◎中國(guó)航天系統(tǒng)科學(xué)與工程研究院 孫紅俊

◎中國(guó)航天科技集團(tuán)公司 唐軍剛

為加速形成未來(lái)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(lái)，美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）、國(guó)防先期研究計(jì)劃局（DARPA）等政府機(jī)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(diǎn)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(diǎn)。

一、太空3D打印技術(shù)首次實(shí)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(tái)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(guó)際空間站上安裝了首臺(tái)實(shí)用型“增材制造設(shè)備”（AMF），開(kāi)始為國(guó)際空間站制造實(shí)用物品，為地面商業(yè)用戶(hù)提供制造服務(wù)。這一事件表明美國(guó)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(yàn)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(yùn)行的小型3D打印機(jī)，可以多種聚合物為原料制備小尺寸產(chǎn)品，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)成本低，可成型復(fù)雜零件，打印過(guò)程不易產(chǎn)生漂浮粉塵和有毒氣體，打印后無(wú)需化學(xué)清洗。AMF采用FDM工藝，功耗600瓦（可由空間站太陽(yáng)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(zhǎng)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(guó)際空間站標(biāo)準(zhǔn)貨架尺寸制造，長(zhǎng)566.5毫米、寬460.4毫米、高273.2毫米，重45千克，按計(jì)劃可使用至國(guó)際空間站退役（2024年）。

通過(guò)太空3D打印任務(wù)，美國(guó)重點(diǎn)解決了以下問(wèn)題：一是驗(yàn)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(duì)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(cè)試分析返回樣品，建立了基線材料性能數(shù)據(jù)庫(kù)；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(guó)從2011年開(kāi)始研發(fā)空間站3D打印技術(shù)。2011～2013年，完成微重力試驗(yàn)研究，掌握了零重力環(huán)境下3D打印的原理與方法，并實(shí)現(xiàn)空間站3D打印機(jī)設(shè)計(jì)制造。2014年，在國(guó)際空間站上安裝了首臺(tái)可打印塑料的太空3D打印驗(yàn)證機(jī)，對(duì)微重力環(huán)境下的成型工藝、有毒氣體與粉塵過(guò)濾、地面遙操作等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行近2年的驗(yàn)證，開(kāi)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(shí)驗(yàn)硬件）的無(wú)限可能。2015～2017年，實(shí)現(xiàn)可打印聚合物材料的AMF實(shí)用化部署與運(yùn)行，啟動(dòng)“第一代多材質(zhì)（包括金屬）太空制造實(shí)驗(yàn)室”（FabLab）技術(shù)研發(fā)和設(shè)計(jì)，并通過(guò)小企業(yè)創(chuàng)新計(jì)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(guó)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(yàn)、在軌材料回收飛行試驗(yàn)等。2025～2035年，甚至在更遙遠(yuǎn)的未來(lái)，將實(shí)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(shí)現(xiàn)“即需即造”，避免等待航天發(fā)射帶來(lái)的時(shí)間延誤和火箭整流罩尺寸的限制，減少其對(duì)地面制造的依賴(lài)，對(duì)解決未來(lái)載人深空探測(cè)任務(wù)應(yīng)急貨物原位制造和供應(yīng)問(wèn)題具有重要意義。

二、太空裝配技術(shù)研發(fā)試驗(yàn)密集推進(jìn)

2015年以來(lái)，在DARPA、NASA等政府機(jī)構(gòu)主導(dǎo)下，圍繞通信衛(wèi)星、太陽(yáng)能電池陣、太空望遠(yuǎn)鏡、太空拖船、火星探測(cè)器組部件等航天器與空間結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，美國(guó)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(jì)劃成功驗(yàn)證基于“細(xì)胞星”在軌裝配新衛(wèi)星的可行性

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

“鳳凰”計(jì)劃分三階段實(shí)施，第一階段開(kāi)展技術(shù)研發(fā)；第二階段開(kāi)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(shí)現(xiàn)基于“細(xì)胞星”衛(wèi)星在軌裝配飛行試驗(yàn)。DARPA于2011年啟動(dòng)“鳳凰”計(jì)劃，旨在開(kāi)發(fā)與演示驗(yàn)證從退役的地球靜止軌道衛(wèi)星上獲取有價(jià)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(jì)劃進(jìn)入技術(shù)研發(fā)階段；2014年，在地面驗(yàn)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(jì)劃最終實(shí)現(xiàn)地球靜止軌道機(jī)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(shí)現(xiàn)“細(xì)胞星”在軌裝配飛行試驗(yàn)；2017年計(jì)劃完成PODS地面測(cè)試和飛行試驗(yàn)。

“鳳凰”計(jì)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(gè)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(jí)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(gè)“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(gè)機(jī)械臂的服務(wù)星，亦即在軌操作的空間機(jī)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(lái)，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(gè)作業(yè)過(guò)程的地面系統(tǒng)。

“鳳凰”計(jì)劃在軌演示驗(yàn)證示意圖

鳳凰”項(xiàng)目孕育著多項(xiàng)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(huì)對(duì)接導(dǎo)航制導(dǎo)與控制技術(shù)、空間機(jī)械臂技術(shù)等，對(duì)推進(jìn)可維護(hù)、可維修設(shè)計(jì)制造，變革未來(lái)航天器的設(shè)計(jì)理念具有重要影響。該項(xiàng)目演示的技術(shù)有潛力用于空間攻防，具有重要軍用價(jià)值。

（二）實(shí)施“蜻蜓”項(xiàng)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(jì)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(jī)器人裝配技術(shù)（“蜻蜓”項(xiàng)目），旨在實(shí)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(jì)劃通過(guò)利用衛(wèi)星交互對(duì)接實(shí)施在軌操作不同，蜻蜓項(xiàng)目將研究如何利用星載機(jī)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(dòng)衛(wèi)星制造模式發(fā)生重大變革。該項(xiàng)目第一階段研究周期為5個(gè)月，將演示在軌組裝衛(wèi)星，在降低成本和質(zhì)量的同時(shí)，提升衛(wèi)星性能。此外，勞拉公司提出與NASA合作開(kāi)展在軌組裝衛(wèi)星概念地面試驗(yàn)以及在軌驗(yàn)證等后續(xù)工作?！膀唑选表?xiàng)目將于2020～2029年實(shí)現(xiàn)在軌驗(yàn)證。

2015年12月，在“臨界點(diǎn)”計(jì)劃支持下，NASA授予勞拉太空系統(tǒng)公司價(jià)值數(shù)百萬(wàn)美元的合同，開(kāi)展“蜻蜓”項(xiàng)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(xiàng)目，對(duì)太空裝配商業(yè)應(yīng)用價(jià)值進(jìn)行了研究，驗(yàn)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(qiáng)調(diào)，通過(guò)采用反射器包絡(luò)和展開(kāi)方法可發(fā)射以往難實(shí)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(xiàng)目中，使用了超輕機(jī)器人進(jìn)行在軌天線裝配，并在太空裝配過(guò)程中采用經(jīng)過(guò)國(guó)際空間站裝配驗(yàn)證的方法來(lái)保障機(jī)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(shí)現(xiàn)超大型航天器結(jié)構(gòu)系統(tǒng)自動(dòng)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(guò)單一運(yùn)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(lèi)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(kāi)系統(tǒng)（太陽(yáng)能電池陣、散器、天線等）數(shù)量的增加，系統(tǒng)展開(kāi)失效的概率也隨之增加等。

2015年6月，NASA啟動(dòng)超大型空間結(jié)構(gòu)系統(tǒng)太空裝配（SALSSA）項(xiàng)目，旨在面向下一代大型空間天文臺(tái)、兆瓦級(jí)太陽(yáng)能電池陣以及火星探測(cè)器組部件等三類(lèi)可升級(jí)、可重構(gòu)的航天器結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)大型模塊化空間結(jié)構(gòu)系統(tǒng)在太空中的自動(dòng)化裝配、服務(wù)保障、更新、重構(gòu)以及重用等，以延長(zhǎng)其生命周期或通過(guò)重用來(lái)執(zhí)行新的任務(wù)。SALSSA是改變游戲規(guī)則的研發(fā)項(xiàng)目，NASA期待通過(guò)這種新型裝配和重用模式，增強(qiáng)航天器性能，降低未來(lái)任務(wù)執(zhí)行的風(fēng)險(xiǎn)和成本。其首要任務(wù)是開(kāi)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(jī)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(duì)三類(lèi)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(kāi)結(jié)構(gòu)、模塊接口與可逆鏈接、自主機(jī)器人裝配系統(tǒng)四大需突破的前沿技術(shù)。未來(lái)將重點(diǎn)研發(fā)自主操作、機(jī)械臂系統(tǒng)等技術(shù)，預(yù)計(jì)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(xiàng)目外，DARPA還啟動(dòng)了 “太空光學(xué)孔徑自組裝”項(xiàng)目，旨在驗(yàn)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(jī)器人的超大型太空望遠(yuǎn)鏡設(shè)計(jì)新理念，為未來(lái)執(zhí)行宇航員難執(zhí)行的太空任務(wù)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)；并通過(guò)“突破、創(chuàng)新和改變游戲規(guī)則”概念挑戰(zhàn)賽，設(shè)計(jì)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(yáng)能電推進(jìn)太空拖船的能力。此外，NASA還在“臨界點(diǎn)”計(jì)劃支持下，采取公私合作模式，聯(lián)合軌道ATK公司開(kāi)展了“太空機(jī)器人裝配與服務(wù)商業(yè)化設(shè)施研發(fā)”項(xiàng)目，研發(fā)團(tuán)隊(duì)還涉及海軍研究實(shí)驗(yàn)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(jī)械臂和精確組裝機(jī)器人的精確測(cè)量和對(duì)準(zhǔn)等能力，提高通信衛(wèi)星平臺(tái)、太陽(yáng)能傳輸結(jié)構(gòu)等大型空間結(jié)構(gòu)機(jī)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(shí)現(xiàn)未來(lái)在太空按需制造零部件并自動(dòng)化集成裝配等制造集成一體化能力，美國(guó)開(kāi)始探索通過(guò)太空制造為太空裝配提供部分零部件，實(shí)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(guò)“創(chuàng)新先進(jìn)概念項(xiàng)目”開(kāi)始資助美國(guó)系繩無(wú)限公司開(kāi)發(fā)“蜘蛛制造”系統(tǒng)?！爸┲胫圃臁笔且粋€(gè)多臂機(jī)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(guò)“蜘蛛腳”以每分鐘5厘米的速度裝配成航天器桁架、太陽(yáng)能電池帆板結(jié)構(gòu)等大型結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。2015年，已實(shí)現(xiàn)“蜘蛛制造”關(guān)鍵工藝可行性驗(yàn)證。2016年，系繩無(wú)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(lái)十年，有望實(shí)現(xiàn)大型天線、航天器桁架和太陽(yáng)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(diǎn)”計(jì)劃支持下，NASA投資2000萬(wàn)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(shí)施“多功能太空機(jī)器人精密制造與裝配系統(tǒng)研發(fā)”（Archinaut）項(xiàng)目，旨在研發(fā)裝有多個(gè)機(jī)械臂的空間站3D打印機(jī)，實(shí)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(diǎn)突破3D打印機(jī)、打印機(jī)上的機(jī)械臂、地面遙操作、電子控制、軟件和測(cè)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(shù)脂的航天用PEI/PC樹(shù)脂的能力，該樹(shù)脂可用于制造衛(wèi)星結(jié)構(gòu)，未來(lái)將面向Archinaut項(xiàng)目應(yīng)用；2017年8月，完成類(lèi)似太空真空環(huán)境和溫度環(huán)境下的大尺寸3D打印試驗(yàn)。2018年將開(kāi)展Archinaut項(xiàng)目在軌驗(yàn)證，如成功，研發(fā)團(tuán)隊(duì)擬擴(kuò)大增材制造設(shè)備尺寸，同時(shí)安裝更多的機(jī)械臂以推進(jìn)項(xiàng)目研究。未來(lái)五年，有望實(shí)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(jī)器人技術(shù)和航天技術(shù)的有機(jī)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(gè)國(guó)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(duì)未來(lái)實(shí)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(xiǎn)和成本具有深遠(yuǎn)意義。