根據(jù)3D科學(xué)谷的市場觀察，3D打印在衛(wèi)星尤其是小衛(wèi)星方面的應(yīng)用越來越深化，國內(nèi)方面，2021年12月，由鉑力特打印、星眾空間出品的“靈巧號”太空實驗衛(wèi)星搭載由陜西第一家商業(yè)火箭公司陜西華羿鴻達科技發(fā)射的“華羿一號”亞軌道火箭在西北某試驗場成功實施首次飛行。金屬3D打印的“靈巧號”衛(wèi)星（Agile Testbed），是星眾空間專為生物、醫(yī)藥、材料、能源等太空實驗設(shè)計的衛(wèi)星平臺。
2022年3月，我國在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心用長征二號丙運載火箭，成功將我國首次批量研制的六顆低軌寬帶通信衛(wèi)星——銀河航天02批批產(chǎn)衛(wèi)星送入預(yù)定軌道，任務(wù)獲得圓滿成功。
根據(jù)3D科學(xué)谷的了解，幾乎所有今天建造的衛(wèi)星都至少有一些 3D 打印部件，盡管大多數(shù)仍然是相對簡單的機械支架系統(tǒng)，用于將航天器的結(jié)構(gòu)保持在一起。3D科學(xué)谷在《洞察目前國內(nèi)衛(wèi)星3D打印應(yīng)用的技術(shù)邏輯與商業(yè)價值》一文中分享了3D打印的技術(shù)和商業(yè)邏輯，本期，3D科學(xué)谷與谷友深度領(lǐng)略3D打印衛(wèi)星的現(xiàn)狀與技術(shù)展望。
衛(wèi)星類型
現(xiàn)狀、挑戰(zhàn)與趨勢
根據(jù)3D科學(xué)谷，3D打印不僅僅實現(xiàn)點陣結(jié)構(gòu)這樣的輕量化結(jié)構(gòu)，在衛(wèi)星制造方面的應(yīng)用技術(shù)邏輯還包括：一體化結(jié)構(gòu)實現(xiàn)、高附加值零件制造、動力結(jié)構(gòu)制造等等。
/現(xiàn)狀
3D 打印-增材制造可以將多個波導(dǎo)合并到一個單元中，從而促進系統(tǒng)集成和優(yōu)化重量。但就在大約2016年前，3D打印結(jié)構(gòu)的使用在很大程度上是實驗性的，在具有健康風(fēng)險偏好的太空任務(wù)和有效載荷中飛行的應(yīng)用的3D打印部件很少。
隨著增材制造技術(shù)的發(fā)展及商業(yè)航天探索的投入，增材制造組件已成為其制造的所有衛(wèi)星的標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)3D科學(xué)谷的了解，到 2020 年，增材制造組件約占典型航天器組件的三分之一。
3D 打印可以將多個波導(dǎo)合并到一個單元中，從而促進系統(tǒng)集成和優(yōu)化重量
? Swissto12
隨著增材制造的進步，衛(wèi)星上3D 打印部件的數(shù)量正在增長。衛(wèi)星制造正在采用3D打印技術(shù)來降低成本并加快生產(chǎn)能力越來越強的航天器。可以說增材制造技術(shù)的進步正在為衛(wèi)星以及可以在軌道上打印零件的未來鋪平道路。那么距離 3D 打印整個衛(wèi)星有多近？
這是一個難以回答的問題，尤其是因為衛(wèi)星上的部件數(shù)量因其大小和復(fù)雜性而有很大差異，范圍從簡單的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)到復(fù)雜的半導(dǎo)體。
3D 打印在衛(wèi)星方面的應(yīng)用
I 案例：千乘一號
根據(jù)3D科學(xué)谷之前的分享，2019年8月17日，捷龍一號遙一火箭在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心點火起飛，以“一箭三星”的方式將“千乘一號01星”衛(wèi)星送入預(yù)定軌道，發(fā)射取得圓滿成功。千乘一號衛(wèi)星主結(jié)構(gòu)是目前國際首個基于3D打印點陣材料的整星結(jié)構(gòu)，千乘一號衛(wèi)星入軌運行穩(wěn)定，標(biāo)志著用于航天器主承力結(jié)構(gòu)的3D打印三維點陣結(jié)構(gòu)技術(shù)成熟度達到九級，即實際系統(tǒng)成功完成使用任務(wù)。
千乘一號整星結(jié)構(gòu)采用面向增材制造的輕量化三維點陣結(jié)構(gòu)設(shè)計方法進行設(shè)計，整星結(jié)構(gòu)通過鋁合金增材制造技術(shù)一體化制備。傳統(tǒng)微小衛(wèi)星結(jié)構(gòu)重量占比為20%左右，整星頻率一般為70Hz左右。千乘一號微小衛(wèi)星的整星結(jié)構(gòu)重量占比降低至15%以內(nèi)，整星頻率提高至110Hz，整星結(jié)構(gòu)零部件數(shù)量縮減為5件，設(shè)計及制備周期縮短至1個月。整星結(jié)構(gòu)尺寸超過500mm×500mm×500mm包絡(luò)尺寸，也是發(fā)射前最大的增材制造一體成形衛(wèi)星結(jié)構(gòu)。
整星增材制造工作委托西安鉑力特增材技術(shù)股份有限公司完成，該衛(wèi)星所有結(jié)構(gòu)由鉑力特四光束3D打印設(shè)備BLT-S600一爐內(nèi)完成打印制造，零件最小特征僅為0.5mm。零件整體輪廓尺寸大，內(nèi)部輕量化點陣胞元結(jié)構(gòu)尺度小，整星超過100萬個點陣特征，增材成形難度大，從穩(wěn)定性、精度、周期等指標(biāo)上對打印設(shè)備及工藝能力要求極高。
I 案例：Maxar
由于衛(wèi)星的尺寸和復(fù)雜程度不同，3D打印的應(yīng)用程度也各有不同。Cubesat 部件可以包含數(shù)百個組件，而更大的衛(wèi)星可以從數(shù)萬到數(shù)十萬”用于旗艦任務(wù)，例如剛剛發(fā)射的價值 100 億美元的詹姆斯韋伯太空望遠鏡。
根據(jù)3D科學(xué)谷的市場了解，國際上Maxar 在衛(wèi)星上使用的第一個 3D 打印金屬部件由鈦合金制成，并于 2016 年在為日本 Sky Perfect JSAT 建造的通信衛(wèi)星 JCSAT-15 上發(fā)射。自那時以來，Maxar 在發(fā)射的 20 多顆衛(wèi)星上使用了由鋁、鈦和塑料制成的增材制造部件——總共有 5,800 個在軌部件。
2018 年發(fā)射的 Hispasat 30W-6 衛(wèi)星的天線塔由 200 多個增材制造部件組成。
? Maxar
將 3D打印用于太空制造，因為增材制造這種技術(shù)提高了生產(chǎn)的靈活性，降低了成本并提高了性能，制造 3D 打印組件需要更少的人員和更便宜的材料，這些組件通常有多種用途，減少了硬件數(shù)量和整體組件的復(fù)雜性。
/挑戰(zhàn)
那么3D打印的優(yōu)勢如此明顯，當(dāng)前存在什么樣的挑戰(zhàn)和制約因素呢？
根據(jù)3D科學(xué)谷的了解，缺乏衛(wèi)星標(biāo)準(zhǔn)化也是實現(xiàn) 3D 打印提供的規(guī)模經(jīng)濟優(yōu)勢的障礙。這不像 3D 打印火箭發(fā)動機，而衛(wèi)星尚未標(biāo)準(zhǔn)化到可以從中受益匪淺的水平。
即使對于小型衛(wèi)星制造商來說，當(dāng)前使用3D打印機生產(chǎn)零件也可能需要人工操作員進行大量干預(yù)，這可能會增加而不是節(jié)省成本。
另外一個最大的障礙是成本，盡管進行了改進，但除非大規(guī)模進行衛(wèi)星的3D打印，否則成本的下降將不會很快發(fā)生。
為了實現(xiàn)批量化3D打印衛(wèi)星的目標(biāo)，業(yè)界需要研究至少有一百顆衛(wèi)星的更大計劃，每顆衛(wèi)星都有許多相同的部件，并且衛(wèi)星設(shè)計/架構(gòu)已經(jīng)針對 3D 打印進行了優(yōu)化。
另外轉(zhuǎn)向3D打印-增材制造需要重新設(shè)計符合太空要求的部件，然后在軌道上進行測試，然后才能更廣泛地使用。這其中所涉及的風(fēng)險、時間和成本目前還無法證明快速轉(zhuǎn)向 3D 打印的合理性。
然而正如5年前業(yè)界還很少將3D打印用于發(fā)射的衛(wèi)星上，5年后的今天已經(jīng)獲得大為改觀一樣，雖然3D打印暫時不能為衛(wèi)星制造節(jié)省大量成本，但業(yè)界正在探索該領(lǐng)域，因為可能會在未來 5-10 年內(nèi)發(fā)生變化。
3D 打印金屬天線
? Swissto12
I 案例：Fleet Space
國際上Fleet Space在2021年12月的B輪融資中籌集了超過 2600 萬美元后不久，這家初創(chuàng)公司宣布了第二代星座的計劃，據(jù)稱該星座將包括第一批完全通過 3D打印制造的衛(wèi)星。3D科學(xué)谷了解到Fleet Space 3D 打印衛(wèi)星天線使其每公斤航天器的傳輸能力提高 10 倍。
這個升級后的星座中的第一顆小型衛(wèi)星被稱為阿爾法，目標(biāo)是在 12 個月內(nèi)準(zhǔn)備好發(fā)射，以加入目前在軌的六個半人馬座立方體衛(wèi)星。
不過目前或者在未來許多年內(nèi)，強大的半導(dǎo)體不太可能進行 3D 打印，因此衛(wèi)星本身將始終具有非3D打印的部分。
根據(jù)3D科學(xué)谷的了解，在南澳大利亞當(dāng)?shù)卣顿Y約 1400 萬澳元的情況下，F(xiàn)leet Space正在專注于射頻元件（天線等）的3D打印，這些元件實際上對 3D打印來說比其他任何東西都復(fù)雜得多（幾何形狀非常復(fù)雜），F(xiàn)leet Space現(xiàn)在擁有3D打印它們的專利。然后Fleet Space轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)、雙工器，現(xiàn)在Fleet Space還在探索整個電子元件的3D打印。
3D 打印天線
根據(jù) Fleet Space，每顆 Alpha衛(wèi)星將擁有多達 64 3D 打印天線，這使得它能夠提供比其最近的Centauri 衛(wèi)星高 16 倍的性能，而重量只有四倍。
/展望
當(dāng)前，3D打印高性能衛(wèi)星必須克服的技術(shù)障礙是相當(dāng)大的，有些特殊零部件可能需要新的增材制造工藝。然而，人類是充滿想象力和探索精神的動物，3D打印衛(wèi)星的強大誘惑力是存在的，如果有一天能夠在軌道上自主建造衛(wèi)星，會繼續(xù)吸引那些希望突破可能極限的投資。
轉(zhuǎn)載請注明出處。
相關(guān)文章
熱門資訊
精彩導(dǎo)讀
關(guān)注我們
