3D印表機太空「首秀」：航天器零部件「自給自足」有望變為現實

作者：許妍敏、玥 凡

從接到設計圖紙，到按下「列印」按鈕，一個扳手很快便製造完成了——你能想像這是航天員在零重力環境下完成的操作嗎？事實上，這是太空3D印表機的首次亮相。據悉,美國國家航空航天局與美國太空製造公司已簽署合同，聯合開發太空3D列印系統。在不久前結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列印技術在航天智能製造領域的應用潛力巨大。

轟隆隆的「太空製造廠」

在人類探索太空過程中，設備和材料的「補給線問題」，一直阻礙著人們飛向更遠空間。隨著3D列印技術快速發展，實現航天器零部件的「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製造公司合作，先後進行了數百次微重力環境下的試驗。為支持3D列印技術的發展，美國還於2012年8月專門成立了「國家增材製造創新聯盟」。2014年，世界上首台太空3D印表機搭載「龍」飛船抵達國際空間站，先後列印出一系列太空專用零部件，揭開了人類「太空製造」的序幕。

其實，開一家「太空製造廠」並不複雜。理念與傳統列印相一致，3D列印就是以模型文件為基礎，運用粉末狀金屬和塑料等可黏合材料，通過逐層列印來構造物體的快速成型技術。傳統的3D列印技術包括分層加工、疊加成型、逐層加熱等工藝流程。

不過，太空3D列印也不是簡單的「搭積木」。每一台發射升空的3D印表機，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字化三維模型，經過3D印表機後期軟體處理後，才能自動生成具體控制數據和列印操作代碼。因此，只要天地之間不斷「網」，理論上任何工具都可以由地面設計好，然後交由3D印表機完成「太空製造」。

近年來，太空3D列印技術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印表機運往國際空間站，在太空環境中實現了更大體積和更高解析度的列印作業；英國伯明翰大學研製出一台能在零重力下運行的金屬3D印表機；德國某研究機構也於今年在零重力環境下「列印」出了金屬工具。

太空遨遊的「得力助手」

上個世紀末，匯聚人類智慧的哈勃太空望遠鏡發射升空。由於鏡面製造出現微小誤差，哈勃望遠鏡直接淪為了「近視眼」。在當時的航天技術條件下，人們只能再進行一次航天發射，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製造、空地運輸和空間裝配等操作，最終耗費4年時間和數億美元，才使這台精密設備恢復正常。

如今，有了太空3D列印，哈勃望遠鏡遇到的「眼疾」就可以在太空就地進行「手術」。太空3D列印能將功能各異的零部件直接在外太空完成列印。眾所周知，空間航天器的大小主要受限於運載器，利用太空3D列印就能搭建太空零部件製造廠，實現「太空製造」。

3D列印技術在航空航天領域體現出極強的應用價值和發展潛力，不僅縮短了航天產品的生產周期，降低了成本，更進一步提高了產品性能。作為一種全新的生產方式，太空3D列印製造的產品可以勝任一些傳統製造工藝難以完成的工作。諸如某個部件一側需要耐受高溫、另一側需要具備較高強度等「苛刻要求」，3D列印都可以大顯身手。

時下人們講究「輕裝出行」，太空飛行更是如此。攜帶一台3D印表機進入太空，就可以省去攜帶數以萬計零部件的巨大麻煩，只需攜帶幾公斤重的3D列印「墨盒」就足夠了。

此外，太空3D列印技術更可大幅度降低太空飛行對地面的依賴程度。相比於半年一次的太空補給，3D列印只需數小時就能生產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的依賴。

目前，人們已經開始設計太空製造系統，將在太空中直接列印出天線、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製標準的太空3D列印工序，旨在通過新技術兼容不同金屬原料，製造出更能適應太空應用環境的零部件。未來，太空3D印表機將具備小規模生產各種工具、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」

為幫助正在太空遨遊的航天員正常飲水，人們還曾利用水的表面張力設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，這樣別出心裁的產品經由地面製造，再搭乘「空天快遞」升空無疑成本巨大。

太空3D列印的出現，將在人類太空之旅中發揮重要作用。

美國國家航空航天局曾設想在太空中直接列印出整枚衛星，由「太空製造廠」生產組裝後投放到運行軌道。太空3D列印技術還能為人類登上其他行星製造所需的住所和工具，歐洲航天局正著手探索利用3D列印技術建造月球基地，美國國家航空航天局曾專門開展3D列印火星棲息地競賽活動。

太空3D列印更加神奇之處，是能像魔術師一般「化腐朽為神奇」。一旦太空中製造的產品出現損壞，只需將其融化成原材料就可再次重複利用。美國太空製造公司正在開展可重複使用的太空3D列印材料研究。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星來清理空間垃圾，並用老舊衛星的零部件重新組裝成一個全新的空間設備。未來，太空3D列印還可利用地球軌道上的報廢衛星，或直接到行星上就地取材進行「太空製造」。

太空3D列印不僅能列印各類元器件，還可以列印美食。利用太空3D印表機能將各類可食用原材料列印成豐富多樣的營養套餐，航天員也可以在太空體驗當「廚師」的感覺。

當然，3D列印真正走向太空，還必須解決一系列技術難題，其中最大的障礙是「失重」。在太空環境下，材料和膠水會「飛起來」，這就需要在印表機結構上進行專門設計。此外，如何解決太空列印產生的廢氣擴散等問題，尚待進一步研究完善。

來源：中國軍網

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