美國大舉推進(jìn)太空制造技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展

◎中國航天系統(tǒng)科學(xué)與工程研究院 孫紅俊

◎中國航天科技集團(tuán)公司 唐軍剛

為加速形成未來在太空按需制造、自主裝配、服務(wù)保障、重構(gòu)重用等能力，近年來，美國國家航空航天局（NASA）、國防先期研究計劃局（DARPA）等政府機構(gòu)，聯(lián)合太空制造公司、勞拉太空系統(tǒng)公司、加州大學(xué)、奇點大學(xué)等工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的力量，密集推進(jìn)太空3D打印、在軌裝配、制造集成一體化等太空制造技術(shù)與裝備前瞻研究，促進(jìn)“在地球制造”向“太空制造”拓展，積極搶占航天技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略制高點。

一、太空3D打印技術(shù)首次實現(xiàn)商業(yè)應(yīng)用

太空3D打印主要涉及空間站3D打印、在軌維護(hù)平臺3D打印、星體表面3D打印等，目前，空間站3D打印已取得重大突破。2016年3月，NASA和太空制造公司在國際空間站上安裝了首臺實用型“增材制造設(shè)備”（AMF），開始為國際空間站制造實用物品，為地面商業(yè)用戶提供制造服務(wù)。這一事件表明美國已掌握空間微重力環(huán)境下熔融堆積成型（FDM）3D打印關(guān)鍵技術(shù)，為進(jìn)一步驗證更復(fù)雜的太空制造技術(shù)提供條件。

AMF是一種在空間微重力環(huán)境下運行的小型3D打印機，可以多種聚合物為原料制備小尺寸產(chǎn)品，其結(jié)構(gòu)簡單、維護(hù)成本低，可成型復(fù)雜零件，打印過程不易產(chǎn)生漂浮粉塵和有毒氣體，打印后無需化學(xué)清洗。AMF采用FDM工藝，功耗600瓦（可由空間站太陽能電池直接供電），擠出溫度180℃～375℃，可打印ABS工程塑料、聚碳酸酯、高密度聚乙烯等30多種聚合物材料；打印區(qū)長140毫米、寬100毫米、高100毫米；X/Y方向打印精度25微米～440微米（取決于打印材料），Z方向75微米。該裝備按照國際空間站標(biāo)準(zhǔn)貨架尺寸制造，長566.5毫米、寬460.4毫米、高273.2毫米，重45千克，按計劃可使用至國際空間站退役（2024年）。

通過太空3D打印任務(wù)，美國重點解決了以下問題：一是驗證FDM在微重力環(huán)境下的工藝性能，掌握了微重力環(huán)境對FDM工藝及樣品性能的影響，確定了FDM關(guān)鍵工藝參數(shù)；二是測試分析返回樣品，建立了基線材料性能數(shù)據(jù)庫；三是突破了遙操作3D打印的技術(shù)難題；四是解決了增材制造設(shè)備承受火箭發(fā)射沖擊和適應(yīng)太空打印環(huán)境的難題。

太空制造公司的“增材制造設(shè)備”（AMF）

美國從2011年開始研發(fā)空間站3D打印技術(shù)。2011～2013年，完成微重力試驗研究，掌握了零重力環(huán)境下3D打印的原理與方法，并實現(xiàn)空間站3D打印機設(shè)計制造。2014年，在國際空間站上安裝了首臺可打印塑料的太空3D打印驗證機，對微重力環(huán)境下的成型工藝、有毒氣體與粉塵過濾、地面遙操作等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行近2年的驗證，開啟了在太空打印幾乎所有東西（從立方體衛(wèi)星零部件到任何其他實驗硬件）的無限可能。2015～2017年，實現(xiàn)可打印聚合物材料的AMF實用化部署與運行，啟動“第一代多材質(zhì)（包括金屬）太空制造實驗室”（FabLab）技術(shù)研發(fā)和設(shè)計，并通過小企業(yè)創(chuàng)新計劃支持空間站3D打印材料回收、重用技術(shù)研發(fā)以及金屬材料打印論證。2018～2024年，在國際空間站上完成FabLab（可打印金屬材料、多種塑料以及電子材料等）飛行試驗、在軌材料回收飛行試驗等。2025～2035年，甚至在更遙遠(yuǎn)的未來，將實現(xiàn)地月空間、火星、小行星3D打印。

太空3D打印技術(shù)能夠在太空快速制造在軌作業(yè)所需的零部件和工具，實現(xiàn)“即需即造”，避免等待航天發(fā)射帶來的時間延誤和火箭整流罩尺寸的限制，減少其對地面制造的依賴，對解決未來載人深空探測任務(wù)應(yīng)急貨物原位制造和供應(yīng)問題具有重要意義。

二、太空裝配技術(shù)研發(fā)試驗密集推進(jìn)

2015年以來，在DARPA、NASA等政府機構(gòu)主導(dǎo)下，圍繞通信衛(wèi)星、太陽能電池陣、太空望遠(yuǎn)鏡、太空拖船、火星探測器組部件等航天器與空間結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，美國密集推進(jìn)太空裝配技術(shù)和裝備研發(fā)創(chuàng)新，并取得顯著成效。

（一）“鳳凰”計劃成功驗證基于“細(xì)胞星”在軌裝配新衛(wèi)星的可行性

作為“鳳凰”計劃實施的第三階段，2015 ～2017年，DARPA在國際空間站上實現(xiàn)以手動方式將“細(xì)胞星”和其他有效載荷組裝成新衛(wèi)星，驗證了將細(xì)胞星集成為衛(wèi)星平臺的可行性，為后續(xù)利用空間機器人對“細(xì)胞星”進(jìn)行在軌裝配奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

“鳳凰”計劃分三階段實施，第一階段開展技術(shù)研發(fā)；第二階段開展“細(xì)胞星”、“有效載荷軌道交付系統(tǒng)”（PODS）、服務(wù)星的研制；第三階段實現(xiàn)基于“細(xì)胞星”衛(wèi)星在軌裝配飛行試驗。DARPA于2011年啟動“鳳凰”計劃，旨在開發(fā)與演示驗證從退役的地球靜止軌道衛(wèi)星上獲取有價值組件組裝新衛(wèi)星的技術(shù)；2012年，授予多家公司研發(fā)合同，“鳳凰”計劃進(jìn)入技術(shù)研發(fā)階段；2014年，在地面驗證了由利用廢棄衛(wèi)星天線建造新衛(wèi)星的技術(shù)可行性，這是“鳳凰”計劃最終實現(xiàn)地球靜止軌道機器人在空間建造新衛(wèi)星目標(biāo)的第一步；2015年，完成“細(xì)胞星”、PODS等研制；2016年，實現(xiàn)“細(xì)胞星”在軌裝配飛行試驗；2017年計劃完成PODS地面測試和飛行試驗。

“鳳凰”計劃由四部分組成，一是標(biāo)準(zhǔn)化的“細(xì)胞星”，每顆“細(xì)胞星”都是由多個功能模塊組成的微型航天器，具有特定的衛(wèi)星分系統(tǒng)或部件級功能，如姿態(tài)控制、電源、推進(jìn)、指令與數(shù)據(jù)處理、有效載荷等，多個“細(xì)胞星”與退役衛(wèi)星天線組合后能夠形成新的衛(wèi)星。二是PODS，由商業(yè)衛(wèi)星搭載進(jìn)入地球靜止軌道，隨后按預(yù)定程序彈出，內(nèi)部攜帶若干“細(xì)胞星”和在軌操作工具。三是裝有多個機械臂的服務(wù)星，亦即在軌操作的空間機器人，由它抓住PODS飛向位于“墳?zāi)管壍馈钡氖l(wèi)星，然后從PODS取出“細(xì)胞星”和操作工具，將“細(xì)胞星”安裝在失效衛(wèi)星天線上組成新的衛(wèi)星系統(tǒng)，最后將裝有“細(xì)胞星”的天線拆卸下來，拖至新的靜止軌道位置后激活，從而完成新衛(wèi)星的在軌建造和部署。四是操控整個作業(yè)過程的地面系統(tǒng)。

“鳳凰”計劃在軌演示驗證示意圖

鳳凰”項目孕育著多項重大技術(shù)創(chuàng)新，如模塊化衛(wèi)星技術(shù)、非合作目標(biāo)交會對接導(dǎo)航制導(dǎo)與控制技術(shù)、空間機械臂技術(shù)等，對推進(jìn)可維護(hù)、可維修設(shè)計制造，變革未來航天器的設(shè)計理念具有重要影響。該項目演示的技術(shù)有潛力用于空間攻防，具有重要軍用價值。

（二）實施“蜻蜓”項目以推進(jìn)通信衛(wèi)星太空裝配研發(fā)與商業(yè)應(yīng)用

作為“鳳凰”計劃的進(jìn)一步延伸和拓展，2015年8月，DARPA授權(quán)勞拉太空系統(tǒng)公司研究地球靜止軌道通信衛(wèi)星在軌機器人裝配技術(shù)（“蜻蜓”項目），旨在實現(xiàn)目前難發(fā)射升空的大尺寸、高性能通信衛(wèi)星制造和應(yīng)用。與“鳳凰”計劃通過利用衛(wèi)星交互對接實施在軌操作不同，蜻蜓項目將研究如何利用星載機械臂，將分塊的天線部件在軌組裝成大型衛(wèi)星天線，這可使通信衛(wèi)星的天線突破整流罩的束縛，進(jìn)而大幅提升衛(wèi)星通信的能力，推動衛(wèi)星制造模式發(fā)生重大變革。該項目第一階段研究周期為5個月，將演示在軌組裝衛(wèi)星，在降低成本和質(zhì)量的同時，提升衛(wèi)星性能。此外，勞拉公司提出與NASA合作開展在軌組裝衛(wèi)星概念地面試驗以及在軌驗證等后續(xù)工作?！膀唑选表椖繉⒂?020～2029年實現(xiàn)在軌驗證。

2015年12月，在“臨界點”計劃支持下，NASA授予勞拉太空系統(tǒng)公司價值數(shù)百萬美元的合同，開展“蜻蜓”項目的后續(xù)工作。2016年，NASA和勞拉太空系統(tǒng)公司提出，已結(jié)合“蜻蜓”項目，對太空裝配商業(yè)應(yīng)用價值進(jìn)行了研究，驗證了在地球靜止軌道通信衛(wèi)星任務(wù)執(zhí)行階段進(jìn)行天線在軌裝配的可行性，并強調(diào)，通過采用反射器包絡(luò)和展開方法可發(fā)射以往難實現(xiàn)的更大型反射器，可成倍提升商業(yè)通信衛(wèi)星系統(tǒng)能力，顯著提高經(jīng)濟(jì)效益。此外，還提及在“蜻蜓”項目中，使用了超輕機器人進(jìn)行在軌天線裝配，并在太空裝配過程中采用經(jīng)過國際空間站裝配驗證的方法來保障機構(gòu)連接的精度和熱穩(wěn)定性。

（三）著力打造超大型空間結(jié)構(gòu)系統(tǒng)太空裝配、更新、重構(gòu)、重用能力

當(dāng)前，在太空中實現(xiàn)超大型航天器結(jié)構(gòu)系統(tǒng)自動化裝配的需求日益迫切。表現(xiàn)為：ISS之外的所有航天器均以一體形式，通過單一運載火箭發(fā)射入軌，嚴(yán)重限制了航天器的質(zhì)量、尺寸和性能；ISS太空裝配僅限于在低地球軌道且人類進(jìn)入太空進(jìn)行；隨著航天器尺寸和復(fù)雜度的提高，以及可展開系統(tǒng)（太陽能電池陣、散器、天線等）數(shù)量的增加，系統(tǒng)展開失效的概率也隨之增加等。

2015年6月，NASA啟動超大型空間結(jié)構(gòu)系統(tǒng)太空裝配（SALSSA）項目，旨在面向下一代大型空間天文臺、兆瓦級太陽能電池陣以及火星探測器組部件等三類可升級、可重構(gòu)的航天器結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，實現(xiàn)大型模塊化空間結(jié)構(gòu)系統(tǒng)在太空中的自動化裝配、服務(wù)保障、更新、重構(gòu)以及重用等，以延長其生命周期或通過重用來執(zhí)行新的任務(wù)。SALSSA是改變游戲規(guī)則的研發(fā)項目，NASA期待通過這種新型裝配和重用模式，增強航天器性能，降低未來任務(wù)執(zhí)行的風(fēng)險和成本。其首要任務(wù)是開展材料數(shù)字化制造、生產(chǎn)裝配模式、結(jié)構(gòu)連接方法、機器人裝配和控制等在軌裝配共性制造工藝研究。

2016年7月，針對三類大型結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，NASA發(fā)布2035年SALSSA技術(shù)路線圖，明確了裝配制造、服務(wù)維護(hù)、重用重構(gòu)、原位制造四大關(guān)鍵能力領(lǐng)域，提出模塊化與集成、展開結(jié)構(gòu)、模塊接口與可逆鏈接、自主機器人裝配系統(tǒng)四大需突破的前沿技術(shù)。未來將重點研發(fā)自主操作、機械臂系統(tǒng)等技術(shù)，預(yù)計2025年取得突破，將大幅提升大型結(jié)構(gòu)系統(tǒng)性能，降低部署成本。

除上述典型項目外，DARPA還啟動了 “太空光學(xué)孔徑自組裝”項目，旨在驗證利用小型模塊化部件在軌精密裝配大型光學(xué)孔徑的可行性。NASA聯(lián)合加州大學(xué)提出充分應(yīng)用模塊化結(jié)構(gòu)和太空裝配機器人的超大型太空望遠(yuǎn)鏡設(shè)計新理念，為未來執(zhí)行宇航員難執(zhí)行的太空任務(wù)奠定了堅實的基礎(chǔ)；并通過“突破、創(chuàng)新和改變游戲規(guī)則”概念挑戰(zhàn)賽，設(shè)計和分析潛在的模塊化概念和系統(tǒng)，以提供在軌裝配大型太陽能電推進(jìn)太空拖船的能力。此外，NASA還在“臨界點”計劃支持下，采取公私合作模式，聯(lián)合軌道ATK公司開展了“太空機器人裝配與服務(wù)商業(yè)化設(shè)施研發(fā)”項目，研發(fā)團(tuán)隊還涉及海軍研究實驗室、COSM先進(jìn)制造系統(tǒng)公司等，旨在形成結(jié)構(gòu)可逆連接、基于20米機械臂和精確組裝機器人的精確測量和對準(zhǔn)等能力，提高通信衛(wèi)星平臺、太陽能傳輸結(jié)構(gòu)等大型空間結(jié)構(gòu)機器人裝配技術(shù)成熟度。

SALSSA方案示意圖

三、著力研發(fā)太空制造裝配一體化技術(shù)

為實現(xiàn)未來在太空按需制造零部件并自動化集成裝配等制造集成一體化能力，美國開始探索通過太空制造為太空裝配提供部分零部件，實現(xiàn)在太空中按需制造、邊造邊裝、裝配完成后直接在軌部署，以進(jìn)一步縮短航天器部署周期。

2012年，NASA通過“創(chuàng)新先進(jìn)概念項目”開始資助美國系繩無限公司開發(fā)“蜘蛛制造”系統(tǒng)。“蜘蛛制造”是一個多臂機器人，利用碳纖維復(fù)合材料擠出成型工藝制造桁架組件，再通過“蜘蛛腳”以每分鐘5厘米的速度裝配成航天器桁架、太陽能電池帆板結(jié)構(gòu)等大型結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。2015年，已實現(xiàn)“蜘蛛制造”關(guān)鍵工藝可行性驗證。2016年，系繩無限公司聯(lián)合勞拉太空系統(tǒng)公司共同研發(fā)“蜘蛛制造”系統(tǒng)。未來十年，有望實現(xiàn)大型天線、航天器桁架和太陽能電池帆板等在軌制造與裝配。

基于太空3D打印、太空裝配研究成果，2016年，在“臨界點”計劃支持下，NASA投資2000萬美元，授權(quán)太空制造公司、諾格公司以及海洋工程太空系統(tǒng)公司等，實施“多功能太空機器人精密制造與裝配系統(tǒng)研發(fā)”（Archinaut）項目，旨在研發(fā)裝有多個機械臂的空間站3D打印機，實現(xiàn)太空3D打印、拆卸零部件和集成裝配一體化功能，需重點突破3D打印機、打印機上的機械臂、地面遙操作、電子控制、軟件和測試關(guān)鍵技術(shù)。2017年7月，太空制造公司宣布已具備制造性能優(yōu)于ABS樹脂的航天用PEI/PC樹脂的能力，該樹脂可用于制造衛(wèi)星結(jié)構(gòu)，未來將面向Archinaut項目應(yīng)用；2017年8月，完成類似太空真空環(huán)境和溫度環(huán)境下的大尺寸3D打印試驗。2018年將開展Archinaut項目在軌驗證，如成功，研發(fā)團(tuán)隊擬擴大增材制造設(shè)備尺寸，同時安裝更多的機械臂以推進(jìn)項目研究。未來五年，有望實現(xiàn)通信衛(wèi)星發(fā)射器等大型結(jié)構(gòu)在軌制造集成一體化。

太空制造技術(shù)是機器人技術(shù)和航天技術(shù)的有機融合和跨界創(chuàng)新，是航天軍民兩用技術(shù)研發(fā)的典范，其研發(fā)與應(yīng)用能力已成為衡量一個國家航天技術(shù)創(chuàng)新水平和空間探索能力的重要標(biāo)志。大力推進(jìn)太空制造技術(shù)發(fā)展，對未來實現(xiàn)在空間站、月球、火星等外層空間按需制造零部件，形成大型航天器和空間結(jié)構(gòu)系統(tǒng)在太空自主裝配、服務(wù)保障、更新、重構(gòu)以及重用等能力，加速“在地球制造”向“太空制造”拓展，大幅降低空間探索風(fēng)險和成本具有深遠(yuǎn)意義。