转自：中国科学报

今年1月，中国科学院力学研究所（以下简称力学所）微重力实验室里气氛紧张，就在几天前，他们自主研发的金属增材制造载荷，在力鸿一号探空火箭创造的数分钟微重力环境中，完成了一次关键测试；月末，实验室对外公布“中国完成首次太空金属3D打印”。三个月后，在力箭二号搭载的轻舟试验飞船上，成功实现了600公里高空的太空金属3D打印技术演示验证。

作为实验室党支部书记、副主任的姜恒，切身体会了这一过程中的焦灼、兴奋与兴奋后的冷静：“看到数据那一刻特别兴奋，但马上就开始想下一步怎么改进。做科研就是这样，兴奋一会儿就够了，后面还有好多事要做。”

过去二十多年里，姜恒团队做了很多事。他们的研究内容从深海声学超材料研制，拓展到如今的太空金属增材制造，但他们不认为这是“跨界”，从力学角度两个方向有相似之处，自己的工作是“摸边”——摸索极限的边界。

从“深海”拓展到“深空”

姜恒的科研起点，在深海。

他在哈尔滨工程大学完成了本科和硕士学习，这是一所以水声工程、船舶与海洋工程领域见长的高校。2007年，正在哈尔滨工程大学读博士的姜恒，以联合培养博士生的身份进入力学所学习，后又开展博士后研究。

与导师商量后，姜恒决定将他积累的水下材料专长与力学结合起来，研究“声学超材料”。所谓“超材料”，是通过精密的结构设计，在不改变材料属性的同时，实现常规材料不具备的物理功能。水下声学超材料的应用场景大多在深海，那里有着极端压力，普通的声学材料结构根本扛不住这样的压力。因此，姜恒必须在材料设计中，兼顾材料的声学性能与力学性能。

博士后出站，姜恒正式加入力学所。随着研究深入，他发现，结构设计得越精巧，制造起来就越困难。很快，传统的铸造、焊接手段，已经造不出他想要的复杂三维镂空结构。

“有没有一种制造技术，可以突破传统工艺的束缚？”他想。

3D打印，是他找到的答案。他先尝试用相对容易的塑料3D打印来验证新设计结构材料的声学与力学性能。鉴于塑料材料不足以应对深海环境，他又将目光转向金属3D打印。

为了精准控制金属3D打印机，姜恒团队花了大量时间研究金属3D打印的过程，包括激光怎么烧、金属怎么熔、熔池怎么流动、凝固怎么发生。慢慢地，原本用来将图纸上的复杂结构变为现实的工具，反倒成了他们的研究对象。

2014年，姜恒无意间看到了一则新闻：美国第一台专为太空微重力环境设计的塑料3D打印机随SpaceX的“龙”货运飞船发射升空并抵达国际空间站。“我们的金属3D打印机能不能上太空？”身处有着航空航天研究传统的研究所，以及国内唯一以微重力科学为主要研究对象的实验室，姜恒不禁想。

这样的想法，让他闯入了全球空间技术竞争的战略高地——太空制造领域，也让他将目光从深海拓展到深空。他发现，深海与深空看似是两个极端，但从力学的角度看，它们的核心课题都是在极端环境下摸索力的平衡。

从那时起，对地面金属3D打印基本了如指掌的他，在心里萌生出一个梦想：“在太空中建一个‘应急修理铺’，让航天员缺什么就能直接造，从‘带家当上天’变成‘在天上造家当’。”

摸索力的平衡点

把研究拓展到太空金属3D打印后，姜恒团队意识到，他们要做的不是把地面设备改小、搬到天上，而是从原理层面出发，先把力的平衡问题研究透彻，再进行设备的设计、制造、完善。

在地面上，因为有重力，金属3D打印机上的金属粉末会“老老实实”地铺在基板上。但在微重力环境下，金属粉会飘，难以控制，金属送丝增材制造技术就成为太空金属3D打印的可选方案，但是在太空微重力环境中，液滴会悬，力的平衡被彻底打破，这一技术也并不好实现。“表面张力、热毛细力、惯性力等在地面可以忽略不计的‘配角’，在太空中都成了会影响结果的‘主角’。”姜恒说。

为了摸索这些力的平衡，他们把目光投向了落塔。那是一座总高度116米的建筑，可以在金属3D打印机坠落的过程中，给他们提供3.6秒的微重力实验时间。

3.6秒，在很多人看来根本做不了姜恒团队想要的研究：“时间太短，根本打不出像样的金属件。”

但他们有信心。“只要物理原理上能走通，问题就不大。”姜恒说，“金属熔点高、凝固快，3.6秒足够凝固一道金属，只要这一道能打出来，就能摸清楚激光功率、送丝速度、行进速度等参数范围和耦合关系。”

他们在落塔里一次次做实验。一次不行，调整参数再做，实验从第1次做到第7次再到第20多次，他们打出的金属从一道直线变成折返的两道直线，从单层变成双层。依据实验结果，他们一点点设计和改进金属3D打印设备，并由此走出一条与国际上不同的路。

“通常大家都是先优化装备，把设备小型化后搬到太空中去，而我们是从原理入手，来设计设备。”姜恒说。

这种“原理先行”的思路，让实验团队在不到两年的时间里完成了从落塔验证到探空火箭载荷技术验证的全流程。今年1月，当那台100多公斤重的金属3D打印载荷随火箭升空，并在微重力环境下成功打出预定结构时，姜恒和他的团队成员们兴奋极了。

做科研就是“摸边”

探空火箭实验成功后，实验团队的兴奋感没有持续太久。

他们从实验数据中发现了一个意料之外的现象。“前几层与预期一致，但到了之后，由于空间环境缺少对流、热累积效应与地面完全不同，凝固行为出现了偏差。”姜恒说。

不过，他们保持着一如既往的乐观，“如果不做实验，我们永远都不知道边界在哪里”。在他们看来，做科研就是不断地“摸边”，“摸到极限的边界，然后朝着边界再走一步”。

下一步，他们想做的是“无容器悬浮打印”，不依赖基板，让金属件在太空中“凭空长出来”。他们不觉得这件事有多“科幻”，“虽然其中涉及的力会更为复杂，但从物理原理上看能走通”。

不过，姜恒也深知，越往前，难度越大，要真正实现这个目标，还要靠团队的力量。姜恒一直在思考如何将大家拧成一股绳：“最难的时候，大家想法多，容易慌。统一思想，才能攻坚克难。”

在团队管理上，他坚持“计划性”，“干事想干成，首先得有规划，再变成计划，最后精确到时间节点，落到任务上”，因此，在项目推进过程中，他会先把目标设定好，在大家都同意之后，按照目标推进，“遇到问题，大家可以一起解决，但目标必须完成”。

如今，身处国际竞争的最前沿，姜恒团队时刻关注着国际最新动态。面对该领域五花八门的新方向，他们坚持的判断标准之一就是“看物理上允不允许”。“如果物理规律允许，这事就有干成的可能。”姜恒说。这些年，他和他的团队就是这么做的，摸索物理的边界，然后寻找解决问题的方案和可能。