太空探索需要增材制造的6個原因

人類與太空的關(guān)系在一生中發(fā)生了巨大的變化。曾經(jīng)遙不可及的廣闊空間現(xiàn)在是技術(shù)、工業(yè)、醫(yī)學(xué)甚至旅游業(yè)的下一個前沿。對更多衛(wèi)星的需求、越來越頻繁的太空任務(wù)、計劃中的月球上的阿特米斯基地和其他企業(yè)都在制造方面帶來新的挑戰(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)有許多機(jī)會來幫助和協(xié)助太空探索。

本文分享的增材制造的六個機(jī)會，有些仍在未來，有些現(xiàn)在就在發(fā)生。

△像這個由Masten Space Systems設(shè)計的燃燒室可以通過3D打印來減輕重量，并利用先進(jìn)的金屬基復(fù)合材料。

1. 將飛行器送入太空

如今，太空飛行逐漸從一次性任務(wù)轉(zhuǎn)向重復(fù)性任務(wù)，因此需要制造可重復(fù)使用和更有效的運(yùn)載火箭。此外，發(fā)射的頻率和發(fā)射的數(shù)量預(yù)計將繼續(xù)增長。十年前只有12家發(fā)射公司，而今天有320多家。這些公司和空間機(jī)構(gòu)正越來越多地將推進(jìn)器和發(fā)動機(jī)等復(fù)雜部件轉(zhuǎn)向增材制造，因?yàn)?D打印可以幫助減輕重量并提高性能。LIA航空航天公司的首席執(zhí)行官Dan Etenberg，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)動機(jī)的。他說，金屬3D打印可以 "在更小的空間內(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。

2. 制造在太空中使用的系統(tǒng)

衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)、軌道飛行器、漫游車等都可以從增材制造的設(shè)計中受益，而且這些系統(tǒng)的數(shù)量只會越來越多。在未來十年內(nèi)，將有三到四個商業(yè)空間站加入國際空間站的軌道，英國的空間能源公司正在努力開始軌道太陽能發(fā)電廠的工作，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探測器和各種衛(wèi)星等系統(tǒng)中；增材制造可以提供復(fù)雜的幾何形狀或克服這些部件的制造挑戰(zhàn)，預(yù)計會有更多的部件。增材制造材料的特殊特性，如防靜電（ESD）特性和耐熱性，對這些項(xiàng)目也很重要。

△衛(wèi)星、太陽能工廠和像這里展示的獵戶座飛船這樣的交通工具將受益于增材制造部件。圖片來源：美國國家航空航天局

3. 生產(chǎn)零部件美國宇航局科技辦公室副主任R.G.克林頓描述了目前通過備件維護(hù)國際空間站的挑戰(zhàn)；在任何時候，國際空間站和地球上都儲存著成千上萬的備件，但只有一小部分被使用過。在太空中使用3D打印來生產(chǎn)零件將有助于緩解備件帶來的供應(yīng)鏈和庫存挑戰(zhàn)；在原地打印這些部件可以減少浪費(fèi)并簡化物流。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年在國際空間站上使用的擠出式3D打印機(jī)。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)更長時間的太空任務(wù)和潛在的進(jìn)一步探索的關(guān)鍵。

△扳手是2014年在國際空間站上根據(jù)從地球發(fā)送的設(shè)計文件3D打印的，其他工具和備件將來也可以在太空中制造。圖片來源：美國國家航空航天局

4. 為地球制造產(chǎn)品

此外，還可以利用增材制造進(jìn)行在軌制造（IOM），生產(chǎn)出今天在地球上難以或無法制造的物品。Curtis-Rouse描述了為洋底電纜生產(chǎn)光纖的挑戰(zhàn)；雖然在地球上可以生產(chǎn)這些光纖，但它們的長度是有限的，而且冷卻速度會產(chǎn)生氣泡。當(dāng)在微重力下生產(chǎn)時，光學(xué)器件幾乎是半透明的，可以很容易地變長。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；有一些挑戰(zhàn)，比如對支撐結(jié)構(gòu)的需求，甚至可能通過在軌道上打印而得到解決。

5. 建造棲息地和基礎(chǔ)設(shè)施

NASA的Artemis任務(wù)最終將在月球表面建立一個基地，其中除了棲息地和后來的生產(chǎn)設(shè)施，如溫室、煉油廠和發(fā)電廠，還包括發(fā)射臺和道路等基礎(chǔ)設(shè)施。3D打印將是該建筑的一部分。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)合來自地球的粘合劑，對這些結(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)將允許在月球表面進(jìn)行自主建設(shè)，沒有浪費(fèi)并使用當(dāng)?shù)夭牧稀?br />

△MMPACT項(xiàng)目的合作伙伴之一ICON公司的這張效果圖說明了月球上3D打印的棲息地可能是什么樣子。圖片來源：ICON

6. 裝備棲息地

MMPACT項(xiàng)目還在探索月球裝備，或者像克林頓描述的那樣，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等物品，不如應(yīng)用3D打印技術(shù)在現(xiàn)場生產(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。