程紹馳

太空3D打印技術的發(fā)展
—— 美國《太空3D打印》報告評析

程紹馳

美國國家研究委員會發(fā)布的《太空3D打印》報告由美空軍與國家航空航天局（NASA）聯(lián)合資助，主要評估了太空3D打印技術的發(fā)展現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢、太空應用可行性、現(xiàn)有差距以及對未來航天發(fā)展的影響，以探索太空3D打印技術發(fā)展思路。

軍事技術 3D打印 ［美］

作者：程紹馳，中國國防科技信息中心助理研究員

不久前，美國國家研究委員會在其官方網(wǎng)站發(fā)布了《太空3D打印》報告（下簡稱“報告”）。此項研究由美空軍與國家航空航天局（NASA）聯(lián)合資助，主要評估了太空3D打印技術的發(fā)展現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢、太空應用可行性、現(xiàn)有差距以及對未來航天發(fā)展的影響，以探索太空3D打印技術發(fā)展思路。報告認為，太空3D打印可能改變未來太空系統(tǒng)設計和制造的方法，但該技術的應用仍面臨諸多技術挑戰(zhàn)，短期內還難以發(fā)揮重要作用；NASA應牽頭制訂技術發(fā)展路線圖，充分利用國際空間站資源開展相關試驗；空軍需加強對該技術的重視，積極與NASA開展合作，分擔成本，共享數(shù)據(jù)。

報告出臺背景

近年來，3D打印技術展示出的成形速度快、材料利用率高、生產周期短、數(shù)字化程度高等優(yōu)點，使美國政府和軍方都增強了對該技術的關注和支持力度。美國政府于2012年8月成立國家增材制造創(chuàng)新聯(lián)盟，大力支持3D打印技術研發(fā)；美陸軍于2013年7月將能打印軍用小部件和裝備組件的移動遠征實驗室投入戰(zhàn)場；美海軍正討論利用3D打印技術在艦上打印零部件和物資維持艦隊持久作戰(zhàn)的裝備保障新模式；美空軍正計劃利用3D打印技術打印F-35戰(zhàn)斗機部件；NASA成功測試了利用3D打印機制造的火箭發(fā)動機噴管。從3D打印技術展現(xiàn)出的優(yōu)勢看，將其移植到太空可降低航天器研發(fā)成本，縮短研制周期，甚至創(chuàng)新系統(tǒng)結構。目前，太空3D打印的應用價值和發(fā)展思路仍不明確，且面臨許多與地面打印不一樣的材料、結構、工藝、質量、控制和標準化等方面問題。許多關于其“即將在航天領域發(fā)揮重要作用”的論斷存在著夸張甚至炒作的成分。作為美國空間技術研發(fā)的兩大領導機構，NASA和美空軍都認為，需要對太空3D打印技術可能應用的領域、目前已取得的進展以及面臨的關鍵問題進行系統(tǒng)分析，從而為開展相關研發(fā)提供指導和支持。

主要觀點

應用前景廣闊。報告列舉了太空3D打印技術可能應用的8個領域：為載人航天器在軌制造替換零件；材料在軌循環(huán)利用；為機器人航天器在軌制造替換零件；在軌制造地面難以制造或發(fā)射的部件；在軌制造分系統(tǒng)；建立在軌制造實驗室；在軌制造整個航天器；利用其他行星表面資源建造基地。報告認為，現(xiàn)有太空系統(tǒng)在設計時考慮的首要因素是，能經(jīng)受住地面制造、裝配、測試、運輸和發(fā)射過程中的負載，且發(fā)射體積和質量受到運載火箭的嚴格限制。太空3D打印可排除這些受限因素，將密度為現(xiàn)有有效載荷100倍的3D打印材料直接送往太空，在零重力條件下，創(chuàng)造一種全新的航天器設計制造方法，很可能衍生出新的航天器概念和功能。

實際應用面臨諸多挑戰(zhàn)。一是太空環(huán)境。太空的微重力或零重力環(huán)境、高真空以及缺少對流和晝夜溫差大的熱環(huán)境，會對加工精度、工藝和設備的固定及運動方式帶來顯著影響，進而影響產品的機械結構和功能，而相關的機理和控制措施還需要深入研究和在軌試驗。二是質量管控。加工流程和產品性能的監(jiān)控都需要在太空完成，而與監(jiān)控相關的設備、內容、方式、標準還有待確定。三是保障設施。保障設施需要提供緩解外力作用的穩(wěn)定平臺，傳輸視頻、遙控指令、狀態(tài)監(jiān)測等不同類型數(shù)據(jù)，針對不同加工工藝提供不同功率，具備較高的自動化水平，這些都需要進行系統(tǒng)研究。四是人的參與。3D打印目前還需要人的參與，包括設備搬運、檢查和調試，產品檢驗，軟件加載等。從長遠看，人員參與也必不可少，因為它可以簡化平臺設計，降低自動化復雜度。這要求繼續(xù)推進地面遠程監(jiān)控和太空機器人技術研究。

NASA應牽頭發(fā)展太空3D打印技術。報告認為，NASA是目前太空3D打印技術研發(fā)的領導者，并運行著一個有價值的研究試驗平臺——國際空間站。NASA應牽頭制定太空3D打印技術發(fā)展路線圖，確定近期和遠期發(fā)展目標，評估相關風險和效費比，并將3D打印技術引入NASA關鍵太空任務，尤其是長時間載人飛行和深空探測任務，優(yōu)先支持自動化或需少量人參與的太空3D打印任務。報告還建議，NASA盡快確定可在國際空間站上開展和測試3D打印的試驗。因為按目前規(guī)劃，國際空間站還剩不到10年的使用壽命。NASA還應籌建一個太空3D打印工作組，匯集該領域的專家，分別制定未來5年和10年的研究項目。此外，NASA應與美空軍、歐洲航天局、日本航空航天探索局以及其他國外合作伙伴和商業(yè)公司合作，共同推進太空3D打印技術發(fā)展。

空軍應重視太空3D打印在降低發(fā)射成本和發(fā)展小衛(wèi)星方面的價值。報告援引美空軍航天司令部時任司令的一次講話，認為降低整個運載火箭型譜發(fā)射成本，是空軍在當前預算環(huán)境下面臨的四個關鍵挑戰(zhàn)之一。而太空3D打印技術具有制造出質量更小的衛(wèi)星系統(tǒng)或零部件的潛力，將允許空軍使用運載能力更小的火箭執(zhí)行發(fā)射任務，進而降低發(fā)射成本。報告認為，太空3D打印技術在快速建造小衛(wèi)星方面具有巨大潛力，因為其具有快速成型的特征，如果能直接打印出整顆衛(wèi)星，將對增強空軍太空系統(tǒng)的快速響應能力和彈性具有重要價值。報告指出，美空軍對太空3D打印技術重視不夠，建議不應忽視在現(xiàn)有太空系統(tǒng)應用太空3D打印技術的機會，應積極利用3D打印材料和部件削減太空系統(tǒng)的重量、成本和研制時間。同時，美空軍應積極與NASA及其他政府機構和工業(yè)部門合作，充分利用國際空間站開展太空3D打印技術研發(fā)，并研究聯(lián)合制訂針對不同應用的質量鑒定和認證方法。

幾點認識

基于美國國家研究委員會這篇《太空3D打印》報告，筆者有以下幾點認識。

一是美國3D打印技術關注點開始向太空拓展。近年來，地面3D打印技術發(fā)展勢頭迅猛，美國政府、軍方、企業(yè)和研究機構開展了大量的研究與試驗，為該技術的廣泛應用營造了有利環(huán)境。但對太空3D打印技術的關注較少，對其應用前景和發(fā)展思路一直缺乏系統(tǒng)認識。報告梳理了太空3D打印技術在航天領域的廣闊應用前景，以及對航天系統(tǒng)設計制造帶來的革命性影響，建議空軍和NASA及早謀劃發(fā)展戰(zhàn)略，確定優(yōu)先應用方向，梳理技術體系，制定相關標準，以保證該技術能夠健康發(fā)展，并能盡早發(fā)揮作用，這將促進美國航天界對太空3D打印技術的關注與研究。

二是軍民融合是發(fā)展太空3D打印技術的重要途徑。報告認為，太空3D打印技術在降低發(fā)射成本和快速制造小衛(wèi)星方面的應用潛力，對軍方和企業(yè)都具有很大吸引力，是具有廣闊應用前景的軍民共用技術。鑒于太空3D打印技術短期內還無法發(fā)揮出巨大應用價值，企業(yè)怯于高風險而對技術研發(fā)缺乏動力，報告建議政府和軍方目前應作為主要推動者，利用政策和資金引導感興趣和有基礎的企業(yè)開展探索研究，進而帶動整個行業(yè)的發(fā)展。另外，許多私營企業(yè)對地面3D打印的關注和支持力度都很大，政府應及時了解相關進展，開發(fā)輔助技術將其移植到太空，如太空機器人和自動化技術，避免另起爐灶帶來的資源浪費。

三是國際空間站是驗證太空3D打印技術的良好平臺。國際空間站能夠提供太空3D打印面臨的微重力、高真空和熱環(huán)境，對于深入理解太空3D打印機理和工藝流程非常有利，駐站航天員的輔助則能夠降低對3D打印設備自動化程度的要求，進而降低技術難度。然而，國際空間站的實驗資源和航天員的工作時間都非常寶貴，需要在系統(tǒng)認識太空3D打印應用領域和技術瓶頸的前提下，盡早規(guī)劃飛行任務和實驗資源，力求在有限時間內優(yōu)先驗證關鍵技術。

NASA已于2014年11月25日在國際空間站完成首次太空3D打印，并于2016年3月向國際空間站運送了一臺升級版太空3D打印機，實現(xiàn)真正意義上的太空3D打印。

（責任編輯：何 荷）

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