NASA 2022年的突破與成就：Artemis、3D 打印宇航服和新型金屬合金

導(dǎo)讀：美國宇航局總結(jié)2022年是“走出這個世界”的一年。確實如此，這不僅是因為大型月球火箭發(fā)射成功，還得益于大量進(jìn)入太空的技術(shù)、新的商業(yè)合作伙伴關(guān)系以及航天局許多項目的進(jìn)展。就開創(chuàng)性的任務(wù)和技術(shù)而言，NASA在太空3D打印方面取得了很多成就。以下是NASA在過去一年中取得的主要成就。



為探月做準(zhǔn)備
經(jīng)過多年的延誤和數(shù)十億美元的成本超支后，美國宇航局的巨型月球火箭于 2022 年 11 月 16 日搭載無人駕駛的獵戶座宇宙飛船，從Canaveral港升空，到達(dá)距離地球 280,000 英里（450,000 公里）的高空。第一個 Artemis 任務(wù)使用了四個源自航天飛機(jī)的RS-25核心級發(fā)動機(jī)，由Aerojet Rocketdyne制造和升級，具有眾多 3D 打印組件，這些組件協(xié)作將發(fā)動機(jī)的總體生產(chǎn)成本降低近 35%，同時保證了高性能，高可靠性和安全性。此外， Northrop Grumman 制造的兩個固體火箭助推器) 在飛行的前兩分鐘內(nèi)提供了飛行器 75% 以上的推力。與 RS-25 發(fā)動機(jī)一樣，助推器是對航天飛機(jī)項目的傳統(tǒng)部件設(shè)計進(jìn)行的修改，并采用了增材制造，使其與軌道運載器兼容。

有了 Artemis，NASA 最終將把第一位女性和第一位有色人種送上月球，但在任何載人任務(wù)登陸月球之前（2025 年左右），該機(jī)構(gòu)還計劃開發(fā)月球表面所需的技術(shù)，其中包括原位資源利用(ISRU) 的可用性，以便人類可以使用本地資源。在這一點上，NASA 在2022年通過其年度突破、創(chuàng)新和改變游戲規(guī)則 (BIG) 創(chuàng)意挑戰(zhàn)賽與多所大學(xué)合作。期望由學(xué)生領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊在月球上設(shè)計一條金屬生產(chǎn)管道，包括從月球礦物中提取金屬、用于 AM 的成型材料，以及測試和驗證在月球上使用的3D 打印基礎(chǔ)設(shè)施。


△美國宇航局的獵戶座飛船于 11 月 16 日搭載該機(jī)構(gòu)的太空發(fā)射系統(tǒng) (SLS) 火箭發(fā)射升空，這是阿耳忒彌斯 (Artemis) 首次登月任務(wù)。圖片由 Lockheed Martin/NASA 提供。

科幻成為現(xiàn)實
NASA 以提高太空探索能力而聞名，它利用全國各地的企業(yè)家、研究人員和創(chuàng)新者來尋找解決方案。從發(fā)射太空任務(wù)到展示先進(jìn)技術(shù)，再到支持早期概念的開發(fā)，2022 年的主要成就包括聯(lián)延長3D組織芯片的使用壽命，以及提出了定制3D打印宇航服和3D打印游泳微型機(jī)器人等未來主義想法。

NASA 與多個機(jī)構(gòu)合作，旨在通過資助九份合同來推進(jìn)3D組織芯片的發(fā)展，通過合作，以期將組織活力和生理功能延長至至少六個月（目前，3D 組織芯片只能存活約一個月，限制了使用率。通過延長組織活力，研究人員可以測試急性和慢性暴露于藥物、輻射、環(huán)境危害、感染和微重力等因素。該提議最關(guān)鍵的方面之一是使人類能夠在深空進(jìn)行太空飛行。此外，3D 組織芯片可以模擬疾病并幫助個性化藥物的生產(chǎn)。



△2019 賓夕法尼亞大學(xué)/費城兒童醫(yī)院的肺骨髓芯片。圖片由美國宇航局提供。

其他未來主義概念包括位于大學(xué)城的得克薩斯 A&M 大學(xué)獲得的一筆贈款，用于 3D 打印太空服。對于此提案，工程師邦妮·鄧巴 (Bonnie Dunbar) 將評估增材制造作為一種可以幫助快速且經(jīng)濟(jì)高效地制造宇航服的工具。除了 3D 打印，她相信其他技術(shù)也可以實現(xiàn)這一目標(biāo)，例如人體 3D 掃描、自動化3D 服裝制造、數(shù)字孿生、計算機(jī)輔助設(shè)計 (CAD) 和基于模型的工程。

探索計劃
為了推進(jìn)可持續(xù)航空，NASA 一直在與其合作伙伴和私營部門合作。他們一起開發(fā)和測試新的綠色技術(shù)，例如一種名為GRX-810的新型金屬合金，可用于包括飛機(jī)和火箭發(fā)動機(jī)內(nèi)部在內(nèi)的應(yīng)用。GRX-810 采用 3D 打印工藝開發(fā)，可在整個材料中均勻分散納米級氧化物，可承受超過 2,000 華氏度的溫度，壽命比現(xiàn)有合金長 2,000 倍。


△NASA Glenn 的 3D 打印渦輪發(fā)動機(jī)燃燒器（燃料-空氣混合器）是具有挑戰(zhàn)性的部件的一個例子，它可以從應(yīng)用新的 GRX-810 合金中獲益。圖片由美國宇航局提供

2022年，NASA 一直致力于教育和激勵新一代對太空探索感興趣的人。例如，該機(jī)構(gòu)與科學(xué)專家一起舉辦了 Twitter Spaces，討論太空圖像如何成為人們可以通過替代文本、豐富的圖像描述、觸覺面板、3D 打印模型、觸覺板和通知閱讀、觸摸和聽到的體驗。它還與Google Arts & Culture合作創(chuàng)建了一個名為“我們的太陽系：與 NASA 一起穿越我們的宇宙鄰域的 3D 冒險”的數(shù)字畫廊，其中包括 60 多個行星、衛(wèi)星和 NASA 航天器的 3D 模型。這些模型以及新發(fā)布的 SLS 3D模型也通過 Google 搜索結(jié)果顯示。

為深空探測準(zhǔn)備
NASA繼續(xù)其廣泛的合作伙伴關(guān)系，NASA 和 SpaceX 成功地發(fā)射和返回國際空間站 (ISS) 的機(jī)組人員，并在太空中進(jìn)行了大量研究和實驗，最大限度地促進(jìn)科學(xué)發(fā)展。例如，去年 10 月，五名宇航員組成的機(jī)組人員抵達(dá)空間站，承諾將花費數(shù)月時間在微重力下的心血管健康和流體行為等領(lǐng)域開展新的科學(xué)研究，為人類探索近地軌道以外的環(huán)境和造福生命做準(zhǔn)備在地球上。

該團(tuán)隊還攜帶了升級后的生物制造設(shè)施（BFF），該設(shè)施在2019年成功打印了部分人體膝關(guān)節(jié)半月板和大量人體心臟細(xì)胞。生物打印技術(shù)具有如此巨大的潛力，不僅可以幫助緩解地球上的器官短缺，還可以使在微重力條件下打印組織樣本，其質(zhì)量高于在地面打印的組織樣本。其他有意義的伙伴關(guān)系和合作包括與開創(chuàng)性太空初創(chuàng)公司Rocket Lab（納斯達(dá)克股票代碼：RKLB）、增材建筑開發(fā)商ICON以及 3D 打印和太空公司Relativity Space的交易和贈款。


△美國宇航局局長比爾尼爾森（左）在年終會議期間與美國宇航局總部的高級領(lǐng)導(dǎo)層舉行會議。圖片由 NASA/Joel Kowsky 提供。

美國宇航局局長比爾尼爾森指出：“2022 年將作為美國宇航局所有任務(wù)中成就最大的年份之一載入史冊，2023 年也有很多值得期待的事情：韋伯望遠(yuǎn)鏡的更多驚人發(fā)現(xiàn)、氣候任務(wù)將告訴我們更多關(guān)于地球如何變化的信息、國際空間站的持續(xù)科學(xué)、X-59 的開創(chuàng)性航空發(fā)展和X-57 實驗飛機(jī)、50 多年來第一批登上月球的宇航員的選拔等?！?/span>

隨著 NASA 繼續(xù)通過發(fā)現(xiàn)激勵世界，私人航天業(yè)已經(jīng)發(fā)展成為地球外生態(tài)系統(tǒng)中的重要參與者。2023年人類在太空探索中還能取得哪些成就呢？讓我們拭目以待！