美國本科生設(shè)計(jì)并3D打印循環(huán)月球著陸墊

南極熊導(dǎo)讀：多年來，美國宇航局（NASA）在3D打印技術(shù)的應(yīng)用探索方面從未停止腳步，從打印月球棲息地到航天器零部件，還經(jīng)常與在校大學(xué)生等團(tuán)體組織合作，由他們來進(jìn)行創(chuàng)想、設(shè)計(jì)和制造航天，這同時(shí)也為美國航天人才的儲(chǔ)備提供了幫助。

2021年1月26日， 南極熊獲悉，一個(gè)來自美國十所高校的本科生團(tuán)隊(duì)，為未來的月球任務(wù)設(shè)計(jì)了一個(gè)可3D打印、可重復(fù)使用的發(fā)射和著陸平臺(tái)。

這個(gè)概念被稱為月球羽流緩解裝置 ，直接使用在月球表面發(fā)現(xiàn)的月球碎石材料進(jìn)行3D打印。它的重點(diǎn)是解決航天器在著陸時(shí)遇到的一個(gè)未解決的問題，即發(fā)動(dòng)機(jī)排氣的力量會(huì)導(dǎo)致松散的月球塵埃飛起和攪拌。新穎的曼陀羅式的內(nèi)部幾何形狀可將月球塵埃以層流的方式向外引導(dǎo)，從而降低月球著陸引起的塵暴強(qiáng)度。

本月，學(xué)生團(tuán)隊(duì)甚至在美國航空航天研究所的2021年科學(xué)技術(shù)論壇上發(fā)表了一篇關(guān)于概念著陸臺(tái)的研究論文。美國宇航局馬歇爾太空飛行中心首席技術(shù)專家約翰-丹卡尼奇表示："當(dāng)你看到這份出版物時(shí)，學(xué)生和學(xué)校的多樣性是非常獨(dú)特的。讓各種不同的團(tuán)隊(duì)參與開發(fā)創(chuàng)新解決方案，以解決NASA的技術(shù)差距，這是一個(gè)明顯的優(yōu)勢。"

△3D打印的月球發(fā)射臺(tái)和著陸臺(tái)的內(nèi)部幾何形狀，圖片來自ICON

3D打印的月球平臺(tái)

這個(gè)設(shè)計(jì)最早是在2019年的NASA提案撰寫和評(píng)估體驗(yàn)會(huì)上提出的，這是一個(gè)由Dankanich組織的為期12周的培訓(xùn)課程。排名第一的設(shè)計(jì)為團(tuán)隊(duì)贏得了資金和NASA內(nèi)部課題專家的技術(shù)支持。在2020年6月，團(tuán)隊(duì)向馬歇爾公司的專家提交了最終的設(shè)計(jì)，這為他們爭取到了在地球上打印和測試原型所需的資金。

Dankanich補(bǔ)充說："這個(gè)提案解決了一個(gè)技術(shù)痛點(diǎn)，因?yàn)轫?xiàng)目實(shí)現(xiàn)了可持續(xù)月球探索所需的安全和可重復(fù)使用的著陸臺(tái)。團(tuán)隊(duì)工作了數(shù)百個(gè)小時(shí)，請美國宇航局的主題專家參與，從概念制定到初步設(shè)計(jì)。然后，他們將設(shè)計(jì)變成了現(xiàn)實(shí)，并進(jìn)行了次規(guī)模的建設(shè)，所有這些都在短短的幾個(gè)月內(nèi)完成。"

著陸臺(tái)本身由兩個(gè)獨(dú)立的層組成--火箭所處的屋頂，以及一個(gè)充滿了用于重新引導(dǎo)排氣的通道的內(nèi)部體積。屋頂具有縫隙，使廢氣能夠分散到整個(gè)內(nèi)部通道中，在那里，廢氣從發(fā)射臺(tái)邊緣的通風(fēng)口被抽出�；鸺�的重量由一個(gè)中央錐體和隔板支撐。

△學(xué)生們在斯威夫特營地建造亞尺度原型，圖片來自ICON

測試原型著陸臺(tái)

為了測試設(shè)計(jì)的可行性，學(xué)生們與馬歇爾的專家合作，去年在德克薩斯州的斯威夫特營地打印了一個(gè)次規(guī)模的原型。他們使用了由建筑公司ICON開發(fā)的混凝土3D打印機(jī)和一種特殊的水泥基材料來完成這個(gè)項(xiàng)目。

馬歇爾太空技術(shù)發(fā)展處Jacobs工程集團(tuán)的太空內(nèi)制造工程師Mike Fiske補(bǔ)充道："在過去的一年里，與這些學(xué)生合作并幫助推進(jìn)行星發(fā)射和著陸場的技術(shù)水平是一件很愉快的事情。"

菲斯克和學(xué)生們打算在2月底前回到斯威夫特營，在高溫和應(yīng)力下測試著陸臺(tái)，進(jìn)行真正的火箭點(diǎn)火試驗(yàn)和材料樣品評(píng)估。在打印過程中，測量溫度、應(yīng)變和排氣流量等參數(shù)所需的儀器被集成到了著陸臺(tái)上。

ICON建筑3D打印技術(shù)
說起ICON這家公司，也是行業(yè)內(nèi)一家知名的建筑3D打印公司，2019年3月ICON發(fā)布了新型“Vulcan II”3D打印機(jī)，可以以一半的成本快速打印2,000平方英尺的房屋。



Vulcan II是ICON首款商用建筑3D打印機(jī)。專門設(shè)計(jì)用于更快，更經(jīng)濟(jì)地生產(chǎn)單層建筑，并具有更多設(shè)計(jì)自由度。它將占地面積擴(kuò)大到大約2,000平方英尺，并具有可調(diào)節(jié)的寬度（以適應(yīng)不同的板坯尺寸），并且可以在定制拖車中運(yùn)輸而無需組裝。由于自動(dòng)化，機(jī)電一體化和一套專業(yè)軟件的改進(jìn)，Vulcan II可以由任何接受過基礎(chǔ)培訓(xùn)的人操作。

Vulcan II高11.5英尺，可以打印高達(dá)8.5英尺的墻壁結(jié)構(gòu)。它橫跨33英尺，可以在28英尺寬的基礎(chǔ)上打印。打印機(jī)以5-7英寸/秒的線性水平操作速度。每個(gè)Vulcan II 3D打印機(jī)都帶有一個(gè)集成的基于平板電腦的操作系統(tǒng)，用于控制打印操作的各個(gè)方面。

ICON還創(chuàng)造了專有的混凝土/砂漿材料，它稱之為“Lavacrete”，已經(jīng)通過了每一項(xiàng)結(jié)構(gòu)測試，對人們來說是安全的，并且能夠適應(yīng)它可能遇到的各種條件。


美國NASA計(jì)劃在月球3D打印棲息地

2020年10月，美國NASA資助了一項(xiàng)太空3D打印建筑的計(jì)劃，叫做奧林匹斯項(xiàng)目，目的是開發(fā)一種在月球上進(jìn)行機(jī)器人建筑的方法。奧林匹斯項(xiàng)目的推動(dòng)者是一家建筑3D打印公司——ICON。最近他們從NASA獲得了小企業(yè)創(chuàng)新研究政府合同，使用月球上的材料3D打印棲息地，并且不產(chǎn)生廢物。

ICON、建筑公司BIG、太空初創(chuàng)公司SEArch+將與NASA馬歇爾太空飛行中心合作，探索月球土壤模擬物的增材制造。BIG合伙人Martin Voelkle提出，在月球上3D打印實(shí)現(xiàn)的零浪費(fèi)的可持續(xù)發(fā)展實(shí)踐可以推廣到地球上的建筑中。

△圖片由ICON提供

之前，已經(jīng)啟動(dòng)了許多項(xiàng)目來探索在太空中3D打印棲息地的可能性，包括太陽能燒結(jié) ，有些努力可以追溯到2014年。在這種情況下，被選為SBIR的企業(yè)可能會(huì)勝任這項(xiàng)任務(wù)。ICON已經(jīng)取得了一些了不起的功績，比如為美國軍車3D打印庇護(hù)所，并在墨西哥破土動(dòng)工建設(shè)一個(gè)3D打印社區(qū)。它還在德克薩斯州奧斯汀市為無家可歸者建造了庇護(hù)所。

在航天方面具有一定實(shí)力的國家和組織包括歐洲、美國、俄羅斯、中國、印度等，這些國家或者組織都在月球建造基地方面做過研究。


編譯自：3dprintingindustry