中科院空间应用中心:把3D打印搬上太空

2016-04-20 20:13

项目负责人在现场介绍太空3D打印试验方案

失重环境下的试验队员

抛物线飞机上打印的"中国科学院"

3月初,法国波尔多,93次抛物线飞行试验。

试验中,中科院太空增材制造技术试验队,利用每次22秒微重力环境,用自主研发的设备和工艺成功打印了目标样品。

此次试验也是我国首次开展微重力环境下增材制造(3D打印)技术试验验证,为未来把3D打印机搬上太空提供了重要的数据和经验。

传统上行补给的局限

后勤补给资源是长期太空探索任务成功的重要保证,但目前由于技术局限,只能通过地面发射的运载火箭和飞船进行资源运输,以满足太空中的各种需求,不仅周期长,而且成本昂贵。在未来人类探索火星等更远的目的地时,这种资源补给方式是不现实的。

如果这些零部件在太空里就能直接制造,这将是人类太空探索技术的一次革命性的进展。

“传统上行补给主要是通过由地面向太空发射的货运飞船等运输方式,这种方式的弊端就是补给周期较长,太空里的设备一旦发生故障,如果没有备件,只能等地面科研人员制造、下次运输之后,再进行维修。” 本次试验的技术负责人、中科院空间应用工程与技术中心王功研究员在接受《中国科学报》记者采访时表示。

据了解,我国空间站将于2020年前后建成,将在轨运行不少于10年,为维护站内设施的健康运行并支持较大规模的科学与应用研究,需要持续进行资源补给。受在轨贮存空间限制,大多数资源需要通过货运飞船上行补给。而过度依赖上行补给将可能导致空间站设备长时间处于停机状态。

王功说,尽管通常会对太空中发生的各种状况提前做好预案,但历史表明常常会有预案外的情况发生,在发生紧急状况时,货运飞船和运载火箭的准备周期较长,需等待发射窗口,应急维修十分困难。哥伦比亚号航天飞机事故调查报告显示,爆炸前航天员已经确定了隐患和解决方案,但因为在轨没有所需的备件及工具而无法实施。

“如果要为空间探测任务中各种可能的状况做充分准备,就会造成的制造、物流、发射以及在轨贮存等方面代价巨大。”本次抛物线飞行试验系统主管设计师刘亦飞坦言。资料显示,目前国际空间站存放有价值超过10亿美金的各类备件及工具。

另外,目前部署在空间的飞船、卫星和有效载荷均需要经历严酷的发射环境,尽管这个大约10分钟的时长与其在轨寿命相比几乎可以忽略,但为保证能够有足够的强度,常常“过于粗壮”,实际上很不划算。

“如果通过3D打印技术,在太空中把需要配备的零件打印出来,不仅可以及时维修,还可以制造新的有效载荷、开展更多的科学实验。”当王功提到这项“未来技术”时,显得很激动。

太空制造的技术

“3D打印技术主要以数字化、自动化为主,不会对航天员带来过重的工作负荷。如果3D打印技术可以搬进空间站里,不仅可以打印维修所需的零件,甚至可以打印你的专属卫星。未来或许可以在其他星球打印板材和石砖等建材来建造房子。”王功把这项技术的未来想象的十分美好。

除此之外,未来的3D打印技术还可在太空中直接制造大型结构,从而为部署创新应用项目提供可能。如果不需要考虑发射环境的话,可以制造更精巧、更精密的产品。

这项技术理论上是成立的,太空3D打印机技术可以根据空间任务中实际发生的状况按需制造,无需提前准备和在轨贮存大量的故障发生概率较低的备件,从而大幅节约运载资源及在轨贮存空间。仅需要存放一定量的原材料,通过太空增材制造和材料循环利用技术应对多种可能性。

再遥远的目标也总要迈出第一步。王功团队正在把这个理论上的东西一步步变为现实。所以才有了93次抛物线飞行试验,而且证明了在微重力状态下,我国的设备可以打印出所需产品。

“材料是太空的稀缺资源,除了货运飞船的补给,其他材料也要尽量利用。”中科院空间应用中心副研究员程天锦告诉《中国科学报》记者。目前我们正在同步研究3D打印材料的循环利用技术,未来可以将空间站内的部分废弃物,如航天员的饮水袋等,制备成太空3D打印的原材料。

地面供给的材料加上可循环的材料,这样就可根据需要快速制造急需的工具和备件。

太空3D技术不仅在我们国家有所提议,美国和欧洲等国家也在研究这个项目。NASA将在轨增材制造技术视为支持载人登火等深空探测任务的战略性关键技术,为此部署了多项技术的研究,其中Made in Space公司研制的FDM塑料3D打印机目前正在国际空间站试用。同时,NASA近期委托斯坦福大学着手开展生物材料太空3D打印的研究。欧空局原计划在2015年将一台3D打印机送上国际空间站,但目前仍处于准备阶段。

多方合作,尽早突破

此次抛物线飞行试验是在空间应用中心与德国宇航局(DLR)的双边合作协议框架,DLR向中科院空间应用中心提供的次抛物线飞行试验机会。

“3D打印凭借其高效、灵活的特点成为太空制造技术的重要工艺之一。然而,由于太空环境的特殊性,目前地面3D打印技术难以直接应用,需要对材料、设备及控制方式进行针对太空特殊环境的适应性改造,同时需要开展大量的试验摸索。当然,地面与太空3D打印技术肯定是可以相互借鉴和促进的。”王功告诉记者。

“此次试验共对五种材料和两种制造工艺进行了微重力环境下的验证与探索,其中包含了NASA从未尝试过的纤维增强复合材料,获取了不同材料与工艺在微重力环境下的特性数据。”刘亦飞介绍。

“太空增材制造是一项涵盖了材料、流体、工艺、控制等多个学科的复杂技术,虽然我国太空增材制造技术研究的起步晚于美国,但研究更为积极活跃,在理念和技术上并不落后。中科院具有多学科的优势并且历来重视基础研究,积累了大量空间材料、流体等领域的研究数据,并具有多种试验条件充分开展技术验证。此次试验采用了自主研制的设备,主要设备由中科院空间应用中心与中科院重庆智能院共同研制。下一步将联系国内更多优势单位寻求联合研究,着力提高太空增材制造产品的强度、精度和速度,争取在近期取得更大的突破。”王功信心满满地说。

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