NS1365 空間站——“太空堡壘”的部分3D打印技術與復合材料應用
7月24日14時22分，文昌航天發射場，長征五號B運載火箭托舉當今大單體載人航天器空間站問天實驗艙點火起飛，并成功進入預定軌道；北京時間7月25日3時13分，問天實驗艙成功對接于天和核心艙前向端口。按任務計劃，神舟十四號航天員乘組隨后將進入問天實驗艙。本文介紹此次發射過程及問天艙及空間站其他系統3D打印技術和復合材料的應用。
問天實驗艙熱控分系統使用3D打印技術
航天器在軌時，沒有了大氣層的保護，在太陽照射的情況下，表面溫度可達100℃以上，而沒有陽光時溫度則到零下100℃以下。
作為我國尺寸大的航天器，問天實驗艙在極冷極熱的太空環境中，航天員和艙內的各種設備一直處于20多攝氏度的舒適環境中，這得益于航天科技集團五院空間站問天實驗艙熱控團隊研制的熱控分系統。
（來自：火星學會MarsSociety）
為避免問天實驗艙成為大烤箱，熱控團隊研制了一套目前國內大的“太空空調”系統，為問天實驗艙提供了一個舒適的溫度環境。這套“太空空調”系統包括量身定制的太空外衣、密閉隔艙內的風冷系統和遍布整艙的液冷系統。
據航天科技集團五院問天實驗艙流體回路負責人王德偉介紹，團隊為問天實驗艙研制了3套液冷系統，將各種設備或實驗載荷產生的熱量收集并輻射到外太空，可支持數千瓦級以上的實驗載荷的散熱。其中一套是專門為艙外實驗載荷進行溫度保障的散熱回路，次研制了四通閥技術，解決了艙外實驗載荷安裝狀態與否對回路系統的影響，在重量上優于國際空間站使用的多閥門調控技術。同時，研制人員開發了大尺寸、高效界面導熱材料，兼顧了艙外載荷維修和導熱的雙重目的。
“夢天”、“問天”實驗艙——分別用于生物、材料、微重力流體、基礎物理等方面的科學實驗（來自：火星學會MarsSociety）
在“太空空調”的研制中，為滿足部分特殊設備的溫度控制要求，航天科技集團五院問天實驗艙熱控研制團隊還使用了部分黑科技，包括在密閉隔艙內使用的基于3D打印的風冷冷卻技術、艙外設備上使用的太陽反射率超過90%的白色外衣、石墨烯導熱索技術等。
“太空堡壘”的設計密碼之一：輕量化的結構+輕量化的材料+3D打印
空間站的結構與機構分系統猶如“太空堡壘”，讓生命得以在太空中存續。為了讓“太空之家”結實、堅固、耐用，航天科技集團五院空間站結構與機構分系統研制團隊解鎖了輕量化、密封性、長壽命、高可靠性、智能化的五重“設計密碼”，為空間站保駕護航。其中，輕量化是對3D打印技術的重要應用。
“天和”核心艙——未來空間站的指揮控制中心，航天員生活的主要場所（來自：火星學會MarsSociety）
研究團隊指出，結構輕量化設計是空間站結構研制過程中始終堅持的設計思想，設計團隊從結構參數優化、拓撲優化、輕型材料應用、3D打印工藝、多功能結構等多個方面開展減重工作。從直徑4米的框體、壁板蒙皮、各類尺寸的支架，到蜂窩板里的一個金屬埋件，對每一個零件進行減重設計，并提出了結構加工過程中的重量控制方法，將艙體結構成功瘦身，為其它設備和載荷提供了更多的搭載機會。
夢天實驗艙段結構圖
蒙皮點陣結構也已經成熟用于航天器結構產品。小編還于北京空間飛行器總體設計部在《機械工程學報》發表的一篇論文了解到，航天五院設計的一種封閉蒙皮包裹三維點陣層級結構的設備支撐結構，比采用傳統設計及制造方法的結構減重46.4%，實物已應用于某型號衛星載荷支撐任務。封閉蒙皮包裹三維點陣的結構形式可以有效提高支架類結構的設計效率，在航天器結構輕量化方面具有推廣應用前景。
“壓”穩了，讓飛行更穩妥
為了能裝得下更多物資，“問天”就需要“瘦身”，這就要求各部件發揮著自己的特點，通過不同形式進行“減重”來實現。其中，公司所屬復材公司打造的連接柔性太陽電池翼的復合材料桁架，包括壓緊桁架和桁架結構兩部分，使產品減重達到約30%，提升了實驗艙攜帶有效載荷的能力。
作為問天實驗艙的“能量來源”，柔性太陽電池翼在飛行過程中需要承受來自火箭發射帶來的振動和壓力。為此，復材公司研制生產了一套“問天”專屬的復合材料“壓緊”裝置，它們不僅為柔性太陽電池翼在實驗艙兩側打造安全穩妥的“地基”，還能給予“嬰兒”般的呵護。
別看這小小的“壓緊”裝置，它是由一種碳纖維增強體與樹脂基體混合在一起的復合材料，具有強度高、密度低、質量輕等優點。從外觀上看去，它是由壓緊桁架、端部壓緊座、扶手壓緊桁架組成，就好比在柔性太陽電池翼和問天實驗艙的資源艙之間“壘”起了扎實的“地基”，將柔性太陽電池翼牢牢的固定在資源艙上。
同時，為了有效地保護復合材料產品免受空間中原子氧的侵蝕，設計師在外露碳纖維結構上整體包覆了一層鋁箔“保護衣”。“穿衣”的過程中，工藝團隊通過復合材料的特種工藝與輕型多點的加壓方式讓鋁箔平整的覆合在產品上，使得“保護衣”能夠如絲綢般保護好每一寸復合材料，從而確保了復合材料自身的產品質量，為問天實驗艙展“翅”做好充足準備。
“撐”住了，讓“對日”更可靠
桁架結構可以被稱作連接20多米的柔性太陽電池翼和對日定向裝置的“橋梁”。在設計之初，設計師也曾考慮過常規金屬材料，但它在增強產品強度的同時，也增長了“體重”，有可能導致“超負荷”運作。為此，輕量化的復合材料又一次被青睞。
由此，由碳纖維復合材料和蜂窩板組成的桁架結構應運而生，它不僅實現了艙外設備與對日定向裝置的剛性連接，還承載著電源分系統艙外設備、實現設備與對日定向裝置的同步轉動，以及滿足上升段和在軌工作的承載要求。
增材后處理工藝創新轉型，卓越目標不變
西安航天發動機有限公司為此次發射提供了4組8臺120噸液氧煤油發動機作為助推動力。其中也有增材制造相關技術的采用。
該公司增材制造創新中心磨粒流加工工藝的應用，使一級泵葉輪鑄件流道表面粗糙度降低2倍以上，有效提升了鑄件的防銹能力，使渦輪泵的性能更加穩定，發動機零部件交付質量也再上新臺階。增材制造創新中心陳振宇表示，“此次工藝轉化，可以說是錦上添花，正是我們追求卓越的體現。”
END
航空航天是當今科技強國競相發展的重點方向之一，其發展離不開兼具輕量化、難加工、高性能等特征的金屬構件。增材制造技術為高性能金屬構件的設計與制造開辟了新的工藝途徑，可解決航空航天等領域發展過程中對材料、結構、工藝、性能及應用等提出的新挑戰。
與此同時，輕量化的材料+創新型的設計+3D打印，這種新模式為減重進一步釋放了空間。材料和結構協同制造，使滿足更高要求成為可能，這種模式的使用也罕見地被航天單位所報道。
