一路打到火星——太空工廠的增材製造

近日，中國借用歐洲的失重飛機，驗證了3d列印技術。有意思的是，此次列印不僅在0重力下進行了測試，還驗證了月球重力和火星重力下的列印參數：

本次試驗於6月12日開始，截止到6月13日下午，共進行了28次微重力、2次月球重力和2次火星重力飛行，搭載的兩套裝置分別對陶瓷材料和金屬材料進行了預先計劃的製造任務，共獲得10件陶瓷樣品和8件金屬樣品。

科研人員指出：「使用該材料可有效保證製造過程中材料形態的穩定，為微重力環境下粉末材料的高精度成型提供了新技術途徑，有望在未來實現半導體、光學部件、MEMS（微機電系統）等產品在太空探索任務中的原位快速製造，也為月塵月壤等月球資源的就位利用提供了新技術途徑。」

為了測試太空3D印表機，中科院的團隊從2016年5月至今，耗時兩年，在法國波爾多進行了93次拋物線飛行，為後續中國3D列印走向軌道空間奠定了技術基礎。

一般來說，常見3D列印技術按列印材料與成型方式可分為5類，即粉末薄層噴墨成型、光敏樹脂光固化成型、箔材切割疊層、選擇性激光燒結與熔融沉積。太空3D列印由於處於微重力環境，液體、粉末都難以使用。太空製造公司送到國際空間站（ISS）的第一個3D印表機，就是以塑料絲為材料的熔融沉積（FDM）技術。和人類最早的「泥條盤築」技術比較類似。

中國這次創新地將陶瓷粉末與膠體混合，完成微重力環境下的燒結列印，極大地開拓了未來太空製造的產品空間。陶瓷材料在強度、介電性能和耐溫性能等方面比塑料有明顯優勢，而且高分子材料為了適應高輻射環境，往往還要做複雜改性來提高耐用度，成本高昂。中國這次的技術創新，潛在應用意義非常重大。

1

太空製造 只增不減

人類傳統加工技術是典型的「減材技術」，即通過車、銑、刨、磨、鑽、鏜等加工，將一整塊原料通過加工去掉多餘部分。減材製造的材料消耗大，設備體積大，顯然不適用於軌道空間。

增材製造，是少數具備太空生產潛力的技術路線之一。人類早就嘗試過太空增材製造，當然精密度和今天的3d列印沒法比。

早在冷戰時代的太空競賽中，為了解決在軌道空間中的大尺寸結構搭建問題，70年代中期，美國格魯門公司就專門開發了一套以軋制鋁材為原材料，可以在外太空組裝桁架的演示系統，Beam Builder（B-2），並在NASA馬歇爾空間飛行中心進行了測試。這是大結構尺度上的粗糙3D列印。

70年代後期，在馬歇爾空間飛行中心測試的Beam Builder

這套系統的……腦洞

就是畫風有點社會主義……

《Moonlight Mile》動漫中的中國空間站

整個冷戰時期，美國在近地軌道空間技術上止步於太空梭，深空大型工程止步於阿波羅，即便以美帝的資本力量，也沒能在近地空間搭建大跨度太空城。而精密增材製造，受限於時代發展水平，整體技術水平還相當低。

2

打到天上

到了21世紀第二個十年，終於出現了轉機。

經過冷戰後近20年的發展，3D列印的材料厚度縮減到0.1mm級別，列印精度提升至600dpi以上，在材料成本下降的同時，列印速度也大幅提升。隨著軍用與民用3D列印技術日臻成熟，美國將目光重新投向了太空製造。

2011年，NASA啟動了「在國際空間站上試驗零重力環境下的3D列印技術」項目，馬歇爾空間飛行中心選擇與太空製造公司（Made in Space）合作展開研究，並授權太空製造公司利用NASA的「飛行機會計劃」（微重力拋物線飛行）進行測試。該項目研究分為設計、製造原型機與零重力測試三個階段，計劃於2014年完成。

2011年7月，太空製造公司首次微重力3D列印試驗

該項目按計劃順利完成。2014年9月23日，SpaceX的「龍」飛船將人類首台被運往太空的3D印表機ZeroG 3D，以及20隻實驗小鼠送至國際空間站。同年11月24日，該印表機在地面指令下，耗時1小時列印出人類首個太空3D列印零件，也是這台3D印表機自己的備件，一塊帶著NASA與太空製造公司標誌的擠板。

在完成人類首次太空3D列印之後，太空製造公司於2015年進一步提出了新型太空3D列印計劃。2016年3月22日，這台新型3D印表機Additive Manufacturing Facility（AMF）由軌道?ATK公司的天鵝座飛船搭乘阿特拉斯5型火箭運往國際號空間站。作為ZeroG 3D的升級版，這次的3D印表機AMF在尺寸上翻倍，也因此有了生產更大零件的功能。在2016年6月，為宇航員列印了一個扳手。扳手帶有一個回形扣，便於零重力條件下的固定。

AMF

AMF在國際空間站列印的扳手

3

美國領先是習慣

太空製造公司的太空3D列印項目，實際上是NASA「天馬行空」計劃的附屬。根據「天馬行空」計劃，將使未來在太空中回收廢舊塑料再成型循環利用一整套材料成為可能，不僅有利於空間站節約維護成本，也將為未來的深空探索提升自維護續航能力。事實上，這樣的計劃在美國並不是孤本。繩系無限公司（Tethers Unlimited）研製的ERASMUS系統，已經包括了塑料回收、乾熱消毒器與3D列印，目的是為火星登陸與其它深空探索計劃做準備。

繩系無限公司（TU）的計劃不止於此。2012年，在NASA資助下，TU推出了「蜘蛛製造」（SpiderFab）項目計劃，即用太空3D列印技術實現在軌生產超大型空間結構和多功能空間。「蜘蛛製造」計劃主要包括「衛星繭」（Satelite Chrysalis）與「蜘蛛機器人」（SpiderFab Bot）兩個部分。

首先是將具備在軌製造能力的「衛星繭」發射入軌，「繭」中包括增材製造原料與桁架單元，之後用「蜘蛛」進行在軌拼裝集成。該計劃一旦落實，將極大改變現有航天器的研製與部署方式，克服運載火箭單次發射的運載限制，在太空製造包括大型天線、大型光學儀器等將成為可能。

「蜘蛛製造」計劃概念圖

社會主義畫風……

借著太空3D列印的熱潮，2015年，NASA推出了「多功能太空機器人精密製造與裝配系統」，即「建築師」（Archinaut）計劃，該計劃資助對象不僅有格魯門這樣的老牌公司，也包括前面提到的太空製造公司。「建築師」計劃隸屬於NASA「新型空間能力轉折點」系列專題計劃，目標是實現航天器即其它大型複雜結構的在軌製造與裝配，是一套集成多個機械臂與增材製造中心的系統，預計將安裝於國際空間站外部的分離艙。如果這一系統落實，國際空間站將可以完成在軌拆卸、自生產與再組裝。

目前日本宇航局（JAXA）的希望號（Kibo）實驗艙是國際空間站唯一的艙外遠程實驗平台

美國還有其它的非增材製造的太空組裝計劃。

2012年，美國國防高級研究計劃局（DARPA）啟動了「鳳凰」（Phoenix）計劃，旨在用於近地軌道空間回收再利用失效衛星的天線系統。通過用模塊化生產的「細胞星」激活失效衛星的天線，並在成功激活後將天線系統與失效衛星進行切割分離，再用軌道推進器將「細胞星」與天線組合體轉移至地球靜止軌道的工作位置。

「鳳凰」計劃太過複雜，目前僅完成了「細胞星」試驗。在2015年，「鳳凰」計劃的衍生項目，與「建築師」同屬NASA「新型空間能力轉折點」系列專題的「蜻蜓」（Dragonfly）計劃被提出，由NASA蘭利研究中心與3家商業公司聯合研究。按計劃，「蜻蜓」將包含2個3.5m機械臂系統，能夠完成在軌裝配大型天線反射器。

上述這些眼花繚亂的宇宙開發計劃，加在一起看，就是美國要搞一套量產大規模太空平台的軌道生產線。原料除了用火箭從地面打上去，還可以直接利用軌道上的其它衛星——當然可以是別國的。

那麼誰來提供「原材料」呢？

特朗普宣布建「天軍」，美軍高層一片迷茫

美國《防務新聞》18日稱，特朗普當天在美國國家航天委員會上宣布：「我在此指示國防部立即著手建立一支天軍作為武裝部隊的第六個軍種……這是一個重要的聲明。我們將擁有天軍，就像我們擁有空軍一樣，獨立而且平等。這將是非常重要的事情。」

http://mil.news.sina.com.cn/2018-06-20/doc-ihefphqk1244295.shtml

按照美國現有的一系列空間開發計劃，以及與其它國家相比堪稱磅礴的資金投入，特朗普的「天軍」計劃，除了會因從空軍現有資源中「割肉」而導致扯皮以外……似乎可行性不低。

不論這次「天軍」能否落實，新時代已經踹門了。

4

追美國不會錯

中國上一次與美國進行航天合作，已經是上世紀發射銥星的陳年往事了。

從1998年起，美國就從法律層面不斷收集與中國航天的商務合作政策。2011年11月，在神舟八號與天宮一號對接後的幾個小時，太平洋彼岸的華盛頓炸了鍋。以共和黨沃爾夫為首的幾名議員，在美國國會中抨擊白宮與NASA與中國的技術合作，稱技術轉讓增強了中國航天和導彈能力。同年，美國立法禁止NASA、白宮科技政策辦公室用政府資金與中國在空間即科技領域合作，也不允許接待中國相關的官方訪問者，徹底切斷了與中國在空間技術領域的往來。在美國眼裡，具備在軌組裝大規模空間站的能力，已經具備了宇宙競賽自成一極的資格。

來自世界霸權的歇斯底里，就是對中國航天實力的最大讚揚。在美國太空軍事化加速的今天，全世界只有中國能夠奮力跟進。

2019年，中國將發射空間站核心艙，到2022年前後將建成大規模長期空間站。雖然初期規模相比國際空間站較小，但國際空間站已經年老失修，瀕臨報廢，幾年之後，中國空間站將可能成為人類唯一的空間站。

而太空3D列印技術，將極大降低空間站的維護成本與備用載荷。空間站維護物資規模非常龐大，從國際空間站現有載荷情況也可窺見一斑。按2011年統計，國際空間站中存儲了1.3噸物資用於防止故障，地面還準備了1.8噸，總計備品備件達到3.1噸。雖然相比於國際空間站400餘噸的總質量而言不到1%，但考慮到各系統的備件成套，中國未來的空間站備品質量佔比絕對遠不止於1%。太空3D列印無疑將在中國初期空間站搭建過程中，極大節約運載資源，提高在軌維護的安全係數。

2012~2020年間ISS維修需求預測

目前在太空增材生產上可用的技術基本都是塑料FDM，以及概念上存在的，用類似FDM技術的形式，對金屬絲材進行電子束（提供足夠能量）燒熔。目前全球只有俄羅斯人在2017年吹噓自己搞出了太空電子束金屬3D列印原型機，然而並沒有下文。

文章開頭提到，中國在微重力環境下，完成了原本只能在地面生產的陶瓷燒結，這是在太空增材製造領域，從基本材料類別上的突破。這次試驗除了有陶瓷材料，還有鑄造的金屬材料，這說明中國太空3D印表機的能量還不錯，而且在列印尺寸上，也超過了國際空間站目前升級版3D印表機。

中國3D列印技術突破的背後，是來自全國範圍的增材製造領域持續多年的產業動員。

國家增材製造產業發展推進計劃（2015-2016年）

增材製造產業發展行動計劃（2017-2020年）

在這樣持續而大力的政策推動下，中國軍用、民用3D列印技術快速發展，並形成產業規模。太空3D列印技術突破，只是今天中國增材製造技術群星閃耀中的一個光點。

目前，航天五院已經在做類似美國「蜘蛛製造」計劃類似的桁架與複雜結構太空3D列印技術研究。太空新技術領域，中國正在快速趕超。

5

從地面到月面

太空3D技術可以在近地空間建造超大規模在軌平台，自然也可以應用到地外天體基地建設。而離我們最近的，就是月球。

月球重力場較弱，很多基礎設施建設的強度不需要達到地球標準。利用月球風化層表面材料進行3D列印建設，可以快速完成從著陸場地、道路到遮陽牆體等一系列工程。

南加州大學構想的月面逐層列印建設方案

在增材製造技術進一步提升後，3D印表機甚至有可能完成在其它天體表面就地取材自我複製。人類可以模塊化複製生產線，極大程度擺脫現有化學基載具的運載限制，進行地外天體大規模開發。

事實上中國這次直接甩開最易實現的塑料太空3D列印不管，直接突破太空陶瓷及金屬3D列印，也是在為以後的登月計劃做技術儲備。可以說，中國在探索建立一座月球（火星）磚廠。

月面風化層是亞微米級乃至納米級顆粒，主要成分包括氧化硅、氧化鈣、氧化鋁、氧化鎂、氧化亞鐵、少量的氧化鈉、氧化鈦等等。可以就地取材作為陶瓷燒結原料，也可以製作玻璃纖維，而且這些生產工藝完全不需要有水或空氣參與。因此月面開發當中，適用面最大的，絕對不是塑料列印這種初級製造工藝。

包括更遠的未來，如果想要開發月面氦3資源，也需要極其龐大的工程建設作為基礎。以月面氦3的富集程度，雖然總量相比地球很可觀，但分布密度就很可憐了。月壤加熱到1000℃時，每克月壤只能放不到3立方厘米標準氣壓的氣體，其中70%摩爾分數是氦氣，而這部分氦氣中絕大部分是氦4，氦3僅占不到萬分之4，也就是說，1克氦3，需要用幾十噸月壤提取，而考慮到提取中的損耗，每克氦3原料甚至需要數以百噸計的月壤開採量作為工程基礎。

如果只用化學基火箭投送工程設備，人類就算天天發射火箭，想要在月面開發上達到經濟回本，起碼是世紀級時間尺度的長期工程，這顯然是不可行的。只有就地取材就地生產，才能在幾十年周期內完成有經濟效益的月面開發工程。

奉天27號基地模塊展開，滿滿的紅警風格（《Moonlight Mile》）

將國旗插在月面上（《Moonlight Mile》）

未來的道路還很長，中國的航天征程還有更遠大的夢想等待實現。

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！