空间站在轨焊接作业条件及接口技术分析

王敏

(1. 中国科学院沈阳自动化研究所，机器人学国家重点实验室，沈阳 110016；2. 中国科学院机器人与智能制造创新研究院，沈阳 110016)

0 前言

在轨制造对空间站维护维修、结构组装、在轨新产品研制、空间大型结构建造、空间资源回收再利用等非常重要，对保证空间站长期有效运行，以及下一步深空探测任务的实施意义重大。焊接是在轨制造技术不可或缺的重要组成部分。前期研究表明，有多种焊接方法可能应用于在轨制造，如：钎焊、电子束焊、激光焊、氩弧焊、搅拌摩擦焊等[1]。

在空间站上实施在轨焊接，除了需要满足空间站对有效载荷的通用要求外，还需要对在轨焊接技术的作业条件需求、接口与技术条件要求进行充分分析，以保证在轨焊接技术与空间站能源、载荷、极端环境等条件相匹配。

1 国内空间站资源

国内空间站的主体结构由3部分组成：核心舱、实验舱Ⅰ和实验舱Ⅱ，如图1所示[2]。核心舱用于统一控制和管理空间站组合体，提供航天员生活和工作场所，同时支持部分学科的科学研究。2个实验舱主要用于支持开展空间科学与应用研究。核心舱和实验舱I各配置1套机械臂。

图1 中国空间站示意图

在空间站核心舱、实验舱I和实验舱II的密封舱内共配备有16个科学实验柜[2-3]，用于开展空间材料科学、微重力基础物理、航天新技术等研究方向的科学实验。科学实验柜具有类型多样、功能强大和技术先进等显著特点。

中国空间站运行于倾角42°～43°、轨道高度340～450 km的近圆低地球轨道。空间站轨道完全脱离了地球大气，处于地球电离层F2层，微重力水平为1×10-4～1×10-3g。实验舱I和实验舱II外配备了暴露实验平台，可用于开展天文观测、地球观测、空间材料科学、空间生物学等学科的科学试验。空间站所处的外太空极端环境主要包括：极热/极冷循环、高真空、原子氧侵蚀、太阳紫外辐射和宇宙高能射线辐射等。宇宙射线的主要成分是质子(约占90%)、氦核即α粒子(约9%)及电子、各种重离子、伽马射线等(约1%)。由于舱体结构有一定的防护作用，舱内辐射计量比舱外低1～2个数量级，但高能粒子仍能穿透舱壁。太空极端环境会对空间应用材料、电子器件，生物体及组织及空间机构的运行性能将产生显著影响。

空间站接口要求包括：供电和功耗、外形和尺寸、重量要求、安装要求、热控要求、真空接口/排废气接口/氮气接口要求、人机工效要求、医学要求、产品质量要求、刚度要求、环境影响指标等。如：实验机柜内独立载荷单路最大功率不小于500 W，舱外载荷通过载荷适配器可为每个载荷提供100 V 供电接口(供电功率分为 100 W，300 W，1 000 W 3个等级)；空间站密封舱内压力为81.3～104.3 kPa，温度为19～26 ℃，相对湿度约30%～70%，气体成分与地面大气相近，工作区的噪音水平不大于65 dB[2]。

2 作业条件分析

在轨焊接通常在空间站舱内实施，特殊情况下，需要在舱外开展在轨焊接制造或维修、维护作业。下面从人、机、料、法、环、测等方面分析在空间站实施在轨焊接技术的作业条件。

“人”：实施在轨焊接作业的人员。由于空间站的特殊性，通常不会配备专业的焊接操作人员，航天员乘组将执行在轨焊接任务。因此，要求在轨焊接作业要尽量降低对操作人员技能的要求，力求操作简单、方便实施，尽可能采用自动化焊接及智能装夹等技术。同时，航天员也需要就在轨焊接技术的作业特点、操作要领、技术要求等进行前期培训，熟练焊接设备的使用方法及技术要求，以便胜任空间在轨焊接作业需求。

“机”：在轨焊接设备等硬件设施。每种焊接技术都需要相应的设备。相对来说，钎焊设备比较简单，电子束焊设备比较复杂。在轨焊接设备除了需要满足焊接技术要求外，还必须满足空间站对有效载荷的要求，以及空间站接口条件。舱内焊接设备需要考虑舱内作业空间对在轨制造系统结构尺寸、作业空间的限制，以及舱内环控要求等。舱外焊接设备需要考虑舱外作业平台条件、太空极端环境对设备结构及电控系统的限制和影响。为此，需要有针对性地开发具有低重量、低功耗、便携、快速施工能力特点的焊接设备。工装要求轻便化及具备快速装夹功能。焊接过程尽可能实现自动化。

“料”：在轨焊接使用的物料、原材料。除固态焊外，钎焊、熔化焊通常都需要一些焊接材料及辅料。为降低空间站载荷、降低火箭发射成本、减低焊后余料的产生及对空间环境的污染，在轨焊接要求尽量减少焊料及辅料的应用。比如在轨钎焊，应选择自钎剂钎料或采用无钎剂钎焊技术。焊接材料的包装应便于储存和使用，且可以实现回收再利用。

“法”：工艺规范、操作规范、检验标准等。由于空间站人员的不确定性，为保证在轨焊接的持续有效开展，及产品质量的一致性，针对每种在轨焊接工艺，需要制定相应的焊接工艺规范、检验规范、设备操作指南，技术标准等技术文件。

“环”：在轨焊接的作业环境。首先，实施在轨焊接需要满足空间站环境条件要求，不能对空间站舱内、外环境造成污染；其次，在轨焊接作业需要考虑空间特殊环境条件对焊接工艺及设备的影响；再次，需要保证在轨焊接作业本身对环境的要求，比如，舱内焊接需要的作业条件包括：工作温度19～32 ℃，湿度<70%，空气流动速度<2级，电子束焊真空度要求1×10-4～1×10-1Pa；舱外焊接作业条件包括：充足日照，工作区温度过低时，需局部采取预热措施，保证焊接区温度达到要求的温度方可进行焊接等。

“测”：焊接件在轨原位检测技术。它是在轨焊接得以实施的重要环节，是在轨焊接的质量保证。在轨原位检测包括：结构完整性检测、无损探伤、力学性能评估、组织检测等。焊缝无损检测技术包括：射线探伤、涡流探伤、超声波探伤、红外探伤等。前期研究表明，涡流探伤是较为可靠的航天器原位无损检测方法[4]。在轨焊接需要针对有效的在轨检测技术，制定相应的验收标准。由于在轨检测同样是由航天员负责实施，因此检测过程及检验结果分析应尽可能自动化、智能化。

3 接口技术

3.1 钎焊

由于钎焊所需设备相对简单、易操作，非常适合在轨焊接。前期研究表明，太空钎焊有利的一面是：太空真空环境、微重力环境有助于增强毛细作用，钎料在太空中的润湿铺展效果比地面要好，钎料能够填充更大的钎缝间隙，降低了对装配的要求，钎焊钎缝缺陷相对较少；不利的一面是：微重力会使钎料难以过渡到工件上，影响焊缝成形，接头中易产生孔隙[5]。

烙铁钎焊是软钎焊的一种，设备只有一只电烙铁。烙铁重量在1 kg以下，在轨钎焊的能耗应不大于100 W。对电源没有特殊要求。烙铁钎焊可以在空间站科学实验柜中进行作业。钎焊的焊接材料包括钎料、钎剂。在轨软钎焊用于空间站电器元件、仪表等的维护维修等。

在轨硬钎焊方面，可以考虑超声波钎焊、电子束钎焊、激光钎焊等。鉴于空间站对有效载荷的限制，以及考虑热源的通用性，最好兼顾在轨熔化焊接选用的电源。Paton等人[6]2019年发表的文献显示了最新钎焊用电子束装置，如图2所示，电子枪重量仅为1.8 kg。

图2 钎焊用电子枪

在轨钎焊面临的最大问题就是钎剂的后续处理。软钎焊常用的松香酒精钎剂焊后的残渣无腐蚀作用。硬钎焊钎剂通常由碱金属和重金属的氯化物和氟化物，或硼砂、硼酸、氟硼酸盐等组成。焊后钎剂的残渣对工件材料有腐蚀作用，需要严格清理干净。空间条件难以处理钎剂的残渣。为此，需要开发无污染的在轨自钎剂钎焊或无钎剂钎焊技术。目前，该类技术在地面应用已开展研究[7-9]。

钎焊过程中会产生一些挥发性物质，还会散发少许热量，需经空间站环控系统处理。

3.2 熔化焊

熔化焊工艺方法包括焊条电弧焊、气体保护焊(TIG,MIG,MAG)、高能束焊(激光焊、电子束焊)等。前期国际上对在轨电弧焊、电子束焊、激光焊等均有所研究，开展研究较多的是在轨电子束焊[10-12]。激光焊与电子束焊同为高能束焊接方法，相比之下，在材料广泛适用性方面，以及激光焊时的光学镜头金属蒸汽蒸镀等问题还需要开展进一步研究。

电子束焊装置包括电源部分和电子枪工作部分、控制部分等，如图3所示。在轨电子束焊电子枪工作部分可以放置在科学实验柜中进行作业，必要时也可以在舱外通过手持、或机械臂夹持等方式进行作业。电源部分、控制部分则需要另行放置。

图3 空间电子束焊接系统构成

前苏联研制的多功能电子束焊接系统(VHT)，功率：1 kW，总质量(不含外壳)：30 kg[12]。

由于空间站对实验系统质量及总功率要求严格，在轨电子束焊系统开发时，在设备总质量及功耗方面需要进一步降低。

电子束焊接时会产生一些金属蒸汽可能污染焊接环境，同时会有少量散热。此外，采用电子束焊需要注意防止X射线产生。这几方面均需采取相应措施，以防对空间环境及人员产生影响。

3.3 固态焊

固态焊主要包括电阻焊、超声波焊、搅拌摩擦焊等。其中，由于搅拌摩擦焊具有焊接前及焊接过程中对环境的污染小，焊前工件无需严格的表面清理，焊接过程中无弧光、烟尘和飞溅，不需要填充焊材等优点，被认为非常适合空间在轨焊接[13]。

搅拌摩擦焊设备包括数控控制部分及焊接主机头。焊接时主机头高速旋转与工件摩擦，实现焊接。焊接过程中主轴力一般较大，还会产生一定的噪音。

中科院沈阳自动化研究所前期研究的搅拌摩擦焊机头重量可以控制在50 kg左右，功率不大于2 kW，如图4所示。此外，控制系统重量也需要考虑。主机头可以安装于机械臂末端，也可以手持作业。

图4 小型化搅拌摩擦焊设备

研究表明，高速搅拌摩擦焊及对工件焊前预热到200 ℃以上，可以有效降低焊接时的作用力。

鉴于空间站对实验系统质量、总功率及噪音水平的严格要求，在轨搅拌摩擦焊系统开发时，在设备总质量、功耗、噪声控制等方面还需要进一步开展研究。

3.4 安装要求

小型在轨焊接装置可以安装在舱内在轨维修装调支持平台实施在轨焊接作业，结构外形尺寸需要满足实验柜门650 mm×550 mm要求。柜内约有315 L的空间可供作业。平台中的灵巧机械臂具有6个自由度，末端最大负载150 N，末端最大输出力矩10 N·m。在轨维修装调支持平台提供标准氮气、排废气接口[3]。

大型在轨焊接装置可以安装在实验舱I的材料舱外暴露实验装置上，该暴露实验装置可以为载荷提供电源、信息、热控等接口支持。标准载荷适配器有I型和II型2种，I型载荷适配器不提供散热冷板，由舱外有效载荷自身解决散热问题，供电功耗有100 W或300 W 2种；II型载荷适配器设计有散热冷板，提供一定的舱外流体回路散热能力，供电功耗为300 W或1 000 W 2种。实验舱I有1个大型载荷挂点和1个扩展实验平台挂点，载荷重量可以达到2 000 kg，并且支持挂点的组合使用[3]。

小型结构的在轨焊接维修、制造，可以通过光电接口将作业端引入舱内，在在轨维修装调支持平台上进行作业；大型结构的在轨焊接维修、制造可在舱外实施。

4 结束语

在轨焊接是空间在轨制造不可或缺的技术，但现有的焊接技术应用于空间在轨作业，均不同程度存在一些问题。如：钎焊残留钎剂处理问题；电子束焊装置总体重量问题，焊接时产生的金属蒸汽会对环境产生污染问题；激光焊时金属蒸汽对聚焦镜头的蒸镀问题；搅拌摩擦焊时工件固定问题、陀螺扭矩问题、噪音问题等。面对空间特殊环境，以及有限的空间资源，需要开展深入研究，有针对性地开发在轨焊接技术。