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太空探索,3D打印必不可少

时间:2021-09-05 18:50 来源:南极熊 作者:admin 阅读:
极光尔沃
    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。"

(责任编辑:admin)

weixin
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