的機床的出現(xiàn)，通過對材料的切削去除達到設(shè)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(xiàn)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(shù)。在軌制造技術(shù)涉及控制、機械、材料、生物等多種學(xué)科的相關(guān)技術(shù)，技術(shù)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(shù)等。

空間在軌制造技術(shù)是人類發(fā)展深空探測技術(shù)的有效保障。目前美國在該領(lǐng)域處于國際領(lǐng)先水平。了解美國在軌制造技術(shù)的發(fā)展情況，可以為我國發(fā)展空間在軌制造技術(shù)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(shù)以及原位資源利用等方面的發(fā)展情況進行分析。

1 美國在軌制造技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 空間焊接技術(shù)

焊接是形成永久性連接的關(guān)鍵技術(shù)，也是獲得良好的結(jié)構(gòu)力學(xué)性能、有效減重的一種關(guān)鍵制造和組裝手段?？臻g在軌焊接技術(shù)是重要的在軌連接技術(shù)之一，可用于對空間結(jié)構(gòu)的在軌修復(fù)、制造、組裝。主要焊接方法有熔化焊、釬焊、固態(tài)焊等?？臻g焊接技術(shù)的研究起源于20世紀60年代。1964年，蘇聯(lián)Lawrence E S[1]設(shè)計和制造了用于空間材料連接的電子束焊機動力系統(tǒng)。美國20世紀70年代開始進行空間焊接技術(shù)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(huán)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(jié)。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(xué)界定重力在涉及凝固的各種過程中的作用，并為此開發(fā)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(xué)Workman Gary L[5]論述了激光焊接太空應(yīng)用的相關(guān)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(chǔ)上，NASA國際空間焊接試驗中心成功進行了空間環(huán)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(jié)構(gòu)電子束釬焊的研究。

在固態(tài)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(shù)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(shù)是最早引起關(guān)注的在軌制造技術(shù)。但是經(jīng)歷了近半個世紀的發(fā)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(shè)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(shù)在空間的應(yīng)用。烙鐵釬焊由于不需要熔化被焊金屬，設(shè)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(yīng)用范圍非常有限，亟待開發(fā)適合空間焊接的低能量消耗的焊接技術(shù)。

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

(3)可操作性方面?？臻g焊接不同于地面，可以由高級焊工操作?？臻g一般是由宇航員進行操作。這就要求焊接設(shè)備操作盡量簡便、易于宇航員掌握，或者開發(fā)自動化程度較高的焊接設(shè)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(chǎn)生一些廢氣、廢渣、廢熱，這在空間環(huán)境下是需要嚴格控制，及時處理的。

目前在軌焊接技術(shù)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(tài)連接技術(shù)等；②空間常用的金屬以及金屬基復(fù)合材料在空間環(huán)境下的焊接性研究；③桁架結(jié)構(gòu)、薄壁導(dǎo)管等典型空間結(jié)構(gòu)的焊接工藝研究；④焊接過程自動化技術(shù)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(shù)

3D打印技術(shù)是20世紀末發(fā)展起來的一項先進制造技術(shù)，其實質(zhì)為“增材制造技術(shù)”。3D打印技術(shù)是一種采用逐層堆積直接進行零件成形的數(shù)字化增材制造工藝。與傳統(tǒng)減材或等材制造相比，3D打印技術(shù)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(yīng)，具有單件小批量定制化快速制造的優(yōu)勢，較適合空間制造需求。3D打印技術(shù)的興起進一步推動了在軌制造技術(shù)的發(fā)展。美國空間3D打印技術(shù)方面的研究現(xiàn)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(shù)進行相關(guān)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(huán)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(shù)的技術(shù)成熟度由TRL3(通過分析和試驗的手段進行了關(guān)鍵性功能驗證和/或概念驗證階段)提高至TRL5(相關(guān)環(huán)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(shù)開發(fā)公司率先提出“蜘蛛制造”(SpiderFab)的太空制造技術(shù)構(gòu)想，如圖1所示[11]。未來將實現(xiàn)利用3D打印等技術(shù)在軌自主制造超大型空間結(jié)構(gòu)和多功能空間系統(tǒng)組件，同時，利用“蜘蛛機器人”(SpiderFab Bot)在軌集成大型空間結(jié)構(gòu)?！爸┲胫圃臁鳖A(yù)計在2022年完成在軌飛行演示試驗，2024年實現(xiàn)在軌自主裝配。

圖1 “蜘蛛制造”構(gòu)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(chǔ)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(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。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(lián)合開發(fā)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(shù)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(jié)構(gòu)樣件，這些結(jié)構(gòu)樣件被分成材料性能測試、微重力環(huán)境下的成形性能測試、結(jié)構(gòu)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(shù)進行太空大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)制造及組裝的能力?！鞍⒖思{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(jié)構(gòu)，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(huán)境下金屬部件的制造技術(shù)，集中評價了電子束熔化(EBM)和選擇激光燒結(jié)(SLS)兩種工藝[13]。研究結(jié)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(wù)的非增壓空間飛行環(huán)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(fā)了一套輕型電子束熔絲沉積成形設(shè)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(huán)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(shù)成熟度已達到TRL5級，是成熟度最高的3D打印技術(shù)。但是，金屬、復(fù)合材料和電子元件3D打印仍存在諸多難點。

(1)能源方面?？臻g站能源供給非常有限，限制了金屬3D打印技術(shù)在空間的應(yīng)用。亟待開發(fā)適合空間應(yīng)用的低能耗金屬3D打印技術(shù)。

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

(3)三廢處理方面。3D打印同樣不可避免會產(chǎn)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(fù)合材料和電子元件的3D打印技術(shù)；②下一代多功能3D打印系統(tǒng)研發(fā)，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(shè)施；③通過增材制造實現(xiàn)塑料/金屬材料的回收再利用技術(shù)；④通過增材制造實現(xiàn)空間大型結(jié)構(gòu)(如大型天線、桁架等)在軌制造；⑤通過增材制造實現(xiàn)小衛(wèi)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(jié)等)的3D打印技術(shù)都在開展在太空環(huán)境下的應(yīng)用研究，為最終實現(xiàn)深空探索任務(wù)提供技術(shù)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(fù)(ISFR)[17]以及空間原位資源利用(ISRU)[18]開展了系統(tǒng)研究。ISFR/ISRU的研究主要圍繞空間制造技術(shù)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(tǒng)研究，并針對電子束熔化(EBM)技術(shù)[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(tǒng)研究。

美國華盛頓大學(xué)機械與材料學(xué)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(shù)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(xué)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(qū)燒結(jié)工藝可行性研究發(fā)現(xiàn)，月壤礦物組成中包含了大量鋁、鈦、鐵等元素，月壤選區(qū)燒結(jié)的最大優(yōu)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(yōu)化工藝，獲取足夠強度的零件結(jié)構(gòu)，避免如傳統(tǒng)陶瓷燒結(jié)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(jié)劑與模擬月壤混合進行了電子束選區(qū)燒結(jié)實驗，鋁粉熔化并對月壤進行了包圍連接，但未見有力學(xué)性能的相關(guān)數(shù)據(jù)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(jié)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(tǒng)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(xué)性能，從而獲得一種無水的混凝土結(jié)構(gòu)。與此同時，NASA與南加州大學(xué)合作開展相應(yīng)的混凝土擠出成形系統(tǒng)，實現(xiàn)混凝土結(jié)構(gòu)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(fā)展規(guī)劃

2010年，NASA開始制定詳細的空間在軌制造技術(shù)發(fā)展路線圖，包括在軌增材制造技術(shù)、空間物資回收再利用、多材料實驗室、在軌金屬材料研發(fā)、電子打印技術(shù)、設(shè)計數(shù)據(jù)庫和部件測試探索系統(tǒng)、在軌無損檢測等部分的發(fā)展規(guī)劃。之后，該發(fā)展路線圖又經(jīng)過不斷完善。從該發(fā)展規(guī)劃可知，美國在軌制造技術(shù)發(fā)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(shù)地面模擬試驗、對多種材料和技術(shù)進行系統(tǒng)研究和地面測試、驗證及確認、工藝流程開發(fā)、材料和打印機特性數(shù)據(jù)庫開發(fā)、自動加工過程開發(fā)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(shù)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(shè)施系統(tǒng)、嵌入電子技術(shù)演示、合成生物學(xué)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(shù)經(jīng)過將近60年的發(fā)展，有很多成功的經(jīng)驗值得學(xué)習(xí)借鑒。分析美國在軌制造技術(shù)發(fā)展歷程，可以得到以下啟示。

(1)總體規(guī)劃方面。美國在在軌制造方面遵循了循序漸進的原則，陸續(xù)制定了多個發(fā)展規(guī)劃(如2010年制定了“空間在軌制造技術(shù)發(fā)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(shù)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(shù)的發(fā)展規(guī)劃及總體方案。這方面可以參考美國，并結(jié)合我國航天技術(shù)的發(fā)展特點制定策略，減少盲目的跟隨、復(fù)制他人的技術(shù)，制定出符合中國發(fā)展的、可行的空間在軌制造發(fā)展規(guī)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(xué)性和前瞻性。

(2)關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)方面。美國注重統(tǒng)籌各方力量開展技術(shù)研究，集中突破空間在軌制造領(lǐng)域關(guān)鍵核心技術(shù)。我國在空間在軌制造領(lǐng)域技術(shù)基礎(chǔ)、經(jīng)驗積累相對薄弱，可以跟蹤美國等發(fā)達國家的最新發(fā)展動態(tài)，針對在軌制造在材料科學(xué)、機械制造技術(shù)、自動化技術(shù)、增材制造技術(shù)以及焊接技術(shù)、無損檢測技術(shù)等交叉學(xué)科的基礎(chǔ)技術(shù)問題，組織多方力量開展創(chuàng)新性研究，力爭提出新概念、新原理和新方法；同時圍繞設(shè)備/工藝的空間適用性、設(shè)備的功能性模塊設(shè)計、人機交互技術(shù)、空間在軌制造功耗及質(zhì)量優(yōu)化管理等關(guān)鍵核心技術(shù)開展技術(shù)攻關(guān)，提升在軌制造技術(shù)的總體水平。

(3)國際合作方面。NASA與蘇聯(lián)/俄羅斯在空間焊接等方面開展合作的事實證明，在科技發(fā)展中，國際合作能夠有力促進技術(shù)創(chuàng)新、技術(shù)發(fā)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(xué)習(xí)先進經(jīng)驗，同時可以邀請國際上的相關(guān)人員來中國進行技術(shù)交流，從而獲得互惠互利的最終效果。盡管如此，歷史的經(jīng)驗也告誡我們，只有自身掌握了核心技術(shù)，才能獲得技術(shù)發(fā)展的主動權(quán)。

3 結(jié)束語

在軌制造技術(shù)是保證在軌和在研航天器能在復(fù)雜空間環(huán)境中長壽命、高可靠運行以及在全壽命周期內(nèi)完成既定任務(wù)目標的關(guān)鍵，已成為各國空間技術(shù)發(fā)展的主要目標之一。鑒于在軌制造技術(shù)對開展外層空間探測活動的特殊意義，目前國內(nèi)外已對在軌制造技術(shù)開展了大量的研究工作，并已逐步將其應(yīng)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(shù)的發(fā)展情況進行分析，提出了對我國開展在軌制造技術(shù)研究的啟示，包括總體規(guī)劃、關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)和國際合作方面。在掌握國外先進在軌制造技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀和應(yīng)用情況下，明確發(fā)展方向，科學(xué)規(guī)劃、集中攻關(guān)，為我國航天事業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供可靠保障。