空间增材制造技术的应用

中国空间站旨在进行大量在轨科学实验和空间应用研究,在轨保障是支持空间站在全寿命周期内完成载人航天任务的重要途径.传统地面制造及上行补给方式难以满足较大规模应用的需求,亟需一种创新性的保障模式突破资源瓶颈,空间增材制造技术具有极大的潜力实现即造即用的资源保障模式.本文根据空间增材制造技术的最新研究进展,结合中国空间站和载人深空探测任务需求,对空间增材制造技术的在轨应用模式进行分析,提出了中国空间增材制造技术未来发展所面临的问题和解决途径.      

空间金属增材制造技术应用

高能束流金属增材制造技术以激光和电子束作为热源,通过选区熔化粉末或熔丝沉积成型来实现金属零部件的制造.根据金属增材制造技术在空间领域的发展,结合空间站和深空探测强约束条件对在轨制造设备尺寸、重量、功耗、寿命提出的更高要求,对比激光与电子束两种热源的工作模式,进行在轨可行性分析,提出未来空间金属增材制造技术发展所面临的问题与解决途径.      

增材制造技术在载人航天工程中的应用与展望

近年来,增材制造技术在载人航天工程中的应用迅速发展。对熔融沉积成型技术、激光选区熔化技术、线材电弧增材制造技术、热喷涂增材技术、月壤增材制造技术等用于载人航天工程的增材制造技术及这些技术的应用领域进行了总结。对增材制造技术在在轨制造飞行器替换件、制造大型桁架等难以在地面制造或发射的部件、制造飞行器复杂部件等应用领域进行了总结。提出未来载人航天工程技术的增材制造中应发展适合载人航天工程的材料体系,应研究微重力环境下的增材制造技术,同时未来还应发展相关工艺。     

在轨3D打印及装配技术在深空探测领域的应用研究进展

以太阳帆深空探测为引子,对以在轨3D打印及装配技术为基础的在轨制造技术的必要性和可行性进行分析,分别阐述了在轨3D打印技术的技术优势、技术可行性以及在轨装配的最新研究进展,并重点研究了美国NASA资助的“蜘蛛制造”在轨制造技术,此项研究成功地将在轨3D打印和空间自主装配有机结合起来,有望突破目前空间可展开机构无法达到万米量级的技术局限性,为中国深空探测的发展提供了一种可供选择的发展思路。     

国外在轨装配技术发展简析

2016年,欧洲航天局（ESA）将资助研究立方星在轨自主交会对接技术,拟在此基础上发展利用多颗立方星在轨自主装配成大型航天器的技术。2015年,美国公布了多个在轨装配技术项目：美国航空航天局（NASA）于7月宣布开展“大型结构系统太空装配”（SALSSA）项目;劳拉空间系统公司（SS/L）在8月被美国国防高级研究计划局（DARPA）授予用于在轨自主装配地球静止轨道通信卫星的“蜻蜓”（Dragonfly）项目合同;11月,NASA在“临界点”（Tipping Point）计划规划的“航天器与空间结构的机器人太空制造与装配”主题下授出了3份合同,其中包括与劳拉空间系统公司合作开展“蜻蜓”项目地面演示和飞行演示验证。在轨装配技术将成为低成本快速部署航天器的途径之一,推动大型高性能航天器（例如大型深空探测补给站和空间望远镜）的发展,是以美国为主的、多个国家大力发展的重要在轨服务技术。     

国外载人航天在轨服务技术发展现状和趋势分析

保证在轨和在研航天器能在复杂空间环境中长时间稳定运行,已成为空间技术发展的重要目标。20世纪60年代,研究人员提出了“在轨服务”的概念,由此开创了空间在轨服务技术这一新的领域。空间在轨服务（OOS）是指在太空中通过人、机器人（或类机器人航天器）或两者协同来完成涉及延长航天器、平台、空间站附属舱和空间运载器寿命及能力的空间装配、维护、维修等空间操作。     

基于在轨组装维护的模块化深空探测器技术进展与应用研究

在轨组装与维护是航天器在轨服务技术的基本内容,而模块化设计则是实现航天器在轨组装与维护的一项主要支撑技术。调研总结了国外深空探测领域模块化航天器设计以及在轨组装与在轨维护实施的技术进展,主要包括模块化地外行星着陆探测器、大型在轨组装深空探测器、布置于SEL2(Sun-Earth Libration 2)等轨道的超大型在轨组装空间望远镜系统等,分析了深空探测器领域应用模块化设计实现在轨组装与维护的关键技术要素。针对深空探测航天器长寿命、高可靠、特殊推进系统及其设备配套等技术特点与需求,提出一种应用在轨组装与维护技术的火星多任务探测器系统设想,介绍了探测器系统的任务架构、基本组成、轨道策略等,为我国深空探测技术发展以及新型深空探测器研制提供参考。     

基于损伤力学的增材制造金属材料疲劳寿命预测

增材制造(AM)技术发展迅速，广泛应用于航空航天领域合金构件的加工制造，而很多增材制造合金构件承受循环载荷，疲劳失效破坏十分普遍。通过建立考虑增材制造过程影响的疲劳损伤模型，计算了增材制造金属材料的疲劳寿命。给出了弹塑性本构模型和考虑增材制造过程参数的疲劳损伤模型，进而给出了疲劳寿命计算的有限元数值方法；对增材制造金属材料进行了疲劳寿命预测，预测值与试验值基本吻合，并从疲劳数据的分散性及增材制造金属材料内部的孔隙率2个方面分析了计算误差；讨论了体积能量密度比对增材制造金属材料疲劳性能的影响，并对结果进行了分析，为增材制造金属材料的疲劳损伤评定提供一种有效的方法。      

美国轨道工厂公司商业在轨加注服务现状与发展

<正>美国轨道工厂公司（Orbit Fab）于2023年5月25日宣布,将通过“燃料库”（fuel depot）有效载荷,在2025年为美国天军（USSF）地球同步轨道（GEO）小卫星泰特拉-5(Tetra-5)提供商业在轨加注服务。“燃料库”载荷将配备名为“快速连接燃料转移接口”（RAFTI）的标准加注接口,为同样配备RAFTI接口的客户航天器泰特拉-5卫星在轨加注约50kg肼燃料。该任务标志着在轨加注技术正逐步迈向实用化、商业化。在轨加注服务是指在太空中利用服务航天器为目标航天器（客户航天器）进行气、液推进剂补给的在轨操作,是未来在轨服务领域的重要组成部分。文章将梳理研究轨道工厂公司在轨加注服务发展情况,并提出几点研究启示。     

用于空间探测的静电分析器轻量化设计与验证

针对空间探测载荷的轻量化需求，以空间等离子体探测的静电分析器为研究对象，进行了轻量化设计和验证。在材料及加工方式选择方面，充分利用增材制造这一新兴加工手段，打破传统轻量化设计时追求低密度材料的思路，对比多种材料及加工方式下设备重量及力学表现，确定铝合金为主要材料，3D打印为主要加工方式。在结构设计方面，基于3D打印加工的优势，在减小设备各部分结构厚度的同时，适当设置加强筋以解决薄壁在后处理时易产生形变的问题。采取上述方案设计的设备质量减少至1.2 kg，比使用镁合金及传统加工方式的设备质量（2.2 kg）下降45%。以典型航天任务的鉴定级力学试验条件作为输入，开展了设计模型的有限元仿真，完成实物加工装配以及力学试验，验证了该设计的抗力学性能。     

空间机器人操作：一种多任务学习视角

利用空间机器人辅助、代替航天员完成在轨服务操作是近年的技术发展趋势。基于学习的空间机器人操作以深度神经网络为控制器载体,对非结构化太空环境适应能力强,在高轨、地外、深空等场景具有良好应用前景。目前,无论是空间机器人操作,还是地面机器人操作,多数研究只关注单一任务学习问题。立足一种多任务学习新视角,针对空间机器人操作面临的多任务适应性要求高、精细化要求高、不确定性强问题,首先分析了在轨服务的多样化任务需求。其次,全面综述了机器人操作多任务学习算法与应用相关工作,分析了开展空间机器人操作多任务学习的难点挑战,给出了关键技术发展建议。相关关键技术的突破将有助于提升空间机器人系统的自主性、鲁棒性,进而助力中国在轨服务技术向无人全自主方向推进。     

Regolith-derived ferrosilicon as a potential feedstock material for wire-based additive manufacturing

Ferrosilicon is a primary metallic alloy produced during the reduction of metal oxides contained in lunar and Martian regolith by a variety of techniques. This study examines the usefulness of ferrosilicon as a candidate feedstock material for wire-based 3D printers designed for in-space manufacturing. Alloys of composition ranging from pure iron to 12?wt% Si were synthesized and their electrical and mechanical properties characterized. The melts were cast into rods for mechanical testing to determine ultimate strength and ductility. It was determined that the samples above 3?wt% Si were too brittle to be pulled into wire and ruptured at low strain values. The 3?wt% Si sample and iron had comparable mechanical properties relative to samples of higher silicon content but with differences in ductility and ultimate strength. Microstructure and compositional studies revealed the differences between the ductile and brittle samples as being the complete ferrite phase presence on the iron and low-Si content samples. This study establishes an upper limit on the Si content at 3?wt% in ferrosilicon materials to be used in wire feedstock in additive manufacturing for in-space applications.     

空间非合作目标消旋技术研究现状总结与展望

针对空间非合作目标开展在轨服务、轨道清除等需要在轨捕获任务的顺利实施,在捕获前一般需要对非合作目标进行消旋。系统调研了国内外针对空间非合作目标的消旋方案,并将其分为基于能量转移和基于能量损耗的两种方案。在对两类方案的具体原理及操作过程与关键技术进行总结的基础上,概括了各方案的特性及其适用场景,分析了未来空间非合作目标消旋技术的发展方向。     

圆轨道航天器在轨加注任务空间燃料站部署问题

在轨服务技术因在航天器故障修复、寿命延长及军事方面有重大辅助作用而越来越受到各航天大国的重视,作为在轨服务技术重要组成部分的在轨燃料补给技术也越来越受到关注。文章针对圆轨道航天器在轨燃料加注任务,将空间燃料站技术与多目标在轨加注技术相结合,对基于燃料站的在轨加注模式进行了研究,提出了一种基于聚类分析的在轨加注任务调度及优化算法。通过对双脉冲轨道转移问题的求解与分析,获得了轨道转移速度增量和轨道参数之间的关系,在此基础上分析了圆轨道航天器在轨加注任务调度问题,并根据调度模型的变量和约束关系,建立了圆轨道航天器在轨加注任务多目标规划模型,并采用免疫遗传算法对加注任务调度空间燃料站选址问题进行了研究。以30颗目标航天器的在轨加注任务为例进行了数值仿真,并由燃料消耗的计算结果验证了算法的有效性。     

国际空间站智能在轨运行进展及启示

空间站作为近地空间的大型平台，具备长期飞行与空间科学探索能力.随着在轨任务的不断增加，高效空间站在轨运行管理成为挑战性的难题.人工智能与航天技术的深度融合，使得空间站在轨运行逐步向智能化发展，航天器在轨运行智能化已成为必然趋势.本文对国际空间站（International Space Station，ISS）在轨智能化发展历程进行了深入分析，调研人工智能技术在其健康管理、任务规划与调度、任务操作和人机交互中的应用，以期对未来中国空间站的智能在轨运行提供启示.