近日，微重力金屬增材製造返回式科學實驗載荷在中國科學院力學研究所（以下簡稱力學所）舉行交付儀式。載荷艙返回時的畫面。中科宇航供圖該載荷由力學所自主研製，於1月12日搭載中科宇航“力鴻一號”遙一飛行器，成功在太空完成金屬3D列印實驗，製備出金屬零部件，整體技術達到世界一流水平。“這是中國首次基於火箭平台，實施太空金屬3D列印實驗，第一次在微重力環境下成功列印出完整的金屬構件，有力推動了中國太空製造技術的發展，為未來太空基礎設施建設提供關鍵支撐。”載荷總設計師、力學所研究員姜恆說。為了在太空“過日子”當前，太空製造已成為全球空間技術競爭的戰略高地，太空金屬3D列印也是航天經濟領域關注的技術熱點之一。“在太空列印金屬的核心目的，是要解決未來人類在太空‘過日子’的現實問題。在空間站擴建、深空探測及地外基地建設等長遠任務中，原位製造能力將發揮不可替代的作用。”姜恆說。這一技術可以在太空中建一個“應急修理鋪”。“現在空間站所有的東西都得從地面運上去，未來如果去月球、火星，距離遠、運費貴，那怕壞個螺絲，都要耗幾個月時間等著地球的補給。太空金屬3D列印就是要讓航天員缺什麼就能直接造，從‘帶家當上天’變成‘在天上造家當’。”姜恆說。不過，與地面3D列印相比，太空金屬3D列印的技術難度要大得多。姜恆介紹，太空金屬3D列印的關鍵技術難度在於，微重力環境下的金屬熔凝過程存在失控風險。失重狀態使液態金屬不受重力與浮力影響，完全由表面張力、毛細力等控制，極易出現熔滴球化、斷絲、氣泡滯留等問題，對金屬成形的精度構成挑戰。“金屬絲一熔化，它不是往下流，而是熔成一個小球，還會沿著絲往回爬，非常難以控制。這裡面有微重力環境下的流體控制、熱傳導機制及冶金物理等基礎科學難題。”姜恆說。從“地面研究”到“太空工程驗證”20世紀90年代，國外就佈局了從空間站邁向小行星、月球及火星的一系列太空製造任務。近年來，中國逐漸開始加速佈局地面驗證、火箭實驗、在軌太空製造等任務，進入了與國外技術並跑競爭階段。2025年《國家航天局推進商業航天高品質安全發展行動計畫（2025—2027年）》明確提出，支援商業航天主體圍繞太空資源開發利用、太空製造、在軌維護與服務、太空環境監測探測、空間碎片監測預警與減緩清除、太空旅遊、太空生物製藥等新領域，加強原始創新和關鍵核心技術攻關、系統開發和應用服務，創新商業模式，發展新興業態。姜恆介紹，過去中國實驗都是地面實驗，主要依靠落塔或失重飛機，通過自由落體創造微重力環境，模擬太空狀態的地面實驗裝置。“落塔實驗可以驗證很多技術原理，但它最大的問題是實驗時間很短，只有3.6秒。”姜恆說。此次，實驗團隊自主研製出微重力金屬增材製造返回式科學實驗載荷，搭載著“力鴻一號”遙一飛行器，升至距地面120公里的亞軌道，獲得了數分鐘的實驗時間，並在這一時間內成功製備出完整金屬零部件。載荷副總設計師、力學所副研究員徐文帥介紹，任務過程中，團隊突破了微重力條件下金屬增材製造的物料穩定輸運與成形、全流程閉環控制、載荷與火箭高可靠協同等一系列關鍵技術。實驗結束後，載荷艙經傘降系統平穩著陸回收。科研團隊成功獲取了太空微重力環境中金屬3D列印的熔池動態特徵，物料輸運、凝固行為等過程的資料，以及太空增材製造金屬件的成形精度與力學性能等參數，為中國太空金屬增材製造技術的快速迭代積累了寶貴的實驗資料。“該任務標誌著中國太空金屬增材製造從‘地面研究’階段邁入‘太空工程驗證’的新階段。”姜恆說。科研院所與企業的協同創新在姜恆看來，此次實驗的成功，離不開力學所團隊與中科宇航團隊的協作。“力鴻一號”總設計師、總指揮史曉寧表示，本次微重力增材製造載荷是“力鴻一號”首飛任務的關鍵科學載荷。首飛任務不僅完成了從發射、在軌實驗到安全返回的全流程閉環驗證，更首次在太空環境中實現金屬構件的“地外製造”，刻下了中國太空製造技術發展史上的一個關鍵印記。“這使得‘力鴻一號’任務超越了火箭技術驗證本身，邁入了太空製造能力建設的實證階段。未來，‘力鴻一號’將繼續作為靈活、可靠、低成本的太空實驗平台，為更多前沿空間科學實驗提供在軌驗證能力，為中國深空探測與太空前沿技術自主發展注入創新動力。”史曉寧說。姜恆表示，力學所與中科宇航聯合完成的中國首次太空金屬增材製造全流程技術驗證，為中國商業航天與科研院所的協同創新提供了典範，標誌著中國在該領域已躋身國際前沿，相關技術突破為太空製造從實驗走嚮應用奠定基石。 (中國科學報)