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NEEMO任务-NASA的3D打印功能原型

Zortrax 2018-2-22 00:47

zortrax 3D打印机


美国宇航局希望在20世纪20年代初发射小行星重定向任务(ARM),目前正在开发两种不同的ARM。

第一种完全是机器人。

第二个任务被称为小行星重定向载人任务(ARCM),包括派遣宇航员登上猎户座飞船

探索一颗小行星重定向到月球周围的稳定轨道,并将收集到的样本带回地球。


位于休斯顿的美国宇航局约翰逊航天中心的工程师们正在为宇航员完成这类任务开发一套合适的工具。

在Zortrax M200上首次用Z-ULTRAT打印了小型地质取样系统的功能原型。


背景

zortrax 3D打印机

3D printed sampling system undergoing tests on the NEEMO mission. Credits: NASA/JSC.


1980年7月,时任美国国家航空航天局局长的罗伯特·福施(Robert Forsch)向国会作证时

首次提到“小行星重返地球”的想法。

2012年,凯克空间研究所重新审视了该项目,并进行了可行性研究,最终使该任务成为可能。

美国航天局格伦研究中心随后估计,它将花费约26亿美元,考虑到目前的任务,这似乎也是合理的。

小行星绕着月球运行,剩下的唯一问题就是如何处理它。

这就是派宇航员去探索它的想法的由来。

zortrax 3D打印机

CAD design of the NASA’s Geology Sampling System. Credits: NASA/JSC.


ARCM团队设计的工具声称人类探索小天体是不可避免的,原因有很多。

先,这样的任务具有很大的科学价值。

自动航天器上分析样本的手段相当有限,机器识别要收集的有趣样本的能力也很有限。

除了小行星,太空探索界还考虑了人类对谷神星(小行星带中最大的天体)和火卫一(绕火星运行的非常小的卫星)的任务。

其次,小行星被认为是潜在的原材料来源,如黄金、钴、铁、锰等。


小行星采矿的想法正处于发展的早期阶段,鉴于我们掌握的技术,有人质疑它的可行性。

尽管如此,小行星的微重力环境对宇航员提出了同样的挑战,无论他们是出于科学还是商业目的。

地球、火星甚至月球上的重力允许类似的地质取样工具和技术。

但这些都不适用于小行星。


目标

zortrax 3D打印机

Functional prototype of the NASA’s Geology Sampling System with 3D printed parts. Credits: NASA/JSC.


为宇航员探索小天体而设计的工具需要在非常特殊的条件下运行。

首先,没有地面回缩力。

然后,一个错误的步骤可能会导致碎片云漂浮在周围并损坏附近的设备。

接下来是身体定位和锚定的挑战。

阿波罗计划期间登月的录像显示宇航员在月球表面笨拙地跳跃。

不过,每一次,它们都会像在地球上一样倒地,只是速度较慢。

在小行星上做同样的事情只会把它们送上太空,而没有办法回到它们的宇宙飞船。

因此,每一个这样的小错误都会变成危及生命的局面。

因此,NASA的JSC工程师需要一个以小行星为中心的工具套件。

为了设计它,他们必须首先考虑ARCM的科学目标。


首先,科学家们希望有一段宇航员在小行星上工作的录像。

因此,需要手持式高分辨率相机和配套的分析仪器。

他们还指出,污染控制非常重要,如果样本中含有宇航员从地球上带来的化学物质,那么分析样本就毫无意义。

在涵盖了所有这些之后,科学小组继续建议从两个地点收集至少1000克材料

从两个地点收集至少一个直径5厘米的表土核心样品,并保存挥发物。

工程师必须为宇航员设计工具来完成所有这些任务。


过程


zortrax 3D打印机

Collecting samples with a functional prototype of the Chip Sampler during the NEEMO mission. Credits: NASA/JSC.


首先,工程师们确定了五种不同类别的样本进行收集。

漂浮样品是松散地附着在表面上的岩石,可以通过简单的抓取动作来提取。

切屑样本是从母体中强行取出的小块。

表土样品是一种松散的细颗粒砾岩,表面覆盖着灰尘,可以通过铲土动作回收。

表面样品是表面的最上层,最深可达1毫米。

最后,核心样本是通过钻探从小行星内部获得的圆柱形空心质量。

完成了这项工作之后,团队完成了一个处理每个类别的特定工具列表。


首先他们用浮子取样。

很快就发现,用手抓住小行星上的岩石风险太大。

航天服材料容易污染采集到的样品,而且手套刺穿的可能性很大。

因此,工程师们提出了一种蛤壳设计,这种设计能很好地容纳漂浮的岩石

并防止样本被困在封闭的蛤壳中而受到污染。

同样的工具在收集覆盖在表面的灰尘方面也被证明是有效的。


zortrax 3D打印机

3D printing of an end-effector for the NASA’s Geology Sampling System on the Zortrax M200 at NASA Johnson Space Center. Credits: NASA/JSC.


为了解决收集小行星表面未受污染的灰尘的问题,NASA的JSC小组首先使用宇航员带到月球上的一种叫做接触土壤采样器的工具。

附在手柄上的样品垫会轻轻地接触地面并缩回一个小容器。

通过对这些工具的3D打印原型进行真实世界测试的工作人员的反馈表明,必须重新设计打开和关闭容器的机制。

具体来说,在最初的接触式土壤采样器中,一名宇航员手动关闭和打开容器的门,这会造成污染的风险。

因此,工程师们制作了一个原型,容器由手柄上的杠杆操作。


收集芯片样本被证明更具挑战性。

在地球上,地质学家使用凿子和锤子。

一块块石头掉在地上,好捡起来。但在小行星上,它们会四处漂浮,对附近工作的宇航员构成威胁。

因此,工程师们设计并3D打印了一个手持工具,带有一个可移动的末端执行器,包括一个凿子、两个窗户和一个滑动门。


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Collecting samples with the NASA’s Geology Sampling System on the NEEMO mission. Credits: NASA/JSC.


最后,研究小组设计了一个采集岩芯样本的钻机。

该装置将被部署在固定在航天器上的稳定扫帚的末端。

然后样品被自动运送到船上。


在每一种情况下,工程师都必须考虑如何储存收集的样品。

这一点也不简单。

月球上的宇航员可以简单地把他们的样品放进袋子里。

地心引力足以支撑它。

但在小行星上,把工具容器里的东西转移到袋子里是不可能的。

因此,该团队采用了一种将样本存储集成到收集工具中的体系结构。


结果


zortrax 3D打印机

Attaching a driver to an end-effector during tests of the NASA’s Geology Sampling System on the NEEMO mission. Credits: NASA/JSC.


目前开发状态下的小天体地质取样系统只有公文包那么大。

为了节省空间和重量,有两个驱动器,一个是手动的,一个是电动的,使用可互换的末端执行器来检索不同类型的样本。

执行任务的宇航员只需打开公文包,将适当的末端执行器连接到驾驶员,执行样本采集,并将末端执行器放回手提箱。

从这一点开始,末端效应器作为示例容器工作。

显然,所有末端效应器只能使用一次。


该系统设计为使用两个相对的球形柱塞来约束每个末端执行器。

柱塞在平移活动中提供了足够的约束,并且在连接驱动器后仍然可以方便地拆卸。

这种设计最大限度地减少了交叉污染的可能性,但它对样品收集套件的质量和体积有重大影响。


结论

zortrax 3D打印机

Sample collection with the NASA’s Geology Sampling System on the NEEMO mission: Credits: NASA/JSC.


一个功能强大的3D打印原型已经在大西洋深处的NEEMO模拟任务中进行了测试。

在测试过程中,其中一个末端执行器出现故障。

美国航天局的JSC工程师3D打印了一个替代品

并在24小时内把它送到了测试现场

如果没有可靠的3D打印机,这是不可能的。


系统的当前版本仍在进行中。

很多测试和3D打印的原型在它完全投入使用之前就已经准备好了。

然而,由于对小行星任务的想法不断演变,工程师们无法锁定一个特定的工具包设计。

Zortrax生态系统帮助他们在任务需求变化时快速调整原型。

他们声称,根据给定的任务,他们可以很容易地改变公文包的大小,以容纳不同数量的每个末端执行器。


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原作者: Jacek Krywko 来自: zortrax blog

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