楊興文,韓靜濤,劉 靖,張從發(fā),梁進(jìn)超

(1.北京科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,北京 100083；2.中原工學(xué)院,鄭州 451191 3.北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部,北京 100094)

0 引 言

隨著信息、新材料、智能制造、快速成形技術(shù)的迅猛發(fā)展,空間在軌制造技術(shù)已成為各航天強(qiáng)國(guó)在航天領(lǐng)域的新研究熱點(diǎn),如今的空間在軌制造技術(shù)已不再是遠(yuǎn)景目標(biāo),而極具現(xiàn)實(shí)意義,被認(rèn)為是提升人類太空活動(dòng)能力、保障地外基地建設(shè)和深空探測(cè)任務(wù)的戰(zhàn)略性關(guān)鍵技術(shù)之一[1-2]。

在現(xiàn)有的許多科學(xué)計(jì)劃中,大型空間結(jié)構(gòu)的需求越來(lái)越強(qiáng),比如代表國(guó)家科技實(shí)力的大型空間站[3]、空間在軌服務(wù)與維護(hù)平臺(tái)[4]、大型通信天線[5]、大口徑紅外空間望遠(yuǎn)鏡[6]、空間太陽(yáng)能電站[7-8]、深空探測(cè)中轉(zhuǎn)站以及地外太空基地[9]等。這些大型空間結(jié)構(gòu)共同的特點(diǎn)都是體積巨大,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,其遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了火箭的運(yùn)載能力及整流罩包絡(luò)尺寸的限制,目前所有的運(yùn)載工具都不能滿足其以獨(dú)立單元從地球一次發(fā)射入軌。而國(guó)際空間站中安裝有四對(duì)大型的太陽(yáng)能帆板電池的主承力構(gòu)件-桁架式的龍骨架結(jié)構(gòu)(桁架總長(zhǎng)度109 m),采用的是多次發(fā)射組件并在軌裝配完成構(gòu)建[10]。作為航天技術(shù)最為先進(jìn)的美國(guó),其在軌服役的最大展開結(jié)構(gòu)尺寸為150 m,這幾乎已達(dá)到在軌構(gòu)建尺寸的上限[11]。諸如空間太陽(yáng)能電站、空間在軌維護(hù)或服務(wù)平臺(tái)等大型結(jié)構(gòu)其設(shè)計(jì)尺寸達(dá)到數(shù)百米甚至千米級(jí)；再加上現(xiàn)代軍事對(duì)太空偵察、預(yù)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(shù)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(zhǎng)度為200～500 m,若要實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的跟蹤觀測(cè)需求,載荷探測(cè)基線至少需達(dá)到公里級(jí)；基于光學(xué)偵察的太空光學(xué)遙感器其光學(xué)口徑至少要達(dá)到10 m,因其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜,在發(fā)射過(guò)程還需考慮苛刻的力學(xué)環(huán)境,為提高結(jié)構(gòu)的可靠性和安全性,雖運(yùn)行于微重力狀態(tài)下卻需要經(jīng)歷9 g準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)載考核,制造成本極高[10]。因此未來(lái)的超大空間設(shè)施構(gòu)建再采用傳統(tǒng)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(shù)已成為破解未來(lái)大型空間結(jié)構(gòu)發(fā)展的重要技術(shù)途徑。

所謂空間在軌制造技術(shù),主要是指在地球之外的太空環(huán)境中,使用攜帶材料或者利用地外資源進(jìn)行目標(biāo)產(chǎn)品原位制造的集合[17]。本文按照空間在軌制造技術(shù)制造方法的不同,從空間在軌3D打印技術(shù)、空間在軌焊接技術(shù)、基于帶材的空間在軌塑性成形制造技術(shù)以及在軌原位制造技術(shù)等四方面對(duì)在軌制造技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行歸納分類和評(píng)述,并結(jié)合國(guó)外在軌制造技術(shù)的成功經(jīng)驗(yàn),給出了中國(guó)在軌制造技術(shù)發(fā)展需重點(diǎn)關(guān)注的方面,以期為中國(guó)空間在軌制造技術(shù)的布局提供有益參考。

1 空間在軌3D打印技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

3D打印技術(shù)作為一項(xiàng)先進(jìn)制造技術(shù),發(fā)展于20世紀(jì)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(shù)字化工藝。美國(guó)自1993年開始空間在軌3D打印技術(shù)的研究,發(fā)展到2012年,該技術(shù)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(shù)。2013年,美國(guó)系繩無(wú)限公司(Tethers Unlimited,TUI)提出“蜘蛛制造”(SpiderFab)的太空制造技術(shù)計(jì)劃,如圖1所示,主要是利用3D打印技術(shù)在軌制造超大型空間結(jié)構(gòu)及多功能系統(tǒng)組件,“蜘蛛制造”規(guī)劃在2022年完成在軌飛行演示試驗(yàn),2024年實(shí)現(xiàn)在軌自主裝配[18]。2014～2016年間,NASA與美國(guó)太空制造公司(MIS)合作,先后兩次將研制的兩代增材制造設(shè)備送往國(guó)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(shè)備進(jìn)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(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度與拉伸強(qiáng)度等力學(xué)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(jié)論微重力對(duì)空間打印樣品的載荷性能有一定影響但對(duì)熔融沉積成型過(guò)程影響不大[19-20]。2015年TUI在NASA資助下開展一項(xiàng)名為Refabricator項(xiàng)目[21],旨在研制一臺(tái)設(shè)備兼具高分子材料循環(huán)利用與增材制造功能,該設(shè)備已于2018年送入國(guó)際空間站,在太空中利用ABS和ULTEM材料展開制造實(shí)驗(yàn),以探索材料在回收和打印過(guò)程中降解利用情況,以便于后續(xù)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(wù)的初始原材料質(zhì)量需求,充分利用原位資源和回收技術(shù)將太空垃圾變廢為寶,以減少原材料發(fā)射成本和太空廢料的污染,從而為下一代空間在軌3D設(shè)備的開發(fā)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(wàn)美元,由MIS公司主導(dǎo),聯(lián)合斯羅普-格魯曼和海洋空間系統(tǒng)等商業(yè)公司開發(fā)了名為“多功能空間機(jī)器人精密制造與裝配系統(tǒng)”的項(xiàng)目,又稱“太空建筑師”(Archinaut)項(xiàng)目[23],如圖2所示,其目標(biāo)是制造一臺(tái)帶有機(jī)械臂的3D打印機(jī),利用增材制造技術(shù)在無(wú)需航天員介入的情況下,在軌自主完成太空中大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)制造及組裝。在Archinaut項(xiàng)目中,核心系統(tǒng)是擴(kuò)展結(jié)構(gòu)增材制造機(jī)(Extended structure additive manufacturing machine,ESAMM),其新穎之處在于擴(kuò)展了傳統(tǒng)的增材制造工藝,通過(guò)打印頭本身在兩個(gè)維度上運(yùn)行并設(shè)置最大橫截面積時(shí),機(jī)器人橫移系統(tǒng)以連續(xù)移動(dòng)的方式完成子區(qū)域,從而實(shí)現(xiàn)任意高度的打印[24]。在地面實(shí)驗(yàn)中采用ESAMM制作的桁架結(jié)構(gòu)如圖3所示,2017年6月MIS公司成功完成了擴(kuò)展結(jié)構(gòu)增材制造機(jī)(ESAMM)的熱真空打印桁架測(cè)試,并將空間增材制造技術(shù)(AM)的技術(shù)成熟度水平從TRL3提高到TRL6[25]；在完成熱真空打印桁架測(cè)試后,MIS利用ESAMM平臺(tái)在接近0-g的構(gòu)建環(huán)境進(jìn)行了長(zhǎng)時(shí)間打印測(cè)試,通過(guò)數(shù)十次的補(bǔ)充原料,滿足了暫停和繼續(xù)運(yùn)行的操作要求,最終打印530小時(shí)后制造出了長(zhǎng)度達(dá)37.7 m的桁架梁,此長(zhǎng)度與現(xiàn)有的折疊鉸接方形桁架桅桿(被用于國(guó)際空間站的太陽(yáng)能桁架)相當(dāng)。該項(xiàng)目將傳統(tǒng)的增材制造技術(shù)與機(jī)器人操作深度融合,已具備生產(chǎn)定制高度、特定強(qiáng)度、相對(duì)較小發(fā)射風(fēng)險(xiǎn)的大型結(jié)構(gòu)件,可成為未來(lái)大型空間結(jié)構(gòu)在軌構(gòu)建的有效范式,尤其是其擴(kuò)展結(jié)構(gòu)增材制造技術(shù)充分利用微重力環(huán)境的優(yōu)勢(shì),減少了苛刻的發(fā)射環(huán)境對(duì)制造部件結(jié)構(gòu)質(zhì)量及長(zhǎng)度的限制,大大提高了增材制造構(gòu)件的應(yīng)用范圍,但明顯的不足在于其構(gòu)件生產(chǎn)速率僅為約2 mm/min,容易導(dǎo)致空間大型構(gòu)件在長(zhǎng)時(shí)間制造過(guò)程中出現(xiàn)不可控的質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題；同年NASA又支持了一項(xiàng)“多材料制造實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目[26]”,其目標(biāo)是為復(fù)雜、集成的在軌制造提供一個(gè)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(jí)金屬材料、高分子材料及復(fù)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(fā)展,并開始面向應(yīng)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(jié)構(gòu)的太陽(yáng)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(xiàng)目[27]；在金屬材料3D打印技術(shù)方面,英國(guó)伯明翰大學(xué)、德國(guó)聯(lián)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(huán)境下的金屬3D打印過(guò)程研究。2016年歐洲航天局和伯明翰大學(xué)合作研發(fā)了鋁絲的定向能量沉積3D打印技術(shù),但該技術(shù)未能解決微重力條件下金屬熔融液體精確控制的問(wèn)題;2018年德國(guó)BAM聯(lián)合一些研究機(jī)構(gòu)開展了“失重狀態(tài)下的粉末增材制造項(xiàng)目”,該項(xiàng)目通過(guò)在微重力環(huán)境中利用粉末層建立氣體流動(dòng)的新方式以彌補(bǔ)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(gè)金屬工具-12 mm的不銹鋼扳手[28];2018年底,俄羅斯宇航員在國(guó)際空間站利用Invitro醫(yī)療公司研制的Organ.Aut生物3D打印機(jī)首次在軌打印出了人類軟骨組織及嚙齒動(dòng)物的甲狀腺組織,另外該打印機(jī)還支持在軌培養(yǎng)多種器官以用于研究宇宙輻射對(duì)器官的不利影響,該研究發(fā)現(xiàn)在零重力環(huán)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(guó)的空間在軌3D打印技術(shù)起步比歐美國(guó)家要晚,但近幾年發(fā)展迅速,2016年2月中國(guó)科學(xué)院研究團(tuán)隊(duì)在法國(guó)波爾多利用拋物線飛機(jī)產(chǎn)生的微(低)重力環(huán)境成功開展了微重力高分子材料及其碳纖維復(fù)合材料增材制造技術(shù)驗(yàn)證,獲取了不同材料與工藝在微重力環(huán)境下相關(guān)數(shù)據(jù),是我國(guó)首次開展的微重力環(huán)境下增材制造技術(shù)試驗(yàn)驗(yàn)證。為開展復(fù)合材料空間3D打印技術(shù)及空間超大結(jié)構(gòu)的在軌制造,中科院團(tuán)隊(duì)通過(guò)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(fù)合材料[29],但如何提高熔融沉積工藝打印件層間結(jié)合力,進(jìn)而提高打印件的整體性能仍需要進(jìn)一步研究。2020年5月,中科院團(tuán)隊(duì)研制的“復(fù)合材料空間3D打印系統(tǒng)”搭載中國(guó)新一代載人飛船實(shí)驗(yàn)船完成了首次“太空打印”[30],本次太空實(shí)驗(yàn)主要成果為自主完成了連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料樣件的打印,并驗(yàn)證了微重力環(huán)境下復(fù)合材料3D打印的相關(guān)實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo),對(duì)中國(guó)以后開展空間站的復(fù)合材料在軌3D打印、空間超大結(jié)構(gòu)在軌制造有十分重要的意義,實(shí)驗(yàn)中打印出的代表航天器輕量化的蜂窩結(jié)構(gòu)和航天科技集團(tuán)CASC標(biāo)志如圖4所示。

圖4 試驗(yàn)船上成功打印出的蜂窩結(jié)構(gòu)及CASA標(biāo)志Fig.4 The honeycomb structure and CASA logo successfully are printed on the test ship

相對(duì)來(lái)講,空間在軌3D打印技術(shù)是目前最為成熟的空間在軌制造技術(shù)。近幾年中國(guó)在軌3D打印技術(shù)發(fā)展迅猛,但與國(guó)外相比仍有不小的差距。從國(guó)外空間在軌3D打印技術(shù)發(fā)展來(lái)看,通過(guò)空間站內(nèi)增材制造工藝的研究,初步驗(yàn)證了空間艙內(nèi)3D打印技術(shù)受微重力影響較?。粡目臻g3D打印材料的發(fā)展來(lái)看,已從最初的ABS塑料逐漸擴(kuò)展到其它高分子塑料、金屬材料、碳纖維復(fù)合材料、生物材料等多材料領(lǐng)域,但金屬材料、復(fù)合材料等在軌3D打印仍存在諸多難點(diǎn),如微重力條件下金屬熔融液體的表面張力、內(nèi)聚附著力等精確控制問(wèn)題、CF/PEEK復(fù)合材料在熔融沉積工藝過(guò)程中層間結(jié)合力問(wèn)題,產(chǎn)品打印精度和質(zhì)量較低、打印速度慢、產(chǎn)品性能穩(wěn)定度較差、且打印過(guò)程會(huì)產(chǎn)生廢氣、廢渣、廢熱等問(wèn)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(shù)仍有一系列技術(shù)問(wèn)題亟待解決；從發(fā)展時(shí)間來(lái)看在軌3D打印技術(shù)在空間構(gòu)建大型結(jié)構(gòu)模式發(fā)展方面時(shí)間仍然偏短,技術(shù)成熟度仍處于較低水平,相比與艙內(nèi)制造,艙外制造的開發(fā)成形環(huán)境的高真空、溫度交變、強(qiáng)輻射、空間微重力等多種因素的交織對(duì)大型構(gòu)件的增材制造工藝及制件性能差異的影響還未進(jìn)行系統(tǒng)的研究；基于以上的種種問(wèn)題,未來(lái)空間在軌3D打印技術(shù)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(yīng)性等方向發(fā)展。

2 在軌焊接技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

對(duì)于空間焊接的研究源于20世紀(jì)60年代,前蘇聯(lián)在該時(shí)期內(nèi)開展多項(xiàng)太空焊接研究計(jì)劃,1984年前蘇聯(lián)的兩位宇航員攜帶巴頓焊接研究所(蘇聯(lián)解體后歸烏克蘭)研發(fā)的手持式焊接工具VHT進(jìn)入太空并在“禮炮7號(hào)”空間站艙外完成人類首次的太空艙外焊接作業(yè)[31]。從1992年開始美國(guó)國(guó)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(xiàng)國(guó)際空間焊接試驗(yàn)(ISWE)項(xiàng)目,主要針對(duì)巴頓電焊研究所開發(fā)的VHT工具進(jìn)行全面評(píng)估,其內(nèi)容包括地面模擬試驗(yàn)的焊接質(zhì)量、熔滴脫落的可能性、電子束及熔池金屬對(duì)宇航服的影響、電子束的光輻射危害等[32-34],評(píng)估結(jié)果表明VHT設(shè)備穩(wěn)定,該設(shè)備給宇航員安全帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)較小。在這些工作的基礎(chǔ)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(fā)項(xiàng)目的一個(gè)重要方向,主要研究了微重力和低溫等因素對(duì)焊縫的影響,并對(duì)EBF3試驗(yàn)設(shè)備樣機(jī)進(jìn)行多次優(yōu)化。2006年NASA應(yīng)用小型EBF3設(shè)備在拋物線飛機(jī)上進(jìn)行多次微重力試驗(yàn),采用2219鋁合金測(cè)試分析微重力下影響金屬成型的因素,以完善工藝參數(shù),圖5所示為EBF3試驗(yàn)設(shè)備和飛行演示過(guò)程。此次試驗(yàn)結(jié)果表明,通過(guò)合理的調(diào)整焊接速率、送絲速度及角度等參數(shù)可得到較好焊縫,0 g下到熔池的送絲角度較1 g環(huán)境下對(duì)焊縫成形的影響更為明顯,空間環(huán)境下熔滴形狀主要受表面張力和潤(rùn)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(shù)[35]。但EBF3技術(shù)存在電子束功率高、產(chǎn)生電子束的附件較大、電子槍需專業(yè)維護(hù)等問(wèn)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(shè)計(jì)方案,經(jīng)試驗(yàn)證明了其在開闊空間條件下應(yīng)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(shí)驗(yàn)和論證最多的焊接方法,也是目前唯一進(jìn)行了太空艙外實(shí)際操作的焊接方法。

圖5 EBF3試驗(yàn)設(shè)備與飛行試驗(yàn)過(guò)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(shí)現(xiàn)材料連接的一種有效方法,NASA于2004年在“國(guó)際空間站”上進(jìn)行了軟釬焊搭載試驗(yàn),如圖6所示,發(fā)現(xiàn)釬料在太空中比地面的潤(rùn)濕鋪展效果更佳,太空釬焊時(shí)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(chǎn)生焊渣和煙霧。但太空焊接中最大的問(wèn)題是微重力環(huán)境下釬料難以過(guò)渡到工件上,使得接頭形狀受到影響,且微重力環(huán)境不利于接頭中氣體排出[37]。在固相連接方法中,近年來(lái)發(fā)展較好是攪拌摩擦焊,其突破了傳統(tǒng)固相連接方法在空間應(yīng)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(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在對(duì)真空和微重力環(huán)境不敏感、焊接過(guò)程材料不熔化、焊接過(guò)程無(wú)電弧和飛濺、不需添加焊絲、不依賴重力來(lái)促進(jìn)焊接區(qū)材料的流動(dòng)、易自動(dòng)化等方面,但也存在一些問(wèn)題,如焊接過(guò)程中需很大的壓力、焊接頭需高速旋轉(zhuǎn)、焊接設(shè)備尺寸大不易攜帶等,針對(duì)上述問(wèn)題,NASA馬歇爾空間飛行中心先后提出了高速旋轉(zhuǎn)攪拌摩擦焊、超聲復(fù)合攪拌摩擦焊和熱輔助攪拌摩擦焊等方法來(lái)解決以上問(wèn)題。

圖6 國(guó)際空間站軟釬焊試驗(yàn)Fig.6 Soft soldering test on the International Space Station

根據(jù)中國(guó)深空探測(cè)及建設(shè)空間站的需求,國(guó)內(nèi)一些機(jī)構(gòu)也開始了電子束在軌焊接技術(shù)的研究工作。2011年哈爾濱工業(yè)大學(xué)與烏克蘭巴頓焊接研究所聯(lián)合開發(fā)了用于開展空間電子束焊、釬焊、切割和涂覆等試驗(yàn)的太空電子束焊接平臺(tái)[39]。中國(guó)空間技術(shù)研究院開發(fā)出一套太空電子焊接裝置[40],蘭州理工大學(xué)開展了針對(duì)空間站應(yīng)用的手工電子束焊槍的電聚焦系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究[41],航天五院北京衛(wèi)星制造廠還申請(qǐng)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(yè)大學(xué)王婷等利用與巴頓焊接研究所聯(lián)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(yàn),發(fā)現(xiàn)以AgCu28為釬料,采用自動(dòng)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(guó)內(nèi)鮮有研究。

整體來(lái)講,空間在軌焊接技術(shù)雖是最早引起關(guān)注的在軌制造技術(shù),但歷經(jīng)半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展歷程,仍未有突破性進(jìn)展,主要的難點(diǎn)體現(xiàn)在能源、可操作性、焊接工藝等方面。從能源方面來(lái)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(shè)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(fā)展；其次焊接操作一般需要專業(yè)的焊工來(lái)執(zhí)行,而在太空中這些工作主要由宇航員來(lái)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(shù),最大程度的保證宇航員的生命安全,就需要開發(fā)自動(dòng)化程度高、易攜帶的太空焊接設(shè)備,而目前存在的焊接工藝與設(shè)備自動(dòng)化的匹配性差等一系列瓶頸問(wèn)題限制了在軌焊接的快速發(fā)展；另外就焊接工藝來(lái)說(shuō),微重力下的熔滴凝固十分復(fù)雜,在技術(shù)層面上在軌焊接機(jī)理研究還不夠深入,諸多工藝問(wèn)題未能解決。相比于發(fā)達(dá)國(guó)家的研究情況,中國(guó)的在軌焊接技術(shù)差距更為明顯,主要體現(xiàn)在宏觀上國(guó)內(nèi)對(duì)在軌焊接技術(shù)研究的關(guān)注度不高,缺乏總體規(guī)劃,相關(guān)領(lǐng)域研究機(jī)構(gòu)較少,且缺乏相應(yīng)的經(jīng)費(fèi)支持；結(jié)合國(guó)內(nèi)外研究來(lái)看,未來(lái)空間焊接發(fā)展方向仍集中在空間焊接基礎(chǔ)理論研究、空間焊接設(shè)備的開發(fā)、空間焊接材料研發(fā)、空間焊接工藝地面模擬、焊接質(zhì)量評(píng)定技術(shù)開發(fā)等方面,但空間固態(tài)連接技術(shù)、金屬基復(fù)合材料空間環(huán)境下焊接性研究、空間桁架及薄壁導(dǎo)管等典型空間結(jié)構(gòu)的焊接工藝、焊接過(guò)程自動(dòng)化技術(shù)研究將會(huì)成為近幾年在軌焊接的研究熱點(diǎn)。

3 基于帶材的在軌塑性成形制造技術(shù)發(fā)展

基于帶材的在軌塑性成形制造技術(shù)發(fā)展起源于上世紀(jì)70年代,美國(guó)NASA蘭利研究中心(LaRC)針對(duì)空間用桁架結(jié)構(gòu)平臺(tái)提出了在軌制造,即通過(guò)向太空發(fā)射原始的帶狀材料及制造設(shè)備,利用設(shè)備對(duì)原材料進(jìn)行塑性成形、焊接、裝配等一系列工序后自動(dòng)生產(chǎn)出桁架梁各個(gè)部分,并在軌組裝成大型結(jié)構(gòu),如空間平臺(tái)。NASA/JSC資助了一項(xiàng)名為“空間結(jié)構(gòu)自動(dòng)化制造實(shí)驗(yàn)定義研究”(SCAFEDS)的項(xiàng)目,兩種空間梁制造機(jī)器在1978年被同時(shí)開發(fā)出來(lái),其中一臺(tái)由美國(guó)通用動(dòng)力的康維爾分部制造,以復(fù)合材料作為原材料進(jìn)行塑性成形制備梁結(jié)構(gòu),如圖7(a)所示,另外一臺(tái)由美國(guó)格魯曼公司制造,如圖7(b)所示,采用鋁作為原材料進(jìn)行梁制造[44]。

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

該技術(shù)最大的優(yōu)點(diǎn)就是可以實(shí)現(xiàn)原材料的高密度包裝發(fā)射入軌,在太空中利用設(shè)備進(jìn)行連續(xù)塑性成形制造,建造大型空間平臺(tái),該設(shè)備的關(guān)鍵技術(shù)是梁帽成形和超聲波焊接,但該設(shè)備的尺寸過(guò)于龐大,相當(dāng)于一輛皮卡,嚴(yán)重的限制了其應(yīng)用。在后續(xù)的研究中格魯曼公司考慮到雙纖維/熱塑性樹脂復(fù)合材料在熱瞬變期間變形小,熱膨脹系數(shù)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(yōu)點(diǎn),轉(zhuǎn)向開發(fā)復(fù)合材料的桁架梁建造器[45]；1980年,LaRC研究了連續(xù)石墨纖維增強(qiáng)材料的拉擠工藝在軌制造的潛力,結(jié)果表明,通過(guò)使用拉擠卷材和在軌制造,包裝密度提高了132%,并且有效負(fù)載量需求減少了56.3%[46]。1980～1990年之間,美國(guó)在軌塑性成形制造桁架設(shè)備開發(fā)進(jìn)入快速發(fā)展期,期間申請(qǐng)了多項(xiàng)專利,例如Jack A.Kinzler申請(qǐng)的“結(jié)構(gòu)構(gòu)件、方法和裝置”,專利號(hào)為4237662,其裝置如圖8所示[47]。2013年在NASA“小企業(yè)創(chuàng)新研究”合同的支持下,TUI公司在進(jìn)行“蜘蛛制造”技術(shù)的同時(shí)開發(fā)了“Trusselator”設(shè)備,而該設(shè)備被認(rèn)為是實(shí)施‘蜘蛛制造’體系結(jié)構(gòu)關(guān)鍵的第一步,前期的“SCAFEDS”項(xiàng)目正是Trusselator概念的前身,其第一階段的工作重點(diǎn)是創(chuàng)建一階復(fù)合桁架結(jié)構(gòu),為驗(yàn)證技術(shù)可行性,設(shè)計(jì)了一種能夠加工碳纖維/PEEK原料膠帶形成長(zhǎng)連續(xù)長(zhǎng)度的復(fù)合材料桁架的原型機(jī),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(shí)驗(yàn)室環(huán)境中成功進(jìn)行的第一階段測(cè)試使Trusselator技術(shù)成熟度達(dá)到TRL4[48]。通過(guò)對(duì)桁架樣品進(jìn)行力學(xué)測(cè)試,結(jié)果表明,與飛行傳統(tǒng)可展開桁架技術(shù)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(shè)備圖Fig.8 Drawing of a truss on-orbit manufacturing equipment

而中國(guó)關(guān)于帶材塑性成形在軌制造的研究報(bào)道不多,2018年哈爾濱工業(yè)大學(xué)姜生元等申請(qǐng)了“基于組件連接成型的桁架在軌建造系統(tǒng)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(jié)構(gòu),但是具體塑性成形細(xì)節(jié)并未批露；2019年北京科技大學(xué)韓靜濤教授團(tuán)隊(duì)與航天五院北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部聯(lián)合正在進(jìn)行基于帶材的冷彎成形在軌生產(chǎn)中空桁架桿的研究,設(shè)計(jì)的原型樣機(jī)原理圖10所示,并已獲專利授權(quán)[50],其主要原理為利用原型樣機(jī)采用帶材螺旋冷彎成形技術(shù)快速生產(chǎn)桁架桿件,其速度可達(dá)到5 m/min,連接形式主要采用咬口連接形式,不涉及機(jī)械連接、焊接等工藝,方法簡(jiǎn)單,且性能可靠,相關(guān)的研究工作正在進(jìn)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(duì)于帶材在軌塑性成形制造技術(shù)來(lái)講,目前比較成功的就是美國(guó)的Trusselator項(xiàng)目,其技術(shù)成熟度達(dá)到TRL5[51],其他的項(xiàng)目仍在地面實(shí)驗(yàn)室研究階段,該技術(shù)需解決的關(guān)鍵問(wèn)題主要有三個(gè),第一是設(shè)備體積問(wèn)題,縱觀目前的在軌塑性成形桁架一體機(jī)設(shè)計(jì),成形工序相對(duì)較多,普遍體型巨大,且結(jié)構(gòu)復(fù)雜,難以抵御苛刻的火箭發(fā)射段力學(xué)環(huán)境,如何盡可能的使設(shè)備設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單化并有效減少成型設(shè)備體積成為制約其技術(shù)發(fā)展的首要因素；第二是微重力條件下的塑性成形問(wèn)題,相對(duì)于在軌3D打印和焊接技術(shù)來(lái)說(shuō),塑性成形過(guò)程不涉及熔滴凝固等問(wèn)題,受微重力影響要小的多,但是微重力條件下塑性成形機(jī)理相對(duì)滯后,須展開深入研究；第三是塑性成形過(guò)程中的功耗問(wèn)題,帶材塑性成形過(guò)程中變形抗力較大,因此對(duì)能量需求強(qiáng)烈,而考慮空間站的能量供給限制,未來(lái)低功耗設(shè)備與成形材料選擇(塑性好易變形的材料強(qiáng)度低；而高強(qiáng)韌性材料變形困難)將十分關(guān)鍵。未來(lái)帶材在軌塑性成形技術(shù)的發(fā)展重點(diǎn)將集中在設(shè)備小型化及高強(qiáng)高塑帶材的優(yōu)化等方面。

4 在軌原位制造技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

太空原位制造技術(shù)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(lái)進(jìn)行零件制造的工藝,該技術(shù)是未來(lái)實(shí)現(xiàn)載人深空探測(cè)任務(wù)必不可少的一項(xiàng)技術(shù)。

20世紀(jì)60～70年代美國(guó)所完成的6次阿波羅登月任務(wù)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(lián)自動(dòng)探月飛船也取回300 g的月球土壤[52]。這些月壤為地面進(jìn)行太空原位制造技術(shù)的實(shí)驗(yàn)研究提供了寶貴的原料,馬歇爾宇航中心和明尼蘇達(dá)大學(xué)等科研機(jī)構(gòu)還開發(fā)出了JSC-1、MLS-1等一系列月球土壤模擬樣本。美國(guó)華盛頓大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)研究了類月壤材料的激光制造技術(shù)并成形出簡(jiǎn)單的形狀樣件。NASA馬歇爾空間飛行中心在對(duì)月壤電子束選區(qū)燒結(jié)工藝可行性研究中發(fā)現(xiàn)月壤礦物中包含了大量的鋁、鈦、鐵等金屬元素,因此未來(lái)有可能直接利用月球表面原材料進(jìn)行原位制造,但是存在如何優(yōu)化工藝以獲得足夠強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)零件及如何解決材料脆性的問(wèn)題,為避免該問(wèn)題,NASA研究人員采用鋁粉作為粘結(jié)劑與模擬月壤混合進(jìn)行了電子束選區(qū)燒結(jié)實(shí)驗(yàn),但相關(guān)的性能數(shù)據(jù)未見后續(xù)報(bào)道[53]。2017年美國(guó)西北大學(xué)Shannon L.Taylor等人介紹了一種利用直接擠壓3D技術(shù)對(duì)JSC-1類月土壤燒結(jié)制造蜂窩結(jié)構(gòu)多孔月球長(zhǎng)方體微桁架,并對(duì)其微觀結(jié)構(gòu)、壓縮特性、鐵磁特性進(jìn)行細(xì)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(guó)克萊姆森大學(xué)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(shí)用性,還給出外星空間環(huán)境中原位生產(chǎn)建筑材料的加工技術(shù),如熔融/燒結(jié)、干混/蒸汽注入、冷壓等,并重點(diǎn)介紹了新興趨勢(shì)和未來(lái)的研究方向[55]。我國(guó)目前在月球原位資源大型設(shè)施3D打印技術(shù)的研究還停留于設(shè)想階段,中國(guó)空間技術(shù)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(duì)月面設(shè)施制造的方案和技術(shù)途徑進(jìn)行了研究,設(shè)計(jì)的月球基地概念如圖11所示[56],相關(guān)的原位制造研究還未開展。

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

目前關(guān)于太空在軌原位制造技術(shù)主要集中在美國(guó),其在太空探索中處于領(lǐng)先地位,太空原位制造技術(shù)代表了未來(lái)在軌制造技術(shù)的研究方向,該技術(shù)可最大限度的利用原位資源,降低發(fā)射成本,并可作為未來(lái)深空探測(cè)的補(bǔ)給基地,但受目前的技術(shù)限制,相關(guān)研究主要在實(shí)驗(yàn)室階段,還未進(jìn)行太空原位制造驗(yàn)證,但這些前沿研究可為未來(lái)重大在軌航天工程的實(shí)施提供必要的技術(shù)儲(chǔ)備,美國(guó)研究機(jī)構(gòu)在這方面的關(guān)注對(duì)中國(guó)的在軌航天事業(yè)發(fā)展方向具有非常重要的參考意義。

5 關(guān)于中國(guó)在軌制造技術(shù)發(fā)展的思考

國(guó)外的航天機(jī)構(gòu)尤其是以美國(guó)國(guó)家航天局NASA為首,太空在軌制造研究方面已有60多年的發(fā)展歷程,取得了很多豐碩的成果,相比較而言,中國(guó)近幾年在軌制造方面雖取得了一些成績(jī),但對(duì)太空制造的探索仍處在摸索階段,國(guó)外許多成功的經(jīng)驗(yàn)值得我們借鑒和學(xué)習(xí),中國(guó)在軌制造技術(shù)要取得長(zhǎng)足的發(fā)展,需重點(diǎn)關(guān)注以下三個(gè)方面：

1)在總體規(guī)劃方面,要有長(zhǎng)遠(yuǎn)而清晰的發(fā)展計(jì)劃,加強(qiáng)基礎(chǔ)創(chuàng)新,避免盲目跟風(fēng)。

空間在軌制造技術(shù)的發(fā)展離不開國(guó)家航天任務(wù)的牽引,因此制定一個(gè)循序漸進(jìn)、有簡(jiǎn)到難、布局合理、前瞻性強(qiáng)的長(zhǎng)期發(fā)展路線圖就尤為重要,如NASA為在軌制造技術(shù)規(guī)劃了從地面失重飛機(jī)驗(yàn)證、國(guó)際空間站應(yīng)用到深空探測(cè)等清晰明了的“空間在軌制造技術(shù)發(fā)展路線圖”；在技術(shù)研發(fā)方面,注重多頭并進(jìn),從在軌3D打印技術(shù)到外太空原位制造均有探索,為太空制造發(fā)展途徑增加更多的可能性。要發(fā)展在軌制造技術(shù),新材料、新工藝、新裝備的研究必不可少,這需要時(shí)間的積淀,美國(guó)在新材料、機(jī)械、數(shù)學(xué)、控制工程、材料力學(xué)、動(dòng)力學(xué)、自動(dòng)化等基礎(chǔ)學(xué)科的長(zhǎng)期投入已顯現(xiàn)出非常巨大的創(chuàng)造力和創(chuàng)新潛能,而中國(guó)在相關(guān)學(xué)科方面的發(fā)展還有很大的差距,基礎(chǔ)學(xué)科重視程度不夠,創(chuàng)新潛力匱乏,雖然中國(guó)近些年來(lái)在航天技術(shù)上取得了驕人成績(jī),但更多是跟隨、復(fù)制、模仿、驗(yàn)證他人的技術(shù),原創(chuàng)性的技術(shù)創(chuàng)新不足,必須加強(qiáng)基礎(chǔ)創(chuàng)新,并結(jié)合國(guó)內(nèi)航天技術(shù)發(fā)展特點(diǎn),盡快制定出符合中國(guó)發(fā)展、思路清晰、目標(biāo)明確、具體可行的在軌制造發(fā)展規(guī)劃及總體方案,多重視與在軌制造技術(shù)相關(guān)的先進(jìn)材料制備方法、精密制造設(shè)備、交互控制技術(shù)等創(chuàng)新內(nèi)涵豐富的綜合性基礎(chǔ)技術(shù)的研究投入,注重基礎(chǔ)性、系統(tǒng)性、原創(chuàng)性,爭(zhēng)取能產(chǎn)生出一批重要的開創(chuàng)性研究成果,為在軌制造技術(shù)的發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

2)注重關(guān)鍵核心自主技術(shù)研發(fā),重視學(xué)科交叉融合。

美國(guó)、英國(guó)及德國(guó)等航天強(qiáng)國(guó)之所以在相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域領(lǐng)先,還在于其善于集中統(tǒng)籌各方力量,集中突破空間在軌制造領(lǐng)域關(guān)鍵核心技術(shù)。在NASA和ESA部署的項(xiàng)目中,一個(gè)典型的特點(diǎn)就是以MIS為代表的初創(chuàng)型企業(yè)參與度很高,國(guó)家層面的航天研究機(jī)構(gòu)加上廣泛的社會(huì)企業(yè)共同努力,成就了一大批關(guān)鍵核心技術(shù)的突破。而中國(guó)目前的在軌制造技術(shù)領(lǐng)域基礎(chǔ)及經(jīng)驗(yàn)積累方面相對(duì)薄弱,但可跟蹤美國(guó)、俄羅斯的最新發(fā)展動(dòng)態(tài),針對(duì)在軌制造技術(shù)的核心熱點(diǎn)問(wèn)題,集中國(guó)內(nèi)的頂尖技術(shù)團(tuán)隊(duì)及實(shí)力雄厚的航天科技企業(yè)進(jìn)行聯(lián)合攻關(guān),力爭(zhēng)率先提出一些新概念、新原理、新方法、新技術(shù),以實(shí)現(xiàn)彎道超車。比如在設(shè)備/工藝的空間適用性、設(shè)備功能性模塊設(shè)計(jì)、人機(jī)交互技術(shù)、在軌制造低功耗、高精度、多功能等方面實(shí)現(xiàn)重大突破。要實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵核心技術(shù)的突破,必須注重學(xué)科交叉融合。因?yàn)樵谲壷圃旒夹g(shù)屬于多學(xué)科交叉、工程技術(shù)與基礎(chǔ)科學(xué)并重的研究領(lǐng)域,涉及材料、物理、化學(xué)、控制、先進(jìn)制造等多個(gè)學(xué)科,尤其是在微重力、高真空、交變溫度的復(fù)雜太空環(huán)境中,新材料的在軌制造涉及諸多新問(wèn)題,單純的學(xué)科理論已無(wú)法解決,以材料熔凝制造來(lái)講,就涉及流體物理中的驅(qū)動(dòng)對(duì)流、熔滴懸浮、空間凝固界面動(dòng)力學(xué)、流動(dòng)成型、組分運(yùn)輸、黏結(jié)固化等諸多科學(xué)新問(wèn)題,必須深入開展交叉學(xué)科的基礎(chǔ)理論才能解決。

3)加大實(shí)驗(yàn)硬件投入,利用空間實(shí)驗(yàn)平臺(tái),加強(qiáng)國(guó)際合作,提升在軌制造能力。

在軌制造技術(shù)的快速發(fā)展,離不開太空失重模擬環(huán)境等硬件條件的支撐,如日本北海道的落井設(shè)施(為當(dāng)前獲微重力時(shí)長(zhǎng)最長(zhǎng)的自由落體裝置),烏克蘭巴頓研究所的“Ty-104”失重飛機(jī)、俄羅斯空間模擬艙、國(guó)際空間站等；中國(guó)在這些空間試驗(yàn)硬件條件上還有所欠缺,必須加大投入。當(dāng)然,中國(guó)自主建造的空間站將于2022年建成,勢(shì)必會(huì)大大推進(jìn)在軌制造技術(shù)的發(fā)展。在經(jīng)濟(jì)全球化的今天,要想更快的推進(jìn)科技發(fā)展,國(guó)際合作就非常必要,它可有力的推進(jìn)技術(shù)創(chuàng)新、技術(shù)發(fā)展、有利于科技成果的互惠互利,中國(guó)可以主動(dòng)加強(qiáng)與美國(guó)、俄羅斯、英國(guó)、德國(guó)等航天強(qiáng)國(guó)的航天科技交流,科技人員的定期交流互換,先進(jìn)成果開放與共享,以促進(jìn)技術(shù)的創(chuàng)新和快速發(fā)展,迅速提高在軌制造能力。但是我們也必須清醒的認(rèn)識(shí),歷史的經(jīng)驗(yàn)告訴我們“打鐵還需自身硬”,只有自身科技實(shí)力的強(qiáng)大,掌握了核心技術(shù),才能在國(guó)際舞臺(tái)上有自己的話語(yǔ)權(quán)。

6 結(jié)束語(yǔ)

空間在軌制造技術(shù)是大型空間結(jié)構(gòu)構(gòu)建、保證在軌和在研航天器在復(fù)雜空間環(huán)境中長(zhǎng)壽命、高可靠運(yùn)轉(zhuǎn),降低航天發(fā)射成本以及在全壽命周期內(nèi)完成既定任務(wù)目標(biāo)的關(guān)鍵技術(shù)之一,已成為各航天強(qiáng)國(guó)的研究熱點(diǎn)。本文針對(duì)在軌制造技術(shù)的發(fā)展進(jìn)程,從在軌3D打印技術(shù)、在軌焊接技術(shù)、基于帶材在軌塑性成形制造技術(shù)、在軌原位制造技術(shù)等四方面進(jìn)行了分類歸納和評(píng)述,指出相關(guān)技術(shù)當(dāng)前發(fā)展過(guò)程遇到的一系列瓶頸問(wèn)題,并結(jié)合國(guó)外在軌制造技術(shù)成功經(jīng)驗(yàn)給出中國(guó)在軌制造技術(shù)需重點(diǎn)努力的方向。未來(lái)的在軌制造技術(shù)將趨于向更高精度、更快速度、更智能化方向發(fā)展,中國(guó)即將建成的空間站也將成為在軌制造技術(shù)驗(yàn)證和試應(yīng)用的絕佳平臺(tái),可以預(yù)見,在不久的將來(lái)在軌制造技術(shù)必將在中國(guó)的航空航天重大戰(zhàn)略任務(wù)中迎來(lái)發(fā)展的春天。