載荷艙返回時的畫面。中科宇航供圖
■本報記者 倪思潔
近日,微重力金屬增材制造返回式科學(xué)實驗載荷在中國科學(xué)院力學(xué)研究所(以下簡稱力學(xué)所)舉行交付儀式。
該載荷由力學(xué)所自主研制,于1月12日搭載中科宇航“力鴻一號”遙一飛行器,成功在太空完成金屬3D打印實驗,制備出金屬零部件,整體技術(shù)達(dá)到世界一流水平。
“這是我國首次基于火箭平臺,實施太空金屬3D打印實驗,第一次在微重力環(huán)境下成功打印出完整的金屬構(gòu)件,有力推動了我國太空制造技術(shù)的發(fā)展,為未來太空基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)提供關(guān)鍵支撐。”載荷總設(shè)計師、力學(xué)所研究員姜恒說。
為了在太空“過日子”
當(dāng)前,太空制造已成為全球空間技術(shù)競爭的戰(zhàn)略高地,太空金屬3D打印也是航天經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域關(guān)注的技術(shù)熱點(diǎn)之一。
“在太空打印金屬的核心目的,是要解決未來人類在太空‘過日子’的現(xiàn)實問題。在空間站擴(kuò)建、深空探測及地外基地建設(shè)等長遠(yuǎn)任務(wù)中,原位制造能力將發(fā)揮不可替代的作用。”姜恒說。
這一技術(shù)可以在太空中建一個“應(yīng)急修理鋪”。“現(xiàn)在空間站所有的東西都得從地面運(yùn)上去,未來如果去月球、火星,距離遠(yuǎn)、運(yùn)費(fèi)貴,哪怕壞個螺絲,都要耗幾個月時間等著地球的補(bǔ)給。太空金屬3D打印就是要讓航天員缺什么就能直接造,從‘帶家當(dāng)上天’變成‘在天上造家當(dāng)’。”姜恒說。
不過,與地面3D打印相比,太空金屬3D打印的技術(shù)難度要大得多。
姜恒介紹,太空金屬3D打印的關(guān)鍵技術(shù)難度在于,微重力環(huán)境下的金屬熔凝過程存在失控風(fēng)險。失重狀態(tài)使液態(tài)金屬不受重力與浮力影響,完全由表面張力、毛細(xì)力等控制,極易出現(xiàn)熔滴球化、斷絲、氣泡滯留等問題,對金屬成形的精度構(gòu)成挑戰(zhàn)。
“金屬絲一熔化,它不是往下流,而是熔成一個小球,還會沿著絲往回爬,非常難以控制。這里面有微重力環(huán)境下的流體控制、熱傳導(dǎo)機(jī)制及冶金物理等基礎(chǔ)科學(xué)難題。”姜恒說。
從“地面研究”到“太空工程驗證”
20世紀(jì)90年代,國外就布局了從空間站邁向小行星、月球及火星的一系列太空制造任務(wù)。近年來,國內(nèi)逐漸開始加速布局地面驗證、火箭實驗、在軌太空制造等任務(wù),進(jìn)入了與國外技術(shù)并跑競爭階段。
2025年《國家航天局推進(jìn)商業(yè)航天高質(zhì)量安全發(fā)展行動計劃(2025—2027年)》明確提出,支持商業(yè)航天主體圍繞太空資源開發(fā)利用、太空制造、在軌維護(hù)與服務(wù)、太空環(huán)境監(jiān)測探測、空間碎片監(jiān)測預(yù)警與減緩清除、太空旅游、太空生物制藥等新領(lǐng)域,加強(qiáng)原始創(chuàng)新和關(guān)鍵核心技術(shù)攻關(guān)、系統(tǒng)開發(fā)和應(yīng)用服務(wù),創(chuàng)新商業(yè)模式,發(fā)展新興業(yè)態(tài)。
姜恒介紹,過去國內(nèi)實驗都是地面實驗,主要依靠落塔或失重飛機(jī),通過自由落體創(chuàng)造微重力環(huán)境,模擬太空狀態(tài)的地面實驗裝置。
“落塔實驗可以驗證很多技術(shù)原理,但它最大的問題是實驗時間很短,只有3.6秒。”姜恒說。
此次,實驗團(tuán)隊自主研制出微重力金屬增材制造返回式科學(xué)實驗載荷,搭載著“力鴻一號”遙一飛行器,升至距地面120公里的亞軌道,獲得了數(shù)分鐘的實驗時間,并在這一時間內(nèi)成功制備出完整金屬零部件。
載荷副總設(shè)計師、力學(xué)所副研究員徐文帥介紹,任務(wù)過程中,團(tuán)隊突破了微重力條件下金屬增材制造的物料穩(wěn)定輸運(yùn)與成形、全流程閉環(huán)控制、載荷與火箭高可靠協(xié)同等一系列關(guān)鍵技術(shù)。
實驗結(jié)束后,載荷艙經(jīng)傘降系統(tǒng)平穩(wěn)著陸回收?蒲袌F(tuán)隊成功獲取了太空微重力環(huán)境中金屬3D打印的熔池動態(tài)特征,物料輸運(yùn)、凝固行為等過程的數(shù)據(jù),以及太空增材制造金屬件的成形精度與力學(xué)性能等參數(shù),為我國太空金屬增材制造技術(shù)的快速迭代積累了寶貴的實驗資料。
“該任務(wù)標(biāo)志著我國太空金屬增材制造從‘地面研究’階段邁入‘太空工程驗證’的新階段。”姜恒說。
科研院所與企業(yè)的協(xié)同創(chuàng)新
在姜恒看來,此次實驗的成功,離不開力學(xué)所團(tuán)隊與中科宇航團(tuán)隊的協(xié)作。
“力鴻一號”總設(shè)計師、總指揮史曉寧表示,本次微重力增材制造載荷是“力鴻一號”首飛任務(wù)的關(guān)鍵科學(xué)載荷。首飛任務(wù)不僅完成了從發(fā)射、在軌實驗到安全返回的全流程閉環(huán)驗證,更首次在太空環(huán)境中實現(xiàn)金屬構(gòu)件的“地外制造”,刻下了我國太空制造技術(shù)發(fā)展史上的一個關(guān)鍵印記。
“這使得‘力鴻一號’任務(wù)超越了火箭技術(shù)驗證本身,邁入了太空制造能力建設(shè)的實證階段。未來,‘力鴻一號’將繼續(xù)作為靈活、可靠、低成本的太空實驗平臺,為更多前沿空間科學(xué)實驗提供在軌驗證能力,為我國深空探測與太空前沿技術(shù)自主發(fā)展注入創(chuàng)新動力。”史曉寧說。
姜恒表示,力學(xué)所與中科宇航聯(lián)合完成的國內(nèi)首次太空金屬增材制造全流程技術(shù)驗證,為我國商業(yè)航天與科研院所的協(xié)同創(chuàng)新提供了典范,標(biāo)志著我國在該領(lǐng)域已躋身國際前沿,相關(guān)技術(shù)突破為太空制造從實驗走向應(yīng)用奠定基石。
《中國科學(xué)報》 (2026-02-04 第3版 領(lǐng)域)