《力学园地》编辑部：

前些日子，在诸多媒体上获知我国在太空金属增材制造技术领域取得重大突破的消息，十分欣喜。这项技术是中国科学院力学研究所研发的，很希望你们能进一步介绍相关情况，谢谢！

几名在读研究生

2026.3.20

力学研究所首次在太空微重力环境下制造出完整金属构件

王柏懿

2026年1月12日16时，中国科学院力学研究所（以下简称“力学所”）研发的微重力激光增材制造返回式科学实验载荷，搭载中科宇航“力鸿一号”遥一飞行器在我国酒泉卫星发射中心通过伞降系统顺利着陆完成了安全回收。返回式载荷舱圆满完成预定的亚轨道飞行试验任务。

图1 返回式载荷舱通过伞降系统的着陆过程（图片来源：文献[2]）

这次飞行试验首次实现了太空激光熔丝金属增材制造。该实验系统突破了微重力条件下金属增材制造成形与控制、全过程闭环调控、载荷-火箭高可靠协同等关键技术。实验结束后，载荷舱通过降落伞系统平稳着陆并成功回收，从而获取了太空微重力环境中金属增材制造生成的金属构件、全部数据和成形件性能参数等。该任务标志着我国太空金属制造技术正式从“地面验证”阶段迈入“太空工程验证”新阶段。

图2微重力激光增材制造返回式科学实验载荷交接仪式（图片来源：文献[1]）

现在，人们对“增材制造”（Additive Manufacturing，简称AM）这个术语并不陌生了，知道它是一种通过逐层添加材料的途径来制造实体零件的技术，俗称“3D打印”。和传统的去除-切削-组装的“减材加工”模式不同，它是一种“自下而上”进行材料累加的制造方法。该技术以计算机三维数字模型文件为基础，通过软件和数控系统的结合，利用激光、电子束、热熔喷嘴等方式，将金属粉末、热塑聚合物等材料在二维平面上进行逐层堆积、黏结，从而快速制造出与数模设计一致的三维实体物品。它能够生产出复杂几何结构的零件，减少材料浪费和制造流程，降低制造成本，并且在某些情况下能够制造出传统制造技术无法实现的零件。近年来得到了广泛应用。对于3D打印技术细节感兴趣的读者，可以参阅本刊发布的《漫谈3D打印技术》科普文章（刊于《力学园地》2024.1.10）。

图3 增材制造技术的一个典型实例（图片来源：网络）

但是，能否在太空环境下实现3D打印？这是一个尚待开拓的新领域。特别是金属增材制造技术，人们对它还不甚了解。本文将对此做一个粗浅的介绍。

首先，需要说明的是：我们为什么要发展太空金属增材制造技术呢？这里的原因不难理解，现有太空装备中的金属结构件在运行时一旦受损，将难以修复。因为总不能把机修车间搬到太空去吧？如果等待在地面制造的配送达太空来替换受损构件，不仅耗时长、成本高，而且风险很大。太空金属增材制造技术能够实现原位制造、修复，将极大提高我国航天任务执行的灵活性，减少对地面补给的依赖，使运维的成本实现数量级降低。这对于创建太空循环经济并回收轨道资源具有重要意义，可以为我国可持续的太空装备建设活动和深空探测任务做出贡献。

其次，需要说明的是：在太空里从事金属增材制造和地面上有哪些不同呢？这里以金属熔丝增材制造为例来说明。因为金属熔化、流动、铺展等过程受重力影响较大，所以二者存在显著的天地差异。大家应当知道，太空是一种微重力环境，其中的重力加速度g低至地面重力加速度g₀的千分之一以下。力学家定义了一个无量纲参数“重力水平”g=g/ g₀，并且将重力水平g=10^-3~10^-6的环境称作“微重力环境”。在微重力下，金属熔池凝固、合金元素蒸发、组织演化、缺陷形成以及应力应变演化等过程均和地面常重力情况不同，这里涉及到许多的科学问题需要研究解决。限于篇幅，上述科学问题就不在此一一展开了。

在21世纪初期，我国开始了太空金属增材制造技术的研究。2007年，力学所微重力国家实验室的研究团队就完成了微重力下金属流体热毛细对流及其液桥稳定性、界面流体热毛细迁移、传热传质、润湿等研究，并形成了相关的数值分析技术。2016年，中国科学院空间应用工程与技术中心利用抛物线飞机开展了热塑性材料增材制造技术验证。但是，在太空金属增材制造方面，我国尚无成熟的装备与工艺，也没有开展过相关验证与试验。近年来，力学所微重力重点实验室的姜恒研究团队在对高能束流金属增材制造技术进行了系统研发，今年又通过“力鸿一号”亚轨道飞行器完成了激光增材技术与装备的太空验证。这是我国太空智造技术的一次突破，将为我国进一步开展在轨制造与修复、月球基地装备建设和深空探测与应用等任务提供有力的技术支撑。

图4 搭载“力鸿一号”的微重力激光增材制造装备（图片来源：文献[4]）

最后，需要说明的是：如何进行太空3D打印的技术验证呢？不言而喻，就是要建立一个微重力环境，把所研制的装置和技术在里面工作，通过实验来考察运行的可靠性。一般而言，实验的方法主要有以下四种：微重力落塔，抛物线飞机，亚轨道飞行器，空间站。图4中给出了这四种实验方法的比较，包括重力水平、测试时间、载荷重量和可验证级别等方面。可以看到，落塔的测试时间太短，只有几秒钟。抛物线飞机的重力水平太低，只有百分之一的量级。相比之下，空间站的验证级别最高，应当是在技术研发最终阶段考虑实施之。这次力学所采用的是亚轨道飞行器来完成工艺与装备的可行性验证。

图5 太空3D打印技术的实验验证途径比较（图片来源：文献[3]）

下面，再来具体说明一下什么是亚轨道飞行器。首先，“亚轨道飞行”是指在距离地球表面35公里到300公里的高空里进行的飞行。和通常的“轨道飞行”不同，亚轨道飞行不能环绕地球一周。因此，它的发射初速度必须小于第一宇宙速度，而且在达到最高点之后就会一直下降，并会在到达出发点之前落地。此外，亚轨道飞行要求：航程中必须有一定的时间，确保飞行器的高程在“卡门线”之上，并且达到“失重”状态。这里，“卡门线”通常用来作为外太空和地球大气层的分界线，位于海拔100公里处。它得名自著名科学家冯·卡门，因为卡门首先计算出在这个高度上大气已经难以产生足够支持飞行器的升力了。所以，在学术界，通常把最大高程低于卡门线的飞行器称为“航空飞行器”，把最大高程高于卡门线的飞行器称为“航天飞行器”。

中科宇航研制的“力鸿”系列就是这样一种亚轨道飞行器。这次“力鸿一号”遥一的飞行高度达到120公里，可以提供超过300秒的高品质微重力环境，并具备实验载荷完好回收功能。在任务过程中，突破了微重力条件下金属增材制造的物料稳定输运与成形、全流程闭环调控、载荷-火箭高可靠协同等一系列关键技术，还成功获取了太空微重力环境中金属增材制造的过程数据（包括熔池动态特征、物料输运、凝固行为等），以及太空增材制造金属件的成形精度与力学性能等参数，从而为我国太空金属增材制造技术的快速迭代积累了宝贵实验资料。本次任务同时验证了中科宇航“力鸿”系列飞行器作为低成本、高灵活微重力实验平台的能力，验证了返回式载荷舱的高可靠伞系气动减速技术、飞行器子级返回精确落点的控制等技术，展现了我国商业航天在亚轨道飞行回收技术方面的突破。未来“力鸿”系列将设计为最长留轨时间不低于1年、重复使用次数不小于10次的轨道级太空制造航天器，适配在轨制造的高精度需求，具备自主实验制造闭环调控能力与星地高速通讯链路，实现全程无人值守与高效运转，构建“天地往返、在轨研究、样品返回、数据赋能”的空间科学实验平台。我们相信，这个空间科学实验平台将支撑我国在轨制造及微重力物理、空间生命科学、空间材料科学等前沿科学实验。

图6 “力鸿一号”遥一亚轨道飞行器发射升空（图片来源：文献[2]）

力学所人在钱学森、郭永怀等先辈奠基的“工程科学”思想指导下，在太空前沿技术攻关中取得了一个又一个的突破。值得关注的是，力学所和中科宇航将进一步深度合作，共同推进“可重构柔性在轨制造平台”的研发，以期为我国载人登月、深空探测及未来大型空间设施建设提供自主、智能的制造能力支撑。

参考文献

[1]我国太空金属增材制造技术取得重大突破——首次在太空微重力下制造出完整金属构件，中国科学院力学研究所公众号，2026.1.22

[2]力鸿一号遥一飞行器亚轨道飞行试验任务取得圆满成功，返回式载荷舱顺利着陆,中科宇航公众号，2026.1.12

[3] 智能制造学术沙龙简报（上网稿），中国科学院老科协力学所分会，2024.7.4

[4]我国成功实现太空金属3D打印，中国科学院官网，科研进展，2026.1.23