迷你衛星——3D列印的新領域

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導言

3D列印終於征服了最後邊界——太空。NASA已經把3D印表機搬上了太空，首個在太空中3D列印的對象是一個標示印表機製造商的小面板，上有Made In Space的字樣。太空3D列印技術取得重大進展還需要花上一段時間，距太空列印的黃金時代到來還早。

儘管如此，NASA還是希望能在航天器上3D列印備用零件，以防工作人員因攜帶太多額外的物資進入太空而出現失誤。甚至，NASA的終極目標是在太空中列印出整個衛星。目前，作為重要突破，美國一所大學在地面上列印出了迷你衛星，並即將發射。下面，我們來看看該技術的進展吧。

作者：錢航

中國科學院國家空間科學中心博士 現運載火箭技術研究院總體設計部型號設計師

隨著3D列印，機器人等新興技術的誕生，航空航天領域也一改往日的研發模式，開始探討各種新型高效的科學實驗方法，並獲得了很多舉世矚目的成就。今天，我們就一起探討迷你衛星是如何巧妙應用3D列印，並創造奇蹟的！

空間3D列印技術將在未來空間站運營、深空探測等任務中發揮不可或缺的作用。據了解，空間站等待一次地球補給至少需要半年，而3D列印只需要1—2天就能生產出需要更換的零部件。因此幫助航天員在失重環境下自製所需的實驗和維修工具及零部件，大幅提高空間站實驗的靈活性和維修的及時性，減少空間站備品備件的種類與數量及運營成本，降低空間站對地面補給的依賴性。

一群來自美國愛達荷州的西北拿撒勒大學（Northwest Nazarene University）研究人員很快將看到自己研發的3D列印衛星被發射到太空中。這個名為創造星（MakerSat）的衛星是該大學師生辛勤工作兩年半的結果，同時它也是美國愛達荷州的第一顆衛星。NASA計劃於今年近期發射這顆3D列印衛星。

下圖中這5位（實際上還有第6人，不過未出鏡）即為美國西北拿薩勒大學一支科研團隊，包含2名教授和4名學生，在過去的2年里一直都在開發一種名叫創造星的迷你衛星（對，就是他們手裡拿的小傢伙），目的是測試3D列印材料在太空中的反應，比如耐久度。這顆大量採用了3D列印部件的衛星終於完工，即將由NASA發射升空了。

創造星的大小約為10厘米×10厘米×11.35厘米，屬於立方體衛星（CubeSat）的一種。立方體衛星，簡稱立方星，是一種採用國際通用標準的低成本微小衛星。立方星以「U」劃分，1U指一個標準單元（體積10厘米×10厘米×10厘米，重約1公斤），是微小衛星發展的主要方向。這個小小的設備是西北拿撒勒團隊用3D列印零件製成的，它將幫助NASA收集3D列印材料和零件在太空中的相關數據。一旦發射，創造星將以將近每小時3萬公里的速度繞地球運行，這意味著每100分鐘它將完整地繞地球一圈，而且繼續飛行10年。

「我們希望有一天能直接在太空3D列印出航天器，而這顆衛星就是用來進行前期測試的，看看究竟應該使用多少材料，以及這些材料能在太空中支撐多久。」團隊成員之一的康納·諾加利斯表示。

這顆3D列印的創造星有助於實現太空3D列印的整合，因為它的發現將允許NASA更好地了解可如何在太空中使用3D列印。創造星的任務包括「在國際空間站上展示太空增材製造和組裝」，多用戶、多項目衛星架構以確定3D列印聚合物在太空中是如何和以怎樣的速度退化的，拍攝地球的圖像。根據這些任務，研究人員已開始著手研發一種更省時省錢的製造立方體星的方法。

該團隊表示，如果這次的測試成功，那麼他們就會執行下一階段的計劃，在國際空間站上製造第二顆創造星衛星。這顆衛星將採用100%的3D列印框架，而它的製造者或許你已經猜到了，對，就是大名鼎鼎增材製造工廠（AMF）。這台太空3D印表機是由美國Made In Space（MIS）公司研製的，是2014年首台登陸國際空間站的3D印表機的升級版，功能更強大，而且已經成功列印出了許多可用的功能性部件。所以可以說，它的確是執行列印創造星衛星任務的最佳選擇。

最終，研究團隊希望將能幫助實現NASA的最終目標：在太空3D列印一個結構，甚至一個宇宙飛船。一旦發射，創造星將繞地球近十年。如果發射順利，西北拿撒勒團隊將繼續研發他們的衛星，並開發創造星的下一次迭代——「創造星一號」。他們計劃將在國際空間站上用他們的增材製造設備（Additive Manufacturing Facility，AMF）列印和組裝「創造星一號」。

實際上，NASA早幾年就推動美國商業航天公司利用3D列印技術列印出火箭發動機和立方星的推進系統，為下一代商業推進技術做儲備，目前還需要進行相應的開發和驗證測試。

中國航天界同樣在探索利用3D列印技術。眾所周知，中國航天60年，去年10月19日3時31分，神舟十一號飛船與天宮2號自動交會對接成功。而天宮2號空間實驗室早已於2016年9月15日22時04分09秒在酒泉衛星發射中心發射成功。它較大的改進是裝備更豪華、裝載量提高、內部環境更好，而且它的系統設計是模塊化的，也就是說它出現問題時可以快速更換和在軌維修，這在國內空間領域屬於首創。天宮2號使用3D印表機，則實現本身零部件的快速更換與維修。

事實上，3D列印在中國航空航天業並不是第一次隆重登場，在2015年紀念中國人民抗日戰爭勝利暨世界反法西斯勝利70周年大閱兵的空中梯隊中使用的飛機中，不乏3D列印技術生產出來的零部件產品。

正如工業和信息化部總工程師張峰在「中國增材製造產業聯盟」成立大會上所言，「我國增材製造技術研究起步不晚，有些方面還處於世界領先地位。」領先地位的正是中國航空業在3D列印技術上應用，不僅多個型號飛機使用了3D列印部件，而且部分技術已經達到世界領先水平。

作者：錢航 中國科學院國家空間科學中心博士 現運載火箭技術研究院總體設計部型號設計師

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