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我国首次完成太空3D打印,去太空开工厂更近了吗?
来源:互联网   发布日期:2020-05-08 14:52   浏览:756次  值班编辑QQ:点击这里给我发消息

2020年5月5日晚,长征5号B运载火箭搭载中国新一代载人飞船试验船在海南文昌发射场成功首飞,拉开了我国空间站建设的大幕。新飞船上搭载了由中科院太空制造技术重点实验室研制的新一代立体光刻3D打印机在轨精细成型装置(REFORMER)。去太空开工厂,实现人类在地外的活动和生存能力,还有多远?

出品:"格致论道讲坛"公众号(ID:SELFtalks)

以下内容为中国科学院空间应用工程与技术中心研究员王功演讲内容:

太空制造是一个非常小众的研究领域,起步也比较晚,(最火热的时间)从开始到现在大概只有不到十年的时间。今天借这个机会,把我们团队过去这几年如何开展工作,工作的艰辛,工作中遇到的挑战以及有趣的事情跟大家分享一下。

到太空里去办工厂是一个非常遥远的目标,选用这个标题算是个人对它比较美好的期望。众所周知,制造技术是一个国家强盛的基础,它推动人类进步,推进社会文明发展,甚至奠定世界格局。

我们身边有很多制造活动,我们对制造行业要有一定的敬畏之心,因为再简单的制造也没有看起来那么容易,就像现在每天都离不开、全世界都供不应求的口罩,真正做起来也是很困难的。

我很想说小时候我就梦想到太空里去办工厂,但实际上小时候那个年代,对于太空的印象主要来自于《西游记》里面的“大闹天宫”,还有一些科幻动画

《西游记》里有一个炼丹炉,这个炼丹炉采用高温对材料进行处理,这也可以说是一种太空制造的行为。

我国的科学家在过去的空间材料研究中已经做了非常多了不起的工作。比如“神舟二号”飞船上面的晶体生长炉。科学家利用它制造了一些价值很高的材料,这些材料为地球上的许多应用带来更好的效果。

为什么要太空制造?

今天我要分享的太空制造,并不是为了在地球上应用,而是为了在太空中应用。为什么要做这样一个活动呢?

大概是十年前,2010年我刚回国参加载人航天工程的工作,由于我刚回来,不是各个型号任务的主力,只能算空间站建造的后备力量,所以我反而有大量的时间去调研各类资料。

我当时关注更多的是航天的安全性和可靠性的问题,所以关于哥伦比亚号航天飞机事故的原因、过程我做了许多调研。

其中有一个事实,在航天飞机返回地球前,航天员其实已经发现了航天飞机左翼的缺陷,就是这个缺陷导致了惨痛事故的发生,问题是他们有没有机会来挽救这次事故呢?

从后面公开的调查报告可以看到,实际上NASA对这个问题进行了仿真和非常认真的分析,其结论是非常不乐观的,他们认为以当时的条件在太空开展在轨维修的风险是非常高的。

也就是说,即使开展这样的工作也不太可能成功挽救这次事故。但是,这个报告提了一个非常重要的建议,就是在轨的应急维修能力是保障航天安全的重要手段。

后来在调研国际空间站的一些安全保障措施的时候,我发现国际空间站中存放了大量的备品、备件、以及工具,价值大约在十亿美元。但是,这些备件有99%的概率是用不上的,它们的存在只是为了以防万一。

那么,如果能够在太空中,在空间站中快速制造出所需要的工具、备件,是不是可以节省出很多宝贵的空间呢?

由于空间站是在近地轨道运行,利用上行物资,携带大量用不上的备件是可以做到的。试想如果有一天人类走向火星,我们还能否携带这么多的物资?

电影《火星救援》中有这样一个场景,主角为了生存开荒种土豆,姑且认为他用的铁锹是从地球运送过去的,这个逻辑如果站得住,那么钢铁侠马斯克提出:如果送一万人去火星,这些人在火星如何生存下去,如何开荒,如何获得生活所需要的各种物资,比如现在欧美人大量抢购的厕纸等等。

所以,太空制造的根本目的是提升人类在地外的活动和生存能力。

在哥伦比亚号航天飞机失事之后,NASA确实重视了提升在轨活动能力的工作,他们开展了一些比如元器件焊接这样的实验。

实验表明,元器件焊接是可以实现的。但是,从图中可以看到,这样的焊接质量如果以地球上的标准来看,实际上属于废品。

为什么会这样呢?其中两个原因很重要:一是航天员在微重力情况下保持自身的姿态和动作的精确是很困难的;二是无论是液体、固体还是颗粒材料,在微重力环境中都难以精确地控制。

所以,太空制造实际上是一个多种因素交叉,相互耦合的跨学科领域。

太空中特殊的环境,比如微重力等,对制造所需要的材料提出特殊的要求,特殊的材料又对制造工艺和装备提出工程上的挑战,那么我们需要做到什么呢?

第一、所需设备应是非常容易操作的。尽管我国航天员的能力很强,但是我们还是不希望他去做太有难度的操作,因为它会增加风险。

第二、需要一个低功耗的设备。尽管我们的太阳帆板可以提供源源不断的能量,但是它的峰值功耗是有限的。

第三、要小型化。空间站的空间非常有限,我们不太可能把一个机床真的搬到空间站去运行。

第四、空间站环境也是航天员生存的环境,我们希望制造过程不要释放任何有害的物质。

所以,这一系列问题下来,我们不难发现太空制造和地面的制造有很大的区别。

3D打印打开太空制造的大门

2012年出现了一个非常火的概念,就是3D打印3D打印实际上并不是一个新鲜的概念,在上世纪80年代就已经出现了,国内从事这个方向研究的团队、专家非常多。

在2012年开始的各种宣传中,3D打印从工业产品到时尚产品,再到建筑,甚至到人类的器官,它似乎无所不能,这吸引了从事太空制造研究专家的注意。3D打印具有的特点包括节省材料、无需模具、数字模型等等,为太空制造带来很多想象,它就像一个魔术口袋一样,可以变出很多我们想要的东西。

简而言之,传统制造工艺的最大特点用切削工艺做减法获得我们想要的零部件,而3D打印是用粉末材料、树脂材料,还有固体的丝材料层层堆叠从而获得我们想要的东西,是做加法,所以又叫增材制造

这些特点从理论上来讲确实非常适合在空间站使用,所以在2014年的时候,NASA送了一台打印机到国际空间站,放在手套箱里。这台打印机体积非常小,只占到手套箱的大约1/4,以打印塑料为主,各项指标都不算先进,但是这个事件在当时引起了非常大的关注,因为这是第一次在空间站有了自动化生产的工具。

这台打印机所采用的工艺是热熔沉积,这是在地球生活中很容易见到的一种打印工艺,可以把固体的塑料丝材通过加热而融化。

所以,由于这种工艺能比较容易适应微重力环境,NASA和ESA在这个基础上又研制了升级的打印装备。但是,比较有趣的是,所有这些设备上了空间站以后,后续关于它们应用的披露却极少。

所以,当时我产生了一个疑问:它们在使用过程中的效果到底怎么样?3D打印对太空制造究竟是一个噱头,还是真的能够做出我们想要的产品?

我国的“太空3D打印”之路

2015年我开始策划我们团队的第一次微重力3D打印实验。我们面临的困难很大,因为我们国家的空间站还没有建成,也没有机会去国际空间站。幸运的是,我们单位当时和德国宇航局签署了一个关于失重飞机的合作协议,所以我们可以利用失重飞机进行3D打印实验,也就有了后来的这张照片。

比较有意思的是,后来腾讯上有一篇报道,讲我是如何被国际空间站拒绝,不得已转而去做失重飞机实验的,实际上没有这回事,我从来没有对他们提出过申请。当然,那个报道是非常正面的,并对我们的工作加以肯定鼓励。

现在,我简单介绍一下失重飞机,失重飞机是在地面上进行太空环境模拟的一个非常重要的平台。欧空局的这架失重飞机是采用空客A310飞机进行改装,运行时它在6000米左右平飞,然后向上拉伸,一直到8000米,在此过程中关闭发动机,让飞机进行一个自由落体的抛物线下降。所以,失重飞机有时候也被称为“抛物线飞机”

在这个抛物线过程中,共会产生22秒的微重力环境。第一次实验结束后,有一些人问我,你如何利用22秒的时间来打印“中国科学院”这五个字?实际上每一次起飞降落中间会有31次重复循环的过程,所以打印的过程不是利用了一个22秒,而是31个22秒。

在实验过程中,试验队员在飞机上活动,我们把一些内部的影像资料都做了记录,并设计了很多策略,包括全程打印和仅在微重力环境下打印,然后进行对比。

实验结束后,领导问我这个实验成功了没有。说实话,拿到这些样品,我是很开心的,因为我知道我的实验成功了。

因为,这次实验我的目标并不是要打印非常完美的产品,而是想验证一下微重力环境到底对3D打印有没有影响?可以看到在微重力环境中所打印物体的层厚比有重力的情况下要厚出8%,这是什么原因呢?

后来我们也请教了很多搞空间流体力学的专家,他们的解释是:在地球上由于有重力的存在,所以液体倾向于在平面上平铺,但是在微重力环境中,液体更倾向于处于悬浮状态,直到冷却凝固,所以它就会比在地面上打印时高出一定的层厚。

但是,由于样品的数量非常少,所以这个数据8%从统计学角度来讲,并不一定准确,但是趋势应该是对的,同时证明了NASA和ESA所采用的FDM方式有两个主要的缺陷:一是用塑料来打印,产品的性能是有限的;二是制造的精度离能够装配使用还有不小的距离。

所以,我们就提出另外一条路线利用立体光刻在空间进行制造。这个原理很简单,用光触发材料发生光聚合反应进行固化,有点像女生涂指甲油,然后在紫外灯下照射。

其实这种工艺NASA很早就注意到了,并且对它进行了研究,不过NASA认为这样的工艺不太可能在微重力环境下使用。原因很明显,因为这样的工艺主要需要的原材料是液体,而液体在微重力环境中非常容易自由飘散。

那么,对我们来说也一样,如果选择采用立体光刻这样的工艺,就必须找到一个能够控制液态材料的办法。我们的第一个目标是希望超越塑料材料产品的性能。

第二个目标是要控制这个材料,不能让它自由流动。我们选择的方式是把纳米以及亚微米级的金属和陶瓷的粉末添加到光敏树脂溶液里面。这是非常有难度的一件事情,相当于把一袋面粉倒入一杯水中,还要让粉末分散均匀。

大家知道纳米颗粒非常容易团聚,如果要打印得非常好,需要把纳米颗粒均匀分散,这个工作我们前后一共做了两年。

其实在第一次失重飞行实验的时候,第一批材料已经在失重环境中进行了实验。当时我们观察的现象是在微重力环境下混合物溶液有明显的爬壁行为,这是我们不希望看到的,所以第一批材料不是我们想要的材料。

后来经过大量试验,我们找到了需要的流体,它有点像化妆品它的特点是在没有外力施加的情况下看上去就像一个固体,即使360度旋转,也不发生任何流动,但是一旦有剪切力的出现,它的局部会发生一个流变特性的变化,会变稀,这样我们就可以很容易把它铺平。

2018年的时候我们再次去了法国,在失重飞机上实验了这样的材料和为此专门研制的光刻设备。我们观察了利用这些材料和设备,如何能够把材料进行平铺,然后再用光刻把它赋形。

实验证明我们的思路是可行的,所以我们很激动。让我们更激动的是我们把NASA曾经认为不可能的工艺变成了可能,这也是中国团队第一次在太空制造这个领域提出并且验证了自己的想法。

回到实验室,我们希望探究这样的工艺是不是还能够适应更多有价值的零件。所以,我们用它制备了很多种比较精密的工业产品,甚至用它来制造模拟月壤材料的结构,得到了非常不错的效果。

我们还有一个想法,如果这样的工艺能够制造金属材料,那么就可以用一种工艺来适应高分子材料、陶瓷材料,以及金属材料,这样太空中大多数的材料类型用一个设备,一种工艺就可以全部解决。

当时我提出了一个异想天开的想法,为什么不能用我们国家的飞机来做这种失重飞行呢?

这确实是一个非常大胆的想法,熟悉我国航天领域的人都知道,失重飞机在我们国家航天界已经期盼很久了,但是因为种种原因不能成为现实,因为它需要性能优异的飞机,需要飞机的改装能力,需要足够大的空域,还需要非常优秀的飞行员,以及经过缜密计算的飞行轨迹。

我们没有其他办法,只能去想办法创造这样的条件。仔细分析之后,发现在中国只有一个单位能够把上述的要素全部聚齐,这个单位就是位于西安阎良的中国试飞院。

这个单位很了不起,我们国家所有的军机、民机,包括去年阅兵时看到的飞机都是在这里进行飞行鉴定的。我在联系他们之前很忐忑,忐忑的原因是因为我知道我的实验经费是非常有限的,这种感觉就像你只能买得起一张经济舱的飞机票,但是你要去问别人,能不能把一架飞机包给你一样。

所以,我知道这样的要求有点过分,但是没有办法,我还是联系了他们。非常非常幸运的是,我遇到了一些和我有同样想法的人,他们也对中国能够拥有自己的失重飞机期待已久,所以在我提出这个想法之后,我们很快达成了共识,一起来推动这件事。

经过400多天的努力,飞机的改装,飞行方案一轮一轮的校对,我们都做了精心的准备,最后由中国试飞院的副院长亲自驾驶飞机,那天几乎所有留在试飞院的领导都来到了现场,大家都很激动。

实验成功以后,由于一些信息不能对外公开,所以并没有进行大量的报道,这些我们都很理解。实验成功时,我虽然没有像想象中那样和大家抱头痛哭,但是我真的很激动。我代表整个团队向帮助我们的所有人表示感谢,因为他们不仅帮我们完成了实验,也为国内很多想利用失重飞机开展实验的人打开了一扇门。我很荣幸,我们的实验是第一个,我成为了那个敲门的人,这个实验完成以后,我们第一阶段工作就做完了。

太空制造的未来

回顾从第一台打印机出现在国际空间站,到现在大概过去了六年的时间,在这六年当中,太空制造领域的材料体系和制造工艺在不断丰富,从高分子材料到金属材料,到陶瓷材料,再到生物材料,它的工艺不仅仅是3D打印,也有铸造,材料循环等,它的发展非常快速。

但是,我们还面临着非常多的挑战,到目前为止,我们做的仍然都是一些非常简单的探索,还有很多问题等待着我们去钻研,比如3D打印是不是实现太空制造的一个终极手段?

在我看来,目前这仍然是存疑的,因为现有的3D打印技术还有很多问题需要克服。比如如何去支撑?在打印过程中的这些支撑如果让航天员来处理会增加非常非常多的工作量,有的支撑甚至需要专用的工具去做。

有没有其他的工艺能够更好地制造出我们所需要的产品呢?这都是急需我们进一步去探究的。

如果说要预测一下太空制造未来的发展,我个人认为太空制造可以分为三个阶段:第一阶段,小型零部件的制造;第二阶段,大型空间装置的制造及在轨组装;第三阶段,可能会去月球、火星进行地外环境中更综合的一些制造活动。

我们现在还处于第一阶段,个人认为,我们大概只在这个阶段解锁了10%的工作,还有大量的工作需要我们去做。

当然,我们现在所处的时代很好,因为我们国家马上就要开启空间站时代,我们终于不用再去国外做失重飞机实验,也不用去惦记国际空间站,我们自己的空间站建成以后,它会为很多像我一样有探索想法的人打开大门。

太空制造才刚刚开始,我们的下一代,也许他们真的能够实现到太空里去办工厂的想法。

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本文出品自“格致论道讲坛”公众号(SELFtalks),转载请注明公众号出处,未经授权不得转载。

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