在过去的七十年里，地球轨道上的卫星数量激增，据说现在有超过2500颗卫星横跨我们星球的大气层。一旦这些处于地外空间的设备出现故障，那么它们的维修无疑将是一项成本高昂的大工程。
2021年12月10日，国科技大学和悉尼大学的工程师们共同设计了一台3D打印机，能够在模拟的太空条件下对PEEK材料进行高温加工。据该团队称，使用FDM3D打印，有可能在轨道上生产PEEK的卫星备件，但在太空中出现的热传导不足会导致目前的系统过热。为了克服这个问题，研究人员已经开发了一种新型3D打印机，它带有比例积分（PI）控制器，能够在真空中以高达400°C的高温运行，有可能使其成为未来轨道维修任务的理想选择。
△研究人员提议的轨道3D打印系统的示意图。图片来自《Advances in Space Research》杂志。
卫星服务的难题？
卫星的正常运行除了可以指导太空任务外，它们对地球上的通信和导航也非常重要，因此一旦发生故障就有可能偏离轨道，并产生碎片，使轨道飞行器受损。理论上，通过卫星的在轨制造会很大程度上降低卫星故障的发生，并且这种方法要比那些将装满维修设备的火箭发射到轨道上成本更低。据悉，诺斯罗普-格鲁曼公司和DARPA等公司现在正在进行卫星发射任务，在这些任务中，他们各自的"扩展飞行器"和"机器人飞行器 "也都将进行轨道试验。
然而，来自中国和澳大利亚的研究人员表示，预计到2030年，在轨制造的成本仍将飙升至62亿美元。为了帮助航空航天公司减少这方面的开支，研究团队特别重视在国际空间站上的3D打印实验的成功，并建议该技术可以部署在外太空，以及载人航天器上。
工程师们特别认为，FDM机器可能是进行轨道维修的理想选择，因为它们没有激光，依赖容易储存的长丝，并与坚固的材料（如PEEK）兼容。然而，尽管他们对这项技术持乐观态度，但该团队承认，目前的系统在太空中很容易出现材料堵塞的情况，原因是长丝过度融化。
△轨道3D打印机中心管（如图）的设计是为了防止高温堵塞。图片来自《空间研究进展》杂志。
在太空的真空条件下进行打印
为了使轨道3D打印更加可行，研究人员着手开发了一个带有升级版热控制装置的3D打印系统，该系统可以在卫星上降落，然后使用机械臂更换损坏的部件。除了这些手臂和它的起落架，该团队的第一个原型在很大程度上是基于一个标准的FDM架构，配有加热模块、水槽、辊带、挤出机和散热器。
为了在建造机器前评估其潜力，该团队选择了进行一些PEEK打印的模拟。有趣的是，结果显示，增加设备的散热片和散热器之间的热带数量，可以更有效地控制其中心管的温度，同时防止材料进料时熔化的长丝倒流。
通过模拟，工程师们还发现，在降低重力的情况下进行打印，会导致材料附着在系统的内管上，增加摩擦力，并可能造成挤压堵塞。为了解决这个问题，该团队反复修改了这个部分，然后提出了一个设计，以提高其热传导效率，并在高达400℃的温度下发挥作用。
最后，研究人员在整理了所有的数据后，设计了一个数学模型，证明了引入“模糊PI控制模块 “将给他们的系统带来的好处。从本质上讲，该设备被设计为在380°C的温度下启动，提高了其热控制功能的精度，但也防止了过热和维修错误的风险。
在结束了评估之后，工程师们现在正在建造一个工作原型，他们打算在一个物理真空室中进行测试。在未来，如果他们的打印机能够找到最终用途，该团队相信它可以帮助减少太空探索的成本和时间，一旦卫星发生故障只需要进行在轨维修，而不载需要额外发射火箭。
△Redwire现在已经在国际空间站上安装了几件3D打印设备，包括其雷石打印设施（如图）。图片来自Redwire。
AM在太空轨道上的巨大应用潜力
太空3D打印可能听起来像科幻小说中的东西，但这项技术之前已经在NASA的国际空间站上的地外空间中进行过测试。目前，这一领域的领导者之一是Made InSpace，现在属于Redwire的子公司，去年他们在轨道基地上安装了一个新的陶瓷3D打印模块。
此外，Made In Space公司的技术也将被应用到蓝色起源和塞拉空间即将推出的商业 "轨道礁"空间站上。新基地预计将于2026年发射，作为一个混合用途的商业园区，同时为"太空制造"继续提供进行微重力研发和实验性生产的测试场所。
同时，在慕尼黑应用科学大学，研究人员采取了与中澳团队类似的方法，开发了一台轨道卫星3D打印机。该系统旨在减少向太空发射维修设备所需的限制任务长度的燃料量，将来能够在零重力条件下建造整个太阳能电池板或天线相关部件。
研究人员的发现详见他们的论文，题为 "Extrusion andThermal Control Design of an On-orbit 3D Printing Platform"，该论文由唐建宁、Trevor Hocksun Kwan和吴晓峰共同撰写。
相关论文链接：https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S0273117721008784
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