中澳高溫FFF技術(shù)展示新潛力，可在太空中對衛(wèi)星進(jìn)行在軌維修

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(kuò)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。

相關(guān)論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S0273117721008784