【空間在軌增材製造】入選2020年宇航領域十大科學問題和技術難題

在9月18日的中國航天大會上，2020年宇航領域十大科學問題和技術難題發布，面向空間超大型天線結構的在軌增材製造技術與超大型空間光學裝置在軌組裝和維護技術被納入其中。這兩項技術，均屬於空間在軌製造範疇。

據介紹，十大科學問題和技術難題是由中國航天大會學術委員會的院士、專家以「面向2050年對航天技術發展具有導向作用，對航天技術或產業創新具有關鍵作用，切中航天技術發展重點和要點，具有代表性」為重要評判標準，對宇航領域科學問題和技術難題徵集活動中所提交的材料進行審慎評議後最終確定的。

空間在軌增材製造的需求

隨著我國在軌任務需求的增長和規模的擴大，在可以預見的未來將會有更多且更大的空間系統在軌運行，如大口徑空間望遠鏡、超大型通信衛星天線、超大型太空發電站等。

在大型構件的在軌組裝方面，受火箭推力、整流罩包絡及機構複雜度的影響，未來深空探測、天文觀測、戰略偵察等工程所需的大面積、大跨度空間結構一次性實現在軌布署有較大的難度。空間在軌增材製造、在軌組裝可將單次/多次發射入軌的結構模塊、功能模塊等基本單元依序組裝成期望的大型空間系統。

詹姆斯·韋伯太空望遠鏡的直徑為6.5米，目前我國運載能力最大的火箭長徵五號內部直徑為4.5米

另一方面，太空飛行器的質量往往非常大，但實際上在空間微重力環境下並不一定需要結構非常強，太空飛行器的結構做的很重、很大，是因為要經受住航天發射過程中巨大的衝擊。如果能夠實現空間在軌製造，也將大大減輕航天發射的成本。

空間在軌增材製造屬於在軌製造的一種重要形式，它將有效解決未來空間超大型天線系統建設的難題，為超大型空間結構的在軌建設和維護提供有效手段，對推動我國天文觀測、空間太陽能發電等領域技術發展與應用具有重要作用。

太空發電站效果圖

空間在軌增材製造的技術途徑

目前在軌製造主要通過真空增材製造設備或機器人實現。通過在「國際空間站」上的增材製造設備製造零部件，區別於地面的核心在於保證微重力、真空條件下製造零部件的力學性能；通過機器人在軌製造，即採用具有增材製造功能的多臂機器人，利用碳纖維等材料建造桁架子結構，並將這些子結構組裝成為大型系統。

目前，空間站中的增材製造已經被普遍證實可行；美國、俄羅斯、中國的航天機構已完成熔融沉積、光固化以及生物3D列印等的在軌製造實驗；德國宇航中心也已在開展微重力條件下的金屬粉末床熔融工藝。

在空間站或飛船內部進行3D列印

利用機器人進行在軌製造則可以追溯到1993年，德國通過地面操作太空機器人完成預定任務，隨後日本、加拿大、美國、俄羅斯、中國也進行了相關研究與探索。機器人的主要形式經歷了從單機械臂到雙機械臂到目前多機械臂的發展，任務形式也從在軌捕獲、在軌維修，發展到在軌組裝，也即機器人在軌增材製造。

空間機器人通過在軌增材製造實現大型太空飛行器構建

NASA大型結構機器人在軌裝配項目

2015年7月，NASA啟動「大型結構系統太空裝配」項目，旨在實現大型模塊化結構系統在太空中的自動裝配、服務保障、翻新、重構以及再利用。

NASA授予太空製造公司（Made in Space）價值2000萬美元、為期兩年的「建築師」項目合同，研發裝有機械臂的3D印表機，並將其安裝在國際空間站外部分離艙。這種太空製造與裝配設施將使NASA和私營公司僅需將增材製造所需的原材料和某些高價值部件（如傳感器、電子元器件和電池）發送至太空，便可以在太空中用機械臂將這些零部件與增材製造的零部件裝配起來。「建築師」項目官方名稱為「多功能太空機器人精確製造與裝配系統」，是NASA「臨界點」計劃選取的3個在軌機器人製造與組裝太空飛行器和結構相關項目之一。

Made in Space空間機器人演示在軌增材製造

美國Tethers Unlimited公司正在研究的在軌製造系統——「蜘蛛製造」，將利用蜘蛛狀機器人在軌進行大型空間結構如天線、電池板、桁架和其他多功能結構的製造與組裝。只需要將原材料送入軌道，即可由機器人利用增材製造技術在軌製造，並將製造的零部件裝配成大型系統。「蜘蛛製造」已完成機器人樣機製造，進行了地面演示，驗證了「蜘蛛製造」概念關鍵工藝的基本可行性。該公司從2016年開始製造第二代機器人原型。

空間在軌增材製造地面試驗

中國空間站機器人系統

中國非常重視空間機器人系統的研製，在載人航天空間站規劃了大型、中型兩套空間機械臂系統，也利用載人飛行器開展了空間機器人相關技術的在軌驗證。

2013年，我國首個空間機器人成功發射，並圓滿完成各項任務；2015年，我國自主研發首個全自由度空間機器人系統；同年，我國空間站大型機械臂初樣階段研製獲重大突破，目前已進入正樣階段；2016年，天宮二號搭載空間機械手通過人機協同完成多次在軌維修和裝配任務。

2015年國產空間機器人首度報導公開

中國載人航天空間站在建造階段將配備核心艙 、 實驗艙機械臂兩套機器人系統。核心艙機械臂主要用來完成空間站艙段轉位與輔助對接、懸停飛行器捕獲與輔助對接、支持航天員EVA等；實驗艙機械臂主要用以暴露載荷照料、光學平臺照料、載荷搬運、支持航天員EVA等活動。核心艙機械臂和實驗艙機械臂展開長度分別約為10m和5m，最大在軌載荷分別為25000 kg和3000kg，均具有7個自由度，可完成空間站的維修維護任務。

空間機器人是實現空間操控自動化和智能化的重要手段之一。在當前在軌應用及驗證的基礎上，未來空間機器人的應用方向將從空間目標的抓捕與移除、高價值目標的在軌服務與維修發展到空間大型構件的在軌組裝等任務，空間機器人也將成為空間在軌增材製造的關鍵。