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

來源：酷玩實(shí)驗室

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)會來和大家一起分享我們這個團(tuán)隊以及這個學(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研究人員不多的這么一個領(lǐng)域，我們做它的初衷,，還是因為制造技術(shù)是貫穿人類歷史,、推動社會文明發(fā)展的這樣一個基礎(chǔ)學(xué)科。

第一個問題我們?yōu)槭裁匆�太空制��,？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證,。這個屬于空間材料科學(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,，在哥倫比亞號航天飛機(jī)事故的時候,，曾經(jīng)有一份報告，那么就是提出這個航天飛機(jī)事故有沒有可能被挽救,。當(dāng)時這個報告非常的厚,，但是很遺憾報告認(rèn)為以當(dāng)時的條件，即使實(shí)施在軌的維修,，那么這個航天飛機(jī)也不太可能能夠挽救回來,。

為什么？因為我們在軌沒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存了大量的應(yīng)急所需的備品和備件，據(jù)不完全統(tǒng)計這些貨包里裝的所需要的零件價值大概在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？這個是我們今天所必須要考慮的問題,，大家知道,，太空有一個非常顯著的一個特征就是微重力,，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,，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,，這樣的材料都會難以操控,。所以，太空制造是一個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,。在最早的時候,，確實(shí)這個事情想象的非常美好，2014年美國人非�,？�,，NASA送了一臺FDM的塑料打印機(jī)上天，這個事情呢確實(shí)對我們這個領(lǐng)域他起到了非常重要的一個影響,，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)時在我們心中一個非常重要的一個問號,，這個技術(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，但是這樣的一個工藝到底能不能在太空用,？

我們希望能夠解開這個答案,，所以我們團(tuán)隊在2015年的時候，第一時間籌備了這樣的一個微重力環(huán)境的3D打印的實(shí)驗,，這次實(shí)驗的第一個目的就是來驗證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),，把這樣一臺打印機(jī)送上天，失重飛機(jī)就是這樣的一個大家都坐過這個民航的客機(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)隊在這樣的一個飛機(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)時被NASA官方的技術(shù)報告認(rèn)為是不太可能在太空里來做的,，為什么
,？因為當(dāng)時他的技術(shù)操縱的都是液體，我們立體光刻所需要的多數(shù)是流動性非常好的液體,。而NASA認(rèn)為,，這不太可能在微動力環(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)驗的時候，其實(shí)已經(jīng)在摸底了,，這張圖片可以看出,，如果你的流動性很好的話他仍然會開始爬壁，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)時我印象很深，當(dāng)我們把這個實(shí)驗最后完結(jié)的時候,，歐洲的很多科學(xué)家團(tuán)隊都圍過來看,，問我們在干嘛。

這個因為我們也不懂法語,，也不好解釋這個事情,，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,。

所以這里面有一個非常感人的事情,，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)驗的團(tuán)隊，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,，國產(chǎn)的飛機(jī)做了一次新的飛行，那么在這次實(shí)驗的基礎(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)去海南的時候,，飛機(jī)上幾乎沒有人。那時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這樣的一個時刻。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技術(shù)方案有前景的話，他會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領(lǐng)域了,，世界各國主要還是這幾個強(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。

這個比我們在 12年設(shè)想這個方向的時候已經(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)在了每一個重要的一個時刻，當(dāng)然3D打印還有很多的問題
他需要我們?nèi)ソ鉀Q他,，同時還有回到我們第一個問題,，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目的太空工廠，他應(yīng)該不需要太長時間,。

好謝謝大家