3月初，法國(guó)波爾多，93次拋物線飛行試驗(yàn)。
試驗(yàn)中，中科院太空增材制造技術(shù)試驗(yàn)隊(duì)，利用每次22秒微重力環(huán)境，用自主研發(fā)的設(shè)備和工藝成功打印了目標(biāo)樣品。
此次試驗(yàn)也是我國(guó)首次開(kāi)展微重力環(huán)境下增材制造(3D打印)技術(shù)試驗(yàn)驗(yàn)證，為未來(lái)把3D打印機(jī)搬上太空提供了重要的數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)。
傳統(tǒng)上行補(bǔ)給的局限
后勤補(bǔ)給資源是長(zhǎng)期太空探索任務(wù)成功的重要保證，但目前由于技術(shù)局限，只能通過(guò)地面發(fā)射的運(yùn)載火箭和飛船進(jìn)行資源運(yùn)輸，以滿足太空中的各種需求，不僅周期長(zhǎng)，而且成本昂貴。在未來(lái)人類探索火星等更遠(yuǎn)的目的地時(shí)，這種資源補(bǔ)給方式是不現(xiàn)實(shí)的。
如果這些零部件在太空里就能直接制造，這將是人類太空探索技術(shù)一次革命性的進(jìn)展。
“傳統(tǒng)上行補(bǔ)給主要是通過(guò)由地面向太空發(fā)射貨運(yùn)飛船等運(yùn)輸方式，這種方式的弊端就是補(bǔ)給周期較長(zhǎng)，太空里的設(shè)備一旦發(fā)生故障，如果沒(méi)有備件，只能等地面科研人員制造、下次運(yùn)輸之后，再進(jìn)行維修。”本次試驗(yàn)的技術(shù)負(fù)責(zé)人、中科院空間應(yīng)用工程與技術(shù)中心研究員王功表示。
據(jù)了解，我國(guó)空間站將于2020年前后建成，將在軌運(yùn)行不少于10年，為維護(hù)站內(nèi)設(shè)施的健康運(yùn)行并支持較大規(guī)模的科學(xué)與應(yīng)用研究，需要持續(xù)進(jìn)行資源補(bǔ)給。受在軌貯存空間限制，大多數(shù)資源需要通過(guò)貨運(yùn)飛船上行補(bǔ)給。而過(guò)度依賴上行補(bǔ)給將可能導(dǎo)致空間站設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間處于停機(jī)狀態(tài)。
王功說(shuō)，盡管通常會(huì)對(duì)太空中發(fā)生的各種狀況提前做好預(yù)案，但歷史表明常常會(huì)有預(yù)案外的情況發(fā)生。在發(fā)生緊急狀況時(shí)，貨運(yùn)飛船和運(yùn)載火箭的準(zhǔn)備周期較長(zhǎng)，須等待發(fā)射窗口，應(yīng)急維修十分困難。哥倫比亞號(hào)航天飛機(jī)事故調(diào)查報(bào)告顯示，爆炸前航天員已經(jīng)確定了隱患和解決方案，但因?yàn)樵谲墰](méi)有所需的備件及工具而無(wú)法實(shí)施。
“如果要為空間探測(cè)任務(wù)中各種可能的狀況做充分準(zhǔn)備，就會(huì)導(dǎo)致制造、物流、發(fā)射以及在軌貯存等方面代價(jià)巨大。”本次拋物線飛行試驗(yàn)系統(tǒng)主管設(shè)計(jì)師劉亦飛坦言。資料顯示，目前國(guó)際空間站存放有價(jià)值超過(guò)10億美金的各類備件及工具。
另外，目前部署在空間的飛船、衛(wèi)星和有效載荷均需要經(jīng)歷嚴(yán)酷的發(fā)射環(huán)境，盡管這個(gè)大約10分鐘的時(shí)長(zhǎng)與其在軌壽命相比幾乎可以忽略不計(jì)，但為保證有足夠的強(qiáng)度，常常“過(guò)于粗壯”，實(shí)際上很不劃算。
“如果通過(guò)3D打印技術(shù)，在太空中把需要配備的零件打印出來(lái)，不僅可以及時(shí)維修，還可以制造新的有效載荷、開(kāi)展更多的科學(xué)實(shí)驗(yàn)。”當(dāng)王功提到這項(xiàng)“未來(lái)技術(shù)”時(shí)，顯得很激動(dòng)。
太空制造的技術(shù)
“3D打印技術(shù)主要以數(shù)字化、自動(dòng)化為主，不會(huì)對(duì)航天員帶來(lái)過(guò)重的工作負(fù)荷。如果3D打印技術(shù)可以搬進(jìn)空間站里，不僅可以打印維修所需的零件，甚至可以打印專屬衛(wèi)星。未來(lái)或許可以在其他星球打印板材和石磚等建材來(lái)建造房子。”王功把這項(xiàng)技術(shù)的未來(lái)想象得十分美好。
除此之外，未來(lái)的3D打印技術(shù)還可在太空中直接制造大型結(jié)構(gòu)，從而為部署創(chuàng)新應(yīng)用項(xiàng)目提供可能。如果不需要考慮發(fā)射環(huán)境的話，可以制造更精巧、更精密的產(chǎn)品。
這項(xiàng)技術(shù)理論上是成立的，太空3D打印機(jī)技術(shù)可以根據(jù)空間任務(wù)中實(shí)際發(fā)生的狀況按需制造，無(wú)須提前準(zhǔn)備和在軌貯存大量的故障發(fā)生概率較低的備件，從而大幅節(jié)約運(yùn)載資源及在軌貯存空間。僅需要存放一定量的原材料，通過(guò)太空增材制造和材料循環(huán)利用技術(shù)應(yīng)對(duì)多種可能性。
再遙遠(yuǎn)的目標(biāo)也總要邁出第一步。王功團(tuán)隊(duì)正在把這一理論上的東西一步步變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，所以才有了93次拋物線飛行試驗(yàn)，而且證明了在微重力狀態(tài)下，我國(guó)的設(shè)備可以打印出所需產(chǎn)品。
“材料是太空的稀缺資源，除了貨運(yùn)飛船的補(bǔ)給，其他材料也要盡量利用。”中科院空間應(yīng)用中心副研究員程天錦說(shuō)。目前我們正在同步研究3D打印材料的循環(huán)利用技術(shù)，未來(lái)可以將空間站內(nèi)的部分廢棄物，如航天員的飲水袋等，制備成太空3D打印的原材料。
地面供給的材料加上可循環(huán)的材料，這樣就可根據(jù)需要快速制造急需的工具和備件。
太空3D技術(shù)不僅在我們國(guó)家有所提議，美國(guó)和歐洲等國(guó)家也在研究這個(gè)項(xiàng)目。nasa將在軌增材制造技術(shù)視為支持載人登火等深空探測(cè)任務(wù)的戰(zhàn)略性關(guān)鍵技術(shù)，為此部署了多項(xiàng)技術(shù)的研究，其中madeinspace公司研制的fdm塑料3D打印機(jī)目前正在國(guó)際空間站試用。同時(shí)，nasa近期委托斯坦福大學(xué)著手開(kāi)展生物材料太空3D打印的研究。歐空局原計(jì)劃在2015年將一臺(tái)3D打印機(jī)送上國(guó)際空間站，但目前仍處于準(zhǔn)備階段。
多方合作，盡早突破
此次拋物線飛行試驗(yàn)是在空間應(yīng)用中心與德國(guó)宇航局(dlr)的雙邊合作協(xié)議框架下，dlr向中科院空間應(yīng)用中心提供的一次拋物線飛行試驗(yàn)機(jī)會(huì)。
“3D打印憑借其高效、靈活的特點(diǎn)成為太空制造技術(shù)的重要工藝之一。然而，由于太空環(huán)境的特殊性，目前地面3D打印技術(shù)難以直接應(yīng)用，需要對(duì)材料、設(shè)備及控制方式進(jìn)行針對(duì)太空特殊環(huán)境的適應(yīng)性改造，同時(shí)需要開(kāi)展大量的試驗(yàn)摸索。當(dāng)然，地面與太空3D打印技術(shù)肯定是可以相互借鑒和促進(jìn)的。”王功告訴記者。
“此次試驗(yàn)共對(duì)五種材料和兩種制造工藝進(jìn)行了微重力環(huán)境下的驗(yàn)證與探索，其中包含了nasa從未嘗試過(guò)的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，獲取了不同材料與工藝在微重力環(huán)境下的特性數(shù)據(jù)。”劉亦飛介紹。
“太空增材制造是一項(xiàng)涵蓋了材料、流體、工藝、控制等多個(gè)學(xué)科復(fù)雜技術(shù)，雖然我國(guó)太空增材制造技術(shù)研究起步晚于美國(guó)，但更為積極活躍，在理念和技術(shù)上并不落后。中科院具有多學(xué)科的優(yōu)勢(shì)并且歷來(lái)重視基礎(chǔ)研究，積累了大量空間材料、流體等領(lǐng)域的研究數(shù)據(jù)，并具有多種試驗(yàn)條件充分開(kāi)展技術(shù)驗(yàn)證。此次試驗(yàn)采用了自主研制的設(shè)備，主要設(shè)備由中科院空間應(yīng)用中心與中科院重慶智能院共同研制。下一步將聯(lián)系國(guó)內(nèi)更多優(yōu)勢(shì)單位尋求聯(lián)合研究，著力提高太空增材制造產(chǎn)品的強(qiáng)度、精度和速度，爭(zhēng)取在近期取得更大的突破。”王功信心滿滿地說(shuō)。
中科院太空增材制造技術(shù)試驗(yàn)隊(duì)，利用每次22秒微重力環(huán)境，用自主研發(fā)的設(shè)備和工藝成功打印了目標(biāo)樣品。
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