三菱電機(jī)開(kāi)發(fā)出衛(wèi)星天線的在軌3D打印技術(shù)

2022年5月30日，南極熊獲悉，日本跨國(guó)電子制造商三菱電機(jī)提出了一種能夠在太空軌道上自由地3D打印衛(wèi)星天線的新方法。

這項(xiàng)新技術(shù)的關(guān)鍵在于一種特殊的液體樹(shù)脂，它不僅是為在真空中制造而定制的，而且能夠通過(guò)太陽(yáng)的紫外線（UV）進(jìn)行光聚合。隨著進(jìn)一步的研發(fā)，該工藝有望在太空中制造出高增益的天線反射器，以及遠(yuǎn)大于衛(wèi)星整流罩尺寸的大型部件。

三菱電機(jī)表示："該技術(shù)專門為解決小型低成本航天器配備大型結(jié)構(gòu)的挑戰(zhàn)而開(kāi)發(fā)。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)必須經(jīng)受住發(fā)射和入軌的壓力，而基于樹(shù)脂的在軌制造有望使航天器結(jié)構(gòu)比傳統(tǒng)設(shè)計(jì)更薄、更輕，從而減少衛(wèi)星總重量和發(fā)射成本。"

△在軌3D打印衛(wèi)星天線外觀渲染圖。圖片來(lái)自三菱電機(jī)。

替代 "彈簧式"衛(wèi)星？

目前，衛(wèi)星天線往往是以全尺寸被發(fā)射到軌道上，或者是由彈簧/電機(jī)驅(qū)動(dòng)，一旦到位就展開(kāi)。三菱電機(jī)認(rèn)為雖然前者往往會(huì)因占用大量的空間而導(dǎo)致發(fā)射成本很高，但后者的機(jī)械復(fù)雜程度更高，容易發(fā)生故障。同時(shí)，較小的衛(wèi)星由于尺寸限制，根本無(wú)法部署大型高增益天線。

鑒于這類設(shè)備（通常被稱為"小型衛(wèi)星"或"立方體衛(wèi)星"）越來(lái)越受歡迎，該公司因此確定了對(duì)具有增強(qiáng)信號(hào)轉(zhuǎn)播能力的衛(wèi)星的迫切需求。雖然三菱電機(jī)在最近的技術(shù)發(fā)布會(huì)上并沒(méi)有具體透露其解決這一問(wèn)題的新方案，但其研究人員早在2019年就發(fā)表了一篇關(guān)于它的論文，對(duì)其真實(shí)功能進(jìn)行了一些說(shuō)明。

在他們的研究中，工程師們強(qiáng)調(diào)了麻省理工學(xué)院（MIT）和美國(guó)宇航局噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的團(tuán)隊(duì)如何對(duì)充氣天線進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。盡管該團(tuán)隊(duì)承認(rèn)這些設(shè)備擁有較高的收放體積與最終部署直徑比，但這種衛(wèi)星天線缺乏X波段以上頻率的表面性能。

三菱電機(jī)的研究人員表示，為了實(shí)現(xiàn)真正優(yōu)化的小型衛(wèi)星，天線必須避免因任何折疊或放氣的需要而受到影響。該團(tuán)隊(duì)的替代方案是：使用3D打印機(jī)和新型樹(shù)脂，設(shè)計(jì)成對(duì)沖擊免疫，一旦進(jìn)入軌道，就可以聚合成具有亞毫米級(jí)光滑度和高頻能力的部件。

△一個(gè)正在3D打印的初始拋物面反射器。照片來(lái)自三菱電機(jī)。

三菱電機(jī)的3D打印研究

盡管三菱電機(jī)研究實(shí)驗(yàn)室（MERL）開(kāi)發(fā)該技術(shù)的團(tuán)隊(duì)很可能在過(guò)去三年里對(duì)他們的方法進(jìn)行了改進(jìn)，但他們的論文至少表明了它是如何工作的。

從本質(zhì)上講，擬議的MERL 3D打印機(jī)是一個(gè)簡(jiǎn)約的樞紐，配有一個(gè)擠出機(jī)、旋轉(zhuǎn)電機(jī)和定位執(zhí)行器，旨在安裝到航天器總線上。一旦安裝完畢，該系統(tǒng)就會(huì)將一種定制的樹(shù)脂擠壓成自由形狀的天線圖案，這種樹(shù)脂是專門配制的，可以在太陽(yáng)下進(jìn)行光聚合，而不是在其他條件下，如熱量或輻射的波動(dòng)。

△擠出機(jī)CAD模型

為了驗(yàn)證他們的在軌3D打印方法，MERL團(tuán)隊(duì)建立了一個(gè)實(shí)驗(yàn)測(cè)試裝置，其中一個(gè)Arduino控制的擠出機(jī)被用來(lái)將材料噴射到一個(gè)500毫米的球形真空室。盡管真空室的尺寸限制了研究人員最初建造的尺寸，但他們發(fā)現(xiàn)有可能通過(guò)一個(gè)擠出控制軟件遠(yuǎn)程打印160毫米寬的拋物面反射器。

在后來(lái)的實(shí)驗(yàn)中，所得到的部件又接受了射頻（RF）鑒定，在消聲射頻測(cè)試室中向它們發(fā)射了10、13.5和20GHz的波。雖然結(jié)果顯示，這些部件提供的增益比傳統(tǒng)立方體衛(wèi)星所需的要弱，但該團(tuán)隊(duì)堅(jiān)持認(rèn)為，如果有一個(gè)更好的偶極子饋電點(diǎn)，他們可以聚焦短至1毫米的波長(zhǎng)。

早在2019年，工程師們總結(jié)說(shuō)，他們的工作已經(jīng)證明了在軌道上進(jìn)行自由形態(tài)3D打印的部分技術(shù)條件，但鑒于三菱電機(jī)最近透露其方法已經(jīng)準(zhǔn)備好付諸行動(dòng)，似乎現(xiàn)在已經(jīng)克服了這方面的任何障礙。

三菱電機(jī)總結(jié)說(shuō)："三菱電機(jī)基于樹(shù)脂的在軌制造的創(chuàng)新方法，有效地實(shí)現(xiàn)了高增益、寬頻帶、大孔徑的天線，這些天線部署在一個(gè)輕質(zhì)、抗震的發(fā)射包中。通過(guò)開(kāi)發(fā)一種3D打印機(jī)，擠出為真空配制的定制紫外線固化樹(shù)脂，基于樹(shù)脂的低功率自由成型增材制造現(xiàn)在已經(jīng)成為可能。"

△慕尼黑應(yīng)用科學(xué)大學(xué)開(kāi)發(fā)的軌道3D打印機(jī)的打印頭。圖片來(lái)自AIMIS-FYT項(xiàng)目。

推進(jìn)在軌增材制造

在太空中僅利用太陽(yáng)的力量從液體樹(shù)脂中3D打印先進(jìn)的零件，這個(gè)想法聽(tīng)起來(lái)更像是科幻小說(shuō)，而不是科學(xué)事實(shí)，但這并不是第一次被提出。早在2016年，兼職科學(xué)家與奧迪合作開(kāi)發(fā)了ALINA月球著陸器和奧迪Lunar Quattro漫游車，在這個(gè)項(xiàng)目中，月球微波3D打印離現(xiàn)實(shí)又近了一步。

說(shuō)到在軌衛(wèi)星的增材制造，該技術(shù)從那時(shí)起也有了飛躍性的發(fā)展，慕尼黑應(yīng)用科技大學(xué)的研究人員開(kāi)發(fā)了一種新型的低地球軌道3D打印機(jī)。作為 "AMIS-FYT"項(xiàng)目的一部分，該團(tuán)隊(duì)的擠壓系統(tǒng)去年建成，專門用于在零重力條件下建造太陽(yáng)能電池板或天線。

最近，悉尼大學(xué)和中國(guó)科技大學(xué)的工程師甚至成功地設(shè)計(jì)了一個(gè)具有高溫能力的在軌FFF 3D打印機(jī)。使用比例積分（PI）控制器，該系統(tǒng)能夠在真空中以高達(dá)400°C的溫度運(yùn)行，有可能使其成為執(zhí)行軌道維修任務(wù)的理想選擇。

關(guān)于三菱電機(jī)技術(shù)的更多信息可以在其關(guān)于該主題的研究中找到，題為："通過(guò)太陽(yáng)能光聚合的拋物面反射器的在軌增材制造/ On-Orbit Additive Manufacturing of Parabolic Reflector via SolarPhotopolymerization"。該論文由Avishai Weiss, William S.Yerazunis, Patryk Radyjowski和Richard Cottrell共同撰寫。

相關(guān)論文鏈接：https://www.merl.com/publications/docs/TR2019-125.pdf