一路打到火星——太空工厂的增材制造

近日，中国借用欧洲的失重飞机，验证了3d打印技术。有意思的是，此次打印不仅在0重力下进行了测试，还验证了月球重力和火星重力下的打印参数：

本次试验于6月12日开始，截止到6月13日下午，共进行了28次微重力、2次月球重力和2次火星重力飞行，搭载的两套装置分别对陶瓷材料和金属材料进行了预先计划的制造任务，共获得10件陶瓷样品和8件金属样品。

科研人员指出：“使用该材料可有效保证制造过程中材料形态的稳定，为微重力环境下粉末材料的高精度成型提供了新技术途径，有望在未来实现半导体、光学部件、MEMS（微机电系统）等产品在太空探索任务中的原位快速制造，也为月尘月壤等月球资源的就位利用提供了新技术途径。”

为了测试太空3D打印机，中科院的团队从2016年5月至今，耗时两年，在法国波尔多进行了93次抛物线飞行，为后续中国3D打印走向轨道空间奠定了技术基础。

一般来说，常见3D打印技术按打印材料与成型方式可分为5类，即粉末薄层喷墨成型、光敏树脂光固化成型、箔材切割叠层、选择性激光烧结与熔融沉积。太空3D打印由于处于微重力环境，液体、粉末都难以使用。太空制造公司送到国际空间站（ISS）的第一个3D打印机，就是以塑料丝为材料的熔融沉积（FDM）技术。和人类最早的“泥条盘筑”技术比较类似。

中国这次创新地将陶瓷粉末与胶体混合，完成微重力环境下的烧结打印，极大地开拓了未来太空制造的产品空间。陶瓷材料在强度、介电性能和耐温性能等方面比塑料有明显优势，而且高分子材料为了适应高辐射环境，往往还要做复杂改性来提高耐用度，成本高昂。中国这次的技术创新，潜在应用意义非常重大。

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太空制造 只增不减

人类传统加工技术是典型的“减材技术”，即通过车、铣、刨、磨、钻、镗等加工，将一整块原料通过加工去掉多余部分。减材制造的材料消耗大，设备体积大，显然不适用于轨道空间。

增材制造，是少数具备太空生产潜力的技术路线之一。人类早就尝试过太空增材制造，当然精密度和今天的3d打印没法比。

早在冷战时代的太空竞赛中，为了解决在轨道空间中的大尺寸结构搭建问题，70年代中期，美国格鲁门公司就专门开发了一套以轧制铝材为原材料，可以在外太空组装桁架的演示系统，Beam Builder（B-2），并在NASA马歇尔空间飞行中心进行了测试。这是大结构尺度上的粗糙3D打印。

70年代后期，在马歇尔空间飞行中心测试的Beam Builder

这套系统的……脑洞

就是画风有点社会主义……

《Moonlight Mile》动漫中的中国空间站

整个冷战时期，美国在近地轨道空间技术上止步于航天飞机，深空大型工程止步于阿波罗，即便以美帝的资本力量，也没能在近地空间搭建大跨度太空城。而精密增材制造，受限于时代发展水平，整体技术水平还相当低。

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打到天上

到了21世纪第二个十年，终于出现了转机。

经过冷战后近20年的发展，3D打印的材料厚度缩减到0.1mm级别，打印精度提升至600dpi以上，在材料成本下降的同时，打印速度也大幅提升。随着军用与民用3D打印技术日臻成熟，美国将目光重新投向了太空制造。

2011年，NASA启动了“在国际空间站上试验零重力环境下的3D打印技术”项目，马歇尔空间飞行中心选择与太空制造公司（Made in Space）合作展开研究，并授权太空制造公司利用NASA的“飞行机会计划”（微重力抛物线飞行）进行测试。该项目研究分为设计、制造原型机与零重力测试三个阶段，计划于2014年完成。

 2011年7月，太空制造公司首次微重力3D打印试验

该项目按计划顺利完成。2014年9月23日，SpaceX的“龙”飞船将人类首台被运往太空的3D打印机ZeroG 3D，以及20只实验小鼠送至国际空间站。同年11月24日，该打印机在地面指令下，耗时1小时打印出人类首个太空3D打印零件，也是这台3D打印机自己的备件，一块带着NASA与太空制造公司标志的挤板。

在完成人类首次太空3D打印之后，太空制造公司于2015年进一步提出了新型太空3D打印计划。2016年3月22日，这台新型3D打印机Additive Manufacturing Facility（AMF）由轨道•ATK公司的天鹅座飞船搭乘阿特拉斯5型火箭运往国际号空间站。作为ZeroG 3D的升级版，这次的3D打印机AMF在尺寸上翻倍，也因此有了生产更大零件的功能。在2016年6月，为宇航员打印了一个扳手。扳手带有一个回形扣，便于零重力条件下的固定。

AMF

AMF在国际空间站打印的扳手

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美国领先是习惯

太空制造公司的太空3D打印项目，实际上是NASA“天马行空”计划的附属。根据“天马行空”计划，将使未来在太空中回收废旧塑料再成型循环利用一整套材料成为可能，不仅有利于空间站节约维护成本，也将为未来的深空探索提升自维护续航能力。事实上，这样的计划在美国并不是孤本。绳系无限公司（Tethers Unlimited）研制的ERASMUS系统，已经包括了塑料回收、干热消毒器与3D打印，目的是为火星登陆与其它深空探索计划做准备。

绳系无限公司（TU）的计划不止于此。2012年，在NASA资助下，TU推出了“蜘蛛制造”（SpiderFab）项目计划，即用太空3D打印技术实现在轨生产超大型空间结构和多功能空间。“蜘蛛制造”计划主要包括“卫星茧”（Satelite Chrysalis）与“蜘蛛机器人”（SpiderFab Bot）两个部分。

首先是将具备在轨制造能力的“卫星茧”发射入轨，“茧”中包括增材制造原料与桁架单元，之后用“蜘蛛”进行在轨拼装集成。该计划一旦落实，将极大改变现有航天器的研制与部署方式，克服运载火箭单次发射的运载限制，在太空制造包括大型天线、大型光学仪器等将成为可能。

“蜘蛛制造”计划概念图

社会主义画风……

借着太空3D打印的热潮，2015年，NASA推出了“多功能太空机器人精密制造与装配系统”，即“建筑师”（Archinaut）计划，该计划资助对象不仅有格鲁门这样的老牌公司，也包括前面提到的太空制造公司。“建筑师”计划隶属于NASA“新型空间能力转折点”系列专题计划，目标是实现航天器即其它大型复杂结构的在轨制造与装配，是一套集成多个机械臂与增材制造中心的系统，预计将安装于国际空间站外部的分离舱。如果这一系统落实，国际空间站将可以完成在轨拆卸、自生产与再组装。

目前日本宇航局（JAXA）的希望号（Kibo）实验舱是国际空间站唯一的舱外远程实验平台

美国还有其它的非增材制造的太空组装计划。

2012年，美国国防高级研究计划局（DARPA）启动了“凤凰”（Phoenix）计划，旨在用于近地轨道空间回收再利用失效卫星的天线系统。通过用模块化生产的“细胞星”激活失效卫星的天线，并在成功激活后将天线系统与失效卫星进行切割分离，再用轨道推进器将“细胞星”与天线组合体转移至地球静止轨道的工作位置。

“凤凰”计划太过复杂，目前仅完成了“细胞星”试验。在2015年，“凤凰”计划的衍生项目，与“建筑师”同属NASA“新型空间能力转折点”系列专题的“蜻蜓”（Dragonfly）计划被提出，由NASA兰利研究中心与3家商业公司联合研究。按计划，“蜻蜓”将包含2个3.5m机械臂系统，能够完成在轨装配大型天线反射器。

上述这些眼花缭乱的宇宙开发计划，加在一起看，就是美国要搞一套量产大规模太空平台的轨道生产线。原料除了用火箭从地面打上去，还可以直接利用轨道上的其它卫星——当然可以是别国的。

那么谁来提供“原材料”呢？

特朗普宣布建“天军”，美军高层一片迷茫

美国《防务新闻》18日称，特朗普当天在美国国家航天委员会上宣布：“我在此指示国防部立即着手建立一支天军作为武装部队的第六个军种……这是一个重要的声明。我们将拥有天军，就像我们拥有空军一样，独立而且平等。这将是非常重要的事情。”

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

按照美国现有的一系列空间开发计划，以及与其它国家相比堪称磅礴的资金投入，特朗普的“天军”计划，除了会因从空军现有资源中“割肉”而导致扯皮以外……似乎可行性不低。

不论这次“天军”能否落实，新时代已经踹门了。

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追美国不会错

中国上一次与美国进行航天合作，已经是上世纪发射铱星的陈年往事了。

从1998年起，美国就从法律层面不断收集与中国航天的商务合作政策。2011年11月，在神舟八号与天宫一号对接后的几个小时，太平洋彼岸的华盛顿炸了锅。以共和党沃尔夫为首的几名议员，在美国国会中抨击白宫与NASA与中国的技术合作，称技术转让增强了中国航天和导弹能力。同年，美国立法禁止NASA、白宫科技政策办公室用政府资金与中国在空间即科技领域合作，也不允许接待中国相关的官方访问者，彻底切断了与中国在空间技术领域的往来。在美国眼里，具备在轨组装大规模空间站的能力，已经具备了宇宙竞赛自成一极的资格。

来自世界霸权的歇斯底里，就是对中国航天实力的最大赞扬。在美国太空军事化加速的今天，全世界只有中国能够奋力跟进。

2019年，中国将发射空间站核心舱，到2022年前后将建成大规模长期空间站。虽然初期规模相比国际空间站较小，但国际空间站已经年老失修，濒临报废，几年之后，中国空间站将可能成为人类唯一的空间站。

而太空3D打印技术，将极大降低空间站的维护成本与备用载荷。空间站维护物资规模非常庞大，从国际空间站现有载荷情况也可窥见一斑。按2011年统计，国际空间站中存储了1.3吨物资用于防止故障，地面还准备了1.8吨，总计备品备件达到3.1吨。虽然相比于国际空间站400余吨的总质量而言不到1%，但考虑到各系统的备件成套，中国未来的空间站备品质量占比绝对远不止于1%。太空3D打印无疑将在中国初期空间站搭建过程中，极大节约运载资源，提高在轨维护的安全系数。

2012~2020年间ISS维修需求预测

目前在太空增材生产上可用的技术基本都是塑料FDM，以及概念上存在的，用类似FDM技术的形式，对金属丝材进行电子束（提供足够能量）烧熔。目前全球只有俄罗斯人在2017年吹嘘自己搞出了太空电子束金属3D打印原型机，然而并没有下文。

文章开头提到，中国在微重力环境下，完成了原本只能在地面生产的陶瓷烧结，这是在太空增材制造领域，从基本材料类别上的突破。这次试验除了有陶瓷材料，还有铸造的金属材料，这说明中国太空3D打印机的能量还不错，而且在打印尺寸上，也超过了国际空间站目前升级版3D打印机。

中国3D打印技术突破的背后，是来自全国范围的增材制造领域持续多年的产业动员。

国家增材制造产业发展推进计划（2015-2016年）

增材制造产业发展行动计划（2017-2020年）

在这样持续而大力的政策推动下，中国军用、民用3D打印技术快速发展，并形成产业规模。太空3D打印技术突破，只是今天中国增材制造技术群星闪耀中的一个光点。

​目前，航天五院已经在做类似美国“蜘蛛制造”计划类似的桁架与复杂结构太空3D打印技术研究。太空新技术领域，中国正在快速赶超。

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从地面到月面

太空3D技术可以在近地空间建造超大规模在轨平台，自然也可以应用到地外天体基地建设。而离我们最近的，就是月球。

月球重力场较弱，很多基础设施建设的强度不需要达到地球标准。利用月球风化层表面材料进行3D打印建设，可以快速完成从着陆场地、道路到遮阳墙体等一系列工程。

南加州大学构想的月面逐层打印建设方案

在增材制造技术进一步提升后，3D打印机甚至有可能完成在其它天体表面就地取材自我复制。人类可以模块化复制生产线，极大程度摆脱现有化学基载具的运载限制，进行地外天体大规模开发。

事实上中国这次直接甩开最易实现的塑料太空3D打印不管，直接突破太空陶瓷及金属3D打印，也是在为以后的登月计划做技术储备。可以说，中国在探索建立一座月球（火星）砖厂。

月面风化层是亚微米级乃至纳米级颗粒，主要成分包括氧化硅、氧化钙、氧化铝、氧化镁、氧化亚铁、少量的氧化钠、氧化钛等等。可以就地取材作为陶瓷烧结原料，也可以制作玻璃纤维，而且这些生产工艺完全不需要有水或空气参与。因此月面开发当中，适用面最大的，绝对不是塑料打印这种初级制造工艺。

包括更远的未来，如果想要开发月面氦3资源，也需要极其庞大的工程建设作为基础。以月面氦3的富集程度，虽然总量相比地球很可观，但分布密度就很可怜了。月壤加热到1000℃时，每克月壤只能放不到3立方厘米标准气压的气体，其中70%摩尔分数是氦气，而这部分氦气中绝大部分是氦4，氦3仅占不到万分之4，也就是说，1克氦3，需要用几十吨月壤提取，而考虑到提取中的损耗，每克氦3原料甚至需要数以百吨计的月壤开采量作为工程基础。

如果只用化学基火箭投送工程设备，人类就算天天发射火箭，想要在月面开发上达到经济回本，起码是世纪级时间尺度的长期工程，这显然是不可行的。只有就地取材就地生产，才能在几十年周期内完成有经济效益的月面开发工程。

奉天27号基地模块展开，满满的红警风格（《Moonlight Mile》）

 将国旗插在月面上（《Moonlight Mile》）

未来的道路还很长，中国的航天征程还有更远大的梦想等待实现。

本文自马前卒工作室微信公号

作者：高流