3D打印在太空：从实验到未来应用

3D打印在太空：从实验到未来应用

3D打印技术正在逐步扩展到太空领域，从国际空间站的实验到未来的深空探索任务，这项技术展现出巨大的潜力。本文将为您详细介绍3D打印在太空中的最新进展和应用前景。

宇航员在太空中手持3D打印金属。

宇航员在国际空间站安装金属3D打印机。

2024年6月，维珍银河07号任务处于飞行的助推阶段。该太空飞船进行了一系列实验，以测试太空中材料和3D打印工艺的可行性。

这种带有阻尼内部隔膜的储罐全尺寸模型用以研究航天器推进剂储罐中流体运动的影响。

人类一直在突破极限——去往前人未曾涉足的地方。如今，我们的目标是探索太空和其他星球上可能存在的机会。当飞机出现故障时，它们可以着陆并进行维修、测试，然后重新投入飞行。零件大多随时可用。然而，无论是在轨道上还是在深空任务中，修理和维护航天器都是一项复杂得多的任务。进行维护时，有两种选择——要么携带所有所需的工具和零件，要么使用3D打印（也称为增材制造）等技术在太空中制造必要的备件和工具。3D打印还提供了在太空中发展太空制造业的机会。

为了了解如何实现这一目标并改进现有技术，世界各地都在进行试验——尤其是美国和欧洲。2024年6月8日，维珍银河07号任务从新墨西哥州的美国太空港发射，将加州大学伯克利分校和普渡大学的两个有效载荷运送到亚轨道空间，进行3D打印测试。

伯克利大学的3D打印实验

研究项目伯克利大学的3D打印机SpaceCAL搭乘维珍银河的VSSUnity太空飞行器上在微重力亚轨道空间中停留了140秒，在此期间，它自主打印并后处理了4个测试部件，这些部件来自一种名为PEGDA的液态塑料，以评估其在太空中的实用性。

普渡大学的液体推进剂研究

在同一次飞行中，普渡大学的实验研究了液体推进剂的晃动如何影响航天器的方向，以确定液体推进剂沉淀所需的时间。慢速旋转实验模拟了航天器旋转对推进剂罐中液体和气体的影响。当航天器与空间站等对接时，可能会发生一些情况，导致液体在航天器停止时加速晃动。它可能发生在燃料箱或水箱、生命支持系统或3D打印机的液体容器中。

普渡大学航空航天学院的史蒂文·科利科特教授表示：“如果燃料箱100%充满液体或100%充满气体，则不会发生晃动。”在零重力晃动中，当液体从燃料箱的下部向上移动时，重力不会将其拉回。液体要沉降，需要毛细管物理效应，其中液体在固体表面上的润湿性和科利科特所称的“液气界面”的表面张力将液体移回平衡位置。

不断发展的设计

此类实验的数据为航天器设计提供了参考。晃动的液体具有安全隐患，因为在零重力条件下，晃动会导致航天器以极不稳定的方式前后移动，从而导致本可避免的事故。

美国国家航空航天局（NASA）与多家航空航天产品供应商合作，展示用于太空探索、发现和太空商业扩展的技术。为了运送研究人员及其设备，他们使用亚轨道运载火箭来达到一定高度，并且有可能达到微重力阶段。试验飞行还可以使用改装后的飞机，通过一系列称为抛物线的上下机动来实现15到30秒的失重。抛物线飞行可用于测试需要在太空或行星环境中运行的技术，包括月球和火星重力环境。还测试了专门用于测试进入、下降和着陆技术的着陆器。

NASA的“飞行机会计划”（Flight Opportunities Program）还计划在高空气球上进行飞行测试。这些大型气球系统可达到约30千米（98000英尺）的高度，并且通常可以维持亚轨道飞行器最长的飞行时间，一次飞行数小时、数天甚至数周。这非常适合需要长时间数据收集的实验有效载荷。

NASA“飞行机会计划”的项目经理丹妮尔·麦卡洛克表示：“为了获得太空探索所需的关键能力，研究人员必须尽快改进他们的技术。我们的计划使他们能够快速从实验室转向飞行测试，在许多情况下，还可以对不同的飞行器进行多次飞行测试。这使他们有机会从初始测试中学习，实施改进，然后再次飞行。”

3D打印潜力

NASA的准工程师、加州大学伯克利分校的博士生泰勒·沃德尔负责SpaceCAL项目。他说3D打印在太空中可以有许多不同的用途。例如，宇航员可能需要牙冠，这可以用3D打印机制作。他说：“我们已经展示了60种不同的材料，用这台打印机制作了螺母和螺栓、结构件、电子设备外壳和其他零件。我们拥有硅胶、硬丙烯酸树脂、生物凝胶、金属和玻璃打印功能。例如，SpacCAL可以制作密封件。测试重点是尽可能降低任务风险。”

SpaceCAL项目的前研究员安东尼·穆迪表示，团队对3D打印机的测试结果感到满意。研究人员正在使用SpaceCAL测试的数据来分析几何形状的准确性和打印质量。数据还显示了自动化系统的性能。穆迪强调，团队无法从地面测试中获得这些数据，因此微重力数据非常宝贵。它有助于改进打印机设计的部分内容，为下一次迭代做准备。

欧洲3D打印

欧洲航天局（ESA）也在测试3D打印在太空中的应用，该测试由空中客车航天和防务公司承包。其打印机使用金属进行3D打印，可用于帮助维护国际空间站（ISS）、月球基地、火星栖息地或商业平台。

罗伯·波斯特玛来自ESA的低地球轨道（LEO）探索小组，是2024年8月在国际空间站上打印出第一个3D金属形状的团队的一员。3D打印过程的测试包括验证机组人员和地面操作打印机的程序，以及密切监控打印过程。打印是分层进行的，每层都要拍一张照片以了解所达到的质量。在打印工作结束时，他们会得到打印的样品，这些样品在返回地球后会进行分析，以查看它们是否准确且足够坚固。

亚轨道飞行只能提供几分钟的微重力，而在国际空间站，好处是持续的失重状态。这一点至关重要，因为用金属3D打印机打印第一批样品需要25天。由于打印机噪音很大，每天只能打印4个小时。波斯特玛表示，与在亚轨道环境中运行相比，在低地球轨道上可以做更多的事情。他认为下一步是使用人工智能和机器学习来大规模自动化打印过程，该过程可以从地球远程控制。

未来，工程师面临的主要挑战之一是在自动化、机组人员活动和太空3D打印的远程操作之间找到适当的平衡。由于这些项目仍处于起步阶段，因此带回地球的数据样本中仍有很多东西需要学习。

增长潜力

未来，太空3D打印将变得司空见惯，因为有更多私人空间站正在规划中，包括月球和火星栖息地。3D打印能够生产出人们在任务前无法预测的东西，并将在创建永久的外星基地方面发挥重要作用。与此同时，它们的使用率将会增加，因为它们是“在太空探索方面非常有用的工具”。虽然分析和研究还不完整，但3D打印机在太空中的使用案例数量将会增加，新的行业可能会随之诞生。