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中國突破太空3D列印技術 太空補給週期從半年縮至1天
2017/10/13

來源:新浪新聞

經過兩年努力,中科院重慶綠色智慧技術研究院和空間應用工程技術中心聯合研發的國內首台太空3D打印機已經在法國波爾多完成微重飛行實驗,最大可列印零件尺寸是NASA首台太空打印機的兩倍以上,可使用兩種材料,三類工藝參數,四種模型的太空列印。這項技術成熟後將使我國空間站補給週期從半年縮小到一至兩天,走在了世界前列。

近年來,3D列印技術引起了各國高度重視,其成型速度快、生產週期短及數字化程度高等優勢亦引起了軍方注意。美國政府於2012年8月成立國家增材製造創新聯盟支援3D列印技術研發,美陸軍2013年7月即將能列印軍用小部件的移動遠征實驗室投入戰場,著名的F-35戰機上已經運用了大量3D列印零部件,中國也不甘落後。

從公開的新聞報導裡可知道,中國殲-20和運-20上的某些關鍵部件車床製造技術困難、成本高,均由3D打印技術克服。從這些發展趨勢看,如果將這種設備移植到太空,可以大大降低航天器研發成本、縮短研製週期並創新系統結構。美國科學家認為,由於太空環境複雜,太空3D打印的應用價值和發展思路仍然不明確,一些認為該技術即將在航太領域發揮重要作用的結論是比較武斷的,資金投入和發展都需要以謹慎的態度實施,而中國科學家卻不信邪,認為必須攻關才能搶佔未來技術制高點,因而在資金投入和技術發展進度方面反而反超了美國。

太空3D列印技術可運用的領域主要有五個:一是為載人航天器在軌製造替換零件,拓展航天器的壽命壽命,節約重複發射的成本;二是材料的太空再迴圈利用,一台3D打印機可直接利用老化和廢舊材料進行再回爐再製造,不必耗費新材料,甚至直接捕獲太空垃圾製造零件,節約金錢的同時還很環保;三是在軌製造在地面難以發射的部件,特別是物理尺寸較大的部件,如超大型光學鏡頭等;四是技術足夠成熟後製造整個航天器,雖然比較科幻,但理論上實現起來並非不可能;五是利用其它行星建造基地,這點更為科幻,但只要獲取足夠列印原材料,給打印機配備一個太陽能電池板或者核動力裝置作為動力源就可以持續列印建造基地。

NASA認為,現有的宇航系統在設計時首要考慮的因素是在地面配裝、製造、測試和運輸時的負載,發射體積嚴格受限於火箭體積,太空無重力環境下,這些因素都可以被排除,火箭只需要將大量3D列印材料直接送往太空,想造什麼結構、想造多大材料都可以直接就地實現,這是航太技術的一種劃時代的突破。

儘管如此,NASA也認為太空3D列印技術目前還面臨很多挑戰尚不成熟,主要的困難是:
1、太空環境複雜。太空處於微重力和零重力環境、無空氣流動、晝夜溫差大,對材料的加工精度,工藝和設備固定產生未知影響,相關的控制理論研究尚未完成。
2、品質管控難度大。加工流程和產品性能的監控都需要在太空環境下完成,與之配套的監控設備、內容、標準、方式還有待完善。
3、保障設施不完善。保障設施需要提供緩解外界壓力的穩定平台,傳輸視頻、遙控指令和狀態監測等資料,必須針對不同的加工工藝提供不同功率,具備較高的自動化水準,這些都需要系統性研究。
4、人力參與環節不可避免。3D設備的搬運、檢查和調試、產品校驗以及軟體載入等都需要人力資源,目前還不能做到完全無人化操作。

雖然存在諸多限制,但顯然克服困難後獲得的收益是巨大的,美國採取了相對保守的研發路線,NASA著眼於以國際空間站為平台實現太空列印技術。2014年,其發射到國際空間站的3D打印機實現了首次空間站內太空3D列印。2016年,NASA又向國際發射了一台3D太空打印機升級版,實現了艙外列印。中國中科院研發的這台3D太空打印機最大可列印零件尺寸更大,相比NASA這兩款太空3D打印機技術實現難度更高,說獨步全球也不為過。

不過也要清醒的認識到太空3D列印面臨的諸多困難。在中國目前尚無空間站、無太空3D列印實際經驗的情況下,需要先與國際社會合作,利用國際空間站平台實現國產太空3D打印機技術驗證和相關配套技術開發,才能為完全突破太空3D列印技術奠定堅實的基礎。

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