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(xiàng)成本高昂的大工程。

2021年12月10日，南極熊獲悉，中國(guó)科技大學(xué)和悉尼大學(xué)的工程師們共同設(shè)計(jì)了一臺(tái)3D打印機(jī)，能夠在模擬的太空條件下對(duì)PEEK材料進(jìn)行高溫加工。

據(jù)該團(tuán)隊(duì)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(huì)導(dǎo)致目前的系統(tǒng)過熱。為了克服這個(gè)問題，研究人員已經(jīng)開發(fā)了一種新型3D打印機(jī)，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(yùn)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(yùn)行除了可以指導(dǎo)太空任務(wù)外，它們對(duì)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(huì)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(jī)器人飛行器 "也都將進(jìn)行軌道試驗(yàn)。

然而，來自中國(guó)和澳大利亞的研究人員表示，預(yù)計(jì)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(duì)特別重視在國(guó)際空間站上的3D打印實(shí)驗(yàn)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(jī)器可能是進(jìn)行軌道維修的理想選擇，因?yàn)樗鼈儧]有激光，依賴容易儲(chǔ)存的長(zhǎng)絲，并與堅(jiān)固的材料（如PEEK）兼容。然而，盡管他們對(duì)這項(xiàng)技術(shù)持樂觀態(tài)度，但該團(tuán)隊(duì)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(zhǎng)絲過度融化。

△軌道3D打印機(jī)中心管（如圖）的設(shè)計(jì)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(gè)帶有升級(jí)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(jī)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(duì)的第一個(gè)原型在很大程度上是基于一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的FDM架構(gòu)，配有加熱模塊、水槽、輥帶、擠出機(jī)和散熱器。

為了在建造機(jī)器前評(píng)估其潛力，該團(tuán)隊(duì)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(shí)防止材料進(jìn)料時(shí)熔化的長(zhǎng)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(huì)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(gè)問題，該團(tuán)隊(duì)反復(fù)修改了這個(gè)部分，然后提出了一個(gè)設(shè)計(jì)，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(jì)了一個(gè)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(jì)為在380°C的溫度下啟動(dòng)，提高了其熱控制功能的精度，但也防止了過熱和維修錯(cuò)誤的風(fēng)險(xiǎn)。

在結(jié)束了評(píng)估之后，工程師們現(xiàn)在正在建造一個(gè)工作原型，他們打算在一個(gè)物理真空室中進(jìn)行測(cè)試。在未來，如果他們的打印機(jī)能夠找到最終用途，該團(tuán)隊(duì)相信它可以幫助減少太空探索的成本和時(shí)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(guó)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(xiàng)技術(shù)之前已經(jīng)在NASA的國(guó)際空間站上的地外空間中進(jìn)行過測(cè)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?cè)谲壍阑厣习惭b了一個(gè)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(jì)將于2026年發(fā)射，作為一個(gè)混合用途的商業(yè)園區(qū)，同時(shí)為"太空制造"繼續(xù)提供進(jìn)行微重力研發(fā)和實(shí)驗(yàn)性生產(chǎn)的測(cè)試場(chǎng)所。

同時(shí)，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(duì)類似的方法，開發(fā)了一臺(tái)軌道衛(wèi)星3D打印機(jī)。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(zhǎng)度的燃料量，將來能夠在零重力條件下建造整個(gè)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。