2020年5月5日晚，長征5號B運載火箭搭載中國新一代載人飛船試驗船在海南文昌發射場成功首飛，拉開了我國空間站建設的大幕。新飛船上搭載了由中科院太空製造技術重點實驗室研製的新一代立體光刻３D印表機——在軌精細成型裝置（REFORMER）。去太空開工廠，實現人類在地外的活動和生存能力，還有多遠？
出品："格致論道講壇"公眾號（ID：SELFtalks）
太空製造是一個非常小眾的研究領域，起步也比較晚，（最火熱的時間）從開始到現在大概只有不到十年的時間。今天借這個機會，把我們團隊過去這幾年如何開展工作，工作的艱辛，工作中遇到的挑戰以及有趣的事情跟大家分享一下。
到太空里去辦工廠是一個非常遙遠的目標，選用這個標題算是個人對它比較美好的期望。眾所周知，製造技術是一個國家強盛的基礎，它推動人類進步，推進社會文明發展，甚至奠定世界格局。
我們身邊有很多製造活動，我們對製造行業要有一定的敬畏之心，因為再簡單的製造也沒有看起來那麼容易，就像現在每天都離不開、全世界都供不應求的口罩，真正做起來也是很困難的。
我很想說小時候我就夢想到太空里去辦工廠，但實際上小時候那個年代，對於太空的印象主要來自於《西遊記》裡面的「大鬧天宮」，還有一些科幻動畫。
《西遊記》里有一個煉丹爐，這個煉丹爐採用高溫對材料進行處理，這也可以說是一種太空製造的行為。
我國的科學家在過去的空間材料研究中已經做了非常多了不起的工作。比如「神舟二號」飛船上面的晶體生長爐。科學家利用它製造了一些價值很高的材料，這些材料為地球上的許多應用帶來更好的效果。
為什麼要太空製造？
今天我要分享的太空製造，並不是為了在地球上應用，而是為了在太空中應用。為什麼要做這樣一個活動呢？
大概是十年前，2010年我剛回國參加載人航天工程的工作，由於我剛回來，不是各個型號任務的主力，只能算空間站建造的後備力量，所以我反而有大量的時間去調研各類資料。
我當時關注更多的是航天的安全性和可靠性的問題，所以關於哥倫比亞號太空梭事故的原因、過程我做了許多調研。
其中有一個事實，在太空梭返回地球前，航天員其實已經發現了太空梭左翼的缺陷，就是這個缺陷導致了慘痛事故的發生，問題是他們有沒有機會來挽救這次事故呢？
從後面公開的調查報告可以看到，實際上NASA對這個問題進行了仿真和非常認真的分析，其結論是非常不樂觀的，他們認為以當時的條件在太空開展在軌維修的風險是非常高的。
也就是說，即使開展這樣的工作也不太可能成功挽救這次事故。但是，這個報告提了一個非常重要的建議，就是在軌的應急維修能力是保障航天安全的重要手段。
後來在調研國際空間站的一些安全保障措施的時候，我發現國際空間站中存放了大量的備品、備件、以及工具，價值大約在十億美元。但是，這些備件有99%的機率是用不上的，它們的存在只是為了以防萬一。
那麼，如果能夠在太空中，在空間站中快速製造出所需要的工具、備件，是不是可以節省出很多寶貴的空間呢？
由於空間站是在近地軌道運行，利用上行物資，攜帶大量用不上的備件是可以做到的。試想如果有一天人類走向火星，我們還能否攜帶這麼多的物資？
在電影《火星救援》中有這樣一個場景，主角為了生存開荒種土豆，姑且認為他用的鐵鍬是從地球運送過去的，這個邏輯如果站得住，那麼鋼鐵俠馬斯克提出：如果送一萬人去火星，這些人在火星如何生存下去，如何開荒，如何獲得生活所需要的各種物資，比如現在歐美人大量搶購的廁紙等等。
所以，太空製造的根本目的是提升人類在地外的活動和生存能力。
在哥倫比亞號太空梭失事之後，NASA確實重視了提升在軌活動能力的工作，他們開展了一些比如元器件焊接這樣的實驗。
實驗表明，元器件焊接是可以實現的。但是，從圖中可以看到，這樣的焊接質量如果以地球上的標準來看，實際上屬於廢品。
為什麼會這樣呢？其中兩個原因很重要：一是航天員在微重力情況下保持自身的姿態和動作的精確是很困難的；二是無論是液體、固體還是顆粒材料，在微重力環境中都難以精確地控制。
所以，太空製造實際上是一個多種因素交叉，相互耦合的跨學科領域。
太空中特殊的環境，比如微重力等，對製造所需要的材料提出特殊的要求，特殊的材料又對製造工藝和裝備提出工程上的挑戰，那麼我們需要做到什麼呢？
第一、所需設備應是非常容易操作的。儘管我國航天員的能力很強，但是我們還是不希望他去做太有難度的操作，因為它會增加風險。
第二、需要一個低功耗的設備。儘管我們的太陽帆板可以提供源源不斷的能量，但是它的峰值功耗是有限的。
第三、要小型化。空間站的空間非常有限，我們不太可能把一個工具機真的搬到空間站去運行。
第四、空間站環境也是航天員生存的環境，我們希望製造過程不要釋放任何有害的物質。
所以，這一系列問題下來，我們不難發現太空製造和地面的製造有很大的區別。
3D列印打開太空製造的大門
2012年出現了一個非常火的概念，就是3D列印。3D列印實際上並不是一個新鮮的概念，在上世紀80年代就已經出現了，國內從事這個方向研究的團隊、專家非常多。
在2012年開始的各種宣傳中，3D列印從工業產品到時尚產品，再到建築，甚至到人類的器官，它似乎無所不能，這吸引了從事太空製造研究專家的注意。
3D列印具有的特點包括節省材料、無需模具、數字模型等等，為太空製造帶來很多想像，它就像一個魔術口袋一樣，可以變出很多我們想要的東西。
簡而言之，傳統製造工藝的最大特點——用切削工藝做減法獲得我們想要的零部件，而3D列印是用粉末材料、樹脂材料，還有固體的絲材料層層堆疊從而獲得我們想要的東西，是做加法，所以又叫增材製造。
這些特點從理論上來講確實非常適合在空間站使用，所以在2014年的時候，NASA送了一台印表機到國際空間站，放在手套箱裡。這台印表機體積非常小，只占到手套箱的大約1/4，以列印塑料為主，各項指標都不算先進，但是這個事件在當時引起了非常大的關注，因為這是第一次在空間站有了自動化生產的工具。
這台印表機所採用的工藝是熱熔沉積，這是在地球生活中很容易見到的一種列印工藝，可以把固體的塑料絲材通過加熱而融化。
所以，由於這種工藝能比較容易適應微重力環境，NASA和ESA在這個基礎上又研製了升級的列印裝備。但是，比較有趣的是，所有這些設備上了空間站以後，後續關於它們應用的披露卻極少。
所以，當時我產生了一個疑問：它們在使用過程中的效果到底怎麼樣？3D列印對太空製造究竟是一個噱頭，還是真的能夠做出我們想要的產品？
我國的「太空3D列印」之路
2015年我開始策劃我們團隊的第一次微重力3D列印實驗。我們面臨的困難很大，因為我們國家的空間站還沒有建成，也沒有機會去國際空間站。幸運的是，我們單位當時和德國宇航局簽署了一個關於失重飛機的合作協議，所以我們可以利用失重飛機進行3D列印實驗，也就有了後來的這張照片。
比較有意思的是，後來騰訊上有一篇報導，講我是如何被國際空間站拒絕，不得已轉而去做失重飛機實驗的，實際上沒有這回事，我從來沒有對他們提出過申請。當然，那個報導是非常正面的，並對我們的工作加以肯定鼓勵。
現在，我簡單介紹一下失重飛機，失重飛機是在地面上進行太空環境模擬的一個非常重要的平台。歐空局的這架失重飛機是採用空客A310飛機進行改裝，運行時它在6000米左右平飛，然後向上拉伸，一直到8000米，在此過程中關閉發動機，讓飛機進行一個自由落體的拋物線下降。所以，失重飛機有時候也被稱為「拋物線飛機」。
在這個拋物線過程中，共會產生22秒的微重力環境。第一次實驗結束後，有一些人問我，你如何利用22秒的時間來列印「中國科學院」這五個字？實際上每一次起飛降落中間會有31次重複循環的過程，所以列印的過程不是利用了一個22秒，而是31個22秒。
在實驗過程中，試驗隊員在飛機上活動，我們把一些內部的影像資料都做了記錄，並設計了很多策略，包括全程列印和僅在微重力環境下列印，然後進行對比。
實驗結束後，領導問我這個實驗成功了沒有。說實話，拿到這些樣品，我是很開心的，因為我知道我的實驗成功了。
因為，這次實驗我的目標並不是要列印非常完美的產品，而是想驗證一下微重力環境到底對3D列印有沒有影響？可以看到在微重力環境中所列印物體的層厚比有重力的情況下要厚出8%，這是什麼原因呢？
後來我們也請教了很多搞空間流體力學的專家，他們的解釋是：在地球上由於有重力的存在，所以液體傾向於在平面上平鋪，但是在微重力環境中，液體更傾向於處於懸浮狀態，直到冷卻凝固，所以它就會比在地面上列印時高出一定的層厚。
但是，由於樣品的數量非常少，所以這個數據8%從統計學角度來講，並不一定準確，但是趨勢應該是對的，同時證明了NASA和ESA所採用的FDM方式有兩個主要的缺陷：一是用塑料來列印，產品的性能是有限的；二是製造的精度離能夠裝配使用還有不小的距離。
所以，我們就提出另外一條路線——利用立體光刻在空間進行製造。這個原理很簡單，用光觸發材料發生光聚合反應進行固化，有點像女生塗指甲油，然後在紫外燈下照射。
其實這種工藝NASA很早就注意到了，並且對它進行了研究，不過NASA認為這樣的工藝不太可能在微重力環境下使用。原因很明顯，因為這樣的工藝主要需要的原材料是液體，而液體在微重力環境中非常容易自由飄散。
那麼，對我們來說也一樣，如果選擇採用立體光刻這樣的工藝，就必須找到一個能夠控制液態材料的辦法。我們的第一個目標是希望超越塑料材料產品的性能。
第二個目標是要控制這個材料，不能讓它自由流動。我們選擇的方式是把納米以及亞微米級的金屬和陶瓷的粉末添加到光敏樹脂溶液裡面。這是非常有難度的一件事情，相當於把一袋麵粉倒入一杯水中，還要讓粉末分散均勻。
大家知道納米顆粒非常容易團聚，如果要列印得非常好，需要把納米顆粒均勻分散，這個工作我們前後一共做了兩年。
其實在第一次失重飛行實驗的時候，第一批材料已經在失重環境中進行了實驗。當時我們觀察的現象是在微重力環境下混合物溶液有明顯的爬壁行為，這是我們不希望看到的，所以第一批材料不是我們想要的材料。
後來經過大量試驗，我們找到了需要的流體，它有點像化妝品，它的特點是在沒有外力施加的情況下看上去就像一個固體，即使360度旋轉，也不發生任何流動，但是一旦有剪切力的出現，它的局部會發生一個流變特性的變化，會變稀，這樣我們就可以很容易把它鋪平。
2018年的時候我們再次去了法國，在失重飛機上實驗了這樣的材料和為此專門研製的光刻設備。我們觀察了利用這些材料和設備，如何能夠把材料進行平鋪，然後再用光刻把它賦形。
實驗證明我們的思路是可行的，所以我們很激動。讓我們更激動的是我們把NASA曾經認為不可能的工藝變成了可能，這也是中國團隊第一次在太空製造這個領域提出並且驗證了自己的想法。
回到實驗室，我們希望探究這樣的工藝是不是還能夠適應更多有價值的零件。所以，我們用它製備了很多種比較精密的工業產品，甚至用它來製造模擬月壤材料的結構，得到了非常不錯的效果。
我們還有一個想法，如果這樣的工藝能夠製造金屬材料，那麼就可以用一種工藝來適應高分子材料、陶瓷材料，以及金屬材料，這樣太空中大多數的材料類型用一個設備，一種工藝就可以全部解決。
當時我提出了一個異想天開的想法，為什麼不能用我們國家的飛機來做這種失重飛行呢？
這確實是一個非常大膽的想法，熟悉我國航天領域的人都知道，失重飛機在我們國家航天界已經期盼很久了，但是因為種種原因不能成為現實，因為它需要性能優異的飛機，需要飛機的改裝能力，需要足夠大的空域，還需要非常優秀的飛行員，以及經過縝密計算的飛行軌跡。
我們沒有其他辦法，只能去想辦法創造這樣的條件。仔細分析之後，發現在中國只有一個單位能夠把上述的要素全部聚齊，這個單位就是位於西安閻良的中國試飛院。
這個單位很了不起，我們國家所有的軍機、民機，包括去年閱兵時看到的飛機都是在這裡進行飛行鑑定的。我在聯繫他們之前很忐忑，忐忑的原因是因為我知道我的實驗經費是非常有限的，這種感覺就像你只能買得起一張經濟艙的飛機票，但是你要去問別人，能不能把一架飛機包給你一樣。
所以，我知道這樣的要求有點過分，但是沒有辦法，我還是聯繫了他們。非常非常幸運的是，我遇到了一些和我有同樣想法的人，他們也對中國能夠擁有自己的失重飛機期待已久，所以在我提出這個想法之後，我們很快達成了共識，一起來推動這件事。
經過400多天的努力，飛機的改裝，飛行方案一輪一輪的校對，我們都做了精心的準備，最後由中國試飛院的副院長親自駕駛飛機，那天幾乎所有留在試飛院的領導都來到了現場，大家都很激動。
實驗成功以後，由於一些信息不能對外公開，所以並沒有進行大量的報導，這些我們都很理解。實驗成功時，我雖然沒有像想像中那樣和大家抱頭痛哭，但是我真的很激動。我代表整個團隊向幫助我們的所有人表示感謝，因為他們不僅幫我們完成了實驗，也為國內很多想利用失重飛機開展實驗的人打開了一扇門。我很榮幸，我們的實驗是第一個，我成為了那個敲門的人，這個實驗完成以後，我們第一階段工作就做完了。
太空製造的未來
回顧從第一台印表機出現在國際空間站，到現在大概過去了六年的時間，在這六年當中，太空製造領域的材料體系和製造工藝在不斷豐富，從高分子材料到金屬材料，到陶瓷材料，再到生物材料，它的工藝不僅僅是3D列印，也有鑄造，材料循環等，它的發展非常快速。
但是，我們還面臨著非常多的挑戰，到目前為止，我們做的仍然都是一些非常簡單的探索，還有很多問題等待著我們去鑽研，比如3D列印是不是實現太空製造的一個終極手段？
在我看來，目前這仍然是存疑的，因為現有的3D列印技術還有很多問題需要克服。比如如何去支撐？在列印過程中的這些支撐如果讓航天員來處理會增加非常非常多的工作量，有的支撐甚至需要專用的工具去做。
有沒有其他的工藝能夠更好地製造出我們所需要的產品呢？這都是急需我們進一步去探究的。
如果說要預測一下太空製造未來的發展，我個人認為太空製造可以分為三個階段：第一階段，小型零部件的製造；第二階段，大型空間裝置的製造及在軌組裝；第三階段，可能會去月球、火星進行地外環境中更綜合的一些製造活動。
我們現在還處於第一階段，個人認為，我們大概只在這個階段解鎖了10%的工作，還有大量的工作需要我們去做。
當然，我們現在所處的時代很好，因為我們國家馬上就要開啟空間站時代，我們終於不用再去國外做失重飛機實驗，也不用去惦記國際空間站，我們自己的空間站建成以後，它會為很多像我一樣有探索想法的人打開大門。
太空製造才剛剛開始，我們的下一代，也許他們真的能夠實現到太空里去辦工廠的想法。
「格致論道」講壇，原稱「SELF格致論道」講壇，是中國科學院全力推出的科學文化講壇，由中國科學院計算機網絡信息中心和中國科學院科學傳播局聯合主辦，中國科普博覽承辦。致力於非凡思想的跨界傳播，旨在以「格物致知」的精神探討科技、教育、生活、未來的發展。
本文出品自「格致論道講壇」公眾號（SELFtalks），轉載請註明公眾號出處，未經授權不得轉載。