3D打印衛(wèi)星越來越火，生產(chǎn)更快、成本大降

南極熊導讀：隨著增材制造技術的進步，衛(wèi)星上的3D打印部件的數(shù)量正在增加。衛(wèi)星工廠正在接受這項技術，以降低成本，加快生產(chǎn)功能越來越強大的航天器。這些進展正在為衛(wèi)星能夠在軌道上打印零件的未來鋪平道路，但離3D打印整個衛(wèi)星還有多遠呢？

這是一個棘手的問題，尤其是因為衛(wèi)星上的零件數(shù)量因大小和復雜性而有很大不同，從簡單的基礎結構到復雜的半導體。

△3D打印使多個波導合并成一個單元，便于系統(tǒng)集成并優(yōu)化了重量。資料來源：Swissto12

增材制造專家Swissto12公司的首席執(zhí)行官Emile de Rijk說："立方體衛(wèi)星的部件數(shù)量可能是幾百個，而大型衛(wèi)星的部件數(shù)量可能是幾萬個到幾十萬個，如剛剛發(fā)射的價值100億美元的詹姆斯-韋伯太空望遠鏡。但就在五年前，3D打印結構的使用在很大程度上是實驗性的，只有極少數(shù)的部件在特殊飛行測試任務中才會應用。"

△由SWISSto12 3D打印的航空航天零件。圖片來自SWISSto12

但是現(xiàn)在，幾乎所有建造的衛(wèi)星都多多少少會有一些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)，用于保持航天器的結構。

△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。資料來源：Maxar Technologies

對于Maxar Technologies來說，增材制造部件已經(jīng)成為建造的所有衛(wèi)星的標準，在2020年約占典型航天器中部件的三分之一。

Maxar在衛(wèi)星上使用的第一個3D打印金屬部件是由鈦合金制成的，于2016年在JCSAT-15上發(fā)射，這是一顆為日本Sky Perfect JSAT建造的通信衛(wèi)星。從那時起，Maxar已經(jīng)在發(fā)射的20多顆衛(wèi)星上使用了用鋁、鈦和塑料制成的增材制造的部件。據(jù)估計，該公司目前總共有5800個在軌部件。

Maxar公司負責太空的高級副總裁Chris Johnson說："Maxar公司使用3D打印技術進行太空制造，因為它能提高進度的靈活性，降低成本并提高性能。制造3D打印的部件需要更少的人和更便宜的材料，這些部件通常有多種用途，減少了質量、硬件數(shù)量和整體部件的復雜性。"

△帶有 3D 打印部件的 SES-15 衛(wèi)星。圖片來自波音

波音防務、空間與安全公司負責增材制造的首席工程師Rich Aston說，他的公司已經(jīng)將增材制造技術應用于航天器和運載火箭領域，包括高性能熱交換器、機制、結構和無源微波裝置。

Aston說：“3D打印正在幫助波音公司從技術角度突破可能的界限，創(chuàng)造新的設計，快速制作原型，進行測試，并在有意義的地方部署新技術。"

波音公司正在尋求發(fā)展這種新型制造能力，特別是為專注于小型衛(wèi)星市場的MillenniumSpace Systems子公司，事實證明3D打印特別適合于比以往更快地在軌道上部署系統(tǒng)。

對于小型衛(wèi)星，阿斯頓說，已經(jīng) "證明3D打印的總線提供了更快的生產(chǎn)周期，并且比傳統(tǒng)總線結構的成本低30%"。

3D打印衛(wèi)星的新階段

De Rijk說，從制造機械支架等簡單結構到3D打印熱管理、射頻（RF）和衛(wèi)星上其他更復雜的部件，有"相當大的一步"。

例如，半導體行業(yè)在過去40年里投資了數(shù)千億美元，以使支撐現(xiàn)代技術的日益強大的芯片小型化。

Swissto12公司首席增長官PeterGuggenbach指出，尖端的半導體工廠現(xiàn)在可以通過光刻工藝生產(chǎn)5納米精度的芯片，而3D打印則是在另一個完全不同的領域中運作。

△SWISSto12 之前已經(jīng)交付的3D 打印波導信號互連器件。圖片來自 SWISSto12

Guggenbach說，使用選擇性激光熔化技術的先進3D打印機器精度范圍在50微米內，要比最好的芯片制造商的精度低4個數(shù)量級。

Northern Sky Research公司的分析師Dallas Kasaboski表示，缺乏衛(wèi)星標準化也是提供3D打印所提供的規(guī)模經(jīng)濟優(yōu)勢的一個障礙。Kasaboski通過電子郵件說："就目前而言，這主要是小型衛(wèi)星的趨勢，大型衛(wèi)星有不同的要求，而且它不像3D打印火箭發(fā)動機�；鸺�發(fā)動機的制造需要嚴格按照標準，而衛(wèi)星還沒有達到標準化的水平，可以從中大大受益。然而，工作正在繼續(xù)，以簡化制造過程，所以隨著我們的發(fā)展，有可能更多的硬件將成為3D打印的。

應用障礙

即使對小型衛(wèi)星制造商來說，用3D打印機生產(chǎn)零件也需要人類操作員的大量干預，可能會增加成本而不是節(jié)省成本。

小型衛(wèi)星專家Nano Avionics公司公司席技術官Ernestas Kalabuckas聲稱，他們主要將3D打印用于測試和原型制作。盡管該公司的傳統(tǒng)衛(wèi)星總線的某些部分是3D打印的，但它們只是占整個架構的一小部分。

Kalabuckas說：最大的障礙是成本，因為盡管有所改進，但除非大規(guī)模進行，否則3D打印金屬部件的成本太高。為了實現(xiàn)這一點，我們將著眼于更大的星座，每個星座至少有一百顆衛(wèi)星，有許多相同的部件，而且衛(wèi)星設計/架構已經(jīng)為3D打印進行了優(yōu)化�！�

衛(wèi)星行業(yè)以前沿用下來的部件標準構成了另一個主要障礙，因為改用增材制造將需要重新設計空間合格的部件，然后在軌道上測試，最后再投入廣泛使用。這其中所涉及的風險、時間和成本根本無法證明快速轉換到3D打印的合理性。然而，雖然它暫時對衛(wèi)星制造來說不是一個巨大的成本節(jié)約，但Nano Avionics公司正在探索這個領域，尋求它在未來5-10年的時間內發(fā)生變化。

△一個3D打印的全金屬貼片天線。資料來源：Swissto12

挑戰(zhàn)“全3D打印衛(wèi)星”極限

Swissto12公司2021年幫助澳大利亞初創(chuàng)公司艦隊空間（Fleet Space Technologies）交付了他們的第一個用于小型衛(wèi)星的金屬3D打印貼片天線。

半人馬座4號（Centauri 4）是Fleet Space公司在6月發(fā)射到低地球軌道后的第六顆也是最新的衛(wèi)星，它有四根這樣的天線。據(jù)艦隊空間公司聲稱，利用衛(wèi)星可以連接地面網(wǎng)絡無法到達的地區(qū)的設備，3D打印的天線使其每公斤的航天器能夠獲得10倍以上的覆蓋率。

△3D打印的阿爾法小衛(wèi)星。照片來自艦隊空間

12月，在B輪投資中籌集了超過2600萬美元后不久，這家創(chuàng)業(yè)公司宣布了第二代星座的計劃，它說這將包括完全通過3D打印創(chuàng)造的第一批衛(wèi)星。

這個升級的星座中的第一批小衛(wèi)星被稱為Alpha，計劃在12個月內準備好發(fā)射，加入目前在軌的6顆半人馬座立方體衛(wèi)星。

艦隊太空公司聯(lián)合創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官弗拉維亞-塔塔-納爾迪尼在一份聲明中說："阿爾法代表了向前邁出的一大步，也是第一次完全通過3D打印技術制造衛(wèi)星�！暗�考慮到3D打印目前的制作水平，該計劃在太空行業(yè)引起了懷疑。

Swissto12公司的Guggenbach說："在未來的幾年里，強大的半導體不太可能被3D打印出來，所以衛(wèi)星總是有非3D打印的部分。

然而，在南澳大利亞地方政府約1400萬美元的投資下，艦隊太空公司表示，它將在阿德萊德創(chuàng)建該國第一個專門的太空制造中心，以完成這一壯舉。

Nardini聲稱，這個工廠將包括幾臺價值數(shù)百萬美元的3D打印機器，以幫助實現(xiàn)他們發(fā)射星座衛(wèi)星的雄心。她說：“我們開始專注于射頻元件（天線等），這些元件的3D打印實際上比其他任何東西都要更復雜（幾何形狀非常復雜），我們現(xiàn)在已經(jīng)獲得了專利。然后我們已經(jīng)轉向結構、雙工器，現(xiàn)在我們正在轉向整個電子元件。"

她還表示，阿爾法衛(wèi)星中計劃的半導體沒有那么復雜，就像目前更廣泛的市場上最微小的芯片一樣，但事實上她們也正在為未來計劃一些更強大的芯片。

根據(jù)艦隊空間公司12月3日的公告，每顆阿爾法衛(wèi)星將有多達64根3D打印的天線，它說這使得它能夠提供比最近的半人馬座衛(wèi)星高出16倍的性能，而重量只有4倍。

未來之路依舊艱難

要完整地3D打印高性能衛(wèi)星，必須清除的技術障礙是相當大的，可能需要新的增材制造工藝。

Northern Skies Research的Kasaboski將目前的工業(yè)3D打印比作20世紀90年代的打印機，一次只能打印一行文字。

他說："或者，用另一個比喻來說，就像在蛋糕上加一層糖霜。材料在打印機中被處理，并以條狀來回鋪設，一遍又一遍。其他方法也存在，但它們相當于一個類似的結論。所以，你可以打印結構，獨特的形狀，制作模具和模型，但你一般不能打印工作的材料。如果你使用特殊的材料，你可以打印一些導電或導磁的東西或其他東西，但這與打印一個工作的光伏電池相差甚遠。"

然而，有朝一日能夠自主地在軌道上建造衛(wèi)星的誘惑力可能會繼續(xù)吸引那些希望突破可能極限的人的投資。

在地球上，由于重力作用，制造商可以將材料層層疊加實現(xiàn)成型。在太空中，一顆衛(wèi)星有可能由內向外建造，最初的幾滴材料在最中心，在旋轉時向外擴展。

卡薩博斯基補充說："從理論上講，這可能非常有趣，但就應用而言，這里還沒有許多令人信服的用例。另外，這項技術在地面上還沒有完全標準化/得到證實，更不用說在軌道上了。"

編譯自：Space News

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