2020年5月5日晚,长征5号B运载火箭搭载中国新一代载人飞船试验船在海南文昌发射场成功首飞,拉开了我国空间站建设的大幕。本次任务中,中国科学家开展了多项科学实验项目。其中,新飞船上搭载了由中科院太空制造技术重点实验室研制的新一代立体光刻3D打印机——在轨精细成型装置(REFORMER),进行陶瓷/金属复合材料的微米级精度在轨制造,研究关键技术参数及重力水平对材料机械性能的影响与规律。
在轨制造究竟是怎么一回事?太空3D打印能否助力人类走向更远的深空?请听来自中科院空间应用工程与技术中心太空制造实验室主任王功研究员关于太空制造话题的精彩演讲。王功研究员分享了太空制造的背景、挑战和前景。他提到,太空制造是一个非常小众的研究领域,起步也比较晚,从开始到现在大概只有不到十年的时间。他借这个机会,分享了团队过去几年的工作、遇到的挑战以及有趣的事情。
王功研究员解释了为什么需要太空制造,特别是为了在太空中应用。他提到,十年前他刚回国参加载人航天工程的工作时,关注更多的是航天的安全性和可靠性的问题,所以关于哥伦比亚号航天飞机事故的原因、过程他做了许多调研。他发现,国际空间站中存放了大量的备品、备件、以及工具,价值大约在十亿美元,但这些备件有99%的概率是用不上的,它们的存在只是为了以防万一。
如果能够在太空中,在空间站中快速制造出所需要的工具、备件,是不是可以节省出很多宝贵的空间呢?
王功研究员还提到了3D打印在太空制造中的应用。2012年,3D打印开始受到广泛关注,吸引了从事太空制造研究专家的注意。3D打印具有节省材料、无需模具、数字模型等特点,为太空制造带来很多想象。2014年,NASA送了一台打印机到国际空间站,放在手套箱里。
这台打印机体积非常小,只占到手套箱的大约1/4,以打印塑料为主,各项指标都不算先进,但是这个事件在当时引起了非常大的关注,因为这是第一次在空间站有了自动化生产的工具。
王功研究员分享了我国在太空3D打印方面的进展。2015年,他开始策划团队的第一次微重力3D打印实验。他们面临的困难很大,因为国家的空间站还没有建成,也没有机会去国际空间站。幸运的是,他们单位当时和德国宇航局签署了一个关于失重飞机的合作协议,所以他们可以利用失重飞机进行3D打印实验。实验证明他们的思路是可行的,这也是中国团队第一次在太空制造这个领域提出并且验证了自己的想法。
王功研究员还提到了太空制造的未来。他认为,太空制造可以分为三个阶段:第一阶段,小型零部件的制造;第二阶段,大型空间装置的制造及在轨组装;第三阶段,可能会去月球、火星进行地外环境中更综合的一些制造活动。我们现在还处于第一阶段,个人认为,我们大概只在这个阶段解锁了10%的工作,还有大量的工作需要我们去做。