美国在轨制造技术发展现状及启示

王敏 于涛 张骁 吴振强

(1 中国科学院沈阳自动化研究所，机器人学国家重点实验室，沈阳 110016) (2 中国科学院沈阳自动化研究所，中国科学院机器人与智能制造创新研究院，沈阳 110016)

早在20世纪60年代苏联已对在轨焊接技术有所尝试，然而“在轨制造”的概念提出却是源于增材制造技术在空间应用的探索。后来，“在轨制造”逐步延伸为泛指人类在近地轨道航天器上进行的各种加工制造行为。随着人类探索宇宙的步伐迈向深空，为保障人类宇宙空间科学探索的可持续发展，在外层空间构建大型支撑平台的设想开始形成，“在轨制造”进一步延伸为泛指人类在地外空间有人或自主进行的各种加工、建造等行为。

在轨制造技术的实施，可以为空间设施的运营和维护提供零部件支持，大幅扩展空间设施的功能，由于摆脱地面发射的传统模式，还可以显著提高空间活动响应速度和降低空间活动成本。在轨制造预期的主要应用背景针对空间大型结构建造、航天器维护维修、空间急需的产品研制、空间资源回收再利用等，以保障在轨航天器长寿命可靠运行，以及为未来地外行星探测提供技术保障。

根据制造方式不同，可以把制造技术分为三类：①铸、锻、焊在制造过程中重量基本不变，属于“等材制造”；②随着电动机的发明，能够车、铣、刨、磨的机床的出现，通过对材料的切削去除达到设计形状，称为“减材制造”；③而以3D打印为代表的“增材制造”，1984年提出，1986年实现样机。考虑到空间废料处理的问题，目前空间在轨制造主要采用等材制造和增材制造技术。在轨制造技术涉及控制、机械、材料、生物等多种学科的相关技术，技术手段主要包括：空间焊接、空间3D打印(增材制造)、在轨检测技术等。

空间在轨制造技术是人类发展深空探测技术的有效保障。目前美国在该领域处于国际领先水平。了解美国在轨制造技术的发展情况，可以为我国发展空间在轨制造技术提供有益的参考。篇幅所限，本文仅针对美国空间焊接、空间3D打印技术以及原位资源利用等方面的发展情况进行分析。

1 美国在轨制造技术发展现状

1.1 空间焊接技术

焊接是形成永久性连接的关键技术，也是获得良好的结构力学性能、有效减重的一种关键制造和组装手段。空间在轨焊接技术是重要的在轨连接技术之一，可用于对空间结构的在轨修复、制造、组装。主要焊接方法有熔化焊、钎焊、固态焊等。空间焊接技术的研究起源于20世纪60年代。1964年，苏联Lawrence E S[1]设计和制造了用于空间材料连接的电子束焊机动力系统。美国20世纪70年代开始进行空间焊接技术方面的研究。

在熔化焊接方面：1970年，Richard Fabiniak等[2]研究了在空间环境中多种材料加工试验，包括晶体生长、金属连接、凝固或烧结。Bannister T C[3]研究了重力对凝固的影响，该项研究的主要目的是科学界定重力在涉及凝固的各种过程中的作用，并为此开发了研究材料零重力下凝固特征的落塔实验装置。1970—1979年，NASA在“天空实验室”进行了3个主要的焊接试验[4]：金属熔化(M551)、放热钎焊(M552)、球体成形(M553)。这些试验用以证明微重力条件下进行材料加工的一些基本概念。1989年，阿拉巴马大学Workman Gary L[5]论述了激光焊接太空应用的相关理论问题。1992年，NASA与俄罗斯巴顿电焊研究所合作开展国际空间焊接试验，并对巴顿电焊研究所的手持式电子束焊装置(VHT)进行了全面评估。在这些工作的基础上，NASA国际空间焊接试验中心成功进行了空间环境下的电子束焊接试验。

在钎焊方面：2000年前后美国开始了一些太空软钎焊方面的试验论证[6]，并于2004年在“国际空间站”开展了试验。2006年，戈达德航天中心Flom Yury[7]开展了空间钛合金薄壁管结构电子束钎焊的研究。

在固态焊接方面：近年来NASA提出了多种用于空间焊接的固相摩擦焊方案，为空间在轨焊接提供了新的技术途径[8]。2008年，马歇尔太空飞行中心Ding Jeff[9]的研究报告提出，搅拌摩擦焊(FSW)是非常适用于空间焊接和维修的一种固相焊接工艺。

空间在轨焊接技术是最早引起关注的在轨制造技术。但是经历了近半个世纪的发展历程，却缺乏突破性进展。主要难点在以下几个方面。

(1)能源方面。由于电弧焊、电子束焊、激光焊等熔化焊接方法需要熔化被焊金属及填充金属，因此需要焊接设备提供足够的能量。空间站能源供给非常有限，这就限制了熔化焊技术在空间的应用。烙铁钎焊由于不需要熔化被焊金属，设备所需能量很低，是目前空间电子元器件维修的可选方法。然而，烙铁钎焊的应用范围非常有限，亟待开发适合空间焊接的低能量消耗的焊接技术。

(2)占用空间方面。除烙铁钎焊外，通常的焊接设备的体积较大，难以满足空间在轨应用的要求。需要开发适合空间在轨应用的小型焊接设备。

(3)可操作性方面。空间焊接不同于地面，可以由高级焊工操作。空间一般是由宇航员进行操作。这就要求焊接设备操作尽量简便、易于宇航员掌握，或者开发自动化程度较高的焊接设备及焊接装夹工装。

(4)三废处理方面。焊接施工不可避免会产生一些废气、废渣、废热，这在空间环境下是需要严格控制，及时处理的。

目前在轨焊接技术方面研究热点主要集中在以下几个方面：①寻求新型的、安全有效的空间焊接方法，如空间固态连接技术等；②空间常用的金属以及金属基复合材料在空间环境下的焊接性研究；③桁架结构、薄壁导管等典型空间结构的焊接工艺研究；④焊接过程自动化技术研究，包括焊接自动化及装夹自动化等。

1.2 空间3D打印技术

3D打印技术是20世纪末发展起来的一项先进制造技术，其实质为“增材制造技术”。3D打印技术是一种采用逐层堆积直接进行零件成形的数字化增材制造工艺。与传统减材或等材制造相比，3D打印技术消除了加工过程对中间模具的需求，能够进行快速需求响应，具有单件小批量定制化快速制造的优势，较适合空间制造需求。3D打印技术的兴起进一步推动了在轨制造技术的发展。美国空间3D打印技术方面的研究现状如下。

非金属材料方面：20世纪90年代，NASA兰利研究中心和约翰逊航天中心开始对非金属材料的空间在轨3D打印技术进行相关的研究工作。2011年7月，NASA与太空制造公司首次启动了微重力环境下的3D打印试验，并完成了3次针对3类不同的3D打印机及多个独立组件的飞行试验。2012年7月，在地球上进行低重力抛物线飞行过程中，NASA测试了3D打印机。将3D打印技术的技术成熟度由TRL3(通过分析和试验的手段进行了关键性功能验证和/或概念验证阶段)提高至TRL5(相关环境中的部件仿真验证阶段)[10]。同期，美国系绳无限(TUI)空间技术开发公司率先提出“蜘蛛制造”(SpiderFab)的太空制造技术构想，如图1所示[11]。未来将实现利用3D打印等技术在轨自主制造超大型空间结构和多功能空间系统组件，同时，利用“蜘蛛机器人”(SpiderFab Bot)在轨集成大型空间结构。“蜘蛛制造”预计在2022年完成在轨飞行演示试验，2024年实现在轨自主装配。

图1 “蜘蛛制造”构想Fig.1 SpiderFab concept

2013年1月，太空制造公司在多次微重力试验的基础上，确定在“国际空间站”上采用熔融堆积成型(FDM)的3D打印技术，以将聚合物材料逐层打印形成空间站所需的零部件或急需工具等。2014年9月21日，利用太空制造公司与NASA马歇尔空间飞行中心联合开发的零重力3D打印机，首次在“国际空间站”验证了在轨3D打印技术的可行性。2014年11月25日，NASA与Made in Space公司合作在“国际空间站”成功打印了印有“MADE IN SPACE/NASA”字样的铭牌，并在“国际空间站”制造了约20个结构样件，这些结构样件被分成材料性能测试、微重力环境下的成形性能测试、结构工具的功能测试共三类。2015年，NASA选择太空制造公司制造了一台带有机械臂的3D打印机“阿克纳特”，计划将其安装在“国际空间站”外部的一个分离舱上，研究在无需舱外航天员介入的情况下，利用增材制造技术进行太空大型复杂结构制造及组装的能力。“阿克纳特”最终版本将装有3个机械臂，它能够抓住在轨道上运行的结构，为其增加或拆下部件，它甚至能够从退役的航天器中移除部件，用在新的航天器上[12]。

金属材料方面：2006年，美国马歇尔航天飞行中心研究了微重力环境下金属部件的制造技术，集中评价了电子束熔化(EBM)和选择激光烧结(SLS)两种工艺[13]。研究结果显示，SLS明显具有更好的表面光洁度，而EBM工艺在真空中进行，非常适合探测任务的非增压空间飞行环境[14]。NASA兰利研究中心围绕金属零件的空间在轨3D打印开发了一套轻型电子束熔丝沉积成形设备(EBF3),并在NASA的C-9微重力研究飞机上开展了抛物线飞行试验，研究微重力环境对电子束熔丝沉积工艺及零件性能的影响[15]。

目前，美国在高分子材料的空间增材制造技术成熟度已达到TRL5级，是成熟度最高的3D打印技术。但是，金属、复合材料和电子元件3D打印仍存在诸多难点。

(1)能源方面。空间站能源供给非常有限，限制了金属3D打印技术在空间的应用。亟待开发适合空间应用的低能耗金属3D打印技术。

(2)占用空间方面。目前的金属、复合材料和电子元件的3D打印设备体积较大，难以满足空间在轨应用的要求。需要开发适合空间在轨应用的小型多功能3D打印设备。

(3)三废处理方面。3D打印同样不可避免会产生一些废气、废渣、废热，需要研究3D打印的三废控制及处理方法。

当前空间增材制造方面的研究热点：①金属、复合材料和电子元件的3D打印技术；②下一代多功能3D打印系统研发，即用于金属和各种塑料等多种用途的更强型挤压材料的综合设施；③通过增材制造实现塑料/金属材料的回收再利用技术；④通过增材制造实现空间大型结构(如大型天线、桁架等)在轨制造；⑤通过增材制造实现小卫星在轨建造等。除此之外，目前多种材料(如金属、陶瓷、电子元件、月壤等)、多种工艺(光固化成型、电子束熔化、选择激光烧结等)的3D打印技术都在开展在太空环境下的应用研究，为最终实现深空探索任务提供技术支撑[16]。

1.3 原位资源利用

在美国重返月球计划(星座计划)支持下，NASA马歇尔空间飞行中心围绕空间原位制造和修复(ISFR)[17]以及空间原位资源利用(ISRU)[18]开展了系统研究。ISFR/ISRU的研究主要围绕空间制造技术评估、空间资源利用可行性分析、地面验证试验等开展了系统研究，并针对电子束熔化(EBM)技术[19]、混凝土挤出(Concrete Extrusion System)工艺[20]、月壤资源利用[21]等增材制造工艺与材料方面开展了系统研究。

美国华盛顿大学机械与材料学院的研究团队对类月壤材料的激光增材制造开展了研究[22]，NASA对其提供了近4.5 kg的模拟月球表面岩石的材料(见图2)。该团队利用上述类月壤材料，通过激光熔化沉积(LMD)技术对其进行了成形试验，并成形了简单形状的样件。

图2 华盛顿州立大学开展的原位制造试验Fig.2 In-situ manufacturing experiments conducted by Washington State University

NASA马歇尔空间飞行中心开展的月壤电子束选区烧结工艺可行性研究发现，月壤矿物组成中包含了大量铝、钛、铁等元素，月壤选区烧结的最大优势是可以直接使用月球表面原材料进行3D打印制造，但所面临的问题是：如何优化工艺，获取足够强度的零件结构，避免如传统陶瓷烧结所同样面临的材料脆性问题。为了避免该问题，NASA研究人员采用铝粉作为粘结剂与模拟月壤混合进行了电子束选区烧结实验，铝粉熔化并对月壤进行了包围连接，但未见有力学性能的相关数据报道[23]。

NASA马歇尔空间飞行中心还开展了基于月壤的无水混凝土(Waterless Concrete)制备与性能、混凝土挤出成形工艺两方面的研究。NASA与Toutanji等人合作开展无水水泥的研制与性能评估工作，研究团队采用可从月壤中提取的硫磺作为粘结剂，与模拟月壤材料混合，制备出一种硫磺水泥，又称为月壤水泥[24]，与传统的水基水泥不同，硫磺水泥混合物被加热到硫磺熔点(140 ℃)之上，然后进行冷却，瞬间即可达到其最佳力学性能，从而获得一种无水的混凝土结构。与此同时，NASA与南加州大学合作开展相应的混凝土挤出成形系统，实现混凝土结构的近净成形，并开展地面试验，验证该套装备在月球或火星的适用性。

1.4 发展规划

2010年，NASA开始制定详细的空间在轨制造技术发展路线图，包括在轨增材制造技术、空间物资回收再利用、多材料实验室、在轨金属材料研发、电子打印技术、设计数据库和部件测试探索系统、在轨无损检测等部分的发展规划。之后，该发展路线图又经过不断完善。从该发展规划可知，美国在轨制造技术发展路线分为三步，即地面试验阶段、空间站在轨制造试验阶段及地外星球探索阶段。2013年以前为地面试验阶段，主要完成增材制造技术地面模拟试验、对多种材料和技术进行系统研究和地面测试、验证及确认、工艺流程开发、材料和打印机特性数据库开发、自动加工过程开发等；2014—2024年为空间站在轨制造试验阶段，计划完成多项在轨制造技术的验证试验，最终完成在轨回收演示、用于金属和各种塑料等多种用途的更强型挤压材料的综合设施系统、嵌入电子技术演示、合成生物学演示、金属3D打印演示等；2025年之后为地外星球探索阶段，计划建立月球试验室，行星表面点实验室、火星多材料实验室等[25-26]。

2 启示

美国的空间在轨制造技术经过将近60年的发展，有很多成功的经验值得学习借鉴。分析美国在轨制造技术发展历程，可以得到以下启示。

(1)总体规划方面。美国在在轨制造方面遵循了循序渐进的原则，陆续制定了多个发展规划(如2010年制定了“空间在轨制造技术发展路线图”，之后又不断完善)，方案具有一定的前瞻性。我国对空间在轨制造技术方面至今还没有形成一个完整而清晰的概念，没有明确提出空间站在轨制造技术的发展规划及总体方案。这方面可以参考美国，并结合我国航天技术的发展特点制定策略，减少盲目的跟随、复制他人的技术，制定出符合中国发展的、可行的空间在轨制造发展规划及总体方案，力求方案整体思路清晰、目标明确，且具有一定的科学性和前瞻性。

(2)关键技术研发方面。美国注重统筹各方力量开展技术研究，集中突破空间在轨制造领域关键核心技术。我国在空间在轨制造领域技术基础、经验积累相对薄弱，可以跟踪美国等发达国家的最新发展动态，针对在轨制造在材料科学、机械制造技术、自动化技术、增材制造技术以及焊接技术、无损检测技术等交叉学科的基础技术问题，组织多方力量开展创新性研究，力争提出新概念、新原理和新方法；同时围绕设备/工艺的空间适用性、设备的功能性模块设计、人机交互技术、空间在轨制造功耗及质量优化管理等关键核心技术开展技术攻关，提升在轨制造技术的总体水平。

(3)国际合作方面。NASA与苏联/俄罗斯在空间焊接等方面开展合作的事实证明，在科技发展中，国际合作能够有力促进技术创新、技术发展，有利于成果的共享互惠。中国可以主动加强与航天大国的交流，定期派人员去国外学习先进经验，同时可以邀请国际上的相关人员来中国进行技术交流，从而获得互惠互利的最终效果。尽管如此，历史的经验也告诫我们，只有自身掌握了核心技术，才能获得技术发展的主动权。

3 结束语

在轨制造技术是保证在轨和在研航天器能在复杂空间环境中长寿命、高可靠运行以及在全寿命周期内完成既定任务目标的关键，已成为各国空间技术发展的主要目标之一。鉴于在轨制造技术对开展外层空间探测活动的特殊意义，目前国内外已对在轨制造技术开展了大量的研究工作，并已逐步将其应用于近地空间站的空间组装、维护和维修等方面。本文通过对美国空间焊接、空间3D打印等技术的发展情况进行分析，提出了对我国开展在轨制造技术研究的启示，包括总体规划、关键技术研发和国际合作方面。在掌握国外先进在轨制造技术的发展现状和应用情况下，明确发展方向，科学规划、集中攻关，为我国航天事业可持续发展提供可靠保障。