韦恩·史密斯
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和位于哥伦布的俄亥俄州立大学之间的激光束焊接合作旨在刺激太空制造。
美国宇航局马歇尔太空飞行中心的科学家和工程师在八月份参加激光束焊接研究，站在用于测试的抛物面平面前。左起：威尔·埃文斯、路易丝·利特尔、艾玛·杰恩斯、安德鲁·奥康纳和杰弗里·索沃兹。未上图：扎卡里·考特赖特。
Casey Coughlin/Starlab-乔治华盛顿卡弗科学园
这项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减重力环境下的效果。其目标是提高太空制造能力，以组装大型结构或在月球上进行维修，这将为人类将 宇航员送往火星 及其他地方的下一个巨大飞跃提供信息。
“很长一段时间以来，我们一直使用紧固件、铆钉或其他机械手段来保持我们在太空中组装在一起的结构，”马歇尔材料科学家安德鲁·奥康纳（Andrew O'Connor）说，他正在帮助协调合作工作，并且是 NASA 的技术人员。领导该项目。“但我们开始意识到，如果我们真的想要牢固的接头，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也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。
为了将这一努力变为现实，研究人员正在收集模拟空间条件下的焊接数据，例如真空中的温度和传热；激光束下熔化区域的大小和形状；焊缝凝固后横截面的外观如何；以及在模拟月球表面的环境条件下进行的焊接的机械性能如何变化。
“一旦离开地球，测试焊接性能就变得更加困难，因此我们正在利用实验和计算机建模来预测太空中的焊接，而我们仍在地面上，”奥康纳说。
2024 年 8 月，来自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重力降低的商用飞机上进行了高功率光纤激光束焊接。飞机执行抛物线飞行机动，从水平飞行开始，拉升至 8,000 英尺的高度，然后在抛物线弧的顶部推过，导致乘客和实验的重力降低约 20 秒。
当漂浮在这种失重环境中时，团队成员在类似于近地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。
NASA 马歇尔工程师和科学家与俄亥俄州立大学的合作者在波音 727 抛物线飞行期间监测真空室内的激光束焊接。左起：马歇尔材料科学家兼 NASA 项目技术负责人安德鲁·奥康纳 (Andrew O'Connor)；Louise Littles，马歇尔材料科学家；和亚伦·布里默 (Aaron Brimmer)，俄勒冈州立大学研究生。
塔莎·迪克森/零重力
俄亥俄州立大学焊接工程系学生威尔·麦考利 (Will McAuley) 表示：“在飞行过程中，我们在微重力和月球重力条件下成功完成了 70 处焊接中的 69 处，实现了一次完全成功的飞行活动。”
这项工作由马歇尔部分资助，历时两年多，涉及俄亥俄州立大学的本科生、研究生和教授，以及美国宇航局多个中心的工程师。马歇尔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之前抛物线飞行实验的宝贵经验。美国宇航局位于弗吉尼亚州汉普顿的兰利研究中心开发了一种便携式真空室来支持测试工作。
NASA 上次在太空进行焊接是在1973 年的天空实验室任务期间。此后又使用低功率激光器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。这些过程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适应当前发射有效载荷量的结构。太空焊接可以加快在近地轨道建造大型栖息地、保障宇航员在未来任务中安全的航天器结构等。
这项工作还与了解激光束焊接在地球上如何发生有关。各行业可以利用数据来指导焊接工艺，这对于从汽车、冰箱到摩天大楼等一系列制成品至关重要。
