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NASA利用合肥嘉达卡优ZortraxM200打印模型完成小行星重定向任务

导读: NASA想要在21世纪20年代早期启动小行星重定向任务(ARM)。目前正在开发ARM的两种变体。

NASA想要在21世纪20年代早期启动小行星重定向任务(ARM)。目前正在开发ARM的两种变体。第一个完全体机器人。第二个被称为小行星重定向工作任务(ARCM),主要是去派遣宇航员登上猎户座太空船探索一个小型小行星,让他重新定向到月球周围的稳定轨道,并将采集的样本带回地球。美国宇航局约翰逊航天中心的工程师正在为宇航员完成此类任务寻找合适的工具。而第一个小体积地质采样系统的模型是用Z-ULTRAT材料,在Zortrax M200上打印的。

1980年7月,美国宇航局当时的负责人罗伯特福斯奇首次提出“小行星返回地球”的概念,并向国会进行了解释说明,但当时这个想法并没有可行性。 到了2012年,凯克空间研究所重新审视了该项目,并进行了一项可行性研究,确定了这个项目的落地。 美国航空航天局的格伦研究中心预估这项任务将花费大约26亿美元,鉴于当时的情况,这样的估算也是合理的。 小行星绕月飞行只剩一个问题,那就是怎么去做。 这就是派遣宇航员去探索的原因。

3d打印模型正在NASA的水下极端环境实验室内测试。来源:美国宇航局约翰逊航天中心。

为ARCM设计工具的团队声称,人类对小型天体的探索是不可避免的,原因有很多。首先,这些任务具有重大的科学价值。因为分析自动化航天器上样品的手段相当有限,机器识别特定样品的能力也很有限。除了小行星,太空探索组织还考虑到人类后期探索谷神星(小行星带最大的星体)和火卫一(一个非常小的火星的卫星)的情况。其次,小行星是金,钴,铁,锰等原材料的潜在来源。

NASA地质取样系统CAD设计图。来源:美国宇航局约翰逊航天中心。

小行星采矿的想法正处于发展的早期阶段,因为掌握的技术有限,有人会质疑它的可行性。而且,无论他们是出于科学目的还是商业目的,小行星的微重力环境也给宇航员带来了同样的挑战。地球,火星甚至月球上的重力允许类似的地质采样工具和技术。但这些都适用于一个小行星。

为宇航员探索小型天体而设计的工具需要在非常特定的条件下运行。首先,地面收缩力是没有的。然后,任何一个失误都可能会导致碎片云浮动并损坏附近的设备。接下来是身体定位和锚定。在阿波罗计划期间制作的月球着陆的视频能看出宇航员在月球表面做尴尬的跳跃动作。但是,每次他们像在地球时一样落回地面,反而变慢。所以,在小行星做同样的事情只会将他们送入太空,无法让他们回到飞船上。因此,每一个这样的小错误都可能变成威胁生命的情况。所以NASA的约翰逊太空中心的工程师需要一个以小行星为中心的工具套件。要设计这样的套件,必须首先考虑ARCM的科研目标。

用3d打印的零件做成的地质采样系统功能模型。图片来源:美国宇航局约翰逊航天中心。

首先,工程师确定要收集的五种不同类别的样品。浮标样品是松散地附着在表面上的岩石,可以通过简单的抓取动作拾取。芯片样品是从母体强行移除的小片。覆岩样品是一层松散的细颗粒尘埃,覆盖在地表上的灰尘,可以通过挖掘动作进行回收。表面样品是光滑的,最高达1毫米深的最上面一层。最后,核心样品是通过钻孔从小行星内部回收的圆柱形空心物质。这些都做完之后,团队确定了每个类别所需要的特定工具是哪些。

使用切片取样器的功能性模型在NASA水下极端环境实验室模拟收集样品的过程。

图片来源:美国宇航局约翰逊航天中心。

首先他们着手做了一个浮动采样器。但是很快发现用手抓住铺设在小行星上的岩石太冒险了。航天服材料很容易污染采集的样本,而且手套穿刺的可能性很大。所以工程师想出了一种蛤壳式的设计,它能很好地控制漂浮的岩石,并且漂浮物一旦被困在封闭的蛤壳中就可以防止样品污染。在收集覆盖表面的灰尘方面,这个工具也是很有效的。

为了解决收集未受污染的覆盖小行星表面上的尘埃的问题,美国宇航局的JSC团队开始使用宇航员之前带去月球的工具,叫做接触土壤采样器。附着在手柄上的样品垫会轻微接触地面并缩回到小容器中。工作人员利用这些工具的3D打印原型进行实测的反馈表明了,打开和关闭容器的机械原理必须重新设计。具体地说,在原来的接触土壤采样器中,一名宇航员手动关闭并打开了容器的门是会造成样品污染的。因此,工程师制作了一个通过连接手柄的杠杆来操作容器的模型。

Zortrax M200正在打印NASA地质取样系统的末端执行器。图片来源:美国宇航局约翰逊航天中心。

收集芯片样品证明更具挑战性。在地球上,地质学家使用凿子和锤子。碎片掉落在地上是很容易拾取的。但是在小行星上,他们会浮在身边,对附近工作的宇航员构成威胁。因此,工程师设计并3D打印了一个带有可拆卸末端执行器的手持式工具,其中包含一把凿子,两个窗户和一扇推拉门。

最后,团队设计了一个钻头来采集核心样本。这样把机器放置在稳定器的末端,用来锚定航天器。然后将样品自动运送到飞船上。

使用地质采样系统在NASA水下极端环境实验室取样中。图片来源:美国宇航局约翰逊航天中心。

工程师必须考虑每种情况下收集的样品如何储存的问题。这可一点都不简单。月球上的宇航员可以简单地将他们的样品放入袋中。因为重力足以支撑他们这么做。但是在小行星上,将工具容器中的东西转移到袋子上是不可能的。所以设计团队做了一个框架结构,将样本存储集成到采集工具中。

目前小型的地质取样机跟公文包的大小差不多。为了节省空间和重量采用了双驱动,一个手动和一个电动,辅助可互换的末端执行器取回不同类型的样品。宇航员在执行任务的过程中打开公文包,给驾驶员安装一个合适的末端执行器,使样本收集好并将末端执行器放回箱子里。从这方面看,末端执行器起到样本容器的作用。当然,所有的末端执行器都是一次性的。

正在执行水下极端环境实验室任务的NASA地质取样系统,将驱动装置连接到末端执行器上。

图片来源:美国宇航局约翰逊航天中心。

在大西洋深处,功能性的3D打印原型已经在NEEMO模拟任务中已经测试过了。过程中有一个末端执行器发生故障。NASA的JSC工程师3D打印了一个替换件,并在24小时内把它送到了测试现场。如果没有可靠的3D打印机,这些都是不可能做到的。

使用地质采样系统在NASA水下极端环境实验室取样中。图片来源:美国宇航局约翰逊航天中心。

目前这个版本的的取样系统仍然在调整中。在功能完全齐备之前会做好大量的测试工作,和3D打印原型的测试。但是由于关于小行星的任务目标是不断变化的,所以工程师们也无法确定工具箱设计尺寸。ZORTRAX 3D打印系统帮助他们在任务需求改变时迅速调整原型结构。他们说Zortrax帮助他们根据任务具体情况轻松改变公文包的大小,以容纳不同数量的每类末端执行器。

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