太空探索，3D打印必不可少

昨天，南極熊發(fā)表了一篇文章《全球13款金屬3D打印的火箭發(fā)動機》，匯總了國內(nèi)外的眾多3D打印火箭發(fā)動機的案例，實際上3D打印在太空探索領(lǐng)域的應(yīng)用并不局限于此。

本文我們繼續(xù)整理一些3D打印技術(shù)在太空探索中的案例，尤其在火星探測和月球探測方面，不足之處歡迎補充。

火星探測

中國“天問一號”和“長征五號”均使用了3D打印技術(shù)

2021年5月15日，我國火星探測任務(wù)“天問一號”探測器的著陸巡視器成功在火星烏托邦平原南部預(yù)選著陸區(qū)著陸，中國航天器首次奔赴火星，完成了人類航天史上的一次壯舉。

△供圖：中國航天科技集團五院

“天問一號”探測器由中國航天科技集團五院抓總研制。五院總體設(shè)計部作為火星探測器的抓總單位和結(jié)構(gòu)機構(gòu)分系統(tǒng)研制單位，采用金屬3D 打印技術(shù)和跨尺度結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法，聯(lián)合北京衛(wèi)星制造廠、北京理工大學(xué)、大連理工大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、南京航空航天大學(xué)、西安鉑力特增材技術(shù)股份有限公司、沈陽精合數(shù)控科技開發(fā)有限公司等國內(nèi)優(yōu)勢團隊，圍繞面向3D打印結(jié)構(gòu)設(shè)計、3D打印專用材料研發(fā)、3D打印專用裝備研制及制造工藝開展聯(lián)合攻關(guān)。

在 “天問一號”的研制過程中鑫精合作為增材制造解決方案提供商，采用激光選區(qū)熔化成形技術(shù)（SLM）制造交付產(chǎn)品 30 余項，激光沉積技術(shù)（LDM）制造交付產(chǎn)品 9 項。在減重、特殊功能實現(xiàn)等多個維度解決火星登陸項目研制工藝技術(shù)難題，火星探測器的著陸成功，標(biāo)志著增材制造技術(shù)在航天深空探測領(lǐng)域應(yīng)用邁出開拓性的重要一步。

而用于發(fā)射天問一號的長征五號運載火箭上，也有一批3D打印的重要部件，其中之一就是級間解鎖裝置保護板，是由中國航天科技集團公司中國運載火箭技術(shù)研究院航天材料及工藝研究所通過采用華曙高科連續(xù)增材制造系統(tǒng)（CAMS）HT1001P解決方案加工而成。

長征五號運載火箭總長約57米，箭體直徑達5米，不僅是我國最高、體積最大的火箭，也是運載能力最強的火箭。級間解鎖裝置保護板其單批次加工件數(shù)較少，加工頻次較低，如采用傳統(tǒng)注塑方式需要使用模具，模具成本高，且模具的保存成本也較高。而采用3D打印技術(shù)，則無需開模，一體成型。

火箭級間解鎖裝置保護板每個部件尺寸約為370mm*100mm*125mm，最終整個部件尺寸直徑約5000mm，采用HT1001P打印近50件拼接而成，耗時僅48小時。

國外火星探測器3D打印技術(shù)應(yīng)用

美國宇航局（NASA）的 "毅力號"火星車，于2021年2月18日降落在火星表面，并且傳回了第一張火星照片�；鹦擒嚿习惭b了11個用3D打印技術(shù)制作的金屬部件，這些部件經(jīng)歷了重重考驗，最終到達火星，并將在后續(xù)的火星探索過程中繼續(xù)發(fā)揮作用。

△毅力號火星探測器著陸演示

△毅力號火星探測器傳回的第一張火星照片

3D打印技術(shù)可以讓工程師們制造出獨特的設(shè)計和性能，比如讓硬件更輕、更強，或者對熱或冷的反應(yīng)更靈敏。

“毅力號”火星車的前身“好奇號”，是第一個將3D打印部件帶到火星的。它在2012年著陸時，探測器的火星樣品分析（SAM）儀器內(nèi)有一個3D打印的陶瓷部件。此后，NASA繼續(xù)測試3D打印在航天器中的使用，以確保零件的可靠性。

相關(guān)負(fù)責(zé)人表示，“毅力號”的3D打印部件如果不能按計劃工作，也不會危及任務(wù)。

△毅力號火星車

3D打印PIXL的外殼

在前往火星的11個3D打印部件中，有5個在 "毅力號"的PIXL儀器中。這個飯盒大小的設(shè)備是X射線巖石化學(xué)行星儀器，它通過向巖石表面發(fā)射X射線束進行分析，幫助火星車尋找微生物生命化石的跡象。

PIXL與其他工具共享空間，位于火星車7英尺長（2米長）機械臂末端的88磅（40公斤）旋轉(zhuǎn)炮塔中。為了使這個儀器盡可能地輕巧，JPL團隊將PIXL的兩片鈦殼、一個安裝框架以及將外殼固定在機械臂末端的兩個支撐支柱設(shè)計成中空結(jié)構(gòu)，而且壁極薄。事實上，這些部件由一家名為Carpenter Additive的供應(yīng)商進行3D打印，質(zhì)量比傳統(tǒng)生產(chǎn)方式的輕三四倍。

首席機械工程師Michael Schein說："3D打印使這個儀器成為可能，這些技術(shù)讓我們實現(xiàn)了傳統(tǒng)制造無法實現(xiàn)的輕質(zhì)量和高精度。"

△美國宇航局的 "毅力號 "火星車上的儀器之一PIXL的外殼包括幾個由3D打印鈦制成的部件，插圖顯示了它兩片式外殼部分的前半部分

MOXIE中的3D打印熱交換器

"毅力號 "火星車的其他6個3D打印部件在 "火星氧氣原位資源利用實驗 "儀器中，簡稱MOXIE。這個設(shè)備將測試新的技術(shù)，未來可以生產(chǎn)工業(yè)數(shù)量的氧氣，在火星上制造火箭推進劑，幫助宇航員發(fā)射回地球。

為了制造氧氣，MOXIE將火星空氣加熱到近1500華氏度（800攝氏度）。設(shè)備內(nèi)有六個熱交換器：巴掌大小的鎳合金板，保護儀器的關(guān)鍵部件不受高溫影響。

傳統(tǒng)的機械加工熱交換器需要由兩部分組成并焊接在一起，而MOXIE的每一個熱交換器都是在加州理工學(xué)院作為單件3D打印出來的。

幫助開發(fā)熱交換器的材料工程師Samad Firdosy說："這類鎳部件被稱為超合金，因為它們即使在非常高的溫度下也能保持強度，超合金通常出現(xiàn)在噴氣發(fā)動機或發(fā)電渦輪機中。它們的抗腐蝕能力非常好，即使在真正的高溫下也是如此。"

雖然新的制造工藝提供了便利，但3D打印機鋪設(shè)的每一層合金都會形成孔隙或裂縫，從而削弱材料的強度。為了避免這種情況，這些板材在熱等靜壓機、氣體粉碎機中進行處理，它能將材料加熱到超過1832華氏度（1000攝氏度），并在零件周圍均勻地增加強大的壓力。然后，工程師使用顯微鏡和大量的機械測試來檢查熱交換器的微觀結(jié)構(gòu)，并確保它們適合太空飛行。

獵戶座太空船

△獵戶座太空船利用新型材料3D打印的非常復(fù)雜的對接艙門

2018年，NASA的獵戶座太空船由3D打印機制造超過100個部件，使用了承受深空太空任務(wù)的極端溫度和化學(xué)作用的新材料，包括新型Antero™800NA的ESD變體，這是一種基于PEKK的熱塑性材料，可提供高性能的機械，化學(xué)和熱性能。

生產(chǎn)級熱塑性3D打印零件，由洛克希德馬丁公司的增材制造實驗室與PADT合作生產(chǎn)，PADT采用S公司的3D打印機，和ULTEM 9085樹脂等先進材料和納入關(guān)鍵靜電耗散（ESD）功能的新型Antero材料 ，NASA可以滿足3D打印部件在深空極端條件下的關(guān)鍵要求。Antero非常適合滿足NASA對耐熱和耐化學(xué)性的要求，以及承受高機械載荷的能力。

歐洲火星漫游者探測器

△2017年報道英國Ogle公司用3D打印技術(shù)開發(fā)歐洲火星探測器零部件

Ogle擅長原型開發(fā)，開發(fā)制造探測器底盤的主體和太陽能電池板。用到3D打�。⊿LS）也會有傳統(tǒng)工藝，比如CNC。他們還打印了8個合頁，用于讓太陽能板完美折疊。

據(jù)了解，在終端應(yīng)用上，也安裝了部分3D打印零件。

月球探測

中國“嫦娥四號”“嫦娥五號”

“嫦娥四號”是中國探月工程二期發(fā)射的月球探測器，也是人類第一個著陸月球背面的探測器。嫦娥四號于2018年12月8日發(fā)射升空；于2019年1月3日在月球背面預(yù)選區(qū)著陸。

1月15日，“嫦娥四號”生物科普試驗載荷項目團隊發(fā)布消息，隨嫦娥四號登陸月球背面的生物科普試驗載荷中，棉花種子首先成功發(fā)芽了。

月球上的重力只有地球重力的六分之一，晝夜間大約有300度的溫差變化，這些種子需要在發(fā)射場待兩個月，太空飛行需要一個月時間，那這些種子都是如何保存，才不會在旅途中散落，在達到月球后被“喚醒”呢？

重慶大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院副教授 邱丹：這個是一個3D打印的模塊，月球上放的是這樣一個完全一模一樣的模塊，就放置生物在里面，然后蓋上水溶棉，然后固定好，封上膠，確保它不會泄漏或者溢出。

密封好的模塊會放在由特殊鋁合金制成的罐子里，雖然總重量只有3公斤，但麻雀雖小五臟俱全，罐子穿上“保溫衣”，能經(jīng)受月表劇烈溫差的考驗，同時還裝置了“空調(diào)系統(tǒng)”、光導(dǎo)管等。

2020年12月1日，嫦娥五號順利著陸月球表面，12月2日凌晨3時，開始采樣工作，經(jīng)過約19小時的月面工作，于12月2日22時順利完成月球表面的自動采樣工作。當(dāng)人們在熒屏上為嫦娥五號在月球上的精彩操作而雀躍時，殊不知，在航天科技集團五院，嫦娥五號的“雙胞胎妹妹”，正在一個完全模擬月球環(huán)境的場地上，默默做著背后的無名英雄。

△圖片來源：CCTV中文國際

此次月球采樣，是在相距38萬公里的地月兩地同步進行。嫦娥五號登月后，身上的監(jiān)視相機會測量月球表面的實時數(shù)據(jù)，然后傳到北京，經(jīng)過電腦快速繪制，將月球上比較大型的巖石由測繪數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成3D模型，通過優(yōu)你造的高速連續(xù)3D打印機，將模型打印出來，再撒上模擬月壤。這樣，一個與月球著陸點周邊完全相似的模擬環(huán)境就搭建起來�？蒲腥藛T在地球上的模擬實驗場中先控制嫦娥五號的雙胞胎妹妹，模擬出最佳采樣路徑，再操作萬里之外的嫦娥五號進行實際采樣。確保嫦娥五號能在月球上以最優(yōu)的方案順利完成采樣任務(wù)。

要將月球的巖石模型在模擬場地現(xiàn)場實時快速打印。傳統(tǒng)的3D打印技術(shù)，如果要打印這些模型需要花費10多個小時，而在月球上的工作時間每增加一秒鐘，不光意味著巨額的成本，也會讓航天器面臨更多的未知風(fēng)險。優(yōu)你造自主研發(fā)的cUDP連續(xù)打印技術(shù)，可以將打印時間縮短到10幾分鐘，使得地月同步操作成為可能。

NASA計劃在月球3D打印棲息地

2020年10月，美國NASA資助了一項太空3D打印建筑的計劃，叫做奧林匹斯項目，目的是開發(fā)一種在月球上進行機器人建筑的方法。奧林匹斯項目的推動者是一家建筑3D打印公司——ICON。

ICON、建筑公司BIG、太空初創(chuàng)公司SEArch+將與NASA馬歇爾太空飛行中心合作，探索月球土壤模擬物的增材制造。BIG合伙人Martin Voelkle提出，在月球上3D打印實現(xiàn)的零浪費的可持續(xù)發(fā)展實踐可以推廣到地球上的建筑中。

△圖片由ICON提供

之前，已經(jīng)啟動了許多項目來探索在太空中3D打印棲息地的可能性，包括太陽能燒結(jié) ，有些努力可以追溯到2014年。在這種情況下，被選為SBIR的企業(yè)可能會勝任這項任務(wù)。ICON已經(jīng)取得了一些了不起的功績，比如為美國軍車3D打印庇護所，并在墨西哥破土動工建設(shè)一個3D打印社區(qū)。它還在德克薩斯州奧斯汀市為無家可歸者建造了庇護所。

建立太空棲息地是美國宇航局更大的 "阿特米斯 "項目的一部分，該項目不僅面向2024年讓宇航員登陸月球，還在那里建立了一個長期基地。ICON的是否會成為為人類在月球上持續(xù)存在奠定基礎(chǔ)的項目，我們還不能知道。

歐洲航天局3D打印月球地板

2021年9月，荷蘭的機器人金屬3D打印公司MX3D已經(jīng)為歐洲航天局（ESA）的月球定居點原型建造了一種基于新型材料的高效"骨架地板"。

通過將劃線應(yīng)力圖分析與3D打印相結(jié)合，MX3D公司建造出一個超輕的鋼結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)具有光滑的網(wǎng)狀設(shè)計，質(zhì)量減少到395公斤。據(jù)歐空局工程師Advenit Makaya表示，這種結(jié)構(gòu)的制造成功顯示了MX3D技術(shù)的效率和在月球開展建筑作業(yè)的潛力，未來它還有可能應(yīng)用于雷石結(jié)構(gòu)的建造。

△MX3D公司重達495公斤的不銹鋼3D打印月球地板。照片來自ESA

輕量化的 "骨骼"設(shè)計

MX3D的地板是為建筑公司SkidmoreOwings and Merrill（SOM）正在開發(fā)的四層歐空局月球棲息地原型而建造的，它經(jīng)過了拓?fù)鋬?yōu)化，以盡可能地節(jié)省材料。在實際建造中，該結(jié)構(gòu)是使用MX3D公司專有的WAAM技術(shù)3D打印成六個垂直部分，然后再焊接成一個有凝聚力的下部結(jié)構(gòu)。

在三根柱子的支撐下，地板上的一系列面板形成了一個 "網(wǎng)狀"，能夠作為一個支撐結(jié)構(gòu)，而不需要填充，同時其整體設(shè)計向周邊和中心傾斜，允許這些區(qū)域以較小的厚度進行3D打印，但不以內(nèi)聚力或完整性為代價。

△利用劃定的應(yīng)力圖分析和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化，該地板的設(shè)計相較于以前明顯變輕。圖片來自歐空局

美國大學(xué)生團隊3D打印月球火箭著陸墊原型

2021年初，10名來自美國大學(xué)的本科生組成的一個團隊，他們與美國宇航局、德克薩斯州軍事部和增材制造公司ICON的專家一起，利用3D打印技術(shù)建造了一個月球煙塵緩解裝置（Lunar PAD），并進行了點火測試。這個裝置的主要作用是，在火箭降落在月球表面時，避免產(chǎn)生大量的煙塵。

△Vincent Murai

3D打印提供了主流建筑中所沒有的設(shè)計自由。3D打印的Lunar PAD原型直徑為20英尺，高1.6英尺以上。然而，一個全尺寸的月球著陸墊可能需要大約100米的直徑。

△學(xué)生在建造月球著陸墊

這個原型的設(shè)計很關(guān)鍵，需要引導(dǎo)氣流向上和向外，最大限度地減少發(fā)射和著陸過程中的灰塵飄散量。通常著陸場的特點是平坦或堅實的表面，而他們設(shè)計的著陸墊中間有一定的高度，表面有開口，在飛船著陸時起到向外擴散排氣的作用。

結(jié)束

除了火星探測和月球探測之外，在小星星的探測方面，也將使用3D打印技術(shù)。

比如3D打印材料廠商KEXCELLED表示將3D打印PEEK用于小行星探測器返回艙熱防護系統(tǒng)。