當(dāng)3D打印遇上太空制造

近日，Made In Space公司贏得了美國(guó)國(guó)家航空航天局的新合同，將為其開(kāi)發(fā)可在太空混合3D打印的新系統(tǒng)。早在2014年，世界上首臺(tái)太空3D打印機(jī)就在國(guó)際空間站安裝成功，先后打印出一系列太空專用零部件，揭開(kāi)了人類“太空制造”的新時(shí)代。

　　美國(guó)國(guó)際空間站（來(lái)源：中新網(wǎng)）

轟隆隆的太空零件廠
接收到電子郵件中的設(shè)計(jì)圖紙，選擇打印按鈕，一個(gè)太空扳手就在航天員的注視下應(yīng)運(yùn)而生。這不是科幻大片中的場(chǎng)景，而是太空3D打印機(jī)在零重力環(huán)境下完成的零件制造“處女秀”。

與傳統(tǒng)打印機(jī)的理念相一致，3D打印就是以模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬和塑料等可粘合材料，通過(guò)逐層打印來(lái)構(gòu)造物體的快速成型技術(shù)，目前已經(jīng)在工業(yè)設(shè)計(jì)、建設(shè)施工、醫(yī)療產(chǎn)業(yè)等領(lǐng)域得到了重點(diǎn)應(yīng)用。在人類探索太空的過(guò)程中，設(shè)備和材料的地面補(bǔ)給早已是完成太空任務(wù)公認(rèn)的“瓶頸”。將3D打印機(jī)搬上太空，實(shí)現(xiàn)太空用零部件的“自給自足”這一想法應(yīng)運(yùn)而生。

眾所周知，空間航天器的大小主要受限于運(yùn)載器的大小，利用太空3D打印就可搭建太空零件制造廠，實(shí)現(xiàn)太空設(shè)備的太空制造。目前，人們已經(jīng)開(kāi)始設(shè)計(jì)太空制造系統(tǒng)，將在太空中直接打印出天線、電池板等零部件和工作生活的必需品。美國(guó)國(guó)家航空航天局噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的正在研制標(biāo)準(zhǔn)的太空3D打印工序，可以通過(guò)新技術(shù)兼容不同金屬原料，制造出更能適應(yīng)太空應(yīng)用環(huán)境的零部件。

未來(lái)，美國(guó)國(guó)家航空航天局的目標(biāo)是在太空中直接3D打印出整枚衛(wèi)星，經(jīng)由“太空零件廠”生產(chǎn)組裝后直接投放到運(yùn)行軌道。此外，美國(guó)國(guó)家航空航天局聯(lián)合美國(guó)制造公司，開(kāi)展了3D打印火星棲息地競(jìng)賽活動(dòng)，歐洲航天局也開(kāi)始探索利用3D打印技術(shù)在未來(lái)建造月球基地。太空3D打印將對(duì)人類太空探索事業(yè)的供給和支持方式帶來(lái)巨大變革，也為空間飛行提供更加寬廣的平臺(tái)。

令人癡迷的全能制造師

曾幾何時(shí)，匯聚著人類智慧的哈勃太空望遠(yuǎn)鏡發(fā)射升空后，由于鏡面制造出現(xiàn)微小誤差，哈勃望遠(yuǎn)鏡由“遠(yuǎn)視眼”搖身一變成了“近視眼”。在當(dāng)時(shí)的航天技術(shù)條件限制下，人們所能想到的方案就是再進(jìn)行一次航天飛機(jī)發(fā)射，為哈勃望遠(yuǎn)鏡安裝“近視鏡”。整個(gè)修復(fù)過(guò)程需要完成地面制造、空地運(yùn)輸和空間裝配，稍有不慎就可能使之前的努力功虧一簣。

哈勃太空望遠(yuǎn)鏡 （來(lái)源：中國(guó)網(wǎng)）

如今，有了太空3D打印技術(shù)，就可以將奇形怪狀、功能各異的零部件直接在外太空完成打印。太空3D打印的意義還遠(yuǎn)不止于此，現(xiàn)代人們講究“輕裝出行”，太空飛行也不例外。攜帶一臺(tái)3D打印機(jī)進(jìn)入太空，就可以省去攜帶數(shù)以萬(wàn)計(jì)的各種零部件的巨大麻煩，只需攜帶幾公斤的3D打印耗材就足夠了。同時(shí)，太空3D打印還可省掉航天器在發(fā)射過(guò)程中對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的苛刻要求，太空打印出來(lái)的零部件將比發(fā)射升空的更加瘦身，從而實(shí)現(xiàn)更大的經(jīng)濟(jì)效益。

目前，3D打印技術(shù)在航空航天領(lǐng)域已體現(xiàn)出極強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值和發(fā)展?jié)摿�，不僅縮短了航天產(chǎn)品的生產(chǎn)周期，降低了成本，更進(jìn)一步提高了產(chǎn)品性能。作為一種全新的生產(chǎn)方式，太空3D打印制造的產(chǎn)品可以勝任一些傳統(tǒng)制造工藝難以完成的工作。尤其是諸如某個(gè)部件一側(cè)需要耐受高溫，另一側(cè)需要具備較高的強(qiáng)度等高難度要求，3D打印更可以大顯身手。

太空3D打印更加神奇之處，是可以將太空廢物“化腐朽為神奇”，一旦太空中制造的產(chǎn)品出現(xiàn)損壞，只需要將其融化成原材料就可再次重復(fù)利用。未來(lái)，太空3D打印還可利用地球軌道上的報(bào)廢衛(wèi)星甚至是直接到一些行星上就地取材進(jìn)行太空制造，真是當(dāng)之無(wú)愧的太空制造師。

大顯神威助力空天飛行

太空3D打印技術(shù)不僅省時(shí)省力省經(jīng)費(fèi)，更可大幅度降低太空飛行對(duì)地面的依賴程度。相比于半年一次的太空補(bǔ)給，3D打印只需數(shù)小時(shí)就可以生產(chǎn)出需要更換的零部件。未來(lái)有了太空3D打印機(jī)，就可以在失重環(huán)境下自制所需的各類實(shí)驗(yàn)和維修工具以及零部件，將大幅度提升空間站實(shí)驗(yàn)的靈活性和維修的及時(shí)性，同時(shí)有效減少空間站各類零件備件的種類和數(shù)量，降低空間站對(duì)地面系統(tǒng)的依賴，從而為人類開(kāi)展星球探索提供新的動(dòng)力和希望。

未來(lái)，太空3D打印技術(shù)除可用于在軌制造航天零部件外，還將與機(jī)器人系統(tǒng)有機(jī)組合。美國(guó)研制的智能蜘蛛機(jī)器人SpiderFab將直接在太空中通過(guò)3D技術(shù)打印和組裝太空飛船的組件甚至是衛(wèi)星，并可在太空中制造出數(shù)公里長(zhǎng)的金屬框架。美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局開(kāi)展的“鳳凰”研究項(xiàng)目，旨在通過(guò)拆解老舊衛(wèi)星的部件來(lái)清理各種空間垃圾，并用老舊衛(wèi)星的零部件重新組裝成一個(gè)全新的空間設(shè)備，太空3D打印為此提供了一個(gè)重要的技術(shù)方案。

事實(shí)上，太空3D打印不僅可以打印各類元器件，也可以打印美食。利用太空3D打印機(jī)可以將各類可食用原材料打印成滿足航天員需求的各類營(yíng)養(yǎng)套餐。目前，美國(guó)軍方已經(jīng)宣稱會(huì)根據(jù)航天員身體情況提供“定制化營(yíng)養(yǎng)”服務(wù)，并將通過(guò)3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)這一想法。未來(lái)，在天空中辛勤奔忙的航天員就可以通過(guò)可穿戴裝置來(lái)檢測(cè)他們的生理或營(yíng)養(yǎng)狀況，并配制出定制化的太空飲食。

來(lái)源：科普中國(guó)-軍事科技前沿