太空制造技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任王功：去太空建工廠

來源：酷玩實(shí)驗(yàn)室

這是在2021年12月第六屆中國制造日上，中國科學(xué)院空間應(yīng)用工程與技術(shù)中心研究員、太空制造技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任王功老師帶來的演講視頻《去太空建工廠》。

以下為王功老師的演講內(nèi)容：

非常高興今天有機(jī)會(huì)來和大家一起分享我們這個(gè)團(tuán)隊(duì)以及這個(gè)學(xué)科最新的一些發(fā)展的變化，以及過去走過的一些非常有意思的事情。那么太空制造是一個(gè)研究人員不多的這么一個(gè)領(lǐng)域，我們做它的初衷，還是因?yàn)橹圃旒夹g(shù)是貫穿人類歷史、推動(dòng)社會(huì)文明發(fā)展的這樣一個(gè)基礎(chǔ)學(xué)科。

第一個(gè)問題我們?yōu)槭裁匆�太空制造？首先是為了地球，我們過去在很多前輩的帶領(lǐng)下通過神舟、天宮這些太空任務(wù)已經(jīng)完成了非常多的材料的驗(yàn)證。這個(gè)屬于空間材料科學(xué)領(lǐng)域的成就，這里我就不多說了，他可以利用太空的特殊環(huán)境，來為我們地球制造具有非常特殊用途的一些材料，而這些材料往往是我們地球的條件無法制造的，那么我今天講的主要是另一個(gè)目標(biāo)，就是為了走到人類的更遠(yuǎn)。

大家知道，在哥倫比亞號(hào)航天飛機(jī)事故的時(shí)候，曾經(jīng)有一份報(bào)告，那么就是提出這個(gè)航天飛機(jī)事故有沒有可能被挽救。當(dāng)時(shí)這個(gè)報(bào)告非常的厚，但是很遺憾報(bào)告認(rèn)為以當(dāng)時(shí)的條件，即使實(shí)施在軌的維修，那么這個(gè)航天飛機(jī)也不太可能能夠挽救回來。

為什么？因?yàn)槲覀冊谲墰]有所需要的那些備件和工具，所以應(yīng)對這樣的情況，我們國際空間站里面儲(chǔ)存了大量的應(yīng)急所需的備品和備件，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)這些貨包里裝的所需要的零件價(jià)值大概在10億美金以上。

那么如果我們再向更遠(yuǎn)，像我們電影里面所描述的那樣，人類有一天走到另外一個(gè)星球，我們需要怎么樣來照顧好我們自己，我們需要怎么樣建設(shè)我們的家園？這個(gè)是我們今天所必須要考慮的問題，大家知道，太空有一個(gè)非常顯著的一個(gè)特征就是微重力，那么在微重力下進(jìn)行制造。以前，并不是沒有人嘗試過這個(gè)，載軌來制造元器件，用元器件來焊接制造電路板，實(shí)際上也做過。但是大家可以發(fā)現(xiàn)，在太空的環(huán)境里我們制造出來的品質(zhì)是非常有限的，按照地球的標(biāo)準(zhǔn)這屬于廢品。但是從功能上來講呢，它可以用，所以這是我們?nèi)祟愒?0年前在軌焊接元器件的水平。

那么微重力，會(huì)為我們在軌制造帶來什么麻煩呢？大家知道材料對宏觀性質(zhì)宏觀結(jié)構(gòu)的調(diào)控是我們制造所追求的，那么在微重力環(huán)境中，不論是液體還是顆粒物，這樣的材料都會(huì)難以操控。所以，太空制造是一個(gè)多種因素交叉相互作用，并且產(chǎn)生一系列科學(xué)和工程技術(shù)問題的這樣一個(gè)新的研究領(lǐng)域，我們在太空需要容易操作、低功耗小型化、低釋放高精度、省材料多功能諸多方面的要求，使我們的制造設(shè)備還能夠完成我們所想的東西。

怎么辦呢？3D打印技術(shù)確實(shí)為很多人打開了一個(gè)想象的空間，很多人認(rèn)為有了3D打印我們到太空一切問題都解決了。在最早的時(shí)候，確實(shí)這個(gè)事情想象的非常美好，2014年美國人非常快，NASA送了一臺(tái)FDM的塑料打印機(jī)上天，這個(gè)事情呢確實(shí)對我們這個(gè)領(lǐng)域他起到了非常重要的一個(gè)影響，但是這件事情他到底做的后續(xù)，有沒有什么重要的應(yīng)用呢？這是當(dāng)時(shí)在我們心中一個(gè)非常重要的一個(gè)問號(hào)，這個(gè)技術(shù)非常簡單，現(xiàn)在大家在某寶上，已經(jīng)可以非常便宜的就買到這樣的一個(gè)打印機(jī)了。但是，歐洲歐空局也在跟進(jìn)，用這樣的工藝來做不同的材料，但是這樣的一個(gè)工藝到底能不能在太空用？

我們希望能夠解開這個(gè)答案，所以我們團(tuán)隊(duì)在2015年的時(shí)候，第一時(shí)間籌備了這樣的一個(gè)微重力環(huán)境的3D打印的實(shí)驗(yàn)，這次實(shí)驗(yàn)的第一個(gè)目的就是來驗(yàn)證NASA和ESA他們做這件事情，到底有多難，到底好不好。所以我們利用了法國的失重飛機(jī)，把這樣一臺(tái)打印機(jī)送上天，失重飛機(jī)就是這樣的一個(gè)大家都坐過這個(gè)民航的客機(jī)，但是把它經(jīng)過一定的改造以后他就可以通過拋物線的飛行來制造出20到22秒的微重力的環(huán)境，所以我們團(tuán)隊(duì)在這樣的一個(gè)飛機(jī)上，通過93次的22秒的飛行制造出了我們想要的樣品。通過這些樣品的觀察，我們非常開心的發(fā)現(xiàn)：第一，微重力對于制造它是有明顯的影響的；第二，制造出來的東西并沒有我們想象的那么好。

那怎么辦呢？當(dāng)然如果他們做的已經(jīng)很好了，那我們做起來下壓力就很大，但是做的不好這個(gè)工藝他有問題，所以我們就在想新的辦法，所以我們要提高精度，我們不能讓航天員在軌為我們來進(jìn)行一個(gè)后處理。所以我們想到了用立體光刻來做，立體光刻在當(dāng)時(shí)被NASA官方的技術(shù)報(bào)告認(rèn)為是不太可能在太空里來做的，為什么
？因?yàn)楫?dāng)時(shí)他的技術(shù)操縱的都是液體，我們立體光刻所需要的多數(shù)是流動(dòng)性非常好的液體。而NASA認(rèn)為，這不太可能在微動(dòng)力環(huán)境下來做，那么怎么辦呢？我們想要這樣的工藝，所以我們團(tuán)隊(duì)利用地面的技術(shù)來有些啟發(fā)，就是把大量的納米和微米級(jí)的陶瓷粉和金屬粉和樹脂來共混，來得到我們想要的那種，在微重力環(huán)境下不容易被改變形態(tài)的這樣一種材料。

在2016年我們第一次做太空增材制造實(shí)驗(yàn)的時(shí)候，其實(shí)已經(jīng)在摸底了，這張圖片可以看出，如果你的流動(dòng)性很好的話他仍然會(huì)開始爬壁，這樣的材料并不是我們所需要的，我們想尋找的材料是如果沒有剪切力的作用，它可以360度保持不變這樣的一種形態(tài)。我們要利用它剪切變稀的原理，它就有點(diǎn)像我們女士在臉上涂抹的這樣的一種材料，那么經(jīng)過幾年的開發(fā)，我們終于把這樣的一種材料開發(fā)出來。

2018年我們又來到法國，我們再次利用他們的失重飛機(jī)，把我們想要的實(shí)驗(yàn)做出來，這也是國際上第一次實(shí)現(xiàn)了立體光刻在微重力環(huán)境下的應(yīng)用，當(dāng)時(shí)我印象很深，當(dāng)我們把這個(gè)實(shí)驗(yàn)最后完結(jié)的時(shí)候，歐洲的很多科學(xué)家團(tuán)隊(duì)都圍過來看，問我們在干嘛。

這個(gè)因?yàn)槲覀円膊欢�法語，也不好解釋這個(gè)事情，所以在那以后我們就遇到了一點(diǎn)問題，就是我們無法再去法國做實(shí)驗(yàn)了，歐空局的失重飛機(jī)我們不能去了，俄羅斯的聯(lián)系不上，美國的我們沒有想過，日本的聯(lián)系了，但是他們反悔了怎么辦，我們還要做更多的實(shí)驗(yàn)。

所以這里面有一個(gè)非常感人的事情，就是我們國內(nèi)在中國試飛院尋找到了這樣一種飛行能力，我們經(jīng)過400多天的努力，用非常少的經(jīng)費(fèi)跟試飛院達(dá)成一致，我們要一起來做中國的第一次失重飛行，那么在 2019年的國慶節(jié)剛過，我們就做了這樣的一個(gè)飛行，這是很了不起的一件事情，我覺得他為我們很多國內(nèi)想利用微重力飛機(jī)做實(shí)驗(yàn)的團(tuán)隊(duì)，應(yīng)該說奠定了基礎(chǔ)，之后在今年年初我們利用運(yùn)20的平臺(tái)，國產(chǎn)的飛機(jī)做了一次新的飛行，那么在這次實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，我們在2020年第一次把我們的立體光刻陶瓷的增材制造送到了太空。

這個(gè)是2020年的5月份，疫情剛剛才開始，我們的小伙伴從北京出發(fā)去海南的時(shí)候，飛機(jī)上幾乎沒有人。那時(shí)候大家還是很害怕的，但是他們還是義無反顧，還是非常的希望能夠親身體驗(yàn)這樣的一個(gè)時(shí)刻。那當(dāng)然背后還有很多人在支持他們，令我們感到開心的不僅是我們驗(yàn)證了NASA曾經(jīng)認(rèn)為不太可能的工藝，實(shí)際上是可行的。更令我們開心的是倆件事：我們發(fā)現(xiàn)半年以后NASA也做了同樣的事情，一年以后，ESA也開始布局了同樣的事情。

這件事情讓我們覺得，我們中國的年輕人在某一個(gè)技術(shù)點(diǎn)上是可以能夠來引領(lǐng)一些技術(shù)的發(fā)展的，當(dāng)然還令我們開心的是如果一個(gè)技術(shù)方案有前景的話，他會(huì)有人來跟蹤來一起做，那么我們利用太空的技術(shù)發(fā)展以后，我們也要服務(wù)地面。這個(gè)就是我們在地面開發(fā)的立體光刻裝備，我們開始對碳化硅等材料進(jìn)行制造，太空制造實(shí)際上現(xiàn)在已經(jīng)是很多人都熟知的一個(gè)領(lǐng)域了，世界各國主要還是這幾個(gè)強(qiáng)國在進(jìn)行進(jìn)激烈的競爭。但是未來的路還很長，我們要向更高的強(qiáng)度、更大的尺度更多的功能、更高的精度去發(fā)展。這個(gè)路還很長，但是現(xiàn)在材料體系、制造工藝、還有應(yīng)用產(chǎn)品的類型在不斷的豐富。

這個(gè)比我們在 12年設(shè)想這個(gè)方向的時(shí)候已經(jīng)是非常的進(jìn)步非�？炝�，但是我們這里面中國人的身影出現(xiàn)在了每一個(gè)重要的一個(gè)時(shí)刻，當(dāng)然3D打印還有很多的問題
他需要我們?nèi)ソ鉀Q他，同時(shí)還有回到我們第一個(gè)問題，我們能否利用太空來制造地球上需要的東西呢？我們其實(shí)要現(xiàn)在也在布局，像太空環(huán)境制造特種的光纖等等這樣的項(xiàng)目來為我們服務(wù)，服務(wù)地球的很多需要。

最后還是我總結(jié)一下，太空制造還是分為3個(gè)階段：
第一階段：我們要在零部件的制造；
第二階段：我們開始大型的裝置，昨天晚上詹姆斯美國太空望遠(yuǎn)鏡上天，實(shí)際上我們國家也有在規(guī)劃在軌制造10米甚至幾十米的太空望遠(yuǎn)鏡，這個(gè)在我希望能在50年以內(nèi)如果能夠?qū)崿F(xiàn)的話，那么地外在月球我們也在做各種各樣的技術(shù)方案；
第三階段：就是我們國家正在建設(shè)的空間站，應(yīng)該將是更多的載軌制造項(xiàng)目的太空工廠，他應(yīng)該不需要太長時(shí)間。

好謝謝大家