程紹馳

太空3D打印技術(shù)的發(fā)展
—— 美國(guó)《太空3D打印》報(bào)告評(píng)析

程紹馳

美國(guó)國(guó)家研究委員會(huì)發(fā)布的《太空3D打印》報(bào)告由美空軍與國(guó)家航空航天局（NASA）聯(lián)合資助，主要評(píng)估了太空3D打印技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢(shì)、太空應(yīng)用可行性、現(xiàn)有差距以及對(duì)未來(lái)航天發(fā)展的影響，以探索太空3D打印技術(shù)發(fā)展思路。

軍事技術(shù) 3D打印 ［美］

作者：程紹馳，中國(guó)國(guó)防科技信息中心助理研究員

不久前，美國(guó)國(guó)家研究委員會(huì)在其官方網(wǎng)站發(fā)布了《太空3D打印》報(bào)告（下簡(jiǎn)稱(chēng)“報(bào)告”）。此項(xiàng)研究由美空軍與國(guó)家航空航天局（NASA）聯(lián)合資助，主要評(píng)估了太空3D打印技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢(shì)、太空應(yīng)用可行性、現(xiàn)有差距以及對(duì)未來(lái)航天發(fā)展的影響，以探索太空3D打印技術(shù)發(fā)展思路。報(bào)告認(rèn)為，太空3D打印可能改變未來(lái)太空系統(tǒng)設(shè)計(jì)和制造的方法，但該技術(shù)的應(yīng)用仍面臨諸多技術(shù)挑戰(zhàn)，短期內(nèi)還難以發(fā)揮重要作用；NASA應(yīng)牽頭制訂技術(shù)發(fā)展路線圖，充分利用國(guó)際空間站資源開(kāi)展相關(guān)試驗(yàn)；空軍需加強(qiáng)對(duì)該技術(shù)的重視，積極與NASA開(kāi)展合作，分擔(dān)成本，共享數(shù)據(jù)。

報(bào)告出臺(tái)背景

近年來(lái)，3D打印技術(shù)展示出的成形速度快、材料利用率高、生產(chǎn)周期短、數(shù)字化程度高等優(yōu)點(diǎn)，使美國(guó)政府和軍方都增強(qiáng)了對(duì)該技術(shù)的關(guān)注和支持力度。美國(guó)政府于2012年8月成立國(guó)家增材制造創(chuàng)新聯(lián)盟，大力支持3D打印技術(shù)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(dòng)遠(yuǎn)征實(shí)驗(yàn)室投入戰(zhàn)場(chǎng)；美海軍正討論利用3D打印技術(shù)在艦上打印零部件和物資維持艦隊(duì)持久作戰(zhàn)的裝備保障新模式；美空軍正計(jì)劃利用3D打印技術(shù)打印F-35戰(zhàn)斗機(jī)部件；NASA成功測(cè)試了利用3D打印機(jī)制造的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴管。從3D打印技術(shù)展現(xiàn)出的優(yōu)勢(shì)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(jié)構(gòu)。目前，太空3D打印的應(yīng)用價(jià)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(jié)構(gòu)、工藝、質(zhì)量、控制和標(biāo)準(zhǔn)化等方面問(wèn)題。許多關(guān)于其“即將在航天領(lǐng)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(guó)空間技術(shù)研發(fā)的兩大領(lǐng)導(dǎo)機(jī)構(gòu)，NASA和美空軍都認(rèn)為，需要對(duì)太空3D打印技術(shù)可能應(yīng)用的領(lǐng)域、目前已取得的進(jìn)展以及面臨的關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行系統(tǒng)分析，從而為開(kāi)展相關(guān)研發(fā)提供指導(dǎo)和支持。

主要觀點(diǎn)

應(yīng)用前景廣闊。報(bào)告列舉了太空3D打印技術(shù)可能應(yīng)用的8個(gè)領(lǐng)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(jī)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(shí)驗(yàn)室；在軌制造整個(gè)航天器；利用其他行星表面資源建造基地。報(bào)告認(rèn)為，現(xiàn)有太空系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)考慮的首要因素是，能經(jīng)受住地面制造、裝配、測(cè)試、運(yùn)輸和發(fā)射過(guò)程中的負(fù)載，且發(fā)射體積和質(zhì)量受到運(yùn)載火箭的嚴(yán)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(shè)計(jì)制造方法，很可能衍生出新的航天器概念和功能。

實(shí)際應(yīng)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(duì)流和晝夜溫差大的熱環(huán)境，會(huì)對(duì)加工精度、工藝和設(shè)備的固定及運(yùn)動(dòng)方式帶來(lái)顯著影響，進(jìn)而影響產(chǎn)品的機(jī)械結(jié)構(gòu)和功能，而相關(guān)的機(jī)理和控制措施還需要深入研究和在軌試驗(yàn)。二是質(zhì)量管控。加工流程和產(chǎn)品性能的監(jiān)控都需要在太空完成，而與監(jiān)控相關(guān)的設(shè)備、內(nèi)容、方式、標(biāo)準(zhǔn)還有待確定。三是保障設(shè)施。保障設(shè)施需要提供緩解外力作用的穩(wěn)定平臺(tái)，傳輸視頻、遙控指令、狀態(tài)監(jiān)測(cè)等不同類(lèi)型數(shù)據(jù)，針對(duì)不同加工工藝提供不同功率，具備較高的自動(dòng)化水平，這些都需要進(jìn)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(shè)備搬運(yùn)、檢查和調(diào)試，產(chǎn)品檢驗(yàn)，軟件加載等。從長(zhǎng)遠(yuǎn)看，人員參與也必不可少，因?yàn)樗梢院?jiǎn)化平臺(tái)設(shè)計(jì)，降低自動(dòng)化復(fù)雜度。這要求繼續(xù)推進(jìn)地面遠(yuǎn)程監(jiān)控和太空機(jī)器人技術(shù)研究。

NASA應(yīng)牽頭發(fā)展太空3D打印技術(shù)。報(bào)告認(rèn)為，NASA是目前太空3D打印技術(shù)研發(fā)的領(lǐng)導(dǎo)者，并運(yùn)行著一個(gè)有價(jià)值的研究試驗(yàn)平臺(tái)——國(guó)際空間站。NASA應(yīng)牽頭制定太空3D打印技術(shù)發(fā)展路線圖，確定近期和遠(yuǎn)期發(fā)展目標(biāo)，評(píng)估相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)和效費(fèi)比，并將3D打印技術(shù)引入NASA關(guān)鍵太空任務(wù)，尤其是長(zhǎng)時(shí)間載人飛行和深空探測(cè)任務(wù)，優(yōu)先支持自動(dòng)化或需少量人參與的太空3D打印任務(wù)。報(bào)告還建議，NASA盡快確定可在國(guó)際空間站上開(kāi)展和測(cè)試3D打印的試驗(yàn)。因?yàn)榘茨壳耙?guī)劃，國(guó)際空間站還剩不到10年的使用壽命。NASA還應(yīng)籌建一個(gè)太空3D打印工作組，匯集該領(lǐng)域的專(zhuān)家，分別制定未來(lái)5年和10年的研究項(xiàng)目。此外，NASA應(yīng)與美空軍、歐洲航天局、日本航空航天探索局以及其他國(guó)外合作伙伴和商業(yè)公司合作，共同推進(jìn)太空3D打印技術(shù)發(fā)展。

空軍應(yīng)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(jià)值。報(bào)告援引美空軍航天司令部時(shí)任司令的一次講話，認(rèn)為降低整個(gè)運(yùn)載火箭型譜發(fā)射成本，是空軍在當(dāng)前預(yù)算環(huán)境下面臨的四個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)之一。而太空3D打印技術(shù)具有制造出質(zhì)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(yùn)載能力更小的火箭執(zhí)行發(fā)射任務(wù)，進(jìn)而降低發(fā)射成本。報(bào)告認(rèn)為，太空3D打印技術(shù)在快速建造小衛(wèi)星方面具有巨大潛力，因?yàn)槠渚哂锌焖俪尚偷奶卣?，如果能直接打印出整顆衛(wèi)星，將對(duì)增強(qiáng)空軍太空系統(tǒng)的快速響應(yīng)能力和彈性具有重要價(jià)值。報(bào)告指出，美空軍對(duì)太空3D打印技術(shù)重視不夠，建議不應(yīng)忽視在現(xiàn)有太空系統(tǒng)應(yīng)用太空3D打印技術(shù)的機(jī)會(huì)，應(yīng)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(shí)間。同時(shí)，美空軍應(yīng)積極與NASA及其他政府機(jī)構(gòu)和工業(yè)部門(mén)合作，充分利用國(guó)際空間站開(kāi)展太空3D打印技術(shù)研發(fā)，并研究聯(lián)合制訂針對(duì)不同應(yīng)用的質(zhì)量鑒定和認(rèn)證方法。

幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)

基于美國(guó)國(guó)家研究委員會(huì)這篇《太空3D打印》報(bào)告，筆者有以下幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)。

一是美國(guó)3D打印技術(shù)關(guān)注點(diǎn)開(kāi)始向太空拓展。近年來(lái)，地面3D打印技術(shù)發(fā)展勢(shì)頭迅猛，美國(guó)政府、軍方、企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)開(kāi)展了大量的研究與試驗(yàn)，為該技術(shù)的廣泛應(yīng)用營(yíng)造了有利環(huán)境。但對(duì)太空3D打印技術(shù)的關(guān)注較少，對(duì)其應(yīng)用前景和發(fā)展思路一直缺乏系統(tǒng)認(rèn)識(shí)。報(bào)告梳理了太空3D打印技術(shù)在航天領(lǐng)域的廣闊應(yīng)用前景，以及對(duì)航天系統(tǒng)設(shè)計(jì)制造帶來(lái)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(yīng)用方向，梳理技術(shù)體系，制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，以保證該技術(shù)能夠健康發(fā)展，并能盡早發(fā)揮作用，這將促進(jìn)美國(guó)航天界對(duì)太空3D打印技術(shù)的關(guān)注與研究。

二是軍民融合是發(fā)展太空3D打印技術(shù)的重要途徑。報(bào)告認(rèn)為，太空3D打印技術(shù)在降低發(fā)射成本和快速制造小衛(wèi)星方面的應(yīng)用潛力，對(duì)軍方和企業(yè)都具有很大吸引力，是具有廣闊應(yīng)用前景的軍民共用技術(shù)。鑒于太空3D打印技術(shù)短期內(nèi)還無(wú)法發(fā)揮出巨大應(yīng)用價(jià)值，企業(yè)怯于高風(fēng)險(xiǎn)而對(duì)技術(shù)研發(fā)缺乏動(dòng)力，報(bào)告建議政府和軍方目前應(yīng)作為主要推動(dòng)者，利用政策和資金引導(dǎo)感興趣和有基礎(chǔ)的企業(yè)開(kāi)展探索研究，進(jìn)而帶動(dòng)整個(gè)行業(yè)的發(fā)展。另外，許多私營(yíng)企業(yè)對(duì)地面3D打印的關(guān)注和支持力度都很大，政府應(yīng)及時(shí)了解相關(guān)進(jìn)展，開(kāi)發(fā)輔助技術(shù)將其移植到太空，如太空機(jī)器人和自動(dòng)化技術(shù)，避免另起爐灶帶來(lái)的資源浪費(fèi)。

三是國(guó)際空間站是驗(yàn)證太空3D打印技術(shù)的良好平臺(tái)。國(guó)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(duì)于深入理解太空3D打印機(jī)理和工藝流程非常有利，駐站航天員的輔助則能夠降低對(duì)3D打印設(shè)備自動(dòng)化程度的要求，進(jìn)而降低技術(shù)難度。然而，國(guó)際空間站的實(shí)驗(yàn)資源和航天員的工作時(shí)間都非常寶貴，需要在系統(tǒng)認(rèn)識(shí)太空3D打印應(yīng)用領(lǐng)域和技術(shù)瓶頸的前提下，盡早規(guī)劃飛行任務(wù)和實(shí)驗(yàn)資源，力求在有限時(shí)間內(nèi)優(yōu)先驗(yàn)證關(guān)鍵技術(shù)。

NASA已于2014年11月25日在國(guó)際空間站完成首次太空3D打印，并于2016年3月向國(guó)際空間站運(yùn)送了一臺(tái)升級(jí)版太空3D打印機(jī)，實(shí)現(xiàn)真正意義上的太空3D打印。

（責(zé)任編輯：何 荷）

簡(jiǎn) 訊

堅(jiān)決擁護(hù)改革 苦練打贏本領(lǐng)

春節(jié)過(guò)后，陜西某預(yù)備役團(tuán)在營(yíng)區(qū)內(nèi)外擺擂臺(tái)、設(shè)考場(chǎng)，開(kāi)展“錘煉打贏本領(lǐng)，勇當(dāng)改革先鋒”練兵活動(dòng)，不斷提升部隊(duì)遂行多樣化任務(wù)的能力。該團(tuán)按照實(shí)戰(zhàn)化要求，組織開(kāi)展體能、技能、指揮謀略和預(yù)備役部隊(duì)相關(guān)業(yè)務(wù)訓(xùn)練，在全團(tuán)掀起了“堅(jiān)決擁護(hù)改革、苦練打贏本領(lǐng)”的熱潮。

（王 莉 劉甲龍）

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