美国航空航天局资助太空3D打印技术发展

2019-08-21 10:32

以增材制造（3D打印）为代表的增材制造技术正在以超乎想象的速度进行快速普及。美国航空航天局（NASA）倾注大量资金探索在轨3D打印航天器零部件，可以带来很多潜在影响：

例如，由于可以实现先发射后建造，因此可减轻火箭的负担，实现一箭多星，以更少的发射次数和更低的发射成本实现更加快速的卫星部署。此外，更加值得关注的是政府与企业间的商业合作模式，无论是美国军方的“小企业创新研究”（SBIR）计划，还是能源部不久前推行的“利用高性能计算促进能源创新”（HPC4EI）计划，“政府或军方向企业开放资源和技术，双方共同出资完成项目”的项目合作管理方式已经屡次见到，并被证明是快速实现技术转化应用的有效手段，远比我们常见的“资方出钱，工方出活”的粗放管理模式更具约束力和执行力。

利用3D打印技术在空间上执行航天器零部件制造（美国航空航天局图片）

2019年7月17日，美国《复合材料世界》网站报道称，NASA已与美国太空制造公司（Made In Space）签订了一份价值7370万美元的合同，以验证一款名为“太空建筑师1号”（Archinaut One）的小型航天器在低空绕地轨道（LEO）上制造和装配航天器部件的能力。利用在太空机器人制造和组装技术，有可能成为美国实现探测月球、火星计划的重要组成部分。

这份合同是NASA“爆点招标”计划（Tipping Point solicitation）第二阶段启动合作的开始。在“爆点招标”计划中，NASA将与企业合作完成研发项目，并提供资金和技术支持。参与项目的企业，至少也须承担项目总成本的25％。

“太空建筑师1号”（左）和工作模拟示意图（右）（美国航空航天局图片）

预计“太空建筑师1号”将于2022年随新西兰火箭实验室公司（Rocket Lab）的“电子”火箭发射升空。一旦它抵达低空绕地轨道，该航天器就将在航天器两侧分别3D打印

一个长达32英尺（10米）的翼梁。随着制造过程的发展，每个翼梁上将展开2个太阳能电池阵列，根据相关报道，这种太阳能电池阵列发电产生的功率比装有同等尺寸传统太阳能电池板航天器强5倍。

长达32英尺（10米）的翼梁概念图（美国航空航天局图片）

NASA太空技术任务理事会副主任吉姆·罗伊特表示，太空机器人制造和组装技术毫无疑问将改变游戏规则和未来太空探索的基本能力。通过率先开发这种变革性技术，美国将继续保持其在太空探索方面的领导地位。NASA计划将宇航员再次送上月球，随后将继续前进到火星探索。

这些潜在变革性技术可能带来的好处包括：

——实现通信天线、大型太空望远镜和其他复杂结构的远程空间构造；

——使小型卫星能够部署目前为大型卫星预留的大面积电力系统和反射器；

——消除火箭对航天器体积的限制；

——通过代替宇航员执行一些任务，来避免宇航员太空行走的风险。

太空制造公司于2016年开始在“太空建筑师”（Archinaut）中进行了地面演示验证，并在艾姆斯研究中心的热真空室中成功地3D打印了结构翼梁，该实验室是可模拟空间条件的独特设施。

“太空建筑师”团队包括太空制造公司、诺格公司和NASA喷气推进实验室。NASA在空间技术任务理事会筹划的技术示范任务计划使突破性技术逐渐成熟，并转化扩展形成任务能力，为政府和商业航天探索太空应用。该计划由NASA马歇尔太空飞行中心主管。

延伸介绍：

新西兰火箭实验室公司

该公司是由新西兰人彼得·贝克于2006年创立的私人公司，其主营业务是“通过频繁向低空绕地轨道提供发射服务，快速部署低空绕地轨道微小型卫星消除商业航天的障碍，降低小型卫星、立方星的发射成本”。2015年10月，NASA向火箭实验室授予了一份价值6．95亿美元的创业级发射服务合同，用于验证利用“电子”（Electron）火箭将立方星送入低空绕地轨道。洛？马公司和一些其他渠道也对此项研究提供了额外资金，这使得火箭实验室估值超过10亿美元。

值得注意的是，火箭实验室以500万美元的价格推出了专门的（面向单一客户）发射服务，相比之下，SpaceX公司的猎鹰－9的发射费用则高达6200万美元。此外，火箭实验室还承诺，将“随时随地”提供专门交付服务或相乘服务，该价格在微小型卫星发射市场拥有很强的吸引力。

“电子”（Electron）火箭

“电子”是由火箭实验室开发的一款运载火箭，高17米，直径1．2米，它的设计目标是可将150千克（最大值225千克）的负载运送到距离地面500千米太阳同步低空绕地轨道。

“电子”火箭主要结构全部由碳纤维复合材料制成（新西兰火箭实验室公司图片）

这款火箭最大的特点是所有的主要结构——包括负载卫星的整流罩等，均由碳纤维复合材料构成，火箭实验室具有自主知识产权的材料和制造工艺。此外，“电子”火箭和它配备的卢瑟福发动机，是为快速扩大生产规模而设计的，包括完成了先进复合材料和先进制造工艺的垂直整合。其快速扩大生产规模和速度的关键，就是在卢瑟福火箭发动机制造过程中广泛使用增材制造工艺。九台发动机用于“电子”火箭的一级推进器，一台发动机用于火箭的第二级推进。火箭发动机使用增材制造的钛合金和高温合金。