空间3D打印技术现状与前景

空间制造能力对太空探索具有重要意义,空间3D打印是实现空间制造的一项关键技术。阐述了空间制造的起源以及空间3D打印的技术现状,围绕着3D打印材料、工艺及空间环境适用性等问题,分别讨论了面向空间舱内环境、在轨原位环境、星球基地环境下空间3D打印技术的研究进展,提出了面向空间应用的高性能复合材料3D打印、多自由度3D打印等工艺方法,以应对空间环境的多重需求。分析并指出了实现空间3D打印技术面临着空间极端温差环境、能源利用、材料来源与性能等技术挑战;围绕我国空间站建设与月球探索工程,讨论了我国空间3D打印技术的发展前景与可能的实施途径。     

我国深空探测对航天材料及工艺的需求

随着我国首次月球采样返回和火星探测器"天问一号"任务的圆满完成,我国深空探测进入了新的发展阶段。本文首先对我国深空探测的现状和发展趋势进行了分析,进而对深空探测面临的极端温度、强太阳电磁辐射、强粒子辐射、尘与尘暴、酸性大气等环境及对深空探测任务的影响进行了梳理,进而从材料及结构的轻量化、高效热控制、可靠的辐射防护与抗辐射能力、提供可持续的能源、具有较强的耐腐蚀性能、具有较好抗尘与尘暴损伤性能、在轨组装与制造等角度梳理了深空探测对航天材料与工艺的需求,最后从轻质结构机构材料、高效热控制材料、组合辐射防护及耐辐射材料、耐腐蚀材料、耐尘与尘暴材料、高可靠能源材料、3D/4D打印技术等方面给出了深空探测材料与工艺的发展方向。     

载人航天工程中的微生物科学与技术应用

针对微生物技术在人类长期载人航天任务中的应用需求,分析了微生物在空间环境下的生物学特性变化,探讨了当前国际空间站内微生物生态安全长期追踪分析的研究方法与进展,展望了微生物在载人航天工程以及深空探测中的原位资源开发应用的主要应用前景,同时提出了空间微生物技术在地面医药、能源、环境等领域的应用潜力,以及服务于我国载人航天工程微生物研究的关键科学与技术发展方向。     

低温推进剂在轨贮存与管理技术研究

低温推进剂由于其比冲高、无毒无污染,是载人和深空探测的首选推进剂。为解决空间恶劣的热环境和微重力环境下推进剂大量蒸发损耗及推进剂的气液两相混合等问题,以低温推进剂的在轨贮存与管理技术为研究对象,给出低温推进剂绝热的贮存方案和微重力气液分离的管理方案。并对其中的适用中短期任务的方案进行日蒸发率等指标核算,然后对方案中的热力学参数变化对系统方案中的蒸发量控制等影响进行讨论。最终给出针对载人登月等短期项目的低温推进剂在轨贮存与管理的推荐方案。     

3D打印用硅基陶瓷前驱体研究进展北大核心CSCD

聚合物前驱体转化法可使用聚合物的成型加工工艺实现陶瓷材料的加工制备,在高性能陶瓷和复合材料制备方面显示出独特的优势。3D打印技术在陶瓷前驱体成型中的应用为制备复杂结构陶瓷制件提供了全新的可能。本文从3D打印硅基陶瓷前驱体树脂体系、打印技术及其应用等方面,系统总结了近年来3D打印制备SiCO、SiCN、SiC及含B、Zr等元素硅基陶瓷材料前驱体的研究进展,并进一步指出了3D打印陶瓷前驱体面临的挑战与研究方向。     

微重力环境金属燃烧试验研究进展

以自由落体、抛物线飞行和模拟微重力流场3种典型的微重力试验原理,综述了微重力环境下气溶胶、颗粒和棒状3种形态的金属材料燃烧研究,包括镁、铝、钛等。详细介绍了微重力对金属燃烧速度、火焰结构、相变过程及特有的燃烧现象等特性的影响机理,阐述了微重力环境对揭示金属燃烧固有属性的优势,综述了现有微重力试验系统的优缺点和模拟微重力流场方法的可行性。研究结果表明:由于创造微重力环境较难且成本较大,限制了金属燃烧固有属性及弱效应对其影响的研究。建议从微重力试验条件、弱效应对金属燃烧行为的影响、微重力下传热传质变化对燃烧化学反应的微观影响机理方面进一步研究。      

功能型复合材料在深空探测任务中的应用研究进展

分析了深空航天器面临的复杂空间环境以及对航天用功能型复合材料的需求,系统综述了耐高低温、抗宇宙射线、电磁屏蔽等深空探测环境用功能型复合材料的研究进展,最后,展望了功能型复合材料在深空探测领域中的潜在应用。     

可控变形复合材料结构4D打印

4D打印技术是一种采用3D打印工艺方法实现具有对外界刺激响应功能、可变形状或性能的智能结构增材制造技术。综述了4D打印技术的基本工艺方法,如形状记忆材料4D打印、仿生复合材料结构4D打印、外场驱动智能结构4D打印等;分析了现有4D打印技术在变形过程不连续、制备难度较大、难以实现变形过程可控等方面存在的问题;提出了连续纤维增强复合材料的4D打印策略,展示了任意可展曲面结构的设计与4D打印流程;分析了4D打印技术未来在航空航天、生物医疗及软体机器人等领域的潜在应用价值。     

深空极低温服役环境下材料力学/物理性能低成本快速评价方法研究进展

随着我国空间探测卫星、深空探测飞行器等国家战略装备的快速发展,宇航材料的服役环境越来越苛刻,常常面临极端低温的考验。然而低温下材料的力学/物理性能和常温相比有很大差异,极低温使役环境下材料力学/物理性能评价成为人们关注的重点问题。本文着重对基于力-热能量密度等效原理而发展的深空极低温服役环境下材料屈服强度、弹性模量、理想拉伸强度、硬度等力学性能的低成本快速评价方法研究进展进行了总结和回顾;同时,介绍了力-热能量密度等效原理在低温下半导体材料的带隙能、折射率、拉曼频移,金属材料磁晶各向异性常数等物理性能的低成本快速评价方面的推广应用情况。该评价方法为实现地面实时监测在轨航天器中关键材料的主要力学/物理性能提供了有效途径,为国家高端技术装备建设中关键材料的设计、可靠性评价和实时性能监测等提供重要的手段。     

4D打印的研究进展及应用展望

4D打印技术为基于3D打印技术和智能材料的一种新兴的制造技术,是3D打印结构在形状、性质和功能方面的有针对性的演变。4D打印技术能够实现材料的自组装、多功能和自我修复,是一种具有可预测功能的材料制备技术。4D打印技术可以实现材料特定性质的改变,从而使其满足各个领域中的应用需求。本文按照时间顺序对4D打印技术的研究进行了综述,总结了在这一技术在材料科学、制造产业、生物工程及医学等领域中的突出成果以及创新性技术。结合4D打印技术的概念及研究现状,对其在各个领域中的应用进行了展望。     

基于ZBO技术的空间低温贮箱强化换热数值模拟研究

针对载人航天和深空探测对低温推进剂长期在轨存储技术的研究需求,提出了一种基于主动制冷技术和流体混合技术的ZBO新型空间低温贮箱,建立了微重力下低温存储系统的3D模型,对六种采用不同换热结构低温贮箱的温度场和速度场进行了数值模拟和研究。通过对比分析,发现热管位置和混合泵以及冷头的传输效率是影响低温贮箱性能的主要因素,低温贮箱结构采用单混合泵侧喷和低温热管加环肋时最高温度最低,温差最小,具有较好的冷却效果。模拟结果有助于提高低温存储系统的性能,为空间低温贮箱的优化设计提供参考依据。     

大功率空间核电推进技术研究进展

大功率空间核电推进系统是空间核电源技术和大功率电推进技术的高度融合,具有高能量密度、超高比冲、较大推力的优势,可适用于超大型航天器轨道转移任务、远距离无人深空探测任务、载人火星等大型深空探测任务,能够极大地拓展人类深空探测的能力。本文针对大功率空间核电推进技术,对其工作原理和系统组成进行了介绍,同时开展了关键技术梳理,重点归纳了国内外在技术领域的研究历程和最新进展。     

有人参与深空探测任务面临的风险和技术挑战

有人参与的深空探测工程是无人深空探测工程和载人航天工程的有机结合,是未来航天技术发展的一个重要方向。与无人深空探测工程相比,有人参与的深空探测系统更加复杂、难度更大、要求更高。经过系统梳理,提出了4个方面面临的风险和技术挑战,即保障人员精确可靠到达、着陆地外天体并安全起飞返回地球,保障人员在长期飞行及长期驻留任务时的居住及生活环境,保障人员在地外天体的大范围机动作业,保障人员长期任务中的健康和安全。解决上述技术问题可为后续开展有人参与的深空探测任务指明方向。     

空间站微重力环境研究与分析

太空中的微重力环境对基础科学研究和新技术开发具有重要意义,为了满足未来我国空间站开展微重力科学实验的需求,需要对空间站上的微重力水平进行分析和评估,指导高微重力要求实验载荷的布局和微重力实验期间的飞行任务规划。空间站上的微重力水平用加速度值度量,通常可以分为准稳态加速度、瞬态加速度和振动加速度。针对此问题调研总结了国际空间站的微重力研究情况,并以400 km轨道高度上100吨级"T"字型积木式空间站作为算例,估算其准稳态加速度大小及分布,并初步分析瞬态加速度水平的量级。结果表明,空间站准稳态加速度水平在1μgn量级,主要贡献来自重力梯度效应;瞬态加速度可达103μgn量级。文章对将来我国空间站微重力应用支持的设计工作有一定的借鉴意义。     

微重力下离心式锥形两相洗衣机流场的数值模拟研究

针对空间站长期在轨作业时为航天员提供干净衣物的需求,提出了一种适用于微重力环境的离心式锥形两相洗衣机方案。利用FLOW-3D流体力学软件基于VOF方法对微重力环境下该洗衣机方案静态流场分布、洗涤筒/波轮旋转时的动态界面形貌、波轮和洗涤筒对流场力的作用等关键的微重力流体管理问题开展了数值分析,结果表明:洗涤筒的交替转动使流场产生翻转效应,波轮与洗涤筒同向交替运动对流场产生更大的作用力;在气压平衡口安装一种防爬的楔形结构,洗涤过程采用波轮和洗涤筒同向交替转动、脱水过程洗涤筒单向旋转,洗涤效果更好。     

各国空间材料加工试验的发展

空间材料加工是空间工业中的新型技术领域之一,本文从空间微重力环境对材料加工过程的影响、空间材料试验及加工制造技术等几方面介绍了各国空间材料加工试验的进展状况。     

连续纤维增强复合材料3D打印技术现状及展望

纤维增强复合材料因其轻量化、高强度和高设计自由度等优点一直备受航空、航天和汽车等领域的青睐。3D打印是实现连续纤维增强复合材料快速化、个性化和复杂化结构制备以及突破传统制造方法限制的有效途径之一。本文综述了连续纤维复合材料3D打印技术的基本原理、方法分类和研究进展,从成型的材料、工艺、性能和机理等方面进行综述,并对混杂连续纤维增强复材3D打印、多自由度3D打印及其路径规划提出了展望。     

增材制造技术的研究应用进展:由3D到4D北大核心CSCD

增材制造技术是一种逐点、逐线、逐面增加材料而形成三维复杂结构零件的近净成形工艺,3D打印技术日渐成熟,其所制备出的产品组织结构致密、性能稳定。近年来,学者们将增材制造技术应用于智能材料的打印,实现该技术由空间维度到时间维度的扩展。本文重点介绍了3D打印与4D打印的研究现状与发展前景,以期为从事该领域的工作人员提供借鉴。     

3D打印铝合金液冷板性能研究

为验证3D打印技术在液冷板中应用的可行性,对3D打印液冷板和传统真空扩散焊接液冷板的环境与机械性能、散热与流阻性能进行了试验对比。结果表明:在相同的输入参数条件下,两种类型液冷板的性能均能满足要求,且3D打印液冷板的散热与流阻性能优于真空扩散焊焊接液冷板。3D打印技术可用于液冷板的制造,但需综合考虑产品技术要求、结构、成本等因素。     

高性能纤维增强树脂基复合材料3D打印

3D打印技术是一种逐层成形的增材制造技术,而纤维增强树脂基复合材料是一种力学性能优异的先进结构材料,结合3D打印的工艺先进性和纤维的材料性能优势,提出新型的纤维增强树脂基复合材料3D打印工艺,为进一步促进两者共同发展与应用提供了可能。综述并分析了纤维增强树脂基复合材料3D打印技术的研究现状与瓶颈,提出了一种连续纤维增强热固性树脂基复合材料3D打印工艺,将3D打印丝材制备、3D打印预成型体、3D打印预成型体固化分隔成3个独立的模块,并根据不同模块设计搭建了不同的试验平台及设备,成功制备得到了连续纤维增强热固性树脂基复合材料3D打印构件,还测试得出其(纤维含量为52%)拉伸强度及拉伸模量分别达到1325.14MPa和100.28GPa;弯曲强度及弯曲模量分别为1078.03MPa和80.01GPa;层间剪切强度为58.89MPa。大幅提高了纤维增强树脂基复合材料3D打印成型构件的力学性能。