美国宇航局与俄亥俄州立大学合作，在模拟失重条件下成功进行激光束焊接实验

随着美国宇航局计划让人类重返月球并最终探索火星，美国宇航局位于阿拉巴马州亨茨维尔的马歇尔太空飞行中心与哥伦布的俄亥俄州立大学之间的激光束焊接合作旨在促进太空制造。

这项历时多年的努力旨在了解月球表面焊接的物理过程，例如研究激光束焊接在真空和低重力环境下的效果。目标是提高太空制造能力，以便在月球上组装大型结构或进行维修，这将为人类下一次将宇航员送往火星及更远的地方的巨大飞跃提供参考。

“长期以来，我们一直使用紧固件、铆钉或其他机械手段来固定我们在太空中组装的结构，”马歇尔材料科学家安德鲁·奥康纳 (Andrew O'Connor) 说道，他正在帮助协调合作努力，也是 NASA 该项目的技术负责人。“但我们开始意识到，如果我们真的想要坚固的接头，并且如果我们希望结构在月球表面组装时保持在一起，我们可能需要太空焊接。”在太空中焊接结构的能力还将消除运输铆钉和其他材料的需要，从而减少太空旅行的有效载荷。这意味着要了解焊接在太空中的表现。

为了将努力变为现实，研究人员正在收集模拟太空条件下焊接的数据，例如真空下的温度和热传递；激光束下熔融区域的大小和形状；焊缝横截面凝固后的样子；以及在模拟月球表面的环境条件下进行焊接时机械性能的变化。

“一旦离开地球，测试焊接效果就变得更加困难，因此我们利用实验和计算机模型来预测太空中的焊接情况，尽管我们还在地面上，”奥康纳说。

2024 年 8 月，俄亥俄州立大学焊接工程和多学科顶点项目以及马歇尔材料与工艺实验室的联合团队在一架模拟失重的商用飞机上进行了高功率光纤激光束焊接。飞机进行了抛物线飞行机动，从平飞开始，拉高至 8,000 英尺的高度，并在抛物线弧的顶部推倒，导致乘客和实验人员大约 20 秒的失重。

在这种失重环境中漂浮时，团队成员在类似于低地球轨道和月球重力的模拟环境中进行了激光焊接实验。对测试期间传感器网络收集的数据进行分析将有助于研究人员了解太空环境对焊接过程和焊接材料的影响。

俄亥俄州立大学焊接工程专业学生威尔·麦考利说：“在飞行期间，我们在微重力和月球重力条件下成功完成了 70 个焊接中的 69 个，实现了完全成功的飞行。”

这项工作由马歇尔提供部分资金，历时两年多，参与人员包括俄亥俄州立大学的本科生、研究生和教授，以及来自 NASA 多个中心的工程师。马歇尔的人员与大学团队一起接受培训，学习如何操作飞行硬件并分享以前抛物线飞行实验的宝贵经验。位于弗吉尼亚州汉普顿的 NASA 兰利研究中心开发了一个便携式真空室来支持测试工作。

美国宇航局上一次在太空中进行焊接是在1973 年的天空实验室任务期间。此后，还使用低功率激光进行了其他抛物线测试。发展太空经济需要实用的焊接和连接方法以及相关工艺，包括增材制造。这些工艺将重新利用和修复关键的太空基础设施，并可能建造太大而无法容纳当前发射有效载荷的结构。太空焊接可以加快在低地球轨道上建造大型栖息地、确保宇航员在未来任务中安全的航天器结构等。

这项研究还有助于了解激光束焊接在地球上是如何发生的。工业界可以使用数据来指导焊接过程，这对从汽车、冰箱到摩天大楼等一系列制成品都至关重要。

“我们对激光焊接感到非常兴奋，因为它让我们能够在不同的环境中灵活地操作，”奥康纳说。

此项工作由美国宇航局马歇尔研究与发展基金、该机构科学任务理事会生物和物理科学部以及美国宇航局空间技术任务理事会（包括美国宇航局飞行机会）赞助。