三菱電機開發(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，日本跨國電子制造商三菱電機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。

這項新技術(shù)的關(guān)鍵在于一種特殊的液體樹脂，它不僅是為在真空中制造而定制的，而且能夠通過太陽的紫外線（UV）進行光聚合。隨著進一步的研發(fā)，該工藝有望在太空中制造出高增益的天線反射器，以及遠大于衛(wèi)星整流罩尺寸的大型部件。

三菱電機表示："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)而開發(fā)。傳統(tǒng)設(shè)計必須經(jīng)受住發(fā)射和入軌的壓力，而基于樹脂的在軌制造有望使航天器結(jié)構(gòu)比傳統(tǒng)設(shè)計更薄、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。圖片來自三菱電機。

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/電機驅(qū)動，一旦到位就展開。三菱電機認為雖然前者往往會因占用大量的空間而導(dǎo)致發(fā)射成本很高，但后者的機械復(fù)雜程度更高，容易發(fā)生故障。同時，較小的衛(wèi)星由于尺寸限制，根本無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"）越來越受歡迎，該公司因此確定了對具有增強信號轉(zhuǎn)播能力的衛(wèi)星的迫切需求。雖然三菱電機在最近的技術(shù)發(fā)布會上并沒有具體透露其解決這一問題的新方案，但其研究人員早在2019年就發(fā)表了一篇關(guān)于它的論文，對其真實功能進行了一些說明。

在他們的研究中，工程師們強調(diào)了麻省理工學(xué)院（MIT）和美國宇航局噴氣推進實驗室的團隊如何對充氣天線進行了實驗。盡管該團隊承認這些設(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。

三菱電機的研究人員表示，為了實現(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。該團隊的替代方案是：使用3D打印機和新型樹脂，設(shè)計成對沖擊免疫，一旦進入軌道，就可以聚合成具有亞毫米級光滑度和高頻能力的部件。

△一個正在3D打印的初始拋物面反射器。照片來自三菱電機。

三菱電機的3D打印研究

盡管三菱電機研究實驗室（MERL）開發(fā)該技術(shù)的團隊很可能在過去三年里對他們的方法進行了改進，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打印機是一個簡約的樞紐，配有一個擠出機、旋轉(zhuǎn)電機和定位執(zhí)行器，旨在安裝到航天器總線上。一旦安裝完畢，該系統(tǒng)就會將一種定制的樹脂擠壓成自由形狀的天線圖案，這種樹脂是專門配制的，可以在太陽下進行光聚合，而不是在其他條件下，如熱量或輻射的波動。

△擠出機CAD模型

為了驗證他們的在軌3D打印方法，MERL團隊建立了一個實驗測試裝置，其中一個Arduino控制的擠出機被用來將材料噴射到一個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)有可能通過一個擠出控制軟件遠程打印160毫米寬的拋物面反射器。

在后來的實驗中，所得到的部件又接受了射頻（RF）鑒定，在消聲射頻測試室中向它們發(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，但該團隊堅持認為，如果有一個更好的偶極子饋電點，他們可以聚焦短至1毫米的波長。

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

三菱電機總結(jié)說："三菱電機基于樹脂的在軌制造的創(chuàng)新方法，有效地實現(xiàn)了高增益、寬頻帶、大孔徑的天線，這些天線部署在一個輕質(zhì)、抗震的發(fā)射包中。通過開發(fā)一種3D打印機，擠出為真空配制的定制紫外線固化樹脂，基于樹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)開發(fā)的軌道3D打印機的打印頭。圖片來自AIMIS-FYT項目。

推進在軌增材制造

在太空中僅利用太陽的力量從液體樹脂中3D打印先進的零件，這個想法聽起來更像是科幻小說，而不是科學(xué)事實，但這并不是第一次被提出。早在2016年，兼職科學(xué)家與奧迪合作開發(fā)了ALINA月球著陸器和奧迪Lunar Quattro漫游車，在這個項目中，月球微波3D打印離現(xiàn)實又近了一步。

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

最近，悉尼大學(xué)和中國科技大學(xué)的工程師甚至成功地設(shè)計了一個具有高溫能力的在軌FFF 3D打印機。使用比例積分（PI）控制器，該系統(tǒng)能夠在真空中以高達400°C的溫度運行，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："通過太陽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