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长征五号B火箭首飞任务将验证在轨3D打印

5月5日, 长征五号B(以下简称“长五B”)遥一运载火箭在海南文昌航天发射场将我国新一代载人飞船试验船成功送入预定轨道。在本次任务中,由中国科学院牵头负责的空间应用系统在新飞船试验船安排了在轨精细成型实验、材料摩擦行为实验、微重力测量试验等三项科学实(试)验,将为未来我国空间站建设运营以及走向更遥远的深空,进行前瞻科学研究和技术验证。

长征五号B搭载的在轨精细成型实验装置

在人类探索太空过程中,设备和材料的“补给线问题”,一直阻碍着人们飞向更远空间。随着太空3D打印技术快速发展,实现航天器零部件的“自给自足”正在成为可能。2014年,NASA研制的世界上首台太空3D打印机抵达国际空间站,揭开了人类“太空制造”的序幕。据介绍,为进一步提升制造精度、扩大可用于太空制造的材料谱系,由中科院空间应用中心研究团队研制的“在轨精细成型实验装置”将创新采用立体光刻3D打印技术对金属/陶瓷复合材料进行微米级精度的在轨制造。太空失重环境是立体光刻技术面临的主要挑战之一,普通的打印浆料在失重条件下无法保持稳定形态,会发生爬壁导致液面起伏影响打印。该团队通过国内外失重飞机,先后进行了数百次微重力环境下的实验,对浆料在失重条件下的流变行为及内在机理进行了分析,利用化学及物理方法对浆料进行优化使其从液态变为软物质形态,软物质特有的屈服应力在失重条件下抵抗形变,抑制爬壁,且在较高剪切力作用下其又可以恢复良好的流动性,保证了打印顺利进行。

众所周知,有运动必有磨损,比如人们常见的机械运动机构,其构件由于相对运动必然发生摩擦并产生磨损,形成称为磨屑的摩擦产物,常堆积于运动部位附近并可能对周边表面有所污染,在卫星、飞船及空间站中这一现象同样也不能避免。因此基于降低运动零件的磨损,延长运动零件的使用寿命的目的,通常需要对运动零件摩擦表面加注润滑油、润滑脂或固体润滑进行润滑。由中科院空间应用中心联合兰州化学物理研究所研制的“材料摩擦行为实验装置”将研究微重力环境下液体润滑材料的湿润行为及固体摩擦产物迁移行为,通过观察不同类型润滑油在材料表面的浸润现象,分析固体表面状态对液体润滑材料浸润的影响,揭示空间环境因素特别是微重力环境对润滑油润湿行为的作用规律,指导可应用于空间运动部件的新型表面改性技术,为长寿命润滑润滑技术的设计开发提供支持。同时通过考察磨屑在微重力环境中的迁移现象,研究空间环境因素对磨屑漂移的影响,探索空间微重力环境中的磨屑分布状态,推演出微重力环境中磨屑漂移的驱动机制,为后续长寿命运动机构在轨运行期间磨屑约束研究提供指导意义。

载人航天器在轨飞行时,会受到地球引力之外多种作用力的干扰,如大气阻力、太阳辐射光压、重力梯度效应、轨道机动、姿态控制、设备运转和乘员活动等,从而达不到完全“失重”状态,而是一种“微重力”环境。“微重力”是对“失重”的偏离,其大小可以通过航天器所受干扰力的加速度值来度量。为了掌握并消除各种干扰对航天器内科学实验载荷影响,为科学实验提供所需高微重力水平实验环境,首先需要准确测量科学实验载荷微重力水平。由中科院空间应用中心联合华中科技大学,中国航天科工集团三院三十三所研制的“微重力测量实验装置”将多种类型的微振动加速度传感器集成在同一台设备中进行加速度测量能力的比对测试与在轨验证,也是国内高精度微机电系统静电悬浮加速度计的首次在轨飞行,将为我国空间站时期开展高灵敏度微重力测量技术与高微重力隔振控制技术提前进行技术验证与技术储备。

来源:环球时报