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    伴梦成长系列 迷你卫星——3D打印的新领域

    时间:2021-11-20 18:51来源:未知 作者:admin 点击:
    3D打印终于征服了最后边界太空。NASA已经把3D打印机搬上了太空,首个在太空中3D打印的对象是一个标示打印机制造商的小面板,上有Made In Space的字样。太空3D打印技术取得重大进展还需要花上一段时间,距太空打印的黄金时代到来还早。 尽管如此,NASA还是希

      3D打印终于征服了最后边界——太空。NASA已经把3D打印机搬上了太空,首个在太空中3D打印的对象是一个标示打印机制造商的小面板,上有Made In Space的字样。太空3D打印技术取得重大进展还需要花上一段时间,距太空打印的黄金时代到来还早。

      尽管如此,NASA还是希望能在航天器上3D打印备用零件,以防工作人员因携带太多额外的物资进入太空而出现失误。甚至,NASA的终极目标是在太空中打印出整个卫星。目前,作为重要突破,美国一所大学在地面上打印出了迷你卫星,并即将发射。下面,我们来看看该技术的进展吧。

      中国科学院国家空间科学中心博士 现运载火箭技术研究院总体设计部型号设计师

      随着3D打印,机器人等新兴技术的诞生,航空航天领域也一改往日的研发模式,开始探讨各种新型高效的科学实验方法,并获得了很多举世瞩目的成就。今天,我们就一起探讨迷你卫星是如何巧妙应用3D打印,并创造奇迹的!

      空间3D打印技术将在未来空间站运营、深空探测等任务中发挥不可或缺的作用。据了解,空间站等待一次地球补给至少需要半年,而3D打印只需要1—2天就能生产出需要更换的零部件。因此帮助航天员在失重环境下自制所需的实验和维修工具及零部件,大幅提高空间站实验的灵活性和维修的及时性,减少空间站备品备件的种类与数量及运营成本,降低空间站对地面补给的依赖性。

      一群来自美国爱达荷州的西北拿撒勒大学(Northwest Nazarene University)研究人员很快将看到自己研发的3D打印卫星被发射到太空中。这个名为创造星(MakerSat)的卫星是该大学师生辛勤工作两年半的结果,同时它也是美国爱达荷州的第一颗卫星。NASA计划于今年近期发射这颗3D打印卫星。

      下图中这5位(实际上还有第6人,不过未出镜)即为美国西北拿萨勒大学一支科研团队,包含2名教授和4名学生,在过去的2年里一直都在开发一种名叫创造星的迷你卫星(对,就是他们手里拿的小家伙),目的是测试3D打印材料在太空中的反应,比如耐久度。这颗大量采用了3D打印部件的卫星终于完工,即将由NASA发射升空了。

      创造星的大小约为10厘米×10厘米×11.35厘米,属于立方体卫星(CubeSat)的一种。立方体卫星,简称立方星,是一种采用国际通用标准的低成本微小卫星。立方星以“U”划分,1U指一个标准单元(体积10厘米×10厘米×10厘米,重约1公斤),是微小卫星发展的主要方向。这个小小的设备是西北拿撒勒团队用3D打印零件制成的,它将帮助NASA收集3D打印材料和零件在太空中的相关数据。一旦发射,创造星将以将近每小时3万公里的速度绕地球运行,这意味着每100分钟它将完整地绕地球一圈,而且继续飞行10年。

      “我们希望有一天能直接在太空3D打印出航天器,而这颗卫星就是用来进行前期测试的,看看究竟应该使用多少材料,以及这些材料能在太空中支撑多久。”团队成员之一的康纳·诺加利斯表示。

      这颗3D打印的创造星有助于实现太空3D打印的整合,因为它的发现将允许NASA更好地了解可如何在太空中使用3D打印。创造星的任务包括“在国际空间站上展示太空增材制造和组装”,多用户、多项目卫星架构以确定3D打印聚合物在太空中是如何和以怎样的速度退化的,拍摄地球的图像。根据这些任务,研究人员已开始着手研发一种更省时省钱的制造立方体星的方法。

      该团队表示,如果这次的测试成功,那么他们就会执行下一阶段的计划,在国际空间站上制造第二颗创造星卫星。这颗卫星将采用100%的3D打印框架,而它的制造者或许你已经猜到了,对,就是大名鼎鼎增材制造工厂(AMF)。这台太空3D打印机是由美国Made In Space(MIS)公司研制的,是2014年首台登陆国际空间站的3D打印机的升级版,功能更强大,而且已经成功打印出了许多可用的功能性部件。所以可以说,它的确是执行打印创造星卫星任务的最佳选择。

      最终,研究团队希望将能帮助实现NASA的最终目标:在太空3D打印一个结构,甚至一个宇宙飞船。一旦发射,创造星将绕地球近十年。如果发射顺利,西北拿撒勒团队将继续研发他们的卫星,并开发创造星的下一次迭代——“创造星一号”。他们计划将在国际空间站上用他们的增材制造设备(Additive Manufacturing Facility,AMF)打印和组装“创造星一号”。

      实际上,NASA早几年就推动美国商业航天公司利用3D打印技术打印出火箭发动机和立方星的推进系统,为下一代商业推进技术做储备,目前还需要进行相应的开发和验证测试。

      中国航天界同样在探索利用3D打印技术。众所周知,中国航天60年,去年10月19日3时31分,神舟十一号飞船与天宫2号自动交会对接成功。而天宫2号空间实验室早已于2016年9月15日22时04分09秒在酒泉卫星发射中心发射成功。它较大的改进是装备更豪华、装载量提高、内部环境更好,而且它的系统设计是模块化的,也就是说它出现问题时可以快速更换和在轨维修,这在国内空间领域属于首创。天宫2号使用3D打印机,则实现本身零部件的快速更换与维修。

      事实上,3D打印在中国航空航天业并不是第一次隆重登场,在2015年纪念中国人民抗日战争胜利暨世界反法西斯胜利70周年大阅兵的空中梯队中使用的飞机中,不乏3D打印技术生产出来的零部件产品。

      正如工业和信息化部总工程师张峰在“中国增材制造产业联盟”成立大会上所言,“我国增材制造技术研究起步不晚,有些方面还处于世界领先地位。”领先地位的正是中国航空业在3D打印技术上应用,不仅多个型号飞机使用了3D打印部件,而且部分技术已经达到世界领先水平。

      作者:钱航 中国科学院国家空间科学中心博士 现运载火箭技术研究院总体设计部型号设计师

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