太空3D打印技术的发展<br/>—— 美国《太空3D打印》报告评析

太空3D打印技术的发展
—— 美国《太空3D打印》报告评析

2017-04-15程绍驰

国防 2017年2期

关键词：空间站空军太空

程绍驰

太空3D打印技术的发展
—— 美国《太空3D打印》报告评析

程绍驰

美国国家研究委员会发布的《太空3D打印》报告由美空军与国家航空航天局（NASA）联合资助，主要评估了太空3D打印技术的发展现状、发展趋势、太空应用可行性、现有差距以及对未来航天发展的影响，以探索太空3D打印技术发展思路。

军事技术 3D打印［美］

作者：程绍驰，中国国防科技信息中心助理研究员

不久前，美国国家研究委员会在其官方网站发布了《太空3D打印》报告（下简称“报告”）。此项研究由美空军与国家航空航天局（NASA）联合资助，主要评估了太空3D打印技术的发展现状、发展趋势、太空应用可行性、现有差距以及对未来航天发展的影响，以探索太空3D打印技术发展思路。报告认为，太空3D打印可能改变未来太空系统设计和制造的方法，但该技术的应用仍面临诸多技术挑战，短期内还难以发挥重要作用；NASA应牵头制订技术发展路线图，充分利用国际空间站资源开展相关试验；空军需加强对该技术的重视，积极与NASA开展合作，分担成本，共享数据。

报告出台背景

近年来，3D打印技术展示出的成形速度快、材料利用率高、生产周期短、数字化程度高等优点，使美国政府和军方都增强了对该技术的关注和支持力度。美国政府于2012年8月成立国家增材制造创新联盟，大力支持3D打印技术研发；美陆军于2013年7月将能打印军用小部件和装备组件的移动远征实验室投入战场；美海军正讨论利用3D打印技术在舰上打印零部件和物资维持舰队持久作战的装备保障新模式；美空军正计划利用3D打印技术打印F-35战斗机部件；NASA成功测试了利用3D打印机制造的火箭发动机喷管。从3D打印技术展现出的优势看，将其移植到太空可降低航天器研发成本，缩短研制周期，甚至创新系统结构。目前，太空3D打印的应用价值和发展思路仍不明确，且面临许多与地面打印不一样的材料、结构、工艺、质量、控制和标准化等方面问题。许多关于其“即将在航天领域发挥重要作用”的论断存在着夸张甚至炒作的成分。作为美国空间技术研发的两大领导机构，NASA和美空军都认为，需要对太空3D打印技术可能应用的领域、目前已取得的进展以及面临的关键问题进行系统分析，从而为开展相关研发提供指导和支持。

主要观点

应用前景广阔。报告列举了太空3D打印技术可能应用的8个领域：为载人航天器在轨制造替换零件；材料在轨循环利用；为机器人航天器在轨制造替换零件；在轨制造地面难以制造或发射的部件；在轨制造分系统；建立在轨制造实验室；在轨制造整个航天器；利用其他行星表面资源建造基地。报告认为，现有太空系统在设计时考虑的首要因素是，能经受住地面制造、装配、测试、运输和发射过程中的负载，且发射体积和质量受到运载火箭的严格限制。太空3D打印可排除这些受限因素，将密度为现有有效载荷100倍的3D打印材料直接送往太空，在零重力条件下，创造一种全新的航天器设计制造方法，很可能衍生出新的航天器概念和功能。

实际应用面临诸多挑战。一是太空环境。太空的微重力或零重力环境、高真空以及缺少对流和昼夜温差大的热环境，会对加工精度、工艺和设备的固定及运动方式带来显著影响，进而影响产品的机械结构和功能，而相关的机理和控制措施还需要深入研究和在轨试验。二是质量管控。加工流程和产品性能的监控都需要在太空完成，而与监控相关的设备、内容、方式、标准还有待确定。三是保障设施。保障设施需要提供缓解外力作用的稳定平台，传输视频、遥控指令、状态监测等不同类型数据，针对不同加工工艺提供不同功率，具备较高的自动化水平，这些都需要进行系统研究。四是人的参与。3D打印目前还需要人的参与，包括设备搬运、检查和调试，产品检验，软件加载等。从长远看，人员参与也必不可少，因为它可以简化平台设计，降低自动化复杂度。这要求继续推进地面远程监控和太空机器人技术研究。

NASA应牵头发展太空3D打印技术。报告认为，NASA是目前太空3D打印技术研发的领导者，并运行着一个有价值的研究试验平台——国际空间站。NASA应牵头制定太空3D打印技术发展路线图，确定近期和远期发展目标，评估相关风险和效费比，并将3D打印技术引入NASA关键太空任务，尤其是长时间载人飞行和深空探测任务，优先支持自动化或需少量人参与的太空3D打印任务。报告还建议，NASA尽快确定可在国际空间站上开展和测试3D打印的试验。因为按目前规划，国际空间站还剩不到10年的使用寿命。NASA还应筹建一个太空3D打印工作组，汇集该领域的专家，分别制定未来5年和10年的研究项目。此外，NASA应与美空军、欧洲航天局、日本航空航天探索局以及其他国外合作伙伴和商业公司合作，共同推进太空3D打印技术发展。

空军应重视太空3D打印在降低发射成本和发展小卫星方面的价值。报告援引美空军航天司令部时任司令的一次讲话，认为降低整个运载火箭型谱发射成本，是空军在当前预算环境下面临的四个关键挑战之一。而太空3D打印技术具有制造出质量更小的卫星系统或零部件的潜力，将允许空军使用运载能力更小的火箭执行发射任务，进而降低发射成本。报告认为，太空3D打印技术在快速建造小卫星方面具有巨大潜力，因为其具有快速成型的特征，如果能直接打印出整颗卫星，将对增强空军太空系统的快速响应能力和弹性具有重要价值。报告指出，美空军对太空3D打印技术重视不够，建议不应忽视在现有太空系统应用太空3D打印技术的机会，应积极利用3D打印材料和部件削减太空系统的重量、成本和研制时间。同时，美空军应积极与NASA及其他政府机构和工业部门合作，充分利用国际空间站开展太空3D打印技术研发，并研究联合制订针对不同应用的质量鉴定和认证方法。

几点认识

基于美国国家研究委员会这篇《太空3D打印》报告，笔者有以下几点认识。

一是美国3D打印技术关注点开始向太空拓展。近年来，地面3D打印技术发展势头迅猛，美国政府、军方、企业和研究机构开展了大量的研究与试验，为该技术的广泛应用营造了有利环境。但对太空3D打印技术的关注较少，对其应用前景和发展思路一直缺乏系统认识。报告梳理了太空3D打印技术在航天领域的广阔应用前景，以及对航天系统设计制造带来的革命性影响，建议空军和NASA及早谋划发展战略，确定优先应用方向，梳理技术体系，制定相关标准，以保证该技术能够健康发展，并能尽早发挥作用，这将促进美国航天界对太空3D打印技术的关注与研究。

二是军民融合是发展太空3D打印技术的重要途径。报告认为，太空3D打印技术在降低发射成本和快速制造小卫星方面的应用潜力，对军方和企业都具有很大吸引力，是具有广阔应用前景的军民共用技术。鉴于太空3D打印技术短期内还无法发挥出巨大应用价值，企业怯于高风险而对技术研发缺乏动力，报告建议政府和军方目前应作为主要推动者，利用政策和资金引导感兴趣和有基础的企业开展探索研究，进而带动整个行业的发展。另外，许多私营企业对地面3D打印的关注和支持力度都很大，政府应及时了解相关进展，开发辅助技术将其移植到太空，如太空机器人和自动化技术，避免另起炉灶带来的资源浪费。

三是国际空间站是验证太空3D打印技术的良好平台。国际空间站能够提供太空3D打印面临的微重力、高真空和热环境，对于深入理解太空3D打印机理和工艺流程非常有利，驻站航天员的辅助则能够降低对3D打印设备自动化程度的要求，进而降低技术难度。然而，国际空间站的实验资源和航天员的工作时间都非常宝贵，需要在系统认识太空3D打印应用领域和技术瓶颈的前提下，尽早规划飞行任务和实验资源，力求在有限时间内优先验证关键技术。

NASA已于2014年11月25日在国际空间站完成首次太空3D打印，并于2016年3月向国际空间站运送了一台升级版太空3D打印机，实现真正意义上的太空3D打印。

（责任编辑：何荷）

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