還記得《三體》中章北海那句「自然選擇，前進四」嗎？
作為人類艦隊的旗艦之一，自然選擇號在推動劇情發展上起到了無比重要的作用。而這一龐然大物乃至小說中的整個人類艦隊無不依賴於龐大的地球軌道建設系統。
可以預見的是，原本只會出現在小說中的「地球軌道工廠」可能很快就會出現在我們眼前。
2020年5月8日，一臺由中國自主研製的「複合材料空間3D印表機」以及其在軌製作的兩個樣品成功隨中國新一代載人飛船試驗船返回地表。
這是中國首次成功進行在軌3D列印，也是世界首次攻克連續碳纖維增強複合材料在軌3D列印技術。
不過，我們為什麼要探索太空3D列印技術呢？
世界首次
此次長5B發射前，我國科學家們就將這臺自主研製的「複合材料空間3D列印系統」安裝在了試驗船的返回艙內。
在5月7日1時58分，整套系統成功列印兩個預定的樣件。
本次試驗的材料為世界上首次在地球軌道上使用的「連續碳纖維增強複合材料」，而碳纖維一直是航天界主要零部件上廣泛使用的材料，其以質量輕、強度高著稱。而使用連續碳纖維則有利於複合材料的性能提升。
本次列印的兩個樣件均由碳纖維的長絲連續構成，成功驗證了微重力環境下複合材料的3D列印技術。
這並非人類首次試驗太空3D列印技術，美國NASA此前也曾進行過一定的科學實驗。
在2014年11月17日，世界上首臺太空3D印表機搭乘SpaceX的龍飛船登上國際空間站並成功安裝。
在首次測試中，這臺3D印表機成功按照地面工程師上傳的圖紙列印了一個扳手，並在隨後的幾個月內列印了一些其他部件。
在2015年2月，這些列印的樣品隨龍飛船順利返回地球。
而之所以航天大國們要競相開發太空3D列印技術，是因為這項技術在太空競賽上有著無可比擬的優勢。
太空列印的優勢
太空3D列印技術對航天技術的發展有著不可替代的優勢，是太空產業化之路的關鍵所在。就拿中國此次試驗的目的來說吧。首先是要支持空間站長期有人照料的運營維護，其次是支撐我國未來空間站的在軌拓建。
簡單說，太空3D列印技術就是為了未來在軌建造飛船而量身定製的技術。對比目前空間站需要地球火箭補給而言，太空3D列印技術有節約「時間成本」與「運輸成本」兩方面的優勢。
首先是時間上的優勢。一般來說，當空間站缺少某種工具或者需要某些新的零部件時，在軌太空人們只能做一件事——等著。只能等著數周乃至數月後地球送來補給，相關需求才能滿足。
如果我們有了太空3D技術，那麼一旦空間站內有什麼特殊的需求，控制中心就可以在地球上設計出所需物品的模型文件，上傳到空間站內列印出來。整個過程可能只需要短短幾天甚至是幾個小時就可以完成。
再就是運輸成本上的優勢，太空3D列印技術能夠可觀地降低空地往返所需的運輸成本。儘管目前科學家都會在發射前儘可能保證衛星和飛船的可靠性，但是由於很多未知因素的存在，這些「可靠」的機械仍會面臨系統升級甚至是零部件損壞的威脅。
如果為每顆衛星增加大量備用件會導致發射費用大大增加，甚至發射成本會超過其帶來的價值。
像是當年哈勃望遠鏡剛進入太空時，由於一塊鏡面製造上產生了誤差，導致其觀測拍出的照片十分模糊。你知道當年NASA是怎麼解決這件事的嗎？
NASA最終決定，再進行一次航天發射任務，為哈勃望遠鏡安裝一塊正確的修正鏡，使得哈勃得以正常工作。
僅僅是一塊鏡面，就需要地面為此花費數億美元。更何況在未來太空中，我們難免會遇到各種情況的突發事件，如果我們能夠在近地軌道上現場製作零部件，就可以為這些問題的解決帶來很多便利。
有朋友可能會問了：「你說，額外的新零件需要火箭運輸，3D列印的材料也需要火箭運輸，既然都需要火箭運輸，都需要浪費一發火箭，那為什麼我們不直接弄些成品上去呢？」
其實，太空3D列印所需的材料可以取自太空。
想一想，為什麼Space X要死命地搞出來可回收火箭？不就是為了最大程度地循環利用嘛。太空3D列印也可以借鑑這個思路，通過循環系統解決材料的問題。
3D列印技術本來就是將一堆零散的原料組合成產品的一項技術，它只需要材料。如果太空中什麼零件損壞了，我們直接將這個零件熔化重新再做一遍不就好了。即便在這個過程中原材料可能會有損耗，也不過是再額外補充一點就行了，這樣我們僅需要發射一次原材料上太空就可以用很久。目前很多公司也在開發可重複使用的列印材料。
其次，在未來，3D列印金屬也將是一種發展趨勢，因為使用金屬列印出來的元器件會比常規材料列印的性能更好。
而在軌的報廢衛星數量如此龐大，且因為沒有大氣層，不會像在地球那樣被氧化生鏽，因此在未來我們也可以將這些報廢的衛星當作原材料，進行金屬3D列印。
眼光如果放長遠些，我們甚至可以直接從遠方其他星球上就地取材印表機器人進行開發和探測。歐洲航天局就曾提出過以月球土壤為原料機器人進行月球基地建造的計劃。那些富含礦物的小行星就更不用說了。
除了材料來源外，太空3D列印也會讓太空探索更加靈活。雖然「送原料」和「送成品」都需要消耗一發火箭，但是成品會受到火箭尺寸的限制，而只送原料就可以在太空中現場製造一些龐大的結構。使得太空探索更具靈活性。
不過與地球3D列印不同，太空3D列印需要克服一些全新的難點。
全新的難點
就像之前所說，在軌3D列印建造可以突破運載火箭的發射能力，拓寬空間設計的可行範圍，但是它同樣會受到太空環境的影響約束，尤其是微重力、高真空和極端溫度這三大要素對材料和宏觀結構設計的影響。
首先是材料方面的問題，由於微重力等的因素影響，原材料在固態、液態、固態之間轉變的力學行為和熱應力都與在地球上不同。
簡單來說，就是由於熱量在微重力環境下傳播不同於地球，因此可能導致材料溫度過熱或過低，會讓3D印表機無法正常工作。
同時，3D列印都是將原材料噴射疊加成一個完整的物件，在微重力的太空，不會有重力引導原材料下沉相互結合，這就對印表機在太空環境下的形態控制能力提出了要求。
其次，在進行空間超大規模建造組裝過程中，其整體結構是一個逐漸增長的過程。隨著組裝的進行，其質量、體積和一些力學特徵都是不斷變化的。因此在列印元器件初期就要考慮到整體結構的動力學分析和控制。
最後，太空建造的零部件不需要承受火箭發射時帶來的超大加速度，因此需要重新優化在軌建設的構建設計模型，使其滿足全新的支撐和實施需求。
綜上所述，使用太空3D列印技術進行在軌建造需要分析三個問題：太空環境下材料成型問題、建造過程動力學問題以及全新輕量化設計。
而此次過我開展的太空3D列印試驗就驗證了部署器的結構強度、材料性能和空間適應環境，同時此次列印全程均無人參與，有效驗證了無人狀態下3D列印能力。為未來我國複合材料空間3D列印奠定了重要的技術基礎。
總結
3D列印的可重複性和就地生產等特性可以有效降低我們在太空中生產的成本，人們也可以利用它進一步增強探索太空的能力。
因此在我看來，太空3D列印的普及對於人類航天發展來說至關重要。這次實驗更是打破了國外的技術壟斷，實現了技術超越與創新。
對此你怎麼看呢？
喜歡文章歡迎點讚、收藏、轉發，記得關注，謝謝大家。