（来源：中国航空报）

　　一项新研究挑战了太空制造领域一个由来已久的假设：在地球之外建造先进复合材料结构，仅仅是将地球上的生产方法搬到轨道上而已。发表在《npj先进制造》上的这项研究探讨了太空环境的两大特征——低重力和低压力如何改变碳纤维增强结构的制造过程。碳纤维增强结构被广泛认为是未来航天器、太空舱和大型轨道基础设施的关键材料。

　　碳纤维增强聚合物（通常称为CFRP）将高强度、轻质的碳纤维与聚合物树脂结合，形成一种刚性复合材料。其卓越的强度重量比使其成为运载火箭和航天器的理想选择，因为每一千克都至关重要。然而，制造这些材料是一个精细的过程。纤维必须精确定位，树脂必须均匀渗透增强材料，并且在材料固化之前必须去除气体或残留的空隙。在地球上，重力和气压会默默地帮助完成这些步骤。

　　在太空中，这些我们熟悉的力会发生显著变化。重力降低会改变液态树脂在碳纤维结构中的流动方式，而低压则会促使溶解的气体和挥发性化合物膨胀或逸出。这些因素共同作用，可能会影响复合材料部件的浸渍、固结、固化以及最终的力学性能。这项新研究旨在了解这些相互作用，以便制造商在尝试在轨道上制造日益复杂的结构之前能够更好地应对。

　　核心问题是空隙的形成。看似坚实的复合材料在其纤维间可能存在微小的空气或蒸汽囊。这些空隙会阻碍应力在材料中的传递，并降低强度、刚度和抗疲劳性。在地球上的传统制造过程中，通常会施加压力来压缩各层材料并排出不需要的气体，同时树脂填充纤维间的空隙。然而，在低重力环境下，浮力驱动的运动会减弱，气泡的运动路径也会发生变化。在地面加工过程中会上升并逸出的气泡，在太空中可能会被困在结构内部。

　　压力降低引入了另一层复杂性。较低的环境压力有助于去除挥发性物质和滞留气体，但也会导致树脂中溶解的气体膨胀。如果树脂流动性不足，膨胀的气泡可能会在材料固化过程中被锁定。因此，脱气和气泡生长之间的平衡成为一个关键的制造参数。这项研究的重要性在于，它将压力和重力视为会在整个生产周期中相互作用的环境条件，而不是孤立的变量。

　　树脂流动性同样重要。碳纤维增强材料由紧密排列的纤维构成，形成树脂必须流经的狭窄通道。在地球上，重力会影响树脂的分布，尤其是在垂直方向或大型部件中。在低重力环境下，毛细力和表面张力会变得更加显著。这些力有助于将树脂吸入狭小的空间，但也可能根据纤维结构、树脂黏度和加工方向造成不均匀的润湿模式。这些变化可能会影响部件从表面到内部的均匀固化。

　　这些发现的意义远不止于实验室样品。未来的航天器制造商可能会寻求在轨道上直接制造梁、压力容器部件、天线支架、太阳能电池阵列组件和维修补丁。在需要的地方生产这些部件可以减少从地球发射笨重成品结构的需求。它还可以使一些尺寸过大而无法装入火箭整流罩的设计成为可能，例如桁架和居住舱模块可以在太空逐步组装。但这种方法的经济性和工程可行性取决于可靠的质量控制。即使部件看起来完美无瑕，如果其内部纤维排列、树脂分布或空隙含量不一致，仍然可能发生故障。

　　该研究还强调了为何为地球设计的制造硬件不能直接用于太空环境。泵、加热器、真空系统、模具和固化室都必须在不同的条件下运行，因为在太空环境中，热传递、流体流动和气体排出等过程与地球环境截然不同。温度控制尤为重要，因为树脂粘度会随温度发生显著变化。在地面加工过程中流动性良好的树脂，在轨道上流动速度可能会变慢或不均匀；而过高的温度则可能导致树脂在浸渍完成前就加速固化。因此，太空生产系统需要对压力、温度、树脂化学性质和加工时间进行精确的协调控制。

　　对于工程师而言，这项研究为开发适用于低重力环境的制造流程奠定了基础。未来的系统无需照搬地球上的工作流程，可能需要分阶段的压力变化、特制的纤维预成型件、改进的树脂配方或主动式气泡管理技术。传感器可以实时监测压力、温度和树脂流量，使自动化系统能够在零件加工完成前检测到缺陷。无损检测，包括成像和超声波检测，对于验证那些难以返回地球进行分析的部件的完整性也至关重要。更广泛的意义在于，太空制造并非工业生产的延伸，而是一种受不同物理定律支配的全新制造模式。了解重力和压力如何改变流体、气体和复合材料的行为，将决定轨道制造究竟是仍停留在充满希望的实验阶段，还是能够发展成为一项切实可行的工业能力。通过研究在太空相关条件下碳纤维增强结构的生产，这项研究正在帮助人们识别那些决定人类如何在地球之外安全高效地进行建造的潜在变量。（逸文）