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(lái)源：酷玩實(shí)驗(yàn)室

這是在2021年12月第六屆中國(guó)制造日上,，中國(guó)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(lái)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(lái)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(guò)去走過(guò)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(wèn)題我們?yōu)槭裁匆�太空制��,？首先是為了地球，我們過(guò)去在很多前輩的帶領(lǐng)下通過(guò)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(shuō)了,，他可以利用太空的特殊環(huán)境,，來(lái)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(wú)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(méi)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(lái),。

為什么？因?yàn)槲覀冊(cè)谲墰](méi)有所需要的那些備件和工具,，所以應(yīng)對(duì)這樣的情況,，我們國(guó)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?cè)傧蚋�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(lái)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(wèn)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(méi)有人嘗試過(guò)這個(gè),，載軌來(lái)制造元器件,，用元器件來(lái)焊接制造電路板，實(shí)際上也做過(guò),。但是大家可以發(fā)現(xiàn),，在太空的環(huán)境里我們制造出來(lái)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(lái)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?cè)谲壷圃鞄��?lái)什么麻煩呢,？大家知道材料對(duì)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(wèn)題的這樣一個(gè)新的研究領(lǐng)域，我們?cè)谔�空需要容易操��,、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(kāi)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(wèn)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(guó)人非�,？欤琋ASA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(duì)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(méi)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(wèn)號(hào),，這個(gè)技術(shù)非常簡(jiǎn)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(lái)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(kāi)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(lái)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(guó)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(guò)這個(gè)民航的客機(jī),，但是把它經(jīng)過(guò)一定的改造以后他就可以通過(guò)拋物線的飛行來(lái)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(guò)93次的22秒的飛行制造出了我們想要的樣品,。通過(guò)這些樣品的觀察，我們非常開(kāi)心的發(fā)現(xiàn)：第一,，微重力對(duì)于制造它是有明顯的影響的,；第二，制造出來(lái)的東西并沒(méi)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(lái)下壓力就很大,，但是做的不好這個(gè)工藝他有問(wèn)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(lái)進(jìn)行一個(gè)后處理,。所以我們想到了用立體光刻來(lái)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(lái)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(lái)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(lái)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(shù)脂來(lái)共混,，來(lái)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(kāi)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(méi)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(guò)幾年的開(kāi)發(fā),，我們終于把這樣的一種材料開(kāi)發(fā)出來(lái),。

2018年我們又來(lái)到法國(guó)，我們?cè)俅卫�用他們的失重飛機(jī),，把我們想要的實(shí)驗(yàn)做出來(lái),，這也是國(guó)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(guò)來(lái)看，問(wèn)我們?cè)诟陕铩?br />
這個(gè)因?yàn)槲覀円膊欢�法語(yǔ),，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(wèn)題，就是我們無(wú)法再去法國(guó)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(guó)的我們沒(méi)有想過(guò),，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(guó)內(nèi)在中國(guó)試飛院尋找到了這樣一種飛行能力，我們經(jīng)過(guò)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(lái)做中國(guó)的第一次失重飛行，那么在 2019年的國(guó)慶節(jié)剛過(guò),，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(jué)得他為我們很多國(guó)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(shuō)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(guó)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?cè)?020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(kāi)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(méi)有人。那時(shí)候大家還是很害怕的,，但是他們還是義無(wú)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(kāi)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(kāi)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(kāi)始布局了同樣的事情。

這件事情讓我們覺(jué)得,，我們中國(guó)的年輕人在某一個(gè)技術(shù)點(diǎn)上是可以能夠來(lái)引領(lǐng)一些技術(shù)的發(fā)展的,，當(dāng)然還令我們開(kāi)心的是如果一個(gè)技術(shù)方案有前景的話，他會(huì)有人來(lái)跟蹤來(lái)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?cè)诘孛骈_(kāi)發(fā)的立體光刻裝備,，我們開(kāi)始對(duì)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(guó)主要還是這幾個(gè)強(qiáng)國(guó)在進(jìn)行進(jìn)激烈的競(jìng)爭(zhēng),。但是未來(lái)的路還很長(zhǎng),，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(zhǎng)，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?cè)?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(guó)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(wèn)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(wèn)題,，我們能否利用太空來(lái)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(lái)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(kāi)始大型的裝置，昨天晚上詹姆斯美國(guó)太空望遠(yuǎn)鏡上天,，實(shí)際上我們國(guó)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(guó)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(zhǎng)時(shí)間,。

好謝謝大家