不是主角，但不可或缺：3D打印在NASA阿爾忒彌斯2號中的真實角色

4月2日，美國宇航局從肯尼迪航天中心成功發(fā)射阿爾忒彌斯二號飛船，時隔半個世紀，美國在此執(zhí)行載人繞月任務(wù)。

這次任務(wù)被NASA認為是一個重要的里程碑，它標志著阿爾忒彌斯計劃的首次載人飛行，也是其重返月球計劃的關(guān)鍵一步。值得關(guān)注的是，阿爾忒彌斯2號任務(wù)還顯示出3D打印技術(shù)如何融入此類任務(wù)的過程。在未來幾年，了解如何維持這些任務(wù)的運行至關(guān)重要。

載人繞月任務(wù)及3D打印技術(shù)的應(yīng)用

“阿爾忒彌斯二號”并非登月任務(wù)，而是一次載人全系統(tǒng)測試。與“阿波羅8號”類似，宇航員將繞月飛行并返回地球，驗證飛船、生命維持系統(tǒng)和整體任務(wù)架構(gòu)。此次任務(wù)預計持續(xù)約10天，宇航員返回地球后將濺落在太平洋。

如果“阿爾忒彌斯二號”任務(wù)按計劃進行，它將為未來載人登月并建立長期駐留基地的任務(wù)鋪平道路。這不僅僅是重返月球，而是要長期駐留。

阿爾忒彌斯計劃規(guī)模龐大，但增材制造技術(shù)并未得到廣泛應(yīng)用，這也在意料之中。在航空航天領(lǐng)域，認證、可靠性和長期驗證至關(guān)重要，因此新技術(shù)的采用需要格外謹慎。正因如此，3D打印技術(shù)被應(yīng)用于特定領(lǐng)域，并展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢。在NASA及其承包商中，該技術(shù)已應(yīng)用于以下三個主要領(lǐng)域：

1. 航天器（獵戶座）

搭載宇航員的獵戶座飛船也包含3D打印部件。獵戶座飛船的主承包商利用增材制造技術(shù)生產(chǎn)了飛船多處的零件，例如支架、電纜導軌、環(huán)境控制系統(tǒng)組件和外殼。其中許多零件采用激光金屬3D打印工藝制造，因此可以一次性完成，無需組裝。

這些部件很重要，它們有助于減輕重量、簡化制造工藝，并在性能至關(guān)重要的領(lǐng)域提高可靠性。

2. 工裝、測試和地面系統(tǒng)

在阿爾忒彌斯計劃中，增材制造技術(shù)的應(yīng)用很大一部分都發(fā)生在幕后。美國宇航局（NASA）的各個中心，例如馬歇爾太空飛行中心和肯尼迪航天中心，以及承包商都依賴3D打印技術(shù)來制造工裝、進行測試和地面作業(yè)。

這包括用于驗證發(fā)動機和航天器部件的定制測試夾具和工裝，以及用于支持生產(chǎn)和集成的快速原型、裝配輔助工具和其他制造工具。許多此類部件都采用熔融沉積成型（FDM）等聚合物基工藝制造，使團隊能夠快速地設(shè)計、打印和測試部件。

雖然這些部件本身并不用于飛行，但它們在阿爾忒彌斯計劃中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，幫助工程師更快地迭代、降低成本并在開發(fā)早期解決問題。

3. 火箭發(fā)動機部件（SLS）

3D打印技術(shù)在太空領(lǐng)域最重要的應(yīng)用之一是火箭發(fā)動機，盡管它們在本次任務(wù)中并非最引人注目。美國宇航局的重型運載火箭——太空發(fā)射系統(tǒng)（SLS）——使用的是最初為航天飛機開發(fā)的RS-25發(fā)動機。

NASA及其合作伙伴在過去幾年中一直在RS-25發(fā)動機中引入3D打印部件，包括用于減少振動的彈簧蓄能器系統(tǒng)部件，以及某些閥門和內(nèi)部組件。預計在未來阿爾忒彌斯計劃的新版本發(fā)動機中，增材制造技術(shù)將占據(jù)更大的比例。

這正是3D打印技術(shù)可能發(fā)揮最大作用的領(lǐng)域之一。火箭發(fā)動機是航空航天領(lǐng)域最復雜的系統(tǒng)之一，需要在極端條件下運行。即使是微小的改進也至關(guān)重要。增材制造技術(shù)能夠簡化設(shè)計、減少零件數(shù)量，并制造出使用傳統(tǒng)方法難以甚至無法實現(xiàn)的內(nèi)部通道。

3D打印目前還無法實現(xiàn)的功能

阿爾忒彌斯二號也展現(xiàn)了增材制造技術(shù)目前的應(yīng)用場景。但它并沒有打印整枚火箭或大型飛行結(jié)構(gòu)。其核心系統(tǒng)仍然采用經(jīng)過數(shù)十年驗證的傳統(tǒng)方法制造。

3D打印技術(shù)的應(yīng)用是選擇性的。它應(yīng)用于能夠創(chuàng)造價值的領(lǐng)域，例如復雜零件、輕量化結(jié)構(gòu)和快速迭代，而不是完全取代傳統(tǒng)制造方式。

這與增材制造研究（AMR）近期的分析結(jié)果相符，行業(yè)增長越來越依賴于特定應(yīng)用，而非整個系統(tǒng)的廣泛采用。這種差異至關(guān)重要，尤其是在人們常常誤以為3D打印技術(shù)的應(yīng)用范圍比實際情況更廣的情況下。

Relativity Space使用3D打印機打印高大的燃料箱

3D打印在長期任務(wù)中將發(fā)揮重大作用

3D打印技術(shù)在阿爾忒彌斯計劃中的真正影響不僅僅體現(xiàn)在這次發(fā)射上，更在于其后續(xù)發(fā)展。未來的任務(wù)旨在建立人類在月球上的長期存在，這將徹底改變問題的性質(zhì)。

在地球上，制造業(yè)依賴于供應(yīng)鏈，原材料和零部件在全球網(wǎng)絡(luò)中流通。但在月球上，這種模式行不通。運輸耗時過長，有效載荷能力有限，而且每一公斤都價格昂貴。在這種環(huán)境下，制造業(yè)必須更靠近需求地進行生產(chǎn)。

在很多項目中，科學家們正在研究如何利用激光在月球上用月壤進行3D打印結(jié)構(gòu)。3D打印技術(shù)參考注意到，我國也研究了“月球打磚機”。

基本上，如果零件無法輕松運輸，就只能就地制造。這正是3D打印真正發(fā)揮作用的地方。任務(wù)無需運送實體部件，而是可以攜帶數(shù)字文件，按需生產(chǎn)零件，無論是工具、替換零件，還是更復雜的設(shè)備，例如醫(yī)療應(yīng)用。

未來，3D打印技術(shù)的應(yīng)用范圍遠不止于制造小型部件。全球航天大國的研究團隊都在探索如何利用月球風化層作為材料進行原位3D打印，目標是利用現(xiàn)有的資源來建造所需的各種設(shè)施，包如著陸平臺、防護結(jié)構(gòu)、居住艙等等，從而減少從地球運輸物資的需求。

注：本文由3D打印技術(shù)參考創(chuàng)作，未經(jīng)聯(lián)系授權(quán)，謝絕轉(zhuǎn)載。

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