3-15、NASA基因工程计划研究及对我国宇航基因工程建设的启示

高鸿^1*, 沈自才²，丁明明³

1.中国空间技术研究院，2.北京卫星环境工程研究所，北京100081，

3.中国科学院长春应用化学研究所，长春130022

摘要：

1 引言

“材料基因工程”（MGE）是通过高通量原理计算、结合材料可靠试验数据，用理论模拟去尝试尽可能多的真实或未知材料，建立其化学组份、晶体结构和各种物性数据库，并利用计算机数据处理方法，通过数据挖掘技术探寻材料结构和性能之间的构效关系模式，为材料设计提供更多的信息，拓宽材料筛选范围，预知材料各项性能，进而达到缩短材料性质优化和测试周期，加速材料研究创新。

随着我国航天事业快速发展，航天器逐步从单功能、单星服务、短期任务向星座集成、多功能平台、深空探测、大载荷功率等更为复杂化、集成化、多元化的趋势发展，同时，航天器平台、载荷产品向高承载、大功率、长寿命技术发展。作为航天器最基本的元素，宇航材料将面临多功能一体化、复合结构、高精度、低维材料发展需求。新材料、新功能、新用途、多品种综合需求，促使航天器材料形成快速选用、快速验证、快速应用的工程模式。然而，面临空间长寿命服役带来的大温度冲击、高能射线累积效应，中低轨道原子氧侵蚀等恶劣的空间环境，如何避免服务于航天器的材料在空间特殊服役环境、长寿命累计效应作用下发生失效而带来型号任务的失败，已成为工程材料开发、产品设计验证、工艺方法优化、地面模拟实验等各环节研究的技术核心。文章提出基于材料基因工程理论，探讨在宇航新材料应用中识别预失效模式与失效边界应用设想，以期将科学理论与宇航工程应用紧密结合，探索宇航先进材料短周期开发，快速应用，可靠性服役的新思路。

2、美国国家航空航天局（NASA）材料基因工程计划解析

为迎接未来航天器任务发展需求，NASA提出发展新材料及其制备方法以满足未来航天任务在任务难度和任务量方面的庞大需求。特别是要缩短在新材料研发和应用可靠性验证时间周期和测试确认成本，以满足在短期内研发和应用成熟度要求，NASA提出发展计算材料（computational materials tools），以提升对材料性能的理解以及缩短选用验证过程。NASA 材料基因组计划（GMI）是作为美国国家材料基因工程的一个组成部分，由NASA  Langley research center（LRC）负责，并与先进材料制备和加工机构联合共同开展的宇航材料基因组计划。目前其主要任务是发展计算材料工具，降低成本和周期，以带动宇航材料先进制造技术发展，例如增材制造等。NASA MGI涵盖了计算、试验、工艺方法理论集成，以加速探索先进材料以满足宇航领域独特的工程需求。其主要工作涉及有效的设计工具，设计需求，材料快速成熟制造工艺。2018年NASA发布“材料及体系多尺度模拟和仿真计算集成发展路径（2040版）”，将NASA基因工程项目向跨尺度仿真计算与模拟领域发展，并进一步提出瞄准未来20年发展，在计算模型和理论、多尺度测试标准工具和方法、优化和优化方法、决策与不确定度量化、验证与确认、数据信息与可视化、工作流程与框架、教育培训、计算基础设施等9个因素提出具体发展路径。NASA期望通过中、远期规划，将上述9个因素从独立发展逐步形成集合式发展模式，最终实现2040跨尺度计算仿真在宇航材料制备领域的应用技术。

3、我国未来航天器材料体系发展与基因工程应用设想

为满足我国未来航天器工程研制需求，宇航材料需要建立快速研发、短期验证、优化工艺过程等多维度、多尺度方向综合发展，以便缩短航天器用先进材料研制周期，降低研制成本，提高验证有效性和减少试验量，我国航天器新材料研究需要由“经验指导实验”向“理论预测、实验验证”的新研究模式转变。变革传统离散型、经验试错的研究与选用模式，利用基因工程构建材料基础理论与工程应用关系，开展航天器新材料服役应用评价和失效机理预测研究工作。报告从航天器失效案例解析出发，立足航天器材料在应用的具体问题，提出材料基因工程应用设想。对比NASA在基因工程研究以及结构材料数据库建设与服务的成果，提出未来我国航天器用材料大数据建设设想和跨尺度仿真计算应用需求。

4、总结与展望

在中国制造2025战略发展的牵引下，宇航材料制造将从分散制造、试错循环、长期成熟周期（20年）的发展模式转变到快速研究、高精度工艺控制、快速应用验证与确认的发展模式，利用材料基因工程技术与我国航天空间服役环境工程特点有效结合，构建涵盖数据库建设、评价体系建设、仿真计算科学等多学科兼容的综合技术，形成新的宇航材料发展体系，为未来我国航天器在材料设计与应用、试验验证与质量控制、失效风险预判与识别等领域起到精准设计、高效应用、提前预判的综合能力。

关键词：NASA；航天器；材料；基因工程

通讯作者：高鸿，电话：010-68116476，Email: gaohong_cast@sina.com

DOI:10.12110/secondfmge.20181014.315