細(xì)數(shù)航天巨頭NASA的3D打印七大功績

寂靜天花板

作為全球航空航天領(lǐng)域“響當(dāng)當(dāng)”的超級研發(fā)機(jī)構(gòu)，NASA的一舉一動(dòng)都受到全球的廣泛關(guān)注。隨著3D打印，機(jī)器人等新興技術(shù)的誕生，NASA也一改往日的研發(fā)模式，開始探討各種新型高效的科學(xué)實(shí)驗(yàn)方法，并獲得了很多舉世矚目的成就。今天，我們就一起來走近這個(gè)國際航天界的“大佬”，看看人家是如何巧妙應(yīng)用3D打印，并創(chuàng)造奇跡的！

NASA開發(fā)新一代立方體衛(wèi)星3D打印推進(jìn)系統(tǒng)

2014年12月份的時(shí)候，相關(guān)媒體曾經(jīng)報(bào)道過，Aerojet Rocketdyne成功完成了對MPS-120立方體衛(wèi)星（CubeSat）上的3D打印肼集成推進(jìn)系統(tǒng)的點(diǎn)火試驗(yàn)。近日，該公司又一次被美國宇航局（NASA）召喚，開發(fā)它的下一代——MPS-130上使用綠色推進(jìn)劑的模塊化推進(jìn)系統(tǒng)。這一次同樣是3D打印的。這份新協(xié)議似乎是Aerojet Rocketdyne公司和NASA之間長期合作歷史中最新的一部分。Aerojet Rocketdyne公司是世界公認(rèn)的為航天、導(dǎo)彈和戰(zhàn)略系統(tǒng)提供推進(jìn)和動(dòng)力系統(tǒng)的領(lǐng)導(dǎo)者，同時(shí)在3D打印技術(shù)的應(yīng)用方面也處于領(lǐng)先地位。就在幾周前，該公司就與NASA簽署了一項(xiàng)金額為16億美元的合同，為后者3D打印RS-25火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。而在幾個(gè)月之前，NASA測試成功的F-1火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的3D打印部件也是由Aerojet來完成的。事實(shí)上，從2013年起，雙方在3D打印火箭發(fā)動(dòng)機(jī)部件的合作就已經(jīng)開始了，媒體也對此也曾經(jīng)進(jìn)行過多次報(bào)道。

在此次交易中，似乎MPS-130立方體衛(wèi)星的推進(jìn)系統(tǒng)也將采用與MPS-120同樣的方式開發(fā)。不過此次的不同之處在于，MPS-130將首次采用綠色推進(jìn)劑（全名為AF-M315E）。這不僅會(huì)改善CubeSat在太空中的能力，而且還提供了一個(gè)比傳統(tǒng)的肼推進(jìn)劑更安全、更高效、性能更高的選擇。“我們?yōu)樵谕苿?dòng)立方體衛(wèi)星推進(jìn)系統(tǒng)的發(fā)展方面與NASA建立的伙伴關(guān)系而感到興奮。”Aerojet Rocketdyne公司CEO Eileen Drake稱：“毫無疑問它將在私營部門和公共部門中為那些尋求提升微型衛(wèi)星能力，并且希望能夠更經(jīng)濟(jì)、有效和安全地操作它們的人們打開一扇新的大門。”根據(jù)計(jì)劃，MPS 130的綠色推進(jìn)系統(tǒng)將給立方體衛(wèi)星和微型衛(wèi)星（nanosats）提供足以媲美大型衛(wèi)星的動(dòng)力，但是其尺寸卻小得多。這將使其具備更長的任務(wù)周期、更大的彈性和更多的機(jī)動(dòng)選項(xiàng)，無論是在較高還是較低的軌道中。復(fù)雜的近距離操作和編隊(duì)飛行也會(huì)在這種下一代推進(jìn)系統(tǒng)中使用。它將同時(shí)具備基本的推進(jìn)能力和3軸控制能力，這也是為那些需要顯著的ΔV能力的立方體衛(wèi)星的客戶設(shè)計(jì)的。關(guān)于MPS-130的更多技術(shù)細(xì)節(jié)，請點(diǎn)擊此處。

據(jù)了解，此次交易也是NASA利用公私合作關(guān)系推動(dòng)引爆點(diǎn)技術(shù)計(jì)劃的一部分，而該計(jì)劃的目的之一就是將類似3D打印這樣的下一代技術(shù)推進(jìn)到商業(yè)上可行的境地。作為交易的一部分，Aerojet Rocketdyne公司未來將會(huì)交付一個(gè)完全集成的帶綠色推進(jìn)器的MPS130系統(tǒng)進(jìn)行飛行演示，當(dāng)然還要進(jìn)行相應(yīng)的開發(fā)和驗(yàn)證測試。

3D打印超音速發(fā)動(dòng)機(jī)通過NASA測試

在美國航空航天局（NASA）位于弗吉尼亞州的蘭利研究中心，美國太空制造公司Orbital ATK成功對3D打印的高超聲速發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室進(jìn)行了風(fēng)洞測試。上圖為設(shè)計(jì)軟件中的超高音速飛機(jī)概念圖，程序正在模擬其空氣動(dòng)力學(xué)特性。Orbital ATK公司稱，超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室是推進(jìn)系統(tǒng)中最具挑戰(zhàn)性的部分之一，它要在極端不穩(wěn)定的環(huán)境中容納并維持穩(wěn)定的燃燒。我們或許可以在未來的超高音速飛機(jī)——如NASA無人試驗(yàn)性超高音速飛機(jī)X-43的未來版——看到這種燃燒室的應(yīng)用。　　Orbital ATK公司稱，超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室是推進(jìn)系統(tǒng)中最具挑戰(zhàn)性的部分之一，它要在極端不穩(wěn)定的環(huán)境中容納并維持穩(wěn)定的燃燒。我們或許可以在未來的超高音速飛機(jī)——如NASA無人試驗(yàn)性超高音速飛機(jī)X-43的未來版——看到這種燃燒室的應(yīng)用。

此次測試在美國航空航天局（NASA）位于弗吉尼亞州的蘭利研究中心進(jìn)行，該突破將有助于高超聲速飛機(jī)（時(shí)速達(dá)到5500公里，相當(dāng)于4.5倍音速）更快地研制成功。此次測試在美國航空航天局（NASA）位于弗吉尼亞州的蘭利研究中心進(jìn)行，該突破將有助于高超聲速飛機(jī)（時(shí)速達(dá)到5500公里，相當(dāng)于4.5倍音速）更快地研制成功。

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NASA成功測試激光3D打印火箭發(fā)動(dòng)機(jī)

今年2月份，NASA成功對一臺(tái)采用多個(gè)3D打印復(fù)雜部件的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了測試，該測試采用低溫液氫和液氧燃料，產(chǎn)生了2萬磅的推力，這也意味著向?qū)崿F(xiàn)全3D打印的高性能火箭發(fā)動(dòng)機(jī)又邁進(jìn)了一步。

增材制造（或3D打印）技術(shù)是提高航天器設(shè)計(jì)和制造能力的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，將在未來太空探索中發(fā)揮更大的作用。未來的計(jì)劃包括對采用液氧和甲烷推進(jìn)劑的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行測試，這是用于火星登陸器的重要推進(jìn)劑，因?yàn)榛鹦巧峡赡艽嬖诩淄楹脱鯕狻Ｖ匾氖牵@些部件與常規(guī)的發(fā)動(dòng)機(jī)以相同的方式工作，需要承受火箭發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)極端的溫度和壓力。渦輪泵的轉(zhuǎn)速可達(dá)每分鐘90000轉(zhuǎn)（rpm），而最終使推力室產(chǎn)生超過20000磅的推力，像這樣的發(fā)動(dòng)機(jī)可以為火箭或火星探測器提供所需的推力。

NASA共進(jìn)行了七項(xiàng)測試，最長的一項(xiàng)持續(xù)了10秒。在測試過程中，3D打印的驗(yàn)證機(jī)承受了飛行火箭發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生推力時(shí)所有的極端環(huán)境，其中燃料燃燒時(shí)溫度超過6000華氏度（3315攝氏度），主要用于提供液氫燃料的渦輪泵可承受低于400華氏度（零下240攝氏度）的溫度。這些測試使用的是航天飛船推進(jìn)系統(tǒng)中常見的低溫液氫和液氧推進(jìn)劑。雖然甲烷和氧氣被證明是更加適合用于火星探測的推進(jìn)劑，但采用低溫液氫和液氧推進(jìn)劑能夠產(chǎn)生最極端的溫度并且使零部件暴露在低溫液氫中（這可能會(huì)導(dǎo)致脆化），從而能夠測試3D部件的極限性能。該團(tuán)隊(duì)還計(jì)劃采用甲烷以及對冷卻燃燒室、噴嘴以及渦輪泵等其他關(guān)鍵部件進(jìn)行測試。

上述這些零部件均采用選擇性激光熔融工藝制造，其中，與采用傳統(tǒng)的焊接和裝配工藝制造的泵相比，3D打印的渦輪泵零部件數(shù)量減少了45%，而噴油器則比傳統(tǒng)方法制造的減少了200多個(gè)零部件，并且其性能也是采用其他方法無法實(shí)現(xiàn)。對于閥門等復(fù)雜零部件，它的生產(chǎn)周期通常需要一年以上，而采用3D打印技術(shù)則可將其縮短至幾個(gè)月的時(shí)間。

NASA成功運(yùn)送第二臺(tái)太空3D打印機(jī)

對于太空3D打印機(jī)，大家應(yīng)該略有耳聞。近日，美國宇航局準(zhǔn)備向國際空間站運(yùn)送第二臺(tái)高性能3D打印機(jī)，將開始執(zhí)行太空3D打印任務(wù)。這臺(tái)3D打印機(jī)將從佛羅里達(dá)卡納維拉爾角（Cape Canaveral）發(fā)射的貨運(yùn)飛船---天鵝座（Cygnus）無人飛船載入國際空間站，同行的還包括食物、水和其他補(bǔ)給。這臺(tái)3D打印機(jī)是第一臺(tái)太空3D打印機(jī)的升級版。這兩臺(tái)太空3D打印機(jī)的制造商Made In Space公司表示：“第一臺(tái)太空3D打印機(jī)基本上是一個(gè)原型，主要看看這個(gè)技術(shù)是否有效。而第二臺(tái)3D打印機(jī)可以打印多種材料，打印尺寸也擴(kuò)大了8倍，而且可以實(shí)現(xiàn)更高的分辨率。”  

據(jù)了解，NASA將使用這臺(tái)3D打印機(jī)在軌道上制造對象，而Made In Space的終極研究目的是在太空中3D打印出整個(gè)衛(wèi)星。另外，當(dāng)天鵝座飛船抵達(dá)國際空間站后，宇航員卸下貨物并將垃圾裝進(jìn)飛船。這些垃圾將通過飛船上的航天器火災(zāi)實(shí)驗(yàn)設(shè)備---Saffire，在大氣中燃燒，科研人員借此觀察火焰是如何在太空環(huán)境中蔓延的。這樣助于NASA設(shè)計(jì)相應(yīng)的安全功能，以減輕載人航天器的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)。

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NASA科學(xué)家開發(fā)出等離子3D納米打印技術(shù)

日前，美國宇航局（NASA）的科學(xué)家們開發(fā)出了一種新型納米材料打印工藝，使人們可以用它更容易、更便宜地制造諸如可穿戴化學(xué)、生物傳感器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和集成電路之類的裝置，而且可以將其打印在彎曲的表面上，比如紙或者布等。其中的秘密在哪里?等離子體。該噴嘴通過氦等離子體的開關(guān)來噴射納米管。當(dāng)?shù)入x子體關(guān)閉時(shí)，納米管的密度小。該等離子體能夠以很高的密度和良好的附著力將納米管聚集在基板上。

事實(shí)上，在基板上逐層打印納米管之類的納米顆粒并不需要任何花哨的硬件——最常用的就是使用噴墨打印機(jī)，這種噴墨打印機(jī)可能與您在家里或者辦公室里使用的那種機(jī)器很相似。不過，盡管這些打印機(jī)比較經(jīng)濟(jì)和耐用，它們也有自己的限制，就是只能將液體油墨打印在硬質(zhì)材料上，要知道不是所有的材料都可以很方便地制成液體的。但最嚴(yán)重的限制還是它們只能打印2D對象。氣溶膠打印技術(shù)可以部分解決這些問題。該技術(shù)可以將納米材料沉積到柔性基板上。但是由于打印之后需要將其加熱到幾百度來干燥油墨，因此仍然無法使用依然的紙或布等材料。如今，來自NASA Ames研究中心和美國SLAC國家加速器實(shí)驗(yàn)室研究人員開發(fā)出了一種新的3D打印方法解決了這個(gè)問題。該基于等離子打印系統(tǒng)并不需要熱處理階段，事實(shí)上，整個(gè)過程只需要40攝氏度左右的溫度，而且也不要求打印材料一定是液態(tài)的。“你可以用它將東西沉積在紙、塑料、棉花和任何織物上。”NASA Ames研究中心的Mayya Meyyappan說。“它很適合柔性基板。”

為了展示他們的技術(shù)，研究團(tuán)隊(duì)在一張紙上覆蓋了一層碳納米管。為了做到這一點(diǎn)，他們通過一個(gè)噴嘴直接將碳納米管和氦離子等離子體的混合物噴到紙上。由于等離子體能將粒子集中在紙的表面，形成一個(gè)穩(wěn)固的層而且不需要進(jìn)一步處理。除此之外，他們還使用同樣的技術(shù)3D打印了兩個(gè)簡單的化學(xué)和生物傳感器。通過將某種分子添加到納米管與等離子體的混合物中，他們可以改變納米管的電阻并響應(yīng)某些化合物。他們3D打印的化學(xué)傳感器是用來檢測氨氣的；而生物傳感器則是專門相應(yīng)多巴胺的，這是一種與帕金森或者癲癇癥之類的疾病有關(guān)的神經(jīng)傳遞素。據(jù)了解，這種3D打印方法非常靈活，很容易就能擴(kuò)展——只需添加更多的噴嘴即可。例如，一個(gè)花灑式的系統(tǒng)就可以一次打印很大的表面。或者它可以設(shè)計(jì)得像一個(gè)軟管，在三維曲面上噴涂納米材料。“這種技術(shù)可以完成噴墨打印做不到的事情。”Meyyappan說。“而且任何噴墨打印能做的事情它都能做，因此它相當(dāng)具有競爭力。”

Meyyappan表示這種方法很容易就能商業(yè)應(yīng)用，只需進(jìn)行一下比較簡單和廉價(jià)的開發(fā)即可。目前該團(tuán)隊(duì)正在調(diào)整他們的技術(shù)使其能夠支持其它的打印材料，比如銅等。這種技術(shù)還能夠?qū)㈦姵夭牧洗蛴〉胶鼙〉慕饘伲ū热玟X）板上，然后將該金屬板卷起來，制造出非常小，但是功能卻非常強(qiáng)大的電池，以用在手機(jī)或者其他設(shè)備上。該研究成果已經(jīng)發(fā)表在《Applied Physics Letters》雜志上，標(biāo)題為《柔性基板的等離子噴射打印（Plasma jet printing for flexible substrate）》。

NASA將建設(shè)外星基地 外星塵埃3D打印材料獲認(rèn)可

當(dāng)人類最終決定殖民外星球時(shí)，首先需要解決的是建筑問題，使得人類的脆弱身軀免受嚴(yán)酷環(huán)境的侵襲。向火星或月球運(yùn)送裝配式結(jié)構(gòu)或材料的費(fèi)用十分驚人（1千克材料的月球運(yùn)送費(fèi)大約為10萬美元），因此專家正尋找在外星球直接進(jìn)行建筑的方法。如今，我們或許有了答案：3D打印——在火星和月球就地取材，用塵埃打印出建筑材料。該流程名為“選擇性分離燒結(jié)”（簡稱SSS），它可以將火星和月球上的常見材料轉(zhuǎn)換為建筑材料（如瓦片和磚塊）。該過程大致是這樣的：將火星和月球上的現(xiàn)成硅酸鹽材料（如氧化鎂和表皮土）加熱到極高溫度，并形成物體。“選擇性分離燒結(jié)”是一種新穎的粉末增材制造方法，可以制造出各種規(guī)格的高分子材料、金屬材料、硅酸鹽材料、復(fù)合材料的部件。

南加州大學(xué)的工程師赫洛克·霍什內(nèi)維斯是此技術(shù)的的開發(fā)者。最近，他拿它參加了NASA的“就地資源利用挑戰(zhàn)賽”，并奪得本年度的頭籌（獎(jiǎng)金2000美元）。該競賽旨在尋找就地利用月球和火星材料并用于建筑的方法。“選擇性分離燒結(jié)”技術(shù)使我們可以僅攜帶一臺(tái)機(jī)器前往火星，用它打印出常見的建筑材料。不僅如此，它還能在國際空間站有用武之地。需要時(shí)，宇航員可以用它來打印工具和備件。此技術(shù)可以使空間開拓更加經(jīng)濟(jì)、可行。在零重力條件下，任何直接、高溫的金屬材料、硅酸鹽材料、復(fù)合材料的制造方法都不可行，而此技術(shù)則將成為先例。  

接下來，霍什內(nèi)維斯將在真空室內(nèi)對此流程進(jìn)行測試，以確保在太空環(huán)境下一切順利。我們尚不知道測試成功之后將會(huì)怎樣，但毫無疑問：當(dāng)我們最終抵達(dá)火星（或建造月球殖民地）時(shí)，類似的3D打印技術(shù)必將為我們所用。

超聲波金屬3D打印技術(shù)為NASA制造智能部件

FBG傳感器是一種光纖光柵傳感器，可以精準(zhǔn)的測量位移、速度、加速度、溫度。主要應(yīng)用在煤礦圍巖、橋粱建筑、航空航天、石油化學(xué)工業(yè)等領(lǐng)域。如果將FBG傳感器嵌入到金屬零部件中，這個(gè)零部件將成為可以感知溫度、速度等變量的智能零部件。 美國航空航天局（NASA）蘭利研究中心最近與Fabrisonic公司合作，使用Fabrisonic的UAM 3D打印機(jī)將FGB傳感器嵌入到金屬零部件中，以長期監(jiān)測零件的應(yīng)變。

通常情況下，在金屬3D打印的過程中會(huì)產(chǎn)生高溫，這將會(huì)導(dǎo)致嵌入的FBG傳感器失去敏感性。因此，制造嵌入傳感器的智能金屬零部件，需要使用低溫的制造技術(shù)。Fabrisonic 公司的UAM 3D打印機(jī)的獨(dú)特之處在于使用了一種將超聲波焊接與CNC結(jié)合起來的技術(shù)。UAM工藝主要使用使用超聲波去熔融用普通金屬薄片拉出的金屬層，從而完成3D打印。這種方法能夠?qū)崿F(xiàn)真正冶金學(xué)意義上的粘合，并可以使用各種金屬材料如鋁、銅、不銹鋼和鈦等。在制造過程中溫度低于200華氏度，在這樣的溫度環(huán)境下嵌入傳感器可以避免傳感器被損壞。

Fabrisonic 公司在制造這個(gè)智能零部件的過程中，鉆出一個(gè)小通道，并將傳感器放入小通道中，然后在通道上繼續(xù)進(jìn)行金屬的逐層焊接。經(jīng)過NASA 蘭利研究中心的測試，嵌入到零部件中的傳感器沒有在制造過程中受到損壞，可以正常完成應(yīng)變檢測任務(wù)。據(jù)了解，超聲波金屬焊接技術(shù)始于19世紀(jì)30年代，但受超聲波換能器功率的限制，多年來超聲波焊接技術(shù)主要應(yīng)用在塑料焊接領(lǐng)域。直到大功率超聲波換能器出現(xiàn)后，該技術(shù)在焊接一定厚度的金屬箔材領(lǐng)域得到了發(fā)展。