太空3D打印開啟太空制造新時代

對于印度的這次發(fā)射試驗，有些中國媒體流露出“不屑一顧”，有文章的標(biāo)題就是“差中國近20年”，文章稱“印度距離載人航天飛行至少還有10年時間”。但是筆者認(rèn)為，印度和中國國情不同，其航天發(fā)展道路也不盡相同，每個國家選擇適合自己國情的道路，無可厚非。中國是“先火箭，后衛(wèi)星”，印度是“先衛(wèi)星，后火箭”；中國是“先實現(xiàn)載人航天，后實現(xiàn)無人探月和探火星”，印度是“先實現(xiàn)無人探月和探火星，后實現(xiàn)載人航天”。就總體實力而言，印度與中國相差不遠(yuǎn)。由于載人飛船和空間實驗室都只需低軌運(yùn)載能力10t左右，導(dǎo)致中國的重型火箭發(fā)展計劃有所延誤，給了印度追趕中國的一個機(jī)會。

關(guān)于印度的載人航天計劃，國內(nèi)報道不多，可以確定的是印度目前并無建設(shè)空間站的計劃。2010年4月13日, 印度空間研究組織主席拉達(dá)克里希南在新德里對媒體表示，印度將宣布開展載人火箭發(fā)射計劃，根據(jù)這一計劃，印度將在2017年之前用國產(chǎn)火箭將兩名航天員送入太空。他表示，印度空間研究組織已將有關(guān)的計劃提交中央政府審核。在這之后，印度媒體發(fā)表了許多對印度應(yīng)否發(fā)展載人航天的討論。講述印度火箭發(fā)展的《接觸星空》一書的作者戈帕爾·拉杰說：“這表明印度空間研究組織希望追趕中國。這正在成為一個國家聲望問題。我不知道航天員進(jìn)入太空能給我們帶回什么，即使比我們富裕得多的歐洲人也沒有載人航天計劃?！?/p>

有印度軍方背景的印度防務(wù)研究與分析研究所發(fā)表文章說：“像空間站這樣既昂貴又具技術(shù)挑戰(zhàn)性的實驗只取得有限成功。中國的空間站計劃顯然是它科技力量的展示。然而，需要數(shù)十年才能清楚這類計劃的實際具體利益。不過，這類計劃有助于發(fā)展航天產(chǎn)業(yè)和促進(jìn)開發(fā)其他領(lǐng)域的新技術(shù)，包括軍事領(lǐng)域。因此，出現(xiàn)了關(guān)于中國在航天領(lǐng)域里超過印度的大量討論和擔(dān)憂。為了理解中國超過印度的優(yōu)勢，重要的是不要進(jìn)行盲目對比，尤其是在載人航天和空間站這類計劃上更是如此。印度應(yīng)該克制自己，不要效仿中國，也沒必要實施像載人登月這樣純粹為了提升民族主義感情的炫耀項目?！?/p>

對于這些不同意見，印度空間研究組織回應(yīng)說：“這種說法低估了印度的最終目標(biāo)，我們這樣做并非因為中國。我們希望走到比月球更遠(yuǎn)的地方，未來月球?qū)⒅皇俏覀兊囊粋€中途基地。出于這樣的考慮，我們需要人，光機(jī)器人是不夠的。”

2014年11月24日，“國際空間站”（ISS）的航天員們成功地在太空用3D打印機(jī)制造出第一件3D物體，開啟了太空制造的新時代。目前，所有航天任務(wù)都要完全依賴于地面和向太空運(yùn)送設(shè)備的運(yùn)載火箭來完成。距離地面越遠(yuǎn)，運(yùn)送設(shè)備的時間就越長，費(fèi)用就越高。人類一旦具有了在太空中制造物品的能力，就可以徹底變革現(xiàn)有的太空活動方式。到那時，航天員們將不再需要通過火箭和飛船，運(yùn)送每臺重要設(shè)備的零部件，而只需安裝一臺3D打印機(jī)，備好所需的原材料，就能制造出他們需要的任何硬件。

美國航空航天局（NASA）局長查爾斯·博爾登表示，“該局將繼續(xù)探索太空，無論是對小行星進(jìn)行轉(zhuǎn)向或?qū)⑷祟愃椭粱鹦牵覀兌夹枰锩缘募夹g(shù)，以減少運(yùn)載貨物的航天器的質(zhì)量和體積。未來，航天員或許能夠在太空中打印他們所需的工具或部件”。美國航空航天局下屬的馬歇爾航天飛行中心的“國際空間站”3D打印項目經(jīng)理尼基·沃克海瑟（Niki Werkheiser）說：“空間站是目前我們能夠在太空中完整測試這項技術(shù)的唯一實驗室?！?/p>

2014年9月21日，獵鷹－9火箭發(fā)射的“龍”（Dragon）飛船，給空間站送去了一臺微波爐大小的3D打印機(jī)—ZeroG 3D。這一設(shè)備用來測試評估3D打印技術(shù)在太空微重力環(huán)境下的性能。11月17日，美國航空航天局的航天員指揮官巴里·威爾默(Barry Wilmore)在空間站上安裝了這臺設(shè)備，并進(jìn)行了首次校準(zhǔn)測試打印。在傳回結(jié)果后，地面控制團(tuán)隊發(fā)出了指令，重新調(diào)整了打印機(jī)設(shè)置，并在11月20日進(jìn)行了第2次測試。11月24日，地面控制人員向這臺打印機(jī)發(fā)出了打印第一個部件的指令。3D打印出的部件是一個擠壓機(jī)的外殼面板，也就是這臺打印機(jī)自己的備件。11月25日，航天員從3D打印機(jī)上取下了該部件，并對其性能進(jìn)行了檢查。

3D打印的學(xué)名為增材制造技術(shù)，是一種最新的快速成型制造技術(shù)。它與傳統(tǒng)的去除材料的加工技術(shù)完全不同，采用分層加工、迭加成形，通過逐層增加材料來生成3D實體。在這次太空試驗中，先加熱溫度較低的塑料絲，然后把它們一層層地擠出，打造出設(shè)計文件中規(guī)定的部件。3D打印技術(shù)的一個最引人矚目的應(yīng)用就是用在太空中。美國航空航天局、歐洲航天局（ESA）及幾家私營公司，正在努力開發(fā)各種技術(shù)，力圖使3D打印能適應(yīng)地球之外的浩瀚太空。這次太空試驗任務(wù)就是由美國航空航天局與太空制造（Made In Space）公司合作完成的。太空制造公司成立于2010年，坐落于加州硅谷心臟地帶的埃姆斯研究中心內(nèi)。為迎接電腦挑戰(zhàn)人腦時代的來臨，谷歌與美國航空航天局合作，在埃姆斯研究中心開辦了一所奇點(diǎn)大學(xué)（Singularity University）。這家太空制造公司就是由奇點(diǎn)大學(xué)的幾名校友所創(chuàng)建。幾年來，該公司致力于研制能在微重力環(huán)境下工作的卓越的3D打印機(jī)。從2011年起，太空制造公司在微重力環(huán)境下對多項3D打印技術(shù)進(jìn)行了測試。目前該公司的太空3D打印機(jī)已經(jīng)進(jìn)行了400多次微重力拋物線試驗。

太空制造公司的研發(fā)主管邁克·斯納德（Mike Snyder）說：“按需制造的部件將會更高效、更可靠，而且會在不久的將來減少航天計劃對地球的依賴?！睋?jù)悉，ZeroG 3D打印機(jī)還將在空間站上打印更多的零部件，隨后這些打印出的部件將被送回地球。研究人員將從各個方面對它們進(jìn)行分析，包括柔韌性、抗張強(qiáng)度和扭矩等。太空制造公司將根據(jù)這些信息，改進(jìn)他們正在研發(fā)的預(yù)計將于2015年年初推出的第二臺太空3D打印機(jī)。這第二臺太空3D打印機(jī)，除了將被航空航天局和太空制造公司使用外，還準(zhǔn)備推向市場，提供給那些希望制造出太空裝備的企業(yè)，如研發(fā)小衛(wèi)星的公司。

展望未來，太空3D打印技術(shù)除了用于在軌制造航天器的部件外，還可與機(jī)器人系統(tǒng)組合起來，為人類登上火星和其他行星，制造所需的住所和工具。其構(gòu)件可利用行星上的當(dāng)?shù)刭Y源，如土壤或礦物來實現(xiàn)，航天員也可將它們廢棄的工具回收后制造出新的工具，從而可以達(dá)到大大節(jié)省資源的目的。