導讀：在過去的七十年里，地球軌道上的衛星數量激增，據說現在有超過2500顆衛星橫跨我們星球的大氣層。一旦這些處于地外空間的設備出現故障，那么它們的維修無疑將是一項成本高昂的大工程。
2021年12月10日，南極熊獲悉，中國科技大學和悉尼大學的工程師們共同設計了一臺3D打印機，能夠在模擬的太空條件下對PEEK材料進行高溫加工。
據該團隊稱，使用FDM 3D打印，有可能在軌道上生產PEEK的衛星備件，但在太空中出現的熱傳導不足會導致目前的系統過熱。為了克服這個問題，研究人員已經開發了一種新型3D打印機，它帶有比例積分（PI）控制器，能夠在真空中以高達400°C的高溫運行，有可能使其成為未來軌道維修任務的理想選擇。
△研究人員提議的軌道3D打印系統的示意圖。圖片來自《Advances in Space Research》雜志。
衛星服務的難題？
衛星的正常運行除了可以指導太空任務外，它們對地球上的通信和導航也非常重要，因此一旦發生故障就有可能偏離軌道，并產生碎片，使軌道飛行器受損。
理論上，通過衛星的在軌制造會很大程度上降低衛星故障的發生，并且這種方法要比那些將裝滿維修設備的火箭發射到軌道上成本更低。據悉，諾斯羅普-格魯曼公司和DARPA等公司現在正在進行衛星發射任務，在這些任務中，他們各自的"擴展飛行器"和"機器人飛行器 "也都將進行軌道試驗。
然而，來自中國和澳大利亞的研究人員表示，預計到2030年，在軌制造的成本仍將飆升至62億美元。為了幫助航空航天公司減少這方面的開支，研究團隊特別重視在國際空間站上的3D打印實驗的成功，并建議該技術可以部署在外太空，以及載人航天器上。
工程師們特別認為，FDM機器可能是進行軌道維修的理想選擇，因為它們沒有激光，依賴容易儲存的長絲，并與堅固的材料（如PEEK）兼容。然而，盡管他們對這項技術持樂觀態度，但該團隊承認，目前的系統在太空中很容易出現材料堵塞的情況，原因是長絲過度融化。
△軌道3D打印機中心管（如圖）的設計是為了防止高溫堵塞。圖片來自《空間研究進展》雜志。
在太空的真空條件下進行打印
為了使軌道3D打印更加可行，研究人員著手開發了一個帶有升級版熱控制裝置的3D打印系統，該系統可以在衛星上降落，然后使用機械臂更換損壞的部件。除了這些手臂和它的起落架，該團隊的第一個原型在很大程度上是基于一個標準的FDM架構，配有加熱模塊、水槽、輥帶、擠出機和散熱器。
為了在建造機器前評估其潛力，該團隊選擇了進行一些PEEK打印的模擬。有趣的是，結果顯示，增加設備的散熱片和散熱器之間的熱帶數量，可以更有效地控制其中心管的溫度，同時防止材料進料時熔化的長絲倒流。
通過模擬，工程師們還發現，在降低重力的情況下進行打印，會導致材料附著在系統的內管上，增加摩擦力，并可能造成擠壓堵塞。為了解決這個問題，該團隊反復修改了這個部分，然后提出了一個設計，以提高其熱傳導效率，并在高達400℃的溫度下發揮作用。
最后，研究人員在整理了所有的數據后，設計了一個數學模型，證明了引入“模糊PI控制模塊 “將給他們的系統帶來的好處。從本質上講，該設備被設計為在380°C的溫度下啟動，提高了其熱控制功能的精度，但也防止了過熱和維修錯誤的風險。
在結束了評估之后，工程師們現在正在建造一個工作原型，他們打算在一個物理真空室中進行測試。在未來，如果他們的打印機能夠找到最終用途，該團隊相信它可以幫助減少太空探索的成本和時間，一旦衛星發生故障只需要進行在軌維修，而不載需要額外發射火箭。
△Redwire現在已經在國際空間站上安裝了幾件3D打印設備，包括其雷石打印設施（如圖）。圖片來自Redwire。
AM在太空軌道上的巨大應用潛力
太空3D打印可能聽起來像科幻小說中的東西，但這項技術之前已經在NASA的國際空間站上的地外空間中進行過測試。目前，這一領域的領導者之一是Made InSpace，現在屬于Redwire的子公司，去年他們在軌道基地上安裝了一個新的陶瓷3D打印模塊。
此外，Made In Space公司的技術也將被應用到藍色起源和塞拉空間即將推出的商業 "軌道礁"空間站上。新基地預計將于2026年發射，作為一個混合用途的商業園區，同時為"太空制造"繼續提供進行微重力研發和實驗性生產的測試場所。
同時，在慕尼黑應用科學大學，研究人員采取了與中澳團隊類似的方法，開發了一臺軌道衛星3D打印機。該系統旨在減少向太空發射維修設備所需的限制任務長度的燃料量，將來能夠在零重力條件下建造整個太陽能電池板或天線相關部件。
研究人員的發現詳見他們的論文，題為 "Extrusion andThermal Control Design of an On-orbit 3D Printing Platform"，該論文由唐建寧、Trevor Hocksun Kwan和吳曉峰共同撰寫。
轉載請注明出處。
相關文章
熱門資訊
精彩導讀
關注我們
