太空制造技术发展现状与展望

太空制造技术被世界各航天强国公认为是人类提升地外活动能力、开展深空探索任务的战略性关键技术之一,因而其也已成为世界主要航天强国最活跃的科学与应用前沿之一.空间站运营、月球基地建设、深空探测等任务对太空制造技术提出了更多的需求和更高的要求.特别是太空特有的长时微重力、强辐照、高真空等环境特点给太空制造技术带来了新的科学和工程问题.同时,太空任务中的特殊应用场景对制造精度、制造装置的功耗和尺寸及智能化等提出的要求也面临着技术挑战.本文概述了国内外太空制造的主要技术研究进展,着重介绍了基于高分子材料、复合材料、金属、陶瓷、生物等材料的太空制造技术发展,讨论了未来太空制造技术的几个主要方向和趋势,为我国太空制造技术领域的发展提供参考.

太空制造超低损耗光纤的机理及可行性初探

氟化物ZBLAN玻璃光纤在军事、通信、医疗等领域具有重要应用价值,超低损耗光纤的制备已成为大国竞争的战略性关键技术。ZBLAN玻璃熔融冷却过程易出现析晶,其内部多发的结晶区域会引起光传输的散射,导致玻璃光纤实际损耗比理论损耗高2~3个数量级,极大限制了其应用。因此,超低损耗ZBLAN玻璃光纤的制备成为光纤领域的一大挑战。空间微重力环境可抑制重力引起的熔体组分对流,大幅降低熔体成核和微晶生长的速度以及ZBLAN玻璃材料凝固过程中的析晶程度,进而降低材料的光学损耗。美国航空航天局在国际空间站已经开展多轮光纤制造技术的相关试验,随着我国空间站的建成运行,在微重力环境中制造氟化物光纤已经具备了初步可行性。概述了国内外太空制造光纤的主要研究进展,着重介绍了微重力环境下超低损耗氟化物光纤的制备原理,探讨了特种光纤“太空制造-地面应用”的可行性。该研究为我国太空制造水平的提升、航天科技应用领域的拓展提供了技术参考。

太空增材制造的技术需求和应用模式探索

太空增材制造技术在地面和在轨设施制造、空间补给保障、减少运输和备件数量、应对突发状况和促进深空探索等方面均显现出了明显优势,对太空增材制造技术的应用需求和应用模式进行了分析和探讨。通过对现有太空增材制造技术发展现状、技术规划和潜在前景的调研和讨论,结合我国空间站和太空探索的实际需求,将太空增材制造技术的应用环境划分为地表制造、在轨制造(空间舱内环境、在轨原位环境)和行星表面环境。根据每种应用环境的特定条件详细探讨了太空增材制造技术在空间领域的各类潜在可行的应用模式,并对每种应用模式的现状和关键技术进行了详细分析。此外,对国内外太空增材制造技术的研究进展进行了简要描述,对太空增材制造技术的关键技术进行了分析,为我国太空增材制造技术的未来发展路径提供参考。

太空原位制造和修复技术研究现状分析

概述了太空原位制造和修复技术(In-situ Fabrication and Repair,ISFR)的概念和特点,并结合该技术的发展背景,介绍了国内外以选择性激光烧结和电子束熔融技术为代表的太空原位制造、空间钎焊修复、太空基地建筑构建等方向发展现状及趋势。结合我国空间技术事业发展,提出充分借鉴国外相关技术成果,围绕主要应用材料,重点开展空间环境适应性和应用验证研究,并探索利用模拟月壤开展太空原位制造技术研究的设想与建议。

空间平行机器与平行制造

近年来,随着空间技术的发展迅速,在可以预见的未来,在太空中作业和制造的需求必将变得越来越强烈.在太空环境中,对于智能、自主的要求越来越高.本文提出将平行机器、平行制造等和空间技术相结合,采用平行系统理论和方法,为实际的机器或者制造系统建立人工系统,在人工系统中进行计算实验得到合理的解决方案,通过平行执行指导实践.通过该方法,能够更好地应对太空中的不确定性和意外情况,尤其是通过平行增材制造实现快速、智能的补给和维修.

短切碳纤维增强聚醚醚酮真空FDM工艺参数优化

在轨3D打印是一种在极端空间环境条件下的新型太空制造技术,具有非常广阔的应用前景。太空中真空环境下材料散热方式主要以辐射散热为主,从成型模块挤出的高温熔体在冷却过程中会经历与地面打印不同的热历史,最终影响打印件的力学性能。为此,采用有限元分析的方法,建立真空环境下短切碳纤维增强聚醚醚酮(PEEK)材料在成型模块中的热分析模型,通过对材料在成型模块流道内的温度场分析,探究真空环境下短切碳纤维增强PEEK熔融成型的热传导规律。结合仿真分析结果,采用正交实验法开展短切碳纤维增强PEEK熔融沉积成型3D打印工艺参数优化的实验设计,对实验结果开展极差分析和单因素试验分析,建立最优的工艺策略,以保证真空环境下打印的试件具有优异的力学性能。有限元分析结果表明,在380~410℃范围内加热块温度对材料在成型模块内熔融过程的影响不显著,而送线速度越大材料的熔融过程越不充分,打印短切碳纤维增强PEEK树脂材料应保持送线速度不超过8 mm/s。实验结果表明,对于拉伸强度,最优的工艺参数组合为加热块温度390℃、扫描间距0.6 mm、分层厚度0.2mm、打印速度20 mm/s;对于拉伸弹性模量,最优的工艺参数组合为加热块温度410℃、扫描间距0.6 mm、分层厚度0.2 mm、打印速度30 mm/s。

太空环境下电子束原位制造技术

美国国家航空航天局(NASA)载人探索计划的提出给载人登月和载人火星等带来了机会和风险,NASA的工程师和科学家正在开展在月球或火星表面利用当地提炼的材料进行原位制造工艺技术的研究。首先,介绍了太空原位制造和修复(ISFR)技术的概念和特点,结合该技术的发展背景,介绍了电子束原位制造技术的概念、特点以及在太空环境下应用的优势和潜力。然后,根据所用原材料和成形工艺原理的不同,电子束原位制造技术又分为电子束熔融(EBM)和电子束自由成形制造(EBF3)技术两个分支,分别介绍了这两个分支技术的概念、原理、特点以及采用该技术研制出的零件的性能,结合硬件设备的情况介绍了在太空环境下应用的适用性,同时也详细介绍了NASA利用兰利研究中心的C-9抛物线飞行试验系统进行电子束原位制造微重力试验的研究成果、试验数据和未来的发展趋势。最后,结合中国未来空间事业发展的需要,提出了关于发展太空环境下电子束原位制造技术的设想与建议。

金属微滴水平喷射关键参数调控机制及试验

均匀金属微滴喷射3D打印技术是一种极具应用前景的空间金属增材制造技术,明晰其重力敏感度是实现该技术空间化应用的前提。在地基条件下,将熔滴喷射沉积方向翻转至水平状态是直观反映其打印过程重力效应的有效方法。针对熔滴水平稳定喷射调控的难题,建立了熔滴水平喷射流体力学模型及压电激振动力学模型,通过试验,探究了熔滴水平喷射不稳定形成机制,明晰了不同喷射行为下的激振特性,揭示了熔滴水平稳定喷射调控规律。结果表明:压电模块驱动信号(脉宽、幅值)对激振杆振动特性影响极为显著,激振杆行程随幅值或脉宽的增加呈现出先增加后减小的变化规律;通过改变激振杆振动特性可调控熔滴直径、初始喷射速度及喷射稳定性,熔滴直径随幅值增大而减小,但受脉宽影响不大,而喷射速度与幅值及脉宽均正相关。基于此,试验得到了尺寸均匀的金属熔滴,并水平沉积打印出与设计模型一致的结构特征。