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美国本科生团队为月球设计并3D打印可重复使用的着陆垫

来自: 南极熊

南极熊导读:多年来,美国宇航局(NASA)在3D打印技术的应用探索方面从未停止脚步,从打印月球栖息地到航天器零部件,还经常与在校大学生等团体组织合作,由他们来进行创想、设计和制造航天,这同时也为美国航天人才的储备提供了帮助。

2021年1月26日, 南极熊获悉,一个来自美国十所高校的本科生团队,为未来的月球任务设计了一个可3D打印、可重复使用的发射和着陆平台。

这个概念被称为月球羽流缓解装置 ,直接使用在月球表面发现的月球碎石材料进行3D打印。它的重点是解决航天器在着陆时遇到的一个未解决的问题,即发动机排气的力量会导致松散的月球尘埃飞起和搅拌。新颖的曼陀罗式的内部几何形状可将月球尘埃以层流的方式向外引导,从而降低月球着陆引起的尘暴强度。

本月,学生团队甚至在美国航空航天研究所的2021年科学技术论坛上发表了一篇关于概念着陆台的研究论文。美国宇航局马歇尔太空飞行中心首席技术专家约翰-丹卡尼奇表示:"当你看到这份出版物时,学生和学校的多样性是非常独特的。让各种不同的团队参与开发创新解决方案,以解决NASA的技术差距,这是一个明显的优势。"



△3D打印的月球发射台和着陆台的内部几何形状,图片来自ICON


3D打印的月球平台


这个设计最早是在2019年的NASA提案撰写和评估体验会上提出的,这是一个由Dankanich组织的为期12周的培训课程。排名第一的设计为团队赢得了资金和NASA内部课题专家的技术支持。在2020年6月,团队向马歇尔公司的专家提交了最终的设计,这为他们争取到了在地球上打印和测试原型所需的资金。


Dankanich补充说:"这个提案解决了一个技术痛点,因为项目实现了可持续月球探索所需的安全和可重复使用的着陆台。团队工作了数百个小时,请美国宇航局的主题专家参与,从概念制定到初步设计。然后,他们将设计变成了现实,并进行了次规模的建设,所有这些都在短短的几个月内完成。"


着陆台本身由两个独立的层组成--火箭所处的屋顶,以及一个充满了用于重新引导排气的通道的内部体积。屋顶具有缝隙,使废气能够分散到整个内部通道中,在那里,废气从发射台边缘的通风口被抽出。火箭的重量由一个中央锥体和隔板支撑。



△学生们在斯威夫特营地建造亚尺度原型,图片来自ICON



测试原型着陆台


为了测试设计的可行性,学生们与马歇尔的专家合作,去年在德克萨斯州的斯威夫特营地打印了一个次规模的原型。他们使用了由建筑公司ICON开发的混凝土3D打印机和一种特殊的水泥基材料来完成这个项目。


马歇尔太空技术发展处Jacobs工程集团的太空内制造工程师Mike Fiske补充道:"在过去的一年里,与这些学生合作并帮助推进行星发射和着陆场的技术水平是一件很愉快的事情。"


菲斯克和学生们打算在2月底前回到斯威夫特营,在高温和应力下测试着陆台,进行真正的火箭点火试验和材料样品评估。在打印过程中,测量温度、应变和排气流量等参数所需的仪器被集成到了着陆台上。


ICON建筑3D打印技术

说起ICON这家公司,也是行业内一家知名的建筑3D打印公司,2019年3月ICON发布了新型“Vulcan II”3D打印机,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打印机。专门设计用于更快,更经济地生产单层建筑,并具有更多设计自由度。它将占地面积扩大到大约2,000平方英尺,并具有可调节的宽度(以适应不同的板坯尺寸),并且可以在定制拖车中运输而无需组装。由于自动化,机电一体化和一套专业软件的改进,Vulcan II可以由任何接受过基础培训的人操作。


Vulcan II高11.5英尺,可以打印高达8.5英尺的墙壁结构。它横跨33英尺,可以在28英尺宽的基础上打印。打印机以5-7英寸/秒的线性水平操作速度。每个Vulcan II 3D打印机都带有一个集成的基于平板电脑的操作系统,用于控制打印操作的各个方面。 


ICON还创造了专有的混凝土/砂浆材料,它称之为“Lavacrete”,已经通过了每一项结构测试,对人们来说是安全的,并且能够适应它可能遇到的各种条件。



美国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。最近他们从NASA获得了小企业创新研究政府合同,使用月球上的材料3D打印栖息地,并且不产生废物。



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。



△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。


在航天方面具有一定实力的国家和组织包括欧洲、美国、俄罗斯、中国、印度等,这些国家或者组织都在月球建造基地方面做过研究。



编译自:3dprintingindustry

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