太空3D打印技術的發展
—— 美國《太空3D打印》報告評析

程紹馳

太空3D打印技術的發展
—— 美國《太空3D打印》報告評析

程紹馳

美國國家研究委員會發布的《太空3D打印》報告由美空軍與國家航空航天局（NASA）聯合資助，主要評估了太空3D打印技術的發展現狀、發展趨勢、太空應用可行性、現有差距以及對未來航天發展的影響，以探索太空3D打印技術發展思路。

軍事技術 3D打印 ［美］

作者：程紹馳，中國國防科技信息中心助理研究員

不久前，美國國家研究委員會在其官方網站發布了《太空3D打印》報告（下簡稱“報告”）。此項研究由美空軍與國家航空航天局（NASA）聯合資助，主要評估了太空3D打印技術的發展現狀、發展趨勢、太空應用可行性、現有差距以及對未來航天發展的影響，以探索太空3D打印技術發展思路。報告認為，太空3D打印可能改變未來太空系統設計和制造的方法，但該技術的應用仍面臨諸多技術挑戰，短期內還難以發揮重要作用；NASA應牽頭制訂技術發展路線圖，充分利用國際空間站資源開展相關試驗；空軍需加強對該技術的重視，積極與NASA開展合作，分擔成本，共享數據。

報告出臺背景

近年來，3D打印技術展示出的成形速度快、材料利用率高、生產周期短、數字化程度高等優點，使美國政府和軍方都增強了對該技術的關注和支持力度。美國政府于2012年8月成立國家增材制造創新聯盟，大力支持3D打印技術研發；美陸軍于2013年7月將能打印軍用小部件和裝備組件的移動遠征實驗室投入戰場；美海軍正討論利用3D打印技術在艦上打印零部件和物資維持艦隊持久作戰的裝備保障新模式；美空軍正計劃利用3D打印技術打印F-35戰斗機部件；NASA成功測試了利用3D打印機制造的火箭發動機噴管。從3D打印技術展現出的優勢看，將其移植到太空可降低航天器研發成本，縮短研制周期，甚至創新系統結構。目前，太空3D打印的應用價值和發展思路仍不明確，且面臨許多與地面打印不一樣的材料、結構、工藝、質量、控制和標準化等方面問題。許多關于其“即將在航天領域發揮重要作用”的論斷存在著夸張甚至炒作的成分。作為美國空間技術研發的兩大領導機構，NASA和美空軍都認為，需要對太空3D打印技術可能應用的領域、目前已取得的進展以及面臨的關鍵問題進行系統分析，從而為開展相關研發提供指導和支持。

主要觀點

應用前景廣闊。報告列舉了太空3D打印技術可能應用的8個領域：為載人航天器在軌制造替換零件；材料在軌循環利用；為機器人航天器在軌制造替換零件；在軌制造地面難以制造或發射的部件；在軌制造分系統；建立在軌制造實驗室；在軌制造整個航天器；利用其他行星表面資源建造基地。報告認為，現有太空系統在設計時考慮的首要因素是，能經受住地面制造、裝配、測試、運輸和發射過程中的負載，且發射體積和質量受到運載火箭的嚴格限制。太空3D打印可排除這些受限因素，將密度為現有有效載荷100倍的3D打印材料直接送往太空，在零重力條件下，創造一種全新的航天器設計制造方法，很可能衍生出新的航天器概念和功能。

實際應用面臨諸多挑戰。一是太空環境。太空的微重力或零重力環境、高真空以及缺少對流和晝夜溫差大的熱環境，會對加工精度、工藝和設備的固定及運動方式帶來顯著影響，進而影響產品的機械結構和功能，而相關的機理和控制措施還需要深入研究和在軌試驗。二是質量管控。加工流程和產品性能的監控都需要在太空完成，而與監控相關的設備、內容、方式、標準還有待確定。三是保障設施。保障設施需要提供緩解外力作用的穩定平臺，傳輸視頻、遙控指令、狀態監測等不同類型數據，針對不同加工工藝提供不同功率，具備較高的自動化水平，這些都需要進行系統研究。四是人的參與。3D打印目前還需要人的參與，包括設備搬運、檢查和調試，產品檢驗，軟件加載等。從長遠看，人員參與也必不可少，因為它可以簡化平臺設計，降低自動化復雜度。這要求繼續推進地面遠程監控和太空機器人技術研究。

NASA應牽頭發展太空3D打印技術。報告認為，NASA是目前太空3D打印技術研發的領導者，并運行著一個有價值的研究試驗平臺——國際空間站。NASA應牽頭制定太空3D打印技術發展路線圖，確定近期和遠期發展目標，評估相關風險和效費比，并將3D打印技術引入NASA關鍵太空任務，尤其是長時間載人飛行和深空探測任務，優先支持自動化或需少量人參與的太空3D打印任務。報告還建議，NASA盡快確定可在國際空間站上開展和測試3D打印的試驗。因為按目前規劃，國際空間站還剩不到10年的使用壽命。NASA還應籌建一個太空3D打印工作組，匯集該領域的專家，分別制定未來5年和10年的研究項目。此外，NASA應與美空軍、歐洲航天局、日本航空航天探索局以及其他國外合作伙伴和商業公司合作，共同推進太空3D打印技術發展。

空軍應重視太空3D打印在降低發射成本和發展小衛星方面的價值。報告援引美空軍航天司令部時任司令的一次講話，認為降低整個運載火箭型譜發射成本，是空軍在當前預算環境下面臨的四個關鍵挑戰之一。而太空3D打印技術具有制造出質量更小的衛星系統或零部件的潛力，將允許空軍使用運載能力更小的火箭執行發射任務，進而降低發射成本。報告認為，太空3D打印技術在快速建造小衛星方面具有巨大潛力，因為其具有快速成型的特征，如果能直接打印出整顆衛星，將對增強空軍太空系統的快速響應能力和彈性具有重要價值。報告指出，美空軍對太空3D打印技術重視不夠，建議不應忽視在現有太空系統應用太空3D打印技術的機會，應積極利用3D打印材料和部件削減太空系統的重量、成本和研制時間。同時，美空軍應積極與NASA及其他政府機構和工業部門合作，充分利用國際空間站開展太空3D打印技術研發，并研究聯合制訂針對不同應用的質量鑒定和認證方法。

幾點認識

基于美國國家研究委員會這篇《太空3D打印》報告，筆者有以下幾點認識。

一是美國3D打印技術關注點開始向太空拓展。近年來，地面3D打印技術發展勢頭迅猛，美國政府、軍方、企業和研究機構開展了大量的研究與試驗，為該技術的廣泛應用營造了有利環境。但對太空3D打印技術的關注較少，對其應用前景和發展思路一直缺乏系統認識。報告梳理了太空3D打印技術在航天領域的廣闊應用前景，以及對航天系統設計制造帶來的革命性影響，建議空軍和NASA及早謀劃發展戰略，確定優先應用方向，梳理技術體系，制定相關標準，以保證該技術能夠健康發展，并能盡早發揮作用，這將促進美國航天界對太空3D打印技術的關注與研究。

二是軍民融合是發展太空3D打印技術的重要途徑。報告認為，太空3D打印技術在降低發射成本和快速制造小衛星方面的應用潛力，對軍方和企業都具有很大吸引力，是具有廣闊應用前景的軍民共用技術。鑒于太空3D打印技術短期內還無法發揮出巨大應用價值，企業怯于高風險而對技術研發缺乏動力，報告建議政府和軍方目前應作為主要推動者，利用政策和資金引導感興趣和有基礎的企業開展探索研究，進而帶動整個行業的發展。另外，許多私營企業對地面3D打印的關注和支持力度都很大，政府應及時了解相關進展，開發輔助技術將其移植到太空，如太空機器人和自動化技術，避免另起爐灶帶來的資源浪費。

三是國際空間站是驗證太空3D打印技術的良好平臺。國際空間站能夠提供太空3D打印面臨的微重力、高真空和熱環境，對于深入理解太空3D打印機理和工藝流程非常有利，駐站航天員的輔助則能夠降低對3D打印設備自動化程度的要求，進而降低技術難度。然而，國際空間站的實驗資源和航天員的工作時間都非常寶貴，需要在系統認識太空3D打印應用領域和技術瓶頸的前提下，盡早規劃飛行任務和實驗資源，力求在有限時間內優先驗證關鍵技術。

NASA已于2014年11月25日在國際空間站完成首次太空3D打印，并于2016年3月向國際空間站運送了一臺升級版太空3D打印機，實現真正意義上的太空3D打印。

（責任編輯：何 荷）

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