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【技术前沿】太空3D打印:路漫漫其修远兮上下而求索

行业资讯 | 2019-06-04 216

俄罗斯航天员在进行太空行走时,成功释放了世界上第一颗由3D打印制作的卫星——“托木斯克-TPU120”。该卫星长30厘米,宽11厘米,高11厘米,将在进入轨道后运行大约半年时间,向地球传送音频通讯和遥测数据。这次成功释放3D打印卫星,意味着人类向在太空制造的目标又迈进了一步。那么,太空3D打印技术有什么优势?是否会成为未来发展的一种趋势呢?


多国争相研制


3D打印诞生于上世纪80年代,如今已从最初科学普及的初级阶段向功能性产品加工生产的应用领域推进,尤其在航天领域得到了深入探索。目前,科研人员已不再局限于在地球上进行3D打印产品,研究如何在太空环境下应用3D打印技术逐步得到了科学界青睐。


2012年6月,为了满足未来航天器对零部件在太空按需制造的要求,美国宇航局首次宣布了利用运载火箭向国际空间站发射3D微重力打印实验设备计划。经过2年多的研制,2014年9月由美国宇航局资助,美国加州太空制造公司设计研制的世界上第一台3D打印机成功运送到国际空间站上。


美国太空制造公司研制的3D打印机正在美国宇航局的热真空室中进行测试


2014年11月25日,美国宇航局在国际空间站上使用3D打印机成功打印出了“太空制造/NASA(美国宇航局)”字样的铭牌。这是人类在太空中的第一份3D打印作品,是在地球以外实现3D打印批量化生产的重要一步。


美国宇航局在国际空间站上利用3D打印机打印出“太空制造/NASA(美国宇航局)”字样的铭牌在美国宇航局将3D打印机送入国际空间站后,世界各航天强国和组织也纷纷开启了太空3D打印的探索之路。


全球第一台商业3D打印机的杰作——太空扳手


2016年1月,欧空局表示,计划在未来15年内,将使用月球土壤作为原料,用3D打印技术在月球打造出3D打印“月球村”。


2016年11月,俄罗斯研究人员也宣布研制出了该国首台太空3D打印机样机,计划在进一步完善后将于2018年送入国际空间站进行测试。


降低对地面补给依赖性


目前,人类发射到太空中的航天器和航天员在国际空间站上所需要的各种设备完全依赖于运载火箭来运送。距离地面越远,向空间站运输设备的时间持续越长,为空间站补给物资就越困难。


据了解,国际空间站等待一次地球补给一般需要半年,而3D打印可以帮助航天员自制所需的零部件,可大幅提高空间站维修的及时性。同时,3D打印可以减少空间站备品备件的种类、数量及运营成本,实现物资的自给自足,降低空间站对地面补给的依赖性。


另外,3D打印还有望实现在太空制造整个航天器,使得设计和制造体积更大、功能更强的航天器成为可能。例如,目前美国宇航局计划建造一个直径不小于12米的太空望远镜(美国宇航局计划在2018年发射的詹姆斯·韦伯太空望远镜的主镜片宽度只有6.5米),但受当前运载火箭大小、运载重量等因素限制,将超大的望远镜送入太空十分困难,而且费用昂贵。


如果直接在太空通过3D打印制造,无论多大的望远镜都不需要被塞到火箭整流罩内,不需要经历火箭发射时严酷的环境考验。同时,配合机器人系统在太空中进行生产和组装,将有望改变科研人员设计、部署和操作太空系统的方式。


诚如太空制造公司董事长安德鲁·拉什所说,“你可以把你的文件存到U盘里拿给我,然后我们可以把它的数字信息发到太空。通过3D打印,我们什么东西都能生产出来,完全用不着运载火箭。如果所需部件体积过于庞大,‘太空制造’会一块一块地分开打印,最后再利用机器人在太空中将其组装成为超大部件。”


未来之路 充满挑战


未来,太空3D打印技术将在空间站运营、深空探测等任务中发挥重要作用。


未来,3D打印设备还将与机器人系统一起,为人类登陆火星,并为制造所需的住所、工具与实验室提供资源,例如,利用行星上的土壤或矿物质建造生存基地,实现星际移民。长期执行空间任务的航天员也可以打印和回收他们所需的工具,以便节省资源。同样,如果将这种技术应用于打印小型飞行器的零部件和结构,将使人类的空间探索活动进入一个崭新的时代。


不过,就目前而言,太空3D打印技术仍面临着巨大的技术挑战。目前实现太空3D打印的材料种类非常有限,随着技术的深入发展和应用需求的不断扩展,适用于空间环境的打印材料的研发和设计逐渐成为后续急需解决的关键问题。


另外,3D打印属于增材制造,精度越高速度越慢,在地面的应用中仍不适合大规模生产,而在太空环境下,材料凝结速度更慢,要想打印规模较大的航天器产品,甚至星球基地更是巨大的挑战。