太空制造：在轨道上添加

3D打印技术的发展可能会让地球外制造成为现实。斯图亚特·内森报告

正如柯克和皮卡德船长所说的那样，太空是最后的边疆。而且不仅仅是为了探索。随着人类进入太阳系的计划越来越成熟，研究人员正越来越多地寻找将人类活动范围扩展到太空的方法。最近在考文垂制造技术中心举行的一次会议上，制造业就是其中一个领域。

目前正在研究一个非常具体的制造领域：建造航天器和人类探险家在执行任务时可能需要的物品（无论是五年还是更长时间），如太空避难所、栖息地和工具。这方面的第一个阶段已经开始研究：1980年代末和1990年代初，航天器的在轨组装取得了显著的成功，利用俄罗斯发射器和航天飞机运输的模块建造了国际空间站（ISS），并由自主对接操作或宇航员团队组装。

离地制造的基本原理与国际空间站的建造策略相同：在原地建造形状笨拙的大型物品要比在地球上建造并发射到轨道上容易得多。它们不必承受发射时的振动和严酷，也不必包装成安全运输。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，直到相对最近，很少有现有的制造技术适合(或实用)在微重力条件下使用。

工程师美国航空公司在这一领域的前几次尝试着眼于诸如挤压塑料来制造长吊杆等技术，但却完全缺乏建造宇宙飞船主要模块的能力。

添加剂制造技术的出现改变了这一点。添加剂制造技术采用非常简单的原材料形式，如粉末或金属丝，并将其转化为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，并需要以紧凑的形式将原材料送入轨道。

英国航天局的托尼·米尔斯表示:“(增材制造)有潜力彻底改变太空制造业。从消除传统机械的成本，到进行新的设计，增材制造正在改变我们对待光学仪器、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，达到了中trl(技术准备水平)，它们在商业应用方面都有广阔的未来。”

并非所有的加法技术都适合在太空中使用。这种通常被称为3D打印的粉末床添加剂层制造技术并不适合。在这种技术中，激光用来熔化金属或聚合物粉末，逐片地制造出物品。诺丁汉大学增材制造中心主任理查德·黑格教授解释道工程师在没有重力的情况下，不可能在3D打印机内整合粉末床，因此，该技术不可能实现。

然而，有一项技术正在显示出前景钢丝+电弧增材制造（WAAM）。从焊接衍生而来，它使用安装在机器人手臂上的电弧效应器将金属从金属丝沉积成效应器手臂编程描述的任何形状。由于这样一个系统在圆周上移动很简单，因此它特别适合制作圆头圆柱体和球体——这两种形状通常用于航天器和栖息地。设计用于容纳加压气体的储罐通常是这样的形状。

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空间应用。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，专注于将该技术用于高级金属建立一个完整的原型为空间应用而设计的钛合金压力容器。该坦克重8.5公斤，长1米，由钛合金Ti-6Al-4V制成，这是一种高强度重量比材料，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，该推进剂罐旨在容纳用于微波电热推进器系统的氨。该项目与行业合作伙伴AVS Space合作，作为AMRC/Space的一部分进行，AMRC/Space成立于2018年9月，旨在探索英国制造基地的机遇，以支持政府对“伟大的英国太空时代”的愿景。哈克说，该储罐符合此类应用所需的内部压力标准。

太空增材制造的另一个应用吸引了人们极大的兴趣，那就是在月球上为宇航员建造栖息地，并着眼于日后在载人火星任务中的应用。再一次，这样做的理由是无需将笨重的物品从地球运到目标着陆点。在这些情况下，目标通常是使用原地资源利用(ISRU)作为建造模块的原材料:换句话说，使用月球(或火星)土壤，即风化层。ISRU目前是月球返回任务的主要目标。

随着新的探月任务已经确定在时间表上，对加性栖息地的兴趣已经增强，今年5月底，德国独立研究机构汉诺威激光中心(LZH)与布朗瑞威格技术大学空间系统研究所(IRAS)合作，宣布了一个名为“月升”的项目的新阶段，该项目始于2015年。IRAS研究负责人恩里科·斯托尔教授表示，该项目设备是一种低重量激光，可以熔化月球风化层，并将其重新沉积在机器人控制的添加剂挤压系统中，将在2021年底搭载欧洲航天局领导的月球任务。

月出激光重达3kg，研究小组目前正在对其进行改造，使其适合安装在月球车基座上的隧道中。在执行任务之前，将对该系统进行测试，以确保其能够承受凌日条件并在月球环境中运行。该设备的测试已经进行了10个月。LZH研究负责人Ludger Overmeyer教授表示，确保工艺安全和设备在大众预算范围内的挑战是相当大的，但这一进展是有希望的。

该项目是由大众基金会资助的，该基金会是德国最大的基础研究独立资助者，它以每年1亿欧元（8900万欧元）的速度授予新项目的奖项。尽管它的名字，但它并不隶属于这家汽车巨头。

与此同时，美国国家航空航天局(NASA)将在火星上建造3d打印栖息地作为一项竞赛的主题，该竞赛的倒数第二阶段和第四阶段已于今年4月完成。进入竞赛的前三名团队，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，分享了基于短视频和微型3D打印模型的10万美元奖金，以显示其结构的内部。

每个小组对这个问题采取了不同的方法。SEArch+/Apis Cor开发了一个多层连续结构加固设计，得益于其螺旋结构和沿着建筑顶部一侧的端口，以允许光线进入;Zopherus使用了一个流动3D打印机，可以从一个站点移动到另一个站点建造额外的结构;Mars Incubator的设计由四个不同用途的独立体量组成，通过桥梁连接。

比赛的最后阶段已经结束，三名入围者将面对面地为他们的建筑建造全尺寸模型，但随着这一功能的发布，获奖者（将获得80万美元奖金）尚未公布。