導(dǎo)讀:在過去的七十年里,地球軌道上的衛(wèi)星數(shù)量激增,據(jù)說現(xiàn)在有超過2500顆衛(wèi)星橫跨我們星球的大氣層。一旦這些處于地外空間的設(shè)備出現(xiàn)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(xué)和悉尼大學(xué)的工程師們共同設(shè)計了一臺3D打印機,能夠在模擬的太空條件下對PEEK材料進(jìn)行高溫加工。
據(jù)該團(tuán)隊稱,使用FDM 3D打印,有可能在軌道上生產(chǎn)PEEK的衛(wèi)星備件,但在太空中出現(xiàn)的熱傳導(dǎo)不足會導(dǎo)致目前的系統(tǒng)過熱。為了克服這個問題,研究人員已經(jīng)開發(fā)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(dá)400°C的高溫運行,有可能使其成為未來軌道維修任務(wù)的理想選擇。
△研究人員提議的軌道3D打印系統(tǒng)的示意圖。圖片來自《Advances in Space Research》雜志。
衛(wèi)星服務(wù)的難題?
衛(wèi)星的正常運行除了可以指導(dǎo)太空任務(wù)外,它們對地球上的通信和導(dǎo)航也非常重要,因此一旦發(fā)生故障就有可能偏離軌道,并產(chǎn)生碎片,使軌道飛行器受損。
理論上,通過衛(wèi)星的在軌制造會很大程度上降低衛(wèi)星故障的發(fā)生,并且這種方法要比那些將裝滿維修設(shè)備的火箭發(fā)射到軌道上成本更低。據(jù)悉,諾斯羅普-格魯曼公司和DARPA等公司現(xiàn)在正在進(jìn)行衛(wèi)星發(fā)射任務(wù),在這些任務(wù)中,他們各自的"擴展飛行器"和"機器人飛行器 "也都將進(jìn)行軌道試驗。
然而,來自中國和澳大利亞的研究人員表示,預(yù)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(tuán)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(shù)可以部署在外太空,以及載人航天器上。
工程師們特別認(rèn)為,F(xiàn)DM機器可能是進(jìn)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(shù)持樂觀態(tài)度,但該團(tuán)隊承認(rèn),目前的系統(tǒng)在太空中很容易出現(xiàn)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(shè)計是為了防止高溫堵塞。圖片來自《空間研究進(jìn)展》雜志。
在太空的真空條件下進(jìn)行打印
為了使軌道3D打印更加可行,研究人員著手開發(fā)了一個帶有升級版熱控制裝置的3D打印系統(tǒng),該系統(tǒng)可以在衛(wèi)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(tuán)隊的第一個原型在很大程度上是基于一個標(biāo)準(zhǔn)的FDM架構(gòu),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(tuán)隊選擇了進(jìn)行一些PEEK打印的模擬。有趣的是,結(jié)果顯示,增加設(shè)備的散熱片和散熱器之間的熱帶數(shù)量,可以更有效地控制其中心管的溫度,同時防止材料進(jìn)料時熔化的長絲倒流。
通過模擬,工程師們還發(fā)現(xiàn),在降低重力的情況下進(jìn)行打印,會導(dǎo)致材料附著在系統(tǒng)的內(nèi)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(tuán)隊反復(fù)修改了這個部分,然后提出了一個設(shè)計,以提高其熱傳導(dǎo)效率,并在高達(dá)400℃的溫度下發(fā)揮作用。
最后,研究人員在整理了所有的數(shù)據(jù)后,設(shè)計了一個數(shù)學(xué)模型,證明了引入“模糊PI控制模塊 “將給他們的系統(tǒng)帶來的好處。從本質(zhì)上講,該設(shè)備被設(shè)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(fēng)險。
在結(jié)束了評估之后,工程師們現(xiàn)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(jìn)行測試。在未來,如果他們的打印機能夠找到最終用途,該團(tuán)隊相信它可以幫助減少太空探索的成本和時間,一旦衛(wèi)星發(fā)生故障只需要進(jìn)行在軌維修,而不載需要額外發(fā)射火箭。
△Redwire現(xiàn)在已經(jīng)在國際空間站上安裝了幾件3D打印設(shè)備,包括其雷石打印設(shè)施(如圖)。圖片來自Redwire。
AM在太空軌道上的巨大應(yīng)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(shù)之前已經(jīng)在NASA的國際空間站上的地外空間中進(jìn)行過測試。目前,這一領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)者之一是Made InSpace,現(xiàn)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(shù)也將被應(yīng)用到藍(lán)色起源和塞拉空間即將推出的商業(yè) "軌道礁"空間站上。新基地預(yù)計將于2026年發(fā)射,作為一個混合用途的商業(yè)園區(qū),同時為"太空制造"繼續(xù)提供進(jìn)行微重力研發(fā)和實驗性生產(chǎn)的測試場所。
同時,在慕尼黑應(yīng)用科學(xué)大學(xué),研究人員采取了與中澳團(tuán)隊類似的方法,開發(fā)了一臺軌道衛(wèi)星3D打印機。該系統(tǒng)旨在減少向太空發(fā)射維修設(shè)備所需的限制任務(wù)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(guān)部件。
研究人員的發(fā)現(xiàn)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。
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