太空探索需要增材制造的6個(gè)原因

導(dǎo)讀：隨著科技的不斷進(jìn)步，人類與太空的關(guān)系同樣發(fā)生了巨大變化。太空探索——曾經(jīng)遙不可及的領(lǐng)域，已經(jīng)成為當(dāng)下的熱門研究話題，并且關(guān)系到科技、工業(yè)、醫(yī)學(xué)甚至旅游業(yè)的方方面面。

航天事業(yè)的蓬勃發(fā)展隨之帶來(lái)的是對(duì)更多衛(wèi)星的需求、越來(lái)越頻繁的太空任務(wù)、甚至未來(lái)月球基地的建立，這也為制造業(yè)帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)。增材制造（AM）可能不是所有這些挑戰(zhàn)的答案，但這項(xiàng)技術(shù)有很大的機(jī)會(huì)來(lái)幫助解決太空建設(shè)方面的需求。

本期南極熊文章分析了3D打印在太空旅行、研究和移民等空間應(yīng)用上“大有可為”的6個(gè)方向，它們當(dāng)中的有些可能會(huì)在未來(lái)亮相，有些現(xiàn)在就已經(jīng)發(fā)生。

1. 將運(yùn)載工具送入太空

隨著太空飛行從一次性任務(wù)轉(zhuǎn)向可重復(fù)應(yīng)用，能夠循環(huán)使用和更有效的運(yùn)載工具開發(fā)是必要的。此外，航天器發(fā)射的頻率和數(shù)量預(yù)計(jì)將繼續(xù)增長(zhǎng)。根據(jù)發(fā)言人Mike Curtis-Rouse（衛(wèi)星應(yīng)用中心的負(fù)責(zé)人）的說(shuō)法，十年前全球只有12家發(fā)射公司，而今天有超過(guò)320家。這些公司和空間機(jī)構(gòu)正越來(lái)越多地將推進(jìn)器和發(fā)動(dòng)機(jī)等復(fù)雜部件的生產(chǎn)轉(zhuǎn)向增材制造，因?yàn)?D打印可以幫助減輕部件重量并提高性能。

LIA航空航天公司的首席執(zhí)行官DanEtenberg介紹了他的公司是如何憑借增材制造技術(shù)創(chuàng)造出包含再生冷卻功能的下一代火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的。他說(shuō)，金屬3D打印允許在縮小的空間內(nèi)以緊湊的方式建造，除了減輕重量和提高燃料效率外，還能減少占地面積。

△像這個(gè)由Masten空間系統(tǒng)公司設(shè)計(jì)的燃燒室可以通過(guò)3D打印來(lái)減輕重量，并利用先進(jìn)的材料--這里是一種金屬基復(fù)合材料。

2. 制造在太空中使用的設(shè)備

衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)、軌道飛行器、漫游車等等都可以從增材制造中受益，而且這些設(shè)備的數(shù)量只會(huì)越來(lái)越多。Curtis-Rouse推測(cè)，在未來(lái)十年內(nèi)，將有三到四個(gè)商業(yè)空間站加入國(guó)際空間站的軌道，并指出總部設(shè)在英國(guó)的空間能源協(xié)議公司正在努力開始研究一個(gè)軌道太陽(yáng)能發(fā)電廠，該發(fā)電廠將以微波形式向地球發(fā)送能量。3D打印部件已經(jīng)存在于火星上的毅力號(hào)探測(cè)器和各種衛(wèi)星等系統(tǒng)中，在看到增材制造可以提供復(fù)雜的幾何形狀或克服更大的制造挑戰(zhàn)后，預(yù)計(jì)會(huì)有更多的部件轉(zhuǎn)向AM。增材制造材料的特殊特性，如靜電消散（ESD）特性和耐熱特性，對(duì)這些項(xiàng)目也很重要。

△美國(guó)宇航局的獵戶座航天器，衛(wèi)星、太陽(yáng)能工廠和上圖展示的獵戶座飛船一類的交通工具將受益于增材制造部件。圖片來(lái)源：美國(guó)國(guó)家航空航天局

3. 生產(chǎn)零部件

美國(guó)宇航局科技辦公室副主任、主要發(fā)言人R.G Clinton描述了目前通過(guò)備件維護(hù)國(guó)際空間站所面臨的挑戰(zhàn)：在任何時(shí)候，國(guó)際空間站和地球上都儲(chǔ)存有成千上萬(wàn)的備件，但只有一小部分被使用過(guò)。在太空中使用3D打印作為一種制造能力將有助于緩解備件帶來(lái)的供應(yīng)鏈和庫(kù)存挑戰(zhàn)，宇航員可以在原地打印這些部件可以減少浪費(fèi)并簡(jiǎn)化物流。

“太空制造”成功地展示了在太空中用零重力打印機(jī)進(jìn)行聚合物的3D打印，這是2014年在國(guó)際空間站上擠壓式3D打印機(jī)的使用案例。最近的項(xiàng)目集中于其他材料的3D打印，如陶瓷和金屬，甚至使用結(jié)合3D打印和數(shù)控加工的混合系統(tǒng)。能夠在太空中3D打印工具、替換零件等，將是實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)時(shí)間的太空任務(wù)和進(jìn)一步探索的關(guān)鍵。

△圖中顯示的棘輪扳手是2014年在國(guó)際空間站上根據(jù)從地球發(fā)送的設(shè)計(jì)文件3D打印的，其他工具和備件將來(lái)也可以在太空中制造。圖片來(lái)源：美國(guó)國(guó)家航空航天局

4. 為地球制造產(chǎn)品

增材制造另一個(gè)令人信服的潛力是它可以進(jìn)行在軌制造（IOM），以制造今天在地球上難以或無(wú)法制造的物品。Curtis-Rouse描述了為海底電纜生產(chǎn)光纖的挑戰(zhàn)：雖然在地球上可以生產(chǎn)這些光纖，但它們的長(zhǎng)度是有限的，而且冷卻速度會(huì)產(chǎn)生氣泡，從而帶來(lái)延遲。當(dāng)在微重力下生產(chǎn)時(shí)，光學(xué)器件幾乎是半透明的，可以很容易地使其變長(zhǎng)。其他行業(yè)，如半導(dǎo)體和藥品，也可以從微重力下的生產(chǎn)中受益。掌握微重力下3D打印的力學(xué)原理，可以擴(kuò)大增材制造的能力，使其用于這些應(yīng)用。此外，存在3D打印技術(shù)本身的某些固有缺陷，如對(duì)支撐結(jié)構(gòu)的需求，甚至可能通過(guò)在外太空軌道上打印而得到解決。

5. 建造棲息地和基礎(chǔ)設(shè)施

地外設(shè)施的建設(shè)是一個(gè)不可忽視的方向，NASA的Artemis計(jì)劃是在月球表面建立一個(gè)基地，其中除了棲息地和后來(lái)的生產(chǎn)設(shè)施，如溫室、煉油廠和發(fā)電廠，還包括發(fā)射臺(tái)和道路等基礎(chǔ)設(shè)施，而3D打印將是完成這些建筑藍(lán)圖不可或缺的重要一部分。由于將建筑材料運(yùn)送到太空的成本很高，從月球到火星的行星自主建造技術(shù)或MMPACT項(xiàng)目（克林頓是該項(xiàng)目的主要研究者）正在探索使用月球的泥灰作為建筑材料，結(jié)合來(lái)自地球的粘合劑，對(duì)這些結(jié)構(gòu)進(jìn)行3D打印。使用這種原料的機(jī)器人3D打印系統(tǒng)將允許在月球表面自主建造，不會(huì)產(chǎn)生浪費(fèi)，并實(shí)現(xiàn)了就地取材。

△MMPACT項(xiàng)目的合作伙伴之一ICON公司展示的月球上3D打印棲息地的概念圖。圖片來(lái)源：ICON

6. 裝備棲息地

正如克林頓描述的那樣，MMPACT項(xiàng)目還在探索3D打印制造月球裝備，甚至“把房子變成家園"的可能性。在月球上或其他地方建造的棲息地、溫室、實(shí)驗(yàn)室和其他結(jié)構(gòu)將不僅僅是有墻壁、地板和屋頂就夠了。還需要額外的物品，如家具、工具、傳感器和實(shí)驗(yàn)室設(shè)備，以使這些結(jié)構(gòu)具有功能性和宜居性。與其從地球上運(yùn)輸椅子、氧氣傳感器和工作臺(tái)等物品，不如應(yīng)用3D打印技術(shù)在現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)這些物品，甚至可能使用月球巖石或從退役運(yùn)載火箭或其他設(shè)備回收的材料。