3D-печать в космонавтике
Сейчас 3D-печать утратила ореол новизны и инновационности, превратившись в одну из технологических операций современной промышленности. Космонавтика довольно консервативная отрасль, но и здесь производится поиск применения 3D-принтеров. Печать пластиком уже выбралась в космос в качестве эксперимента, а спекание металлического порошка применяют в ракетном деле.
На крупных предприятиях космической отрасли 3D-печать пластиком нашла применение в макетировании, и изготовлении литейных форм. Селективное лазерное спекание металлического порошка пока не заслужило доверия у ракетостроителей, и по-прежнему не конкурирует с литьем, штамповкой и фрезеровкой. Технология 3D-печати металлом пока воспринимается как эксперимент, проводимый, зачастую, за государственный счет. Например в 2015 году, на средства NASA была напечатана медью камера сгорания для ракетного двигателя.
Далее проводили еще несколько экспериментов с различными сплавами и технологиями изготовления. Один из двигателей с 3D-печатной камерой сгорания испытали на стенде, но на ракеты, производимые по госконтракту, двигатели оставили без изменений.
Click to viewЧастные космические компании более открыты к инновациям и смелее подходят к внедрению передовых технологий в серийное производство. Новозеландская компания RocketLab освоила технологии трехмерной печати в изготовлении элементов ракетного двигателя Rutherford. Печатается один из ключевых элементов ракетного двигателя - камера сгорания и сопло с рубашкой охлаждения, где должно циркулировать ракетное топливо во время работы двигателя. Rutherford испытали сначала на стенде, затем в ходе космического запуска. Первый пуск ракеты сорвался из-за сбоя в системе связи, а второй, в январе 2018 года прошел успешно.
Правда Rutherford от RocketLab довольно легкий, имеет тягу около 2,5 т и массу около 25 кг. Девять таких двигателей требуется на первой ступени ракеты Electron, чтобы запустить груз всего 200 кг на низкую околоземную орбиту.
Несколько металлических 3D-печатных элементов используется в значительно более мощных двигателях Merlin на тяжелой ракете Falcon 9 компании SpaceX. Однако, ключевые элементы этого двигателя изготавливают по иным технологиям; фрезеровка, литье под давлением, горячая формовка и т.п.
Американский стартап Relativity Space пошел дальше всех. Его основатели предлагают производить ракету полностью напечатанную на 3D-принтере. Хотя речь идет о массовом использовании деталей, созданных по технологии селективного лазерного спекания при помощи специально разработанного 3D-принтера на базе роботов Kuka.
По заверению авторов проекта, им удалось сократить общее число деталей ракеты от 100 тыс. до 1 тыс.
В спутникостроении экспериментальные детали для космических аппаратов изготавливали по заказу Европейского космического агентства. Небольшую параболическую антенну, механизм развертывания солнечных батарей, элементы системы получения изображений, корпус малого спутника стандарта CubeSat. Трехмерная печать снижает массу элементов, уменьшает общее количество деталей, открывает новые возможности в конструировании деталей на основе топологической оптимизации, позволяет заменять шлейфы проводов на токопроводящие нити протянутые прямо через стенки конструкции.
Хотя в космос изделия так и не запустили, полагаясь на освоенные ранее технологии. Хотя, возможно, полученные результаты найдут применение в будущих спутниковых платформах.
В отношении 3D-печати сказывается консервативность производителей космической техники, ведь мало разработать новый элемент конструкции, требуется провести его многократные испытания на Земле, затем запустить в космос и там убедиться в прямых выгодах, которые новинка даст по сравнению с аналогами прежних лет. Поэтому частным новичкам проще использовать новые технологии, т.к. их разработки и так требуют полноценного испытания.
Отдельное направление трехмерной печати, которое пока не выбралась из экспериментальной стадии - печать в космосе. Это направление рассматривается в качестве перспективной возможности воплотить мечты теоретиков космонавтики прошлого века, и начать производство в космосе. Сначала такое производство могло бы покрывать потребности в космосе, а потом и на Земле, открывая возможность выноса в космос наиболее опасных для экологии производств. Впрочем, до решения глобальных проблем с помощью 3D-принтеров пока далеко.
На борту МКС проводился эксперимент по трехмерной печати ABS-пластиком в условиях микрогравитации. Астронавты смогли успешно напечатать храповой ключ, из файла, переданного с Земли, подтвердив принципиальную возможность создавать новые изделия на орбите.
Компания, оснастившая МКС 3D-принтером - Made In Space - надеется развивать технологию и создавать принтеры способные прямо в вакууме создавать элементы конструкции космических аппаратов и орбитальных станций.
Частная компания Deep Space Industries в 2013 году взялась за разработку 3D-принтера, который сможет печатать металлом в невесомости. Компания ставит своей целью добычу полезных ископаемых на астероидах, поэтому в качестве сырья предполагается использовать основной материал металлических астероидов - железо-никелевый сплав. Однако на сегодня все упоминания об этой разработке с сайта DSI удалены.
Другая компания, которая нацелилась на астероиды - Planetary Resources - также видит будущее в применении космических ресурсов в орбитальном производстве. В качестве эксперимента, компания напечатала в земной лаборатории небольшую конструкцию, применив в качестве материала измельченный в порошок металлический метеорит. (Фото в заголовке).
Российская компания “Анизопринт” разрабатывает технологию 3D-печати из композитов и рассматривает, в качестве возможного применения, печать композитных элементов космических аппаратов на орбите.
Другой российский стартап 3D Bioprinting Solutions планирует провести эксперимент на российском сегменте МКС, с биофабрикацией тканей организма. Предполагается, что условия микрогравитации позволят формировать устойчивые трехмерные структуры и полноценные ткани и даже органы, созданию которых на Земле препятствует гравитация. Оборудование для проведения эксперимента уже отправлено на МКС.
На Земле 3D-принтеры уже справляются не только с небольшими изделиями, но и с целыми домами. Подобный опыт предлагается применить и в создании внеземных поселений или научных баз. В США, России и других странах ведутся разработки и проводятся эксперименты в этом направлении.
Европейская фирма Foster and Partners по заказу ESA провела дизайнерскую работу по проектированию лунной базы, напечатанной из реголита. В качестве подтверждения предлагаемой технологии компания заказала печать одного блока из вулканического базальта при помощи строительного принтера D-Shape.
В Самарском государственном технологическом университете занимаются разработкой лунного посадочного аппарата, который мог бы заниматься спеканием из реголита строительных блоков. В качестве источника энергии предполагается использовать солнечный свет, который концентрируется развернутыми отражателями.
К сожалению, пока большинство проектов связанных с 3D-печатью в космосе, остаются на Земле. Связано это отчасти с несовершенством технологии, отчасти с незначительной выгодой, которую обещает новая технология. Тут многое зависит от эффекта масштаба: пока вся промышленность основана на применении более ранних технологий, поэтому новинка оказывается дороже и рискованней, чем повторение пройденного. Хотя определенный выигрыш 3D-принтеры способны дать, поэтому стоит ожидать повышение их популярности в космической отрасли.
Подготовлено для Nplus1.ru публикуется в авторской редакции.
Zelenyikot
Финансово поддержать выход новых материалов можно через сервис Patreon.
Другие способы оказать поддержку.
Чтобы не пропускать новые посты, подпишитесь на мои страницы:
в ЖЖ, Facebook, Вконтакте, Twitter.