NASA 2022年的突破與成就：Artemis、3D 打印宇航服和新型金屬合金

導讀：美國宇航局總結2022年是“走出這個世界”的一年。確實如此，這不僅是因為大型月球火箭發(fā)射成功，還得益于大量進入太空的技術、新的商業(yè)合作伙伴關系以及航天局許多項目的進展。就開創(chuàng)性的任務和技術而言，NASA在太空3D打印方面取得了很多成就。以下是NASA在過去一年中取得的主要成就。



為探月做準備
經過多年的延誤和數十億美元的成本超支后，美國宇航局的巨型月球火箭于 2022 年 11 月 16 日搭載無人駕駛的獵戶座宇宙飛船，從Canaveral港升空，到達距離地球 280,000 英里（450,000 公里）的高空。第一個 Artemis 任務使用了四個源自航天飛機的RS-25核心級發(fā)動機，由Aerojet Rocketdyne制造和升級，具有眾多 3D 打印組件，這些組件協(xié)作將發(fā)動機的總體生產成本降低近 35%，同時保證了高性能，高可靠性和安全性。此外， Northrop Grumman 制造的兩個固體火箭助推器) 在飛行的前兩分鐘內提供了飛行器 75% 以上的推力。與 RS-25 發(fā)動機一樣，助推器是對航天飛機項目的傳統(tǒng)部件設計進行的修改，并采用了增材制造，使其與軌道運載器兼容。

有了 Artemis，NASA 最終將把第一位女性和第一位有色人種送上月球，但在任何載人任務登陸月球之前（2025 年左右），該機構還計劃開發(fā)月球表面所需的技術，其中包括原位資源利用(ISRU) 的可用性，以便人類可以使用本地資源。在這一點上，NASA 在2022年通過其年度突破、創(chuàng)新和改變游戲規(guī)則 (BIG) 創(chuàng)意挑戰(zhàn)賽與多所大學合作。期望由學生領導的團隊在月球上設計一條金屬生產管道，包括從月球礦物中提取金屬、用于 AM 的成型材料，以及測試和驗證在月球上使用的3D 打印基礎設施。


△美國宇航局的獵戶座飛船于 11 月 16 日搭載該機構的太空發(fā)射系統(tǒng) (SLS) 火箭發(fā)射升空，這是阿耳忒彌斯 (Artemis) 首次登月任務。圖片由 Lockheed Martin/NASA 提供。

科幻成為現實
NASA 以提高太空探索能力而聞名，它利用全國各地的企業(yè)家、研究人員和創(chuàng)新者來尋找解決方案。從發(fā)射太空任務到展示先進技術，再到支持早期概念的開發(fā)，2022 年的主要成就包括聯延長3D組織芯片的使用壽命，以及提出了定制3D打印宇航服和3D打印游泳微型機器人等未來主義想法。

NASA 與多個機構合作，旨在通過資助九份合同來推進3D組織芯片的發(fā)展，通過合作，以期將組織活力和生理功能延長至至少六個月（目前，3D 組織芯片只能存活約一個月，限制了使用率。通過延長組織活力，研究人員可以測試急性和慢性暴露于藥物、輻射、環(huán)境危害、感染和微重力等因素。該提議最關鍵的方面之一是使人類能夠在深空進行太空飛行。此外，3D 組織芯片可以模擬疾病并幫助個性化藥物的生產。



△2019 賓夕法尼亞大學/費城兒童醫(yī)院的肺骨髓芯片。圖片由美國宇航局提供。

其他未來主義概念包括位于大學城的得克薩斯 A&M 大學獲得的一筆贈款，用于 3D 打印太空服。對于此提案，工程師邦妮·鄧巴 (Bonnie Dunbar) 將評估增材制造作為一種可以幫助快速且經濟高效地制造宇航服的工具。除了 3D 打印，她相信其他技術也可以實現這一目標，例如人體 3D 掃描、自動化3D 服裝制造、數字孿生、計算機輔助設計 (CAD) 和基于模型的工程。

探索計劃
為了推進可持續(xù)航空，NASA 一直在與其合作伙伴和私營部門合作。他們一起開發(fā)和測試新的綠色技術，例如一種名為GRX-810的新型金屬合金，可用于包括飛機和火箭發(fā)動機內部在內的應用。GRX-810 采用 3D 打印工藝開發(fā)，可在整個材料中均勻分散納米級氧化物，可承受超過 2,000 華氏度的溫度，壽命比現有合金長 2,000 倍。


△NASA Glenn 的 3D 打印渦輪發(fā)動機燃燒器（燃料-空氣混合器）是具有挑戰(zhàn)性的部件的一個例子，它可以從應用新的 GRX-810 合金中獲益。圖片由美國宇航局提供

2022年，NASA 一直致力于教育和激勵新一代對太空探索感興趣的人。例如，該機構與科學專家一起舉辦了 Twitter Spaces，討論太空圖像如何成為人們可以通過替代文本、豐富的圖像描述、觸覺面板、3D 打印模型、觸覺板和通知閱讀、觸摸和聽到的體驗。它還與Google Arts & Culture合作創(chuàng)建了一個名為“我們的太陽系：與 NASA 一起穿越我們的宇宙鄰域的 3D 冒險”的數字畫廊，其中包括 60 多個行星、衛(wèi)星和 NASA 航天器的 3D 模型。這些模型以及新發(fā)布的 SLS 3D模型也通過 Google 搜索結果顯示。

為深空探測準備
NASA繼續(xù)其廣泛的合作伙伴關系，NASA 和 SpaceX 成功地發(fā)射和返回國際空間站 (ISS) 的機組人員，并在太空中進行了大量研究和實驗，最大限度地促進科學發(fā)展。例如，去年 10 月，五名宇航員組成的機組人員抵達空間站，承諾將花費數月時間在微重力下的心血管健康和流體行為等領域開展新的科學研究，為人類探索近地軌道以外的環(huán)境和造福生命做準備在地球上。

該團隊還攜帶了升級后的生物制造設施（BFF），該設施在2019年成功打印了部分人體膝關節(jié)半月板和大量人體心臟細胞。生物打印技術具有如此巨大的潛力，不僅可以幫助緩解地球上的器官短缺，還可以使在微重力條件下打印組織樣本，其質量高于在地面打印的組織樣本。其他有意義的伙伴關系和合作包括與開創(chuàng)性太空初創(chuàng)公司Rocket Lab（納斯達克股票代碼：RKLB）、增材建筑開發(fā)商ICON以及 3D 打印和太空公司Relativity Space的交易和贈款。


△美國宇航局局長比爾尼爾森（左）在年終會議期間與美國宇航局總部的高級領導層舉行會議。圖片由 NASA/Joel Kowsky 提供。

美國宇航局局長比爾尼爾森指出：“2022 年將作為美國宇航局所有任務中成就最大的年份之一載入史冊，2023 年也有很多值得期待的事情：韋伯望遠鏡的更多驚人發(fā)現、氣候任務將告訴我們更多關于地球如何變化的信息、國際空間站的持續(xù)科學、X-59 的開創(chuàng)性航空發(fā)展和X-57 實驗飛機、50 多年來第一批登上月球的宇航員的選拔等�！�

隨著 NASA 繼續(xù)通過發(fā)現激勵世界，私人航天業(yè)已經發(fā)展成為地球外生態(tài)系統(tǒng)中的重要參與者。2023年人類在太空探索中還能取得哪些成就呢？讓我們拭目以待！