太空探索，3D打印必不可少

昨天，南极熊发表了一篇文章，汇总了国内外的众多3D打印火箭发动机的案例，实际上3D打印在太空探索领域的应用并不局限于此。

本文我们继续整理一些3D打印技术在太空探索中的案例，尤其在火星探测和月球探测方面，不足之处欢迎补充。

火星探测

中国“天问一号”和“长征五号”均使用了3D打印技术

2021年5月15日，我国火星探测任务“天问一号”探测器的着陆巡视器成功在火星乌托邦平原南部预选着陆区着陆，中国航天器首次奔赴火星，完成了人类航天史上的一次壮举。

△供图：中国航天科技集团五院

“天问一号”探测器由中国航天科技集团五院抓总研制。五院总体设计部作为火星探测器的抓总单位和结构机构分系统研制单位 ， 采用金属3D 打印技术和跨尺度结构优化设计方法 ， 联合北京卫星制造厂 、 北京理工大学 、 大连理工大学 、 西北工业大学 、 南京航空航天大学 、 西安铂力特增材技术股份有限公司 、 沈阳精合数控科技开发有限公司等国内优势团队 ， 围绕面向3D打印结构设计 、 3D打印专用材料研发 、 3D打印专用装备研制及制造工艺开展联合攻关。

在 “天问一号”的研制过程中鑫精合作为增材制造解决方案提供商，采用激光选区熔化成形技术（SLM）制造交付产品 30 余项，激光沉积技术（LDM）制造交付产品 9 项。在减重、特殊功能实现等多个维度解决火星登陆项目研制工艺技术难题，火星探测器的着陆成功，标志着增材制造技术在航天深空探测领域应用迈出开拓性的重要一步。

而用于发射天问一号的长征五号运载火箭上，也有一批3D打印的重要部件，其中之一就是级间解锁装置保护板，是由中国航天科技集团公司中国运载火箭技术研究院航天材料及工艺研究所通过采用华曙高科连续增材制造系统（CAMS）HT1001P解决方案加工而成。

长征五号运载火箭总长约57米，箭体直径达5米，不仅是我国最高、体积最大的火箭，也是运载能力最强的火箭。级间解锁装置保护板其单批次加工件数较少，加工频次较低，如采用传统注塑方式需要使用模具，模具成本高，且模具的保存成本也较高。而采用3D打印技术，则无需开模，一体成型。
火箭级间解锁装置保护板每个部件尺寸约为370mm*100mm*125mm，最终整个部件尺寸直径约5000mm，采用HT1001P打印近50件拼接而成，耗时仅48小时。

国外火星探测器3D打印技术应用

美国宇航局（NASA）的 "毅力号"火星车，于2021年2月18日降落在火星表面，并且传回了第一张火星照片。火星车上安装了11个用3D打印技术制作的金属部件，这些部件经历了重重考验，最终到达火星，并将在后续的火星探索过程中继续发挥作用。

△毅力号火星探测器着陆演示

△毅力号火星探测器传回的第一张火星照片

3D打印技术可以让工程师们制造出独特的设计和性能，比如让硬件更轻、更强，或者对热或冷的反应更灵敏。

“毅力号”火星车的前身“好奇号”，是第一个将3D打印部件带到火星的。它在2012年着陆时，探测器的火星样品分析（SAM）仪器内有一个3D打印的陶瓷部件。此后，NASA继续测试3D打印在航天器中的使用，以确保零件的可靠性。

相关负责人表示，“毅力号”的3D打印部件如果不能按计划工作，也不会危及任务。

△毅力号火星车

3D打印PIXL的外壳

在前往火星的11个3D打印部件中，有5个在 "毅力号"的PIXL仪器中。这个饭盒大小的设备是X射线岩石化学行星仪器，它通过向岩石表面发射X射线束进行分析，帮助火星车寻找微生物生命化石的迹象。

PIXL与其他工具共享空间，位于火星车7英尺长（2米长）机械臂末端的88磅（40公斤）旋转炮塔中。为了使这个仪器尽可能地轻巧，JPL团队将PIXL的两片钛壳、一个安装框架以及将外壳固定在机械臂末端的两个支撑支柱设计成中空结构，而且壁极薄。事实上，这些部件由一家名为Carpenter Additive的供应商进行3D打印，质量比传统生产方式的轻三四倍。

首席机械工程师Michael Schein说："3D打印使这个仪器成为可能，这些技术让我们实现了传统制造无法实现的轻质量和高精度。"

△美国宇航局的 "毅力号 "火星车上的仪器之一PIXL的外壳包括几个由3D打印钛制成的部件，插图显示了它两片式外壳部分的前半部分

MOXIE中的3D打印热交换器

"毅力号 "火星车的其他6个3D打印部件在 "火星氧气原位资源利用实验 "仪器中，简称MOXIE。这个设备将测试新的技术，未来可以生产工业数量的氧气，在火星上制造火箭推进剂，帮助宇航员发射回地球。

为了制造氧气，MOXIE将火星空气加热到近1500华氏度（800摄氏度）。设备内有六个热交换器：巴掌大小的镍合金板，保护仪器的关键部件不受高温影响。

传统的机械加工热交换器需要由两部分组成并焊接在一起，而MOXIE的每一个热交换器都是在加州理工学院作为单件3D打印出来的。

帮助开发热交换器的材料工程师Samad Firdosy说："这类镍部件被称为超合金，因为它们即使在非常高的温度下也能保持强度，超合金通常出现在喷气发动机或发电涡轮机中。它们的抗腐蚀能力非常好，即使在真正的高温下也是如此。"

虽然新的制造工艺提供了便利，但3D打印机铺设的每一层合金都会形成孔隙或裂缝，从而削弱材料的强度。为了避免这种情况，这些板材在热等静压机、气体粉碎机中进行处理，它能将材料加热到超过1832华氏度（1000摄氏度），并在零件周围均匀地增加强大的压力。然后，工程师使用显微镜和大量的机械测试来检查热交换器的微观结构，并确保它们适合太空飞行。

猎户座太空船

△猎户座太空船利用新型材料3D打印的非常复杂的对接舱门

2018年，NASA的猎户座太空船由3D打印机制造超过100个部件，使用了承受深空太空任务的极端温度和化学作用的新材料，包括新型Antero™800NA的ESD变体，这是一种基于PEKK的热塑性材料，可提供高性能的机械，化学和热性能。

生产级热塑性3D打印零件，由洛克希德马丁公司的增材制造实验室与PADT合作生产，PADT采用S公司的3D打印机，和ULTEM 9085树脂等先进材料和纳入关键静电耗散（ESD）功能的新型Antero材料 ，NASA可以满足3D打印部件在深空极端条件下的关键要求。Antero非常适合满足NASA对耐热和耐化学性的要求，以及承受高机械载荷的能力。

欧洲火星漫游者探测器

△2017年报道英国Ogle公司用3D打印技术开发欧洲火星探测器零部件（北京3D打印）

Ogle擅长原型开发，开发制造探测器底盘的主体和太阳能电池板。用到3D打印（SLS）也会有传统工艺，比如CNC。他们还打印了8个合页，用于让太阳能板完美折叠。

据了解，在终端应用上，也安装了部分3D打印零件。（北京3D打印）

月球探测

中国“嫦娥四号”“嫦娥五号”（北京3D打印）

“嫦娥四号”是中国探月工程二期发射的月球探测器，也是人类第一个着陆月球背面的探测器。嫦娥四号于2018年12月8日发射升空；于2019年1月3日在月球背面预选区着陆。

1月15日，“嫦娥四号”生物科普试验载荷项目团队发布消息，随嫦娥四号登陆月球背面的生物科普试验载荷中，棉花种子首先成功发芽了。（北京3D打印）

月球上的重力只有地球重力的六分之一，昼夜间大约有300度的温差变化，这些种子需要在发射场待两个月，太空飞行需要一个月时间，那这些种子都是如何保存，才不会在旅途中散落，在达到月球后被“唤醒”呢？

重庆大学生命科学学院副教授 邱丹：这个是一个3D打印的模块，月球上放的是这样一个完全一模一样的模块，就放置生物在里面，然后盖上水溶棉，然后固定好，封上胶，确保它不会泄漏或者溢出。

密封好的模块会放在由特殊铝合金制成的罐子里，虽然总重量只有3公斤，但麻雀虽小五脏俱全，罐子穿上“保温衣”，能经受月表剧烈温差的考验，同时还装置了“空调系统”、光导管等。（北京3D打印）

2020年12月1日，嫦娥五号顺利着陆月球表面，12月2日凌晨3时，开始采样工作，经过约19小时的月面工作，于12月2日22时顺利完成月球表面的自动采样工作。当人们在荧屏上为嫦娥五号在月球上的精彩操作而雀跃时，殊不知，在航天科技集团五院，嫦娥五号的“双胞胎妹妹”，正在一个完全模拟月球环境的场地上，默默做着背后的无名英雄。（北京3D打印）

△图片来源：CCTV中文国际

此次月球采样，是在相距38万公里的地月两地同步进行。嫦娥五号登月后，身上的监视相机会测量月球表面的实时数据，然后传到北京，经过电脑快速绘制，将月球上比较大型的岩石由测绘数据转化成3D模型，通过优你造的高速连续3D打印机，将模型打印出来，再撒上模拟月壤。这样，一个与月球着陆点周边完全相似的模拟环境就搭建起来。科研人员在地球上的模拟实验场中先控制嫦娥五号的双胞胎妹妹，模拟出最佳采样路径，再操作万里之外的嫦娥五号进行实际采样。确保嫦娥五号能在月球上以最优的方案顺利完成采样任务。

要将月球的岩石模型在模拟场地现场实时快速打印。传统的3D打印技术，如果要打印这些模型需要花费10多个小时，而在月球上的工作时间每增加一秒钟，不光意味着巨额的成本，也会让航天器面临更多的未知风险。优你造自主研发的cUDP连续打印技术，可以将打印时间缩短到10几分钟，使得地月同步操作成为可能。（北京3D打印）

NASA计划在月球3D打印栖息地

2020年10月，美国NASA资助了一项太空3D打印建筑的计划，叫做奥林匹斯项目，目的是开发一种在月球上进行机器人建筑的方法。奥林匹斯项目的推动者是一家建筑3D打印公司——ICON。（北京3D打印）

ICON、建筑公司BIG、太空初创公司SEArch+将与NASA马歇尔太空飞行中心合作，探索月球土壤模拟物的增材制造。BIG合伙人Martin Voelkle提出，在月球上3D打印实现的零浪费的可持续发展实践可以推广到地球上的建筑中。（北京3D打印）

△图片由ICON提供

之前，已经启动了许多项目来探索在太空中3D打印栖息地的可能性，包括太阳能烧结 ，有些努力可以追溯到2014年。在这种情况下，被选为SBIR的企业可能会胜任这项任务。ICON已经取得了一些了不起的功绩，比如为美国军车3D打印庇护所，并在墨西哥破土动工建设一个3D打印社区。它还在德克萨斯州奥斯汀市为无家可归者建造了庇护所。

建立太空栖息地是美国宇航局更大的 "阿特米斯 "项目的一部分，该项目不仅面向2024年让宇航员登陆月球，还在那里建立了一个长期基地。ICON的是否会成为为人类在月球上持续存在奠定基础的项目，我们还不能知道。

欧洲航天局3D打印月球地板（北京3D打印）

2021年9月，荷兰的机器人金属3D打印公司MX3D已经为欧洲航天局（ESA）的月球定居点原型建造了一种基于新型材料的高效"骨架地板"。（北京3D打印）

通过将划线应力图分析与3D打印相结合，MX3D公司建造出一个超轻的钢结构，该结构具有光滑的网状设计，质量减少到395公斤。据欧空局工程师Advenit Makaya表示，这种结构的制造成功显示了MX3D技术的效率和在月球开展建筑作业的潜力，未来它还有可能应用于雷石结构的建造。（北京3D打印）

△MX3D公司重达495公斤的不锈钢3D打印月球地板。照片来自ESA

轻量化的 "骨骼"设计（北京3D打印）

MX3D的地板是为建筑公司SkidmoreOwings and Merrill（SOM）正在开发的四层欧空局月球栖息地原型而建造的，它经过了拓扑优化，以尽可能地节省材料。在实际建造中，该结构是使用MX3D公司专有的WAAM技术3D打印成六个垂直部分，然后再焊接成一个有凝聚力的下部结构。（北京3D打印）

在三根柱子的支撑下，地板上的一系列面板形成了一个 "网状"，能够作为一个支撑结构，而不需要填充，同时其整体设计向周边和中心倾斜，允许这些区域以较小的厚度进行3D打印，但不以内聚力或完整性为代价。（北京3D打印）

△利用划定的应力图分析和拓扑结构优化，该地板的设计相较于以前明显变轻。图片来自欧空局

美国大学生团队3D打印月球火箭着陆垫原型（北京3D打印）

2021年初，10名来自美国大学的本科生组成的一个团队，他们与美国宇航局、德克萨斯州军事部和增材制造公司ICON的专家一起，利用3D打印技术建造了一个月球烟尘缓解装置（Lunar PAD），并进行了点火测试。这个装置的主要作用是，在火箭降落在月球表面时，避免产生大量的烟尘。

△Vincent Murai

3D打印提供了主流建筑中所没有的设计自由。3D打印的Lunar PAD原型直径为20英尺，高1.6英尺以上。然而，一个全尺寸的月球着陆垫可能需要大约100米的直径。

△学生在建造月球着陆垫

这个原型的设计很关键，需要引导气流向上和向外，最大限度地减少发射和着陆过程中的灰尘飘散量。通常着陆场的特点是平坦或坚实的表面，而他们设计的着陆垫中间有一定的高度，表面有开口，在飞船着陆时起到向外扩散排气的作用。

结束

除了火星探测和月球探测之外，在小星星的探测方面，也将使用3D打印技术。

比如3D打印材料厂商KEXCELLED表示将3D打印PEEK用于小行星探测器返回舱热防护系统。