太空3D打印機首次亮相 航天領(lǐng)域未來可期

　　近日，太空3D打印機首次亮相。據(jù)了解,美國國家航空航天局與美國太空制造公司已簽署合同，聯(lián)合開發(fā)太空3D打印系統(tǒng)。在不久前結(jié)束的天津第二屆世界智能大會上，有研究人員表示，未來太空3D打印技術(shù)在航天智能制造領(lǐng)域的應用潛力巨大。

　　轟隆隆的“太空制造廠”

　　在人類探索太空過程中，設(shè)備和材料的“補給線問題”，一直阻礙著人們飛向更遠空間。隨著3D打印技術(shù)快速發(fā)展，實現(xiàn)航天器零部件的“自給自足”正在成為可能。

　　從2010年開始，美國國家航空航天局與美國太空制造公司合作，先后進行了數(shù)百次微重力環(huán)境下的試驗。為支持3D打印技術(shù)的發(fā)展，美國還于2012年8月專門成立了“國家增材制造創(chuàng)新聯(lián)盟”。2014年，世界上首臺太空3D打印機搭載“龍”飛船抵達國際空間站，先后打印出一系列太空專用零部件，揭開了人類“太空制造”的序幕。

　　其實，開一家“太空制造廠”并不復雜。理念與傳統(tǒng)打印相一致，3D打印就是以模型文件為基礎(chǔ)，運用粉末狀金屬和塑料等可黏合材料，通過逐層打印來構(gòu)造物體的快速成型技術(shù)。傳統(tǒng)的3D打印技術(shù)包括分層加工、疊加成型、逐層加熱等工藝流程。

　　不過，太空3D打印也不是簡單的“搭積木”。每一臺發(fā)射升空的3D打印機，都有一顆聰慧澎湃的“芯”。航天員通過天地通信接收地面上傳的零部件數(shù)字化三維模型，經(jīng)過3D打印機后期軟件處理后，才能自動生成具體控制數(shù)據(jù)和打印操作代碼。因此，只要天地之間不斷“網(wǎng)”，理論上任何工具都可以由地面設(shè)計好，然后交由3D打印機完成“太空制造”。

　　近年來，太空3D打印技術(shù)得到世界各國高度重視。2016年3月，美國國家航空航天局將升級版的3D打印機運往國際空間站，在太空環(huán)境中實現(xiàn)了更大體積和更高分辨率的打印作業(yè);英國伯明翰大學研制出一臺能在零重力下運行的金屬3D打印機;德國某研究機構(gòu)也于今年在零重力環(huán)境下“打印”出了金屬工具。

　　太空遨游的“得力助手”

　　上個世紀末，匯聚人類智慧的哈勃太空望遠鏡發(fā)射升空。由于鏡面制造出現(xiàn)微小誤差，哈勃望遠鏡直接淪為了“近視眼”。在當時的航天技術(shù)條件下，人們只能再進行一次航天發(fā)射，專門為哈勃望遠鏡安裝“近視眼鏡”。整個修復過程需要完成地面制造、空地運輸和空間裝配等操作，最終耗費4年時間和數(shù)億美元，才使這臺精密設(shè)備恢復正常。

　　如今，有了太空3D打印，哈勃望遠鏡遇到的“眼疾”就可以在太空就地進行“手術(shù)”。太空3D打印能將功能各異的零部件直接在外太空完成打印。眾所周知，空間航天器的大小主要受限于運載器，利用太空3D打印就能搭建太空零部件制造廠，實現(xiàn)“太空制造”。

　　3D打印技術(shù)在航空航天領(lǐng)域體現(xiàn)出極強的應用價值和發(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。諸如某個部件一側(cè)需要耐受高溫、另一側(cè)需要具備較高強度等“苛刻要求”，3D打印都可以大顯身手。

　　時下人們講究“輕裝出行”，太空飛行更是如此。攜帶一臺3D打印機進入太空，就可以省去攜帶數(shù)以萬計零部件的巨大麻煩，只需攜帶幾公斤重的3D打印“墨盒”就足夠了。

　　此外，太空3D打印技術(shù)更可大幅度降低太空飛行對地面的依賴程度。相比于半年一次的太空補給，3D打印只需數(shù)小時就能生產(chǎn)出需要更換的零部件，將大幅度提升空間站操控的靈活性和維修效率，降低空間站對地面系統(tǒng)的依賴。

　　目前，人們已經(jīng)開始設(shè)計太空制造系統(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。美國國家航空航天局噴氣推進實驗室正在研制標準的太空3D打印工序，旨在通過新技術(shù)兼容不同金屬原料，制造出更能適應太空應用環(huán)境的零部件。未來，太空3D打印機將具備小規(guī)模生產(chǎn)各種工具、零部件和日常用品的能力，是載人空間飛行和宇宙考察的標配裝備。

　　將太空垃圾“變廢為寶”

　　為幫助正在太空遨游的航天員正常飲水，人們還曾利用水的表面張力設(shè)計了一款零重力水杯，巧妙地解決了太空失重條件下水到處漂浮的問題。然而，這樣別出心裁的產(chǎn)品經(jīng)由地面制造，再搭乘“空天快遞”升空無疑成本巨大。

　　太空3D打印的出現(xiàn)，將在人類太空之旅中發(fā)揮重要作用

　　美國國家航空航天局曾設(shè)想在太空中直接打印出整枚衛(wèi)星，由“太空制造廠”生產(chǎn)組裝后投放到運行軌道。太空3D打印技術(shù)還能為人類登上其他行星制造所需的住所和工具，歐洲航天局正著手探索利用3D打印技術(shù)建造月球基地，美國國家航空航天局曾專門開展3D打印火星棲息地競賽活動。

　　太空3D打印更加神奇之處，是能像魔術(shù)師一般“化腐朽為神奇”。一旦太空中制造的產(chǎn)品出現(xiàn)損壞，只需將其融化成原材料就可再次重復利用。美國太空制造公司正在開展可重復使用的太空3D打印材料研究。美國國防部高級研究計劃局開展的“鳳凰”研究項目，旨在通過拆解老舊衛(wèi)星來清理空間垃圾，并用老舊衛(wèi)星的零部件重新組裝成一個全新的空間設(shè)備。未來，太空3D打印還可利用地球軌道上的報廢衛(wèi)星，或直接到行星上就地取材進行“太空制造”。

　　太空3D打印不僅能打印各類元器件，還可以打印美食。利用太空3D打印機能將各類可食用原材料打印成豐富多樣的營養(yǎng)套餐，航天員也可以在太空體驗當“廚師”的感覺。

　　當然，3D打印真正走向太空，還必須解決一系列技術(shù)難題，其中最大的障礙是“失重”。在太空環(huán)境下，材料和膠水會“飛起來”，這就需要在打印機結(jié)構(gòu)上進行專門設(shè)計。此外，如何解決太空打印產(chǎn)生的廢氣擴散等問題，尚待進一步研究完善。(編譯：儀器信息網(wǎng))

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