太空制造技术重点实验室主任王功：去太空建工厂

来源：酷玩实验室

这是在2021年12月第六届中国制造日上，中国科学院空间应用工程与技术中心研究员、太空制造技术重点实验室主任王功老师带来的演讲视频《去太空建工厂》。

以下为王功老师的演讲内容：

非常高兴今天有机会来和大家一起分享我们这个团队以及这个学科最新的一些发展的变化，以及过去走过的一些非常有意思的事情。那么太空制造是一个研究人员不多的这么一个领域，我们做它的初衷，还是因为制造技术是贯穿人类历史、推动社会文明发展的这样一个基础学科。

第一个问题我们为什么要太空制造？首先是为了地球，我们过去在很多前辈的带领下通过神舟、天宫这些太空任务已经完成了非常多的材料的验证。这个属于空间材料科学领域的成就，这里我就不多说了，他可以利用太空的特殊环境，来为我们地球制造具有非常特殊用途的一些材料，而这些材料往往是我们地球的条件无法制造的，那么我今天讲的主要是另一个目标，就是为了走到人类的更远。

大家知道，在哥伦比亚号航天飞机事故的时候，曾经有一份报告，那么就是提出这个航天飞机事故有没有可能被挽救。当时这个报告非常的厚，但是很遗憾报告认为以当时的条件，即使实施在轨的维修，那么这个航天飞机也不太可能能够挽救回来。

为什么？因为我们在轨没有所需要的那些备件和工具，所以应对这样的情况，我们国际空间站里面储存了大量的应急所需的备品和备件，据不完全统计这些货包里装的所需要的零件价值大概在10亿美金以上。

那么如果我们再向更远，像我们电影里面所描述的那样，人类有一天走到另外一个星球，我们需要怎么样来照顾好我们自己，我们需要怎么样建设我们的家园？这个是我们今天所必须要考虑的问题，大家知道，太空有一个非常显著的一个特征就是微重力，那么在微重力下进行制造。以前，并不是没有人尝试过这个，载轨来制造元器件，用元器件来焊接制造电路板，实际上也做过。但是大家可以发现，在太空的环境里我们制造出来的品质是非常有限的，按照地球的标准这属于废品。但是从功能上来讲呢，它可以用，所以这是我们人类在10年前在轨焊接元器件的水平。

那么微重力，会为我们在轨制造带来什么麻烦呢？大家知道材料对宏观性质宏观结构的调控是我们制造所追求的，那么在微重力环境中，不论是液体还是颗粒物，这样的材料都会难以操控。所以，太空制造是一个多种因素交叉相互作用，并且产生一系列科学和工程技术问题的这样一个新的研究领域，我们在太空需要容易操作、低功耗小型化、低释放高精度、省材料多功能诸多方面的要求，使我们的制造设备还能够完成我们所想的东西。

怎么办呢？3D打印技术确实为很多人打开了一个想象的空间，很多人认为有了3D打印我们到太空一切问题都解决了。在最早的时候，确实这个事情想象的非常美好，2014年美国人非常快，NASA送了一台FDM的塑料打印机上天，这个事情呢确实对我们这个领域他起到了非常重要的一个影响，但是这件事情他到底做的后续，有没有什么重要的应用呢？这是当时在我们心中一个非常重要的一个问号，这个技术非常简单，现在大家在某宝上，已经可以非常便宜的就买到这样的一个打印机了。但是，欧洲欧空局也在跟进，用这样的工艺来做不同的材料，但是这样的一个工艺到底能不能在太空用？

我们希望能够解开这个答案，所以我们团队在2015年的时候，第一时间筹备了这样的一个微重力环境的3D打印的实验，这次实验的第一个目的就是来验证NASA和ESA他们做这件事情，到底有多难，到底好不好。所以我们利用了法国的失重飞机，把这样一台打印机送上天，失重飞机就是这样的一个大家都坐过这个民航的客机，但是把它经过一定的改造以后他就可以通过抛物线的飞行来制造出20到22秒的微重力的环境，所以我们团队在这样的一个飞机上，通过93次的22秒的飞行制造出了我们想要的样品。通过这些样品的观察，我们非常开心的发现：第一，微重力对于制造它是有明显的影响的；第二，制造出来的东西并没有我们想象的那么好。

那怎么办呢？当然如果他们做的已经很好了，那我们做起来下压力就很大，但是做的不好这个工艺他有问题，所以我们就在想新的办法，所以我们要提高精度，我们不能让航天员在轨为我们来进行一个后处理。所以我们想到了用立体光刻来做，立体光刻在当时被NASA官方的技术报告认为是不太可能在太空里来做的，为什么
？因为当时他的技术操纵的都是液体，我们立体光刻所需要的多数是流动性非常好的液体。而NASA认为，这不太可能在微动力环境下来做，那么怎么办呢？我们想要这样的工艺，所以我们团队利用地面的技术来有些启发，就是把大量的纳米和微米级的陶瓷粉和金属粉和树脂来共混，来得到我们想要的那种，在微重力环境下不容易被改变形态的这样一种材料。

在2016年我们第一次做太空增材制造实验的时候，其实已经在摸底了，这张图片可以看出，如果你的流动性很好的话他仍然会开始爬壁，这样的材料并不是我们所需要的，我们想寻找的材料是如果没有剪切力的作用，它可以360度保持不变这样的一种形态。我们要利用它剪切变稀的原理，它就有点像我们女士在脸上涂抹的这样的一种材料，那么经过几年的开发，我们终于把这样的一种材料开发出来。

2018年我们又来到法国，我们再次利用他们的失重飞机，把我们想要的实验做出来，这也是国际上第一次实现了立体光刻在微重力环境下的应用，当时我印象很深，当我们把这个实验最后完结的时候，欧洲的很多科学家团队都围过来看，问我们在干嘛。

这个因为我们也不懂法语，也不好解释这个事情，所以在那以后我们就遇到了一点问题，就是我们无法再去法国做实验了，欧空局的失重飞机我们不能去了，俄罗斯的联系不上，美国的我们没有想过，日本的联系了，但是他们反悔了怎么办，我们还要做更多的实验。

所以这里面有一个非常感人的事情，就是我们国内在中国试飞院寻找到了这样一种飞行能力，我们经过400多天的努力，用非常少的经费跟试飞院达成一致，我们要一起来做中国的第一次失重飞行，那么在 2019年的国庆节刚过，我们就做了这样的一个飞行，这是很了不起的一件事情，我觉得他为我们很多国内想利用微重力飞机做实验的团队，应该说奠定了基础，之后在今年年初我们利用运20的平台，国产的飞机做了一次新的飞行，那么在这次实验的基础上，我们在2020年第一次把我们的立体光刻陶瓷的增材制造送到了太空。

这个是2020年的5月份，疫情刚刚才开始，我们的小伙伴从北京出发去海南的时候，飞机上几乎没有人。那时候大家还是很害怕的，但是他们还是义无反顾，还是非常的希望能够亲身体验这样的一个时刻。那当然背后还有很多人在支持他们，令我们感到开心的不仅是我们验证了NASA曾经认为不太可能的工艺，实际上是可行的。更令我们开心的是俩件事：我们发现半年以后NASA也做了同样的事情，一年以后，ESA也开始布局了同样的事情。

这件事情让我们觉得，我们中国的年轻人在某一个技术点上是可以能够来引领一些技术的发展的，当然还令我们开心的是如果一个技术方案有前景的话，他会有人来跟踪来一起做，那么我们利用太空的技术发展以后，我们也要服务地面。这个就是我们在地面开发的立体光刻装备，我们开始对碳化硅等材料进行制造，太空制造实际上现在已经是很多人都熟知的一个领域了，世界各国主要还是这几个强国在进行进激烈的竞争。但是未来的路还很长，我们要向更高的强度、更大的尺度更多的功能、更高的精度去发展。这个路还很长，但是现在材料体系、制造工艺、还有应用产品的类型在不断的丰富。

这个比我们在 12年设想这个方向的时候已经是非常的进步非常快了，但是我们这里面中国人的身影出现在了每一个重要的一个时刻，当然3D打印还有很多的问题
他需要我们去解决他，同时还有回到我们第一个问题，我们能否利用太空来制造地球上需要的东西呢？我们其实要现在也在布局，像太空环境制造特种的光纤等等这样的项目来为我们服务，服务地球的很多需要。

最后还是我总结一下，太空制造还是分为3个阶段：
第一阶段：我们要在零部件的制造；
第二阶段：我们开始大型的装置，昨天晚上詹姆斯美国太空望远镜上天，实际上我们国家也有在规划在轨制造10米甚至几十米的太空望远镜，这个在我希望能在50年以内如果能够实现的话，那么地外在月球我们也在做各种各样的技术方案；
第三阶段：就是我们国家正在建设的空间站，应该将是更多的载轨制造项目的太空工厂，他应该不需要太长时间。

好谢谢大家