Размеры головных обтекателей ракет ограничивают масштабы развертывания космических объектов человечеством — космическую солнечную электростанцию стометрового масштаба или километровую антенну для глубокого космоса невозможно целиком поместить ни в одну существующую ракету-носитель. Шэньянский институт автоматизации Китайской академии наук (CAS) предложил прорывное решение, направленное на саму суть: не изготавливать перед запуском, а «производить на месте» на орбите. Недавно институт успешно разработал интегрированную технологию пултрузии трубчатых элементов из композитного материала углеродное волокно/полиэфирэфиркетон (CF/PEEK) и лазерной трансмиссионной сварки. Соответствующие результаты были опубликованы в международном авторитетном журнале Space: Science & Technology, что обеспечило легкую, высокопрочную и высоконадежную технологическую основу для автоматизированного орбитального строительства километровых сверхкрупных космических сооружений.

Складной запуск достиг физического предела

В настоящее время крупные космические сооружения используют традиционную модель «наземное изготовление + складывание + запуск ракетой + развертывание в космосе», которая, ограниченная размерами головного обтекателя ракеты и условиями перегрузок при запуске, уже не может удовлетворить потребности развертывания сверхкрупных космических сооружений стометрового масштаба и выше. Технология орбитального строительства — то есть непосредственное изготовление компонентов и их сборка в космической среде — стала ключевым направлением развития для следующего поколения высокотехнологичного космического оборудования.

Орбитальное строительство сталкивается с двумя основными техническими проблемами: во-первых, как эффективно производить высокопроизводительные структурные элементы в космической среде, и во-вторых, как обеспечить прочное и надежное соединение между компонентами. Команда Шэньянского института автоматизации CAS предложила «интегрированную технологическую схему изготовления и соединения композитных материалов CF/PEEK», которая точно нацелена на эти два узких места и предлагает полное решение от материалов до процессов.

Интеграция пултрузии CF/PEEK и лазерной трансмиссионной сварки

Изготовление структурных элементов: «Космический трубный завод» непрерывной пултрузии

Команда выбрала в качестве основного сырья термопластичную препреговую ленту из углеродного волокна/полиэфирэфиркетона (CF/PEEK) и изготовила полые трубчатые компоненты методом непрерывной пултрузии. CF/PEEK — это высокопроизводительный термопластичный композитный материал, в котором углеродное волокно обеспечивает чрезвычайно высокую удельную прочность и жесткость, а матрица PEEK придает материалу отличную устойчивость к радиации, высоким температурам, вакуумной дегазации и другим экстремальным условиям космической среды.

Исследователи систематически изучили влияние температуры формования и скорости пултрузии на механические свойства готовых изделий и в итоге определили оптимальные технологические параметры. Изготовленные по этой технологии композитные трубчатые детали обладают чрезвычайно высокой удельной прочностью, высокой структурной жесткостью и отличной устойчивостью к экстремальным условиям космической среды, полностью удовлетворяя строгим стандартам длительной стабильной эксплуатации космических аппаратов на орбите.

Надежное соединение компонентов: 3D-печатные соединители и лазерная трансмиссионная сварка

На уровне технологии соединения команда вышла за рамки традиционного мышления, инновационно применив 3D-печатные специальные соединители из высокопрозрачного PEEK в сочетании с отработанным процессом лазерной трансмиссионной сварки для достижения высокоточного и высокопрочного интегрированного соединения между трубчатыми деталями и соединителями.

Лазерная трансмиссионная сварка относится к бесконтактной обработке; после формирования сварного шва нагрузка распределяется равномерно, а эффективность работы высока. По сравнению с ранее часто используемыми в космической отрасли методами склеивания (склонного к старению и разрушению в долгосрочной космической среде) и механического крепления (большой собственный вес, недостаточная общая структурная стабильность), новая технология полностью устраняет эти недостатки. Структура сварного шва прочна и стабильна, а все эксплуатационные показатели могут удовлетворить требованиям длительной несущей нагрузки крупных космических конструкций.

Верификация полного технологического процесса на прототипе параболической антенной фермы

Для проверки инженерной применимости всей технологии команда успешно завершила полный цикл интегрированного изготовления масштабного прототипа фермы параболической антенны. От подготовки сырья из композитных материалов, интегрированного формования компонентов до точной сварки, сборки и общей структурной сборки — был обеспечен плавный и бесперебойный ход всего процесса, что на практике подтвердило полную пригодность данной технологии для реальных сценариев автоматизированного орбитального строительства в космосе.

Космические производственные ресурсы и земные редкие металлы

Этот прорыв в технологии орбитального строительства имеет явную связь с глубинной логикой горнорудной и металлургической промышленности — ключевым сырьем для высокопроизводительных композитных материалов являются редкие металлы земного происхождения, а возможности орбитального производства откроют дверь для использования внеземных минеральных ресурсов на месте.

Углеродное волокно в композитном материале CF/PEEK, чье основное сырье — полиакрилонитрил (PAN) — поступает из нефтехимической цепочки; а производство смолы PEEK зависит от ароматических соединений, таких как дифениловый эфир, катализаторы синтеза которых — никель, кобальт, палладий и другие металлы платиновой группы — поступают из систем горной добычи, обогащения, плавки и переработки. Это означает, что каждое усовершенствование возможностей орбитального производства будет предъявлять более высокие требования к уровню очистки и композитной обработки высокофункциональных материалов на Земле, стимулируя непрерывный прорыв в технологиях подготовки соответствующих металлических материалов.

Более глубокое значение заключается в том, что логика верификации данной технологии орбитального изготовления может быть полностью распространена на использование минеральных ресурсов глубокого космоса на месте. Луна, астероиды и другие внеземные тела богаты титаном, железом, кремнием, металлами платиновой группы и другими ресурсами. В будущем интегрированная технология изготовления пултрузией CF/PEEK и лазерной трансмиссионной сваркой может быть глубоко сопряжена с системами добычи и переработки внеземных полезных ископаемых — то есть на поверхности Луны или астероида выполнять обогащение и извлечение минералов, а затем, используя 3D-печатные узлы из CF/PEEK и пултрузионные стержни, изготавливать на месте ключевые объекты, такие как ферменные опоры и антенны связи для глубококосмических баз. Это позволит достичь в физическом пространстве глубокой синергии «изготовления в космосе, добычи материалов за пределами Земли», полностью устранив зависимость от цепочек поставок с Земли и открыв новую эру промышленного использования внеземных ресурсов.

От космических солнечных электростанций до исследования глубокого космоса

Основные направления применения интегрированной технологии орбитального строительства из CF/PEEK охватывают три сценария:

Космические солнечные электростанции: космические солнечные электростанции, способные достигать километрового масштаба, являются окончательным решением чистой энергии в эпоху углеродной нейтральности, и их огромные ферменные опорные конструкции остро нуждаются в возможностях интегрированного орбитального изготовления и сборки.

Сверхбольшие антенны для исследования глубокого космоса: требования к диаметру антенн для исследования глубокого космоса постоянно растут, но, ограниченные размерами ракет-носителей, традиционные технологии уже достигли своего потолка; орбитальное изготовление является ключевым путем для достижения этой цели.

Орбитальные сервисные платформы и расширение космических станций: долгосрочные пилотируемые космические полеты и коммерческое орбитальное обслуживание требуют гибких строительных возможностей для поддержки орбитальной модернизации и расширения модулей, манипуляторов и солнечных батарей.

22 мая 2026 года Академия наук Китая и Шэньянский институт автоматизации одновременно опубликовали сообщение, подтвердив, что данная технологическая разработка была опубликована в академическом журнале и завершено создание наземного верификационного прототипа. По мере постоянной оптимизации и созревания новой интегрированной технологии изготовления и соединения композитных материалов CF/PEEK в будущем будут устранены технологические барьеры для орбитального строительства сверхкрупных космических объектов, что заложит прочную технологическую основу для передовых космических проектов, таких как исследование глубокого космоса и освоение космической энергии.