太空制造:轨道添加剂

太空，就像柯克和皮卡德上尉说的那样，是最后的边界。不仅仅是为了探索。随着人类在太阳系存在的计划越来越完善，研究人员越来越多地寻找方法，将迄今为止地球范围内的人类活动扩展到太空。考文垂(Coventry)制造技术中心(Manufacturing Technology Centre)最近举行的一次会议探讨了一个领域，即制造业。

一个非常具体的制造领域正在被研究:建造宇宙飞船和人类探险家在太空中执行任务时可能需要的物品(无论是持续五年还是更长时间)，比如庇护所、栖息地和工具。这方面的第一阶段已经开始研究:在20世纪80年代末和90年代初，航天器在轨组装取得了显著的成功，国际空间站(ISS)由俄罗斯发射装置和航天飞机运输的模块建造，并通过自主对接机动或宇航员机组进行组装。

行星外制造的基本原理和国际空间站的建造策略是一样的:在原地建造形状笨拙的大型物品比在地球上建造并将它们发射到轨道上更容易。它们不需要承受发射时的振动和严酷，也不需要为安全运输而包装。唯一重要的是需要运输的原材料的质量。

当然，这只是理论上的。这可能更容易，但实际建造一些东西的任务仍然需要克服，直到最近，很少有既定的制造技术适合(或实用)在微重力条件下使用。

工程师此前，中国在这一领域的尝试主要依靠挤压塑料制造长臂等技术，但完全缺乏制造航天器主要模块等技术。

增材制造技术的出现改变了这种情况，这种技术采用非常简单的原材料形式，如粉末或金属丝，并将它们变成相对复杂的三维几何形状。这将允许在太空中建造复杂的结构，需要以紧凑的形式将原材料运输到轨道上。

英国航天局的托尼·米尔斯(Tony Mears)表示:“(增材制造)有可能彻底改变太空制造业。从降低传统机械的成本，到进行新设计，增材制造正在改变我们处理光学仪器、镜子甚至火箭发动机的方式。英国航天局已经资助了所有这些项目，这些项目已经达到了中等trl(技术准备水平)，它们在商业应用方面都有一个充满希望的未来。”

并不是所有的加法技术都适合在太空中使用。最常被称为3D打印、粉末床增材层制造的技术——用激光融化金属或聚合物粉末，逐片制造出物品——并不适用。诺丁汉大学增材制造中心主任理查德·黑格教授解释说工程师在没有重力的情况下，不可能在3D打印机内部巩固粉末床，因此，这项技术是不可能的。

然而，有一种技术显示出了希望线材+电弧增材制造(WAAM)。从焊接衍生而来，它使用安装在机械臂上的电弧效应器将金属从金属丝上沉积下来，形成效应臂编程所描述的任何形状。由于这种系统绕圈移动很简单，所以特别适合制作圆端圆柱体和球体——这两种形状都是太空飞行器和栖息地常用的形状。用来装高压气体的容器通常是这样的。

克兰菲尔德大学在开发WAAM方面发挥了关键作用，并正在研究该技术的太空应用。今年早些时候，该公司与泰利斯阿莱尼亚空间公司和苏格兰公司Glenalmond Technologies合作，后者专注于将该技术用于高级金属构建一个完整的原型为空间应用设计的钛合金压力容器。该水箱重8.5公斤，长1米，由Ti-6Al-4V合金制成，这是一种高强度重量比的材料，通常用于航空航天和生物医学领域。

在MTC会议上，先进制造研究中心的设计工程师阿卜杜勒·哈克(Abdul Haque)谈到了一个为立方体卫星建造球形钛推进剂罐的项目，该项目旨在容纳用于微波电热推进器系统的氨。该项目与工业合作伙伴AVS Space合作，是AMRC/Space的一部分，AMRC/Space成立于2018年9月，旨在探索英国制造基地的机会，以支持政府“伟大的英国太空时代”的愿景。Haque表示，该储罐满足了此类应用所需的内部压力标准。

增材制造在太空中引起极大兴趣的另一个应用是在月球上为宇航员建造栖息地，并着眼于以后应用于火星载人任务。再一次，其基本原理是不再需要将笨重的物品从地球运送到目标着陆点。在这些情况下，目标通常是使用就地资源利用(ISRU)的原材料来建造模块:换句话说，使用月球(或火星)土壤，被称为风化层。ISRU目前是月球返回任务的主要目标。

随着新的月球任务已经确定在时间表上，人们对添加剂栖息地的兴趣日益浓厚，今年5月底，德国独立研究机构汉诺威激光中心(LZH)与布伦瑞克技术大学(IRAS)空间系统研究所联合宣布了一个名为MOONRISE的项目的新阶段，该项目始于2015年。IRAS研究负责人恩里科·斯托尔教授说，该项目设备是一种低重量激光器，可以融化月球风化层，并将其重新沉积在机器人控制的添加剂挤压系统中，该设备将在2021年底前搭载欧洲航天局领导的月球任务。

“月升”激光器重3公斤，该团队目前正在对其进行改造，使其适合月月车底部的隧道。在执行任务之前，该系统将进行测试，以确保它能够承受凌日条件，并在月球的环境中运行。目前该设备的测试已经进行了10个月。LZH的研究负责人Ludger Overmeyer教授说，在大规模预算范围内确保过程的安全性和设备的挑战是相当大的，但进展是有希望的。

该项目由德国最大的基础研究独立资助者大众基金会(Volkswagen Foundation)资助，该基金会每年为新项目提供1亿欧元(8900万英镑)的资助。尽管它的名字，但它并不隶属于汽车巨头。

与此同时，NASA将在火星上建造3d打印栖息地作为竞赛的主题，该竞赛于4月完成了倒数第二阶段，也是第四阶段。进入比赛的前三名团队是总部位于纽约的SEArch+/Apis Cor，来自阿肯色州的Zopherus和康涅狄格州纽黑文的Mars Incubator，他们分享了10万美元的奖金，这些奖金是基于短视频和微型3D打印模型来展示他们的结构内部。

每个小组对这个问题采取了不同的方法。SEArch+/Apis Cor开发了一个多层设计，具有连续的结构加固，这得益于螺旋结构和建筑顶部一侧的端口，以允许光线进入;Zopherus使用了一种流动3D打印机，旨在从一个地点移动到另一个地点，建造额外的结构;火星孵化器的设计由四个不同用途的独立体块组成，通过桥梁连接。

比赛的最后阶段已经完成，三名决赛选手将面对面地建造他们的结构的全尺寸模型，但在这篇文章付印时，获胜者(将赢得80万美元的奖金)尚未公布。