中澳高温FFF技术展示新潜力,可在太空中对卫星进行在轨维修

简介:在过去的70年里,地球轨道上的卫星数量激增。据说有2500多颗卫星横跨我们星球的大气层。一旦这些地外空间设备出现故障,其维护无疑将是一个昂贵的项目。
2021年12月10日,南极熊获悉,中国科技大学和悉尼大学的工程师共同设计了3台D在模拟空间条件下,打印机可以对准PEEK高温加工材料

中澳高温FFF技术展示新潜力,可在太空中对卫星进行在轨维修

据团队介绍,使用FDM 3D打印,有可能在轨道上生产PEEK卫星备件,但太空热传导不足会导致当前系统过热。为了克服这个问题,研究人员开发了一种新的3D有比例积分的打印机(PI)在真空中,控制器可4000°C高温运行可能成为未来轨道维护任务的理想选择。

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△研究人员提出的轨道3D打印系统的示意图。图片来自《Advances in Space Research》杂志。
卫星服务难题?
除了指导太空任务外,卫星的正常运行对地球上的通信和导航也非常重要。因此,一旦发生故障,可能会偏离轨道,产生碎片,损坏轨道飞机。
从理论上讲,卫星在轨制造将大大减少卫星故障的发生,这种方法的成本低于将装满维修设备的火箭发射到轨道上。诺斯罗普-格鲁曼公司和DARPA公司现在正在进行卫星发射任务,在这些任务中,他们各自”扩展飞行器”和”机器人飞机 “轨道试验也将进行。
然而,来自中国和澳大利亚的研究人员表示,预计到2030年,在轨制造的成本将飙升至62亿美元。航空航天研究团队特别重视国际空间站的3D建议该技术可以部署在外太空和载人航天器上。
工程师们特别认为,FDM机器可能是轨道维护的理想选择,因为它们没有激光,依赖于易于储存的长丝,并与坚固的材料(如PEEK)兼容性。然而,尽管他们对这项技术持乐观态度,但团队承认,由于长丝过度融化,目前的系统在太空中容易被材料堵塞。

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△轨道3D打印机中心管(如图所示)的设计是为了防止高温堵塞。图片来自《空间研究进展》杂志。
在太空真空条件下打印
为了使轨道3D打印更可行,研究人员开始开发带升级版热控装置的3D打印系统,系统可以降落在卫星上,然后用机械臂更换损坏的部件。除了这些手臂及其起落架,团队的第一个原型主要是基于一个标准的FDM配有加热模块、水槽、辊带、挤出机和散热器。
该团队选择在建造机器之前评估其潜力PEEK打印模拟。有趣的是,结果表明,增加设备散热器与散热器之间的热带数量可以更有效地控制中心管的温度,防止材料进料时熔化的长丝回流。
通过模拟,工程师还发现,当重力降低时,打印会导致材料附着在系统内管上,增加摩擦,并可能导致挤压堵塞。为了解决这个问题,团队反复修改了这部分,然后提出了一个设计,以提高热传导效率,高达400℃在温度下发挥作用。
最后,在整理了所有数据后,研究人员设计了一个引入模糊的数学模型PI控制模块 会给他们的系统带来好处。本质上,该设备设计为380°C在温度下启动,提高了其热控功能的精度,但也防止了过热和维修错误的风险。
评估结束后,工程师们现在正在建造一个工作原型,他们计划在物理真空室进行测试。在未来,如果他们的打印机能找到最终目的,团队相信它可以帮助降低空间探索的成本和时间。一旦卫星出现故障,它只需要在轨道上维护,而不需要额外的火箭。

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△Redwire现在已经在国际空间站安装了几个3D包括雷石印刷设施(如图所示)的印刷设备。图片来自Redwire。
AM巨大的太空轨道应用潜力
太空3D打印可能听起来像科幻小说中的东西,但这项技术以前已经存在了NASA在国际空间站的地外空间空间。目前,这一领域的领导者之一是Made InSpace,现在属于Redwire去年,他们在轨道基地安装了一家新的子公司陶瓷3D打印模块。
此外,Made In Space该公司的技术也将应用于即将推出的蓝色起源和塞拉空间业务 “轨道礁”空间站。新基地预计将于2026年发射,作为混合商业园区,同时发射”太空制造”继续为微重力研发和实验生产提供测试场所。
与此同时,在慕尼黑应用科学大学,研究人员采用了与中澳团队类似的方法,开发了轨道卫星3D打印机。该系统旨在减少向太空发射维护设备所需任务长度的燃料量,并在未来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、唐建宁、唐建宁、唐建宁、唐建宁、唐建宁、唐建宁、唐建宁、唐建宁、唐建宁、唐建宁、唐建宁、唐建宁、唐建宁、唐建宁、唐建宁、唐建宁、唐建宁、唐建宁、唐建宁、唐建宁、唐建宁、唐建宁、唐建宁、唐建宁、唐建宁、唐建宁、唐建宁、唐建宁、唐建宁、唐建宁、唐建宁、唐建宁、唐建宁、唐建宁、唐建宁、唐建宁、唐建宁、唐建宁、唐建宁、唐建宁、唐建宁、唐建宁、唐建宁、唐建宁、唐建宁、唐建宁、唐建宁、唐建宁、唐建宁、唐建宁、唐建宁、唐建宁、唐建宁、唐建宁、唐建宁、唐建宁、唐建宁、唐建宁、唐建宁、唐建宁、唐建宁、唐建宁、唐建宁、唐建宁、唐建宁、唐建宁、唐建宁、唐建宁、唐建宁、唐建宁、唐建宁、唐建宁、唐建宁、唐建宁、唐建宁、唐建宁、唐建宁、唐建宁、唐建宁、唐建宁、唐建宁、唐建宁、唐建宁、唐建宁、唐建宁、唐建宁、唐建宁、唐建宁、唐建宁、唐建宁、唐建宁、唐建宁、唐建宁、唐建宁、唐建宁、唐建宁、唐建宁、唐建宁、唐建宁、唐建宁、唐建宁、唐建宁、唐建宁、唐建宁、唐建宁、唐建宁、唐建宁、唐建宁、唐建宁、唐建宁、唐建宁、唐建宁、唐建宁、唐建宁、唐建宁、唐建宁、唐建宁、唐建宁、唐建宁、唐建宁、唐建宁、唐建宁、唐建宁、唐建宁、唐建宁、唐建宁、唐建宁、唐建宁、唐建宁、唐建宁、唐建宁、唐建宁、唐建宁、唐建宁、唐建宁、唐建宁、唐建宁、唐建宁、唐建宁、唐建宁、唐建宁、唐建宁、唐建宁、唐建宁、唐建宁、唐建宁、唐建宁、唐建宁、Trevor Hocksun Kwan和吴晓峰一起写。

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