中国新一代载人飞船去太空干了什么？太空3D打印不学美国独具特色

　　中国新一代载人飞船在太空中实现了无人3D打印技术，而且跟美国采用了不同的方案，这绝对是一项重要的技术突破。而且，看文献报道，中国似乎一次试验了两种3D打印技术。下面我们简单了解一下中国的太空3D打印技术，以及太空3D打印技术的前景。我是东城观星，喜欢分享科技进展，欢迎新老朋友批评指正。
　　一、太空技术必争之地
　　目前天上飞的各种卫星、飞船和空间站，基本都是从地球上做好送上去的，受限于火箭发射时上部空间的形状和尺寸，很多设想中的太空装备目前还无法从地球上直接发射，因此，目前建造的太空设施还是受到很多局限的。在可以想象的未来，一定会形成太空建造工业，很多太空设施将会直接在太空甚至外星球进行建造。而将来在太空建造设施的最主要的技术，应该就是3D打印技术。
　　美国是最早实践太空3D打印技术的国家，早在2014年就把3D打印机运到了国际空间站上。经过多年的探索，美国已经形成了比较成熟的3D打印技术储备，在国际空间上已经可以打印一些必要的零部件进行实用了。不仅有太空实践，在地面上美国也有大量相关技术的验证与储备。说美国是太空3D打印的老大哥，应该是没有疑问的。除美国以外，欧洲多国、俄罗斯、日本、加拿大等国也在积极发展太空3D打印技术，相信亚洲重要的航天国家印度也一定不会放弃发展3D打印这项重要技术的。
　　作为后来者之一，中国的3D打印技术与美国比有什么不同的吗？这个还真有不同，而且是有很大的不同。
　　二、中美太空3D打印技术的差异
　　1.美国技术
　　美国的太空3D打印技术，主要还是使用塑料耗材，打印出来的是塑料件。这种打印方式，在地面上是很成熟的，基本上就是通过打印喷头加热融化塑料耗材，吐出来以后按照三维空间一层一层进行打印，最终形成一个立体塑料产品。这种打印机，优点是结构简单、耗材便宜、工作温度低、操作维护安全方便。所以现在家庭购买的小型3D打印机多数都是这种类型的。但是，这种打印机是不能直接搬到太空里面的，需要针对微重力环境和密闭空间做很多优化。美国的太空3D打印机，现在已经比较成熟了，甚至已经实现了商业化运营。
　　2.碳纤维复合材料也能打印，中国首次在太空实现
　　中国试验的太空3D打印技术不是简单打印塑料部件，而是要打印出连续纤维增强复合材料。所谓的纤维增强复合材料，简单点说就是一边吐丝、一边涂胶，通过胶水把纤维材料粘合起来，形成结构强、重量轻的复合材料。碳纤维制作自行车、钓鱼竿、飞机外壳等应用，大家都见识过了，那就是碳纤维复合材料。这种碳纤维复合材料的优良性能，不需要在这里多说了吧，简单点说就是，有钢铁的强度、塑料的密度，非常适合生产轻便结实的物件。
　　中国这次试验的3D打印技术，就是全世界第一次在太空实现了碳纤维复合材料的自动化3D打印。相对于美国的3D打印技术，这种复合材料打印技术，工艺上更加复杂，产品性能更优越。
　　3.中国技术的意义
　　太空中会大量应用这种碳纤维复合材料，很多结构件都是用碳纤维复合材料制作的。如果这些部件将来可以在太空打印，在轨替换或修补，将可以有效延长空间站的使用寿命，降低空间站的维护成本。不仅如此，空间站中很多设备的外壳和零件也会用到碳纤维复合材料，这些零配件将来也都可以在轨打印，非常方便。
　　当然，未来在轨建设空间站，必然也离不开用碳纤维复合材料制作的衍架结构。如前面所说，用火箭运输的设备，形状和体型都会受到限制，比如科幻作品里动辄几百米长的飞船或空间站部件，就不太可能用火箭直接发射。但如果只从地球上运输原料，其实也不会太重，即使重也可以分几次发射，然后在太空打印制造这些大型结构，就没有那么多限制了。无需进一步展开，你也能想到太空3D打印技术未来有多大的前景了吧。
　　4.技术还不够成熟
　　当然，不得不提一句，连续纤维增强复合材料3D打印本身并不是一项新技术，这项技术在地球上早就有应用了，而且技术本身也不是中国发明的。同时，就算中国最早实现了这项技术的太空验证，也不能说明中国的技术就遥遥领先了。毕竟，这次只是一个简单的验证，因为没有人的协助，它的打印是自动完成的，产品质量如何，也需要带回来检验一下。
　　有人说，能实现自动，不是更先进吗？不是的，目前来说全自动的3D打印技术在太空实现还是很困难的，而且成本会非常高。3d打印一般都需要有人的协助，才能完成设备安装，耗材的更换和打印件的取出。因为没有人的协助，所以中国的这次打印，只试验了并列打印两个部件，即使耗材足够，也无法继续打印了，因为打印好的产品占着地方，拿不出来。将来打印机技术成熟了，安装到空间站里，也必然需要航天员的协助，才能实现持续生产。而美国的3D打印机，虽然不能打印这种材质，但至少已经安装到了空间站里面，在航天员的协助下，已经可以连续生产了。所以，不得不说，美国的技术成熟度要高一些。
　　而中国这项技术，在世界范围内也是一个处于领先地位的尝试，但是从技术成熟度上还有很大的提升空间。我们既要看到，这项技术有非常广泛的应用前景，同时也要理解这项技术还没有完全成熟，后期需要做的工作还有不少。
　　5.中国实践了不止一种太空3D打印技术
　　多数文献都在报道，连续纤维增强3D打印技术在中国新一代飞船上的试验。但还有一项3D打印技术也在这次飞行中完成了试验，那就是高精度空间立体光刻增材制造技术，只是提到这项技术的文献很少。那是另外一种类型的3D打印技术，没有打印头，没有喷嘴，耗材不是喷出来的，而是本来放在那里，用激光聚焦的办法让耗材固定成型。
　　我前面介绍过光刻机的工作原理，那是在光刻胶上用激光做二维打印，中国试验的这种打印技术，简单理解就是三维成像的光刻机，光刻精度达到了0.2微米，虽然比不上芯片生产用的光刻机，但在三维层面实现0.2微米打印成像，直接打印出三维作品出来，也绝对值得称赞了，更何况还是在太空中实现的。
　　更值得一说的是，这次打印的耗材可不是简单的塑料或碳纤维，而是金属陶瓷材料，打印出来的物件是陶瓷的，这就拓展了太空打印的材料类型。绝对值得称赞，但不知道为什么相关报道非常少，少有的几个报道也没有把它称为3D打印技术。
　　新一代飞船对3D打印情有独钟，搜集各种材料，一共看到了3个跟3D打印相关的试验。第三个不是在轨打印，而是在轨验证一个立方星部署器的性能，它是在地面上打印好的。这个部件为将来在轨释放微小卫星提供了便利。当然也验证了中国的3D打印技术发展速度还是非常快的。
　　三、国际上太空3D打印的进展和前景
　　1.技术进展
　　除了刚刚提到的3D打印技术以外，国际上，还有一些打印技术也得到了验证。比如2018年，俄罗斯航天员在国际空间站，首次实现了生物组织的太空3D打印，在轨打印了老鼠的甲状腺。没有重力干扰，在太空中用细胞打印器官反而更容易了，将来这项技术的医学应用前景非常巨大。另外，太空3D打印，还被用来生产食品，相对来说在太空打印食品，难度不算太大，但听起来也是挺有意思的。
　　除了打印本身，美国还在研究耗材的回收再利用技术，往天上送点材料不容易，用完就扔了就太可惜了，而且非常浪费。打废的零部件，或者替换下来的零部件，如果能有效回收再利用，就能有效减少空间站运营成本。
　　2.技术前景
　　目前来说，在地面上除了塑料3D打印技术以外，已经开拓了铝合金、不锈钢、钛合金、高温合金以及多种陶瓷材料的3D打印技术，甚至还有混凝土的3D打印技术。相对来说，在太空能够打印的材料还是太少了。不过，很多相关技术的研究正在进行中，未来的某一天一定可以实现各种金属材料的太空3D打印技术，从而能在太空全面生产各种零配件，减少对地面的依赖。
　　更远一些，十年以后甚至更远的将来，人类肯定要到月球甚至火星上去盖房子。目前正在研究在月球上利用月球土壤进行3D打印的技术。当然用土壤打印，和用塑料打印的技术还是不一样的。目前已经研制出了能在月球上使用的土壤粘合剂，不需要高温就可以把土壤粘合在一起，跟地球上的混凝土差不多，甚至效果更好。当然，也有人考虑直接把土壤给熔化了，像打印塑料一样打印月球岩石，直接打印出用岩石制造的月球房子来。不管怎样，这些技术已经不再是科幻的范畴了，利用地球上现有的科学技术已经可以做到。只是要考虑怎样更好地适应月球环境、怎样节省费用、以及怎样把设备和必须的耗材运到月球罢了。只要地球人愿意，拿出足够的钱来搞研究，到月球上盖房子的技术短时间内就可以攻克。
　　3.中美技术比较
　　至于中国的3D打印技术怎么样？总的来说，比美国还是要落后一些的，但总体上落后的并不远。由于美国在太空领域不与中国合作，很多高新技术也对中国实行禁运，中国的太空3D打印技术从设备到软件都是完全独立自主的，也是自成体系的。
　　3D打印是新兴技术，中国起步得并不晚，一直紧跟世界技术进展。不会像芯片、飞机发动机、精密数控机床这些传统技术那样有巨大的差距。在新兴领域，传统的强国技术优势并不明显，被中国等新兴国家超越并不是天方夜谭。高铁技术就是一个典型的例子，5G通讯也是很经典的案例。因此，我倾向于认为，未来中国的太空3D打印技术，将不次于美国，甚至很可能会实现某种程度的超越。
　　当然，我的观点不能代表大家，不知道大家觉得中国的太空3D打印技术能不能超过美国，中国航天技术能不能跟美国一较高下，请在评论区发表您的观点。
　　这次的介绍就到这里，欢迎新老朋友持续关注东城观星，咱们下周见。