三菱电机开发出卫星天线的在轨3D打印技术

2022年5月30日，南极熊获悉，日本跨国电子制造商三菱电机提出了一种能够在太空轨道上自由地3D打印卫星天线的新方法。

这项新技术的关键在于一种特殊的液体树脂，它不仅是为在真空中制造而定制的，而且能够通过太阳的紫外线（UV）进行光聚合。随着进一步的研发，该工艺有望在太空中制造出高增益的天线反射器，以及远大于卫星整流罩尺寸的大型部件。

三菱电机表示："该技术专门为解决小型低成本航天器配备大型结构的挑战而开发。传统设计必须经受住发射和入轨的压力，而基于树脂的在轨制造有望使航天器结构比传统设计更薄、更轻，从而减少卫星总重量和发射成本。"

△在轨3D打印卫星天线外观渲染图。图片来自三菱电机。

替代 "弹簧式"卫星？

目前，卫星天线往往是以全尺寸被发射到轨道上，或者是由弹簧/电机驱动，一旦到位就展开。三菱电机认为虽然前者往往会因占用大量的空间而导致发射成本很高，但后者的机械复杂程度更高，容易发生故障。同时，较小的卫星由于尺寸限制，根本无法部署大型高增益天线。

鉴于这类设备（通常被称为"小型卫星"或"立方体卫星"）越来越受欢迎，该公司因此确定了对具有增强信号转播能力的卫星的迫切需求。虽然三菱电机在最近的技术发布会上并没有具体透露其解决这一问题的新方案，但其研究人员早在2019年就发表了一篇关于它的论文，对其真实功能进行了一些说明。

在他们的研究中，工程师们强调了麻省理工学院（MIT）和美国宇航局喷气推进实验室的团队如何对充气天线进行了实验。尽管该团队承认这些设备拥有较高的收放体积与最终部署直径比，但这种卫星天线缺乏X波段以上频率的表面性能。

三菱电机的研究人员表示，为了实现真正优化的小型卫星，天线必须避免因任何折叠或放气的需要而受到影响。该团队的替代方案是：使用3D打印机和新型树脂，设计成对冲击免疫，一旦进入轨道，就可以聚合成具有亚毫米级光滑度和高频能力的部件。

△一个正在3D打印的初始抛物面反射器。照片来自三菱电机。

三菱电机的3D打印研究

尽管三菱电机研究实验室（MERL）开发该技术的团队很可能在过去三年里对他们的方法进行了改进，但他们的论文至少表明了它是如何工作的。

从本质上讲，拟议的MERL 3D打印机是一个简约的枢纽，配有一个挤出机、旋转电机和定位执行器，旨在安装到航天器总线上。一旦安装完毕，该系统就会将一种定制的树脂挤压成自由形状的天线图案，这种树脂是专门配制的，可以在太阳下进行光聚合，而不是在其他条件下，如热量或辐射的波动。

△挤出机CAD模型

为了验证他们的在轨3D打印方法，MERL团队建立了一个实验测试装置，其中一个Arduino控制的挤出机被用来将材料喷射到一个500毫米的球形真空室。尽管真空室的尺寸限制了研究人员最初建造的尺寸，但他们发现有可能通过一个挤出控制软件远程打印160毫米宽的抛物面反射器。

在后来的实验中，所得到的部件又接受了射频（RF）鉴定，在消声射频测试室中向它们发射了10、13.5和20GHz的波。虽然结果显示，这些部件提供的增益比传统立方体卫星所需的要弱，但该团队坚持认为，如果有一个更好的偶极子馈电点，他们可以聚焦短至1毫米的波长。

早在2019年，工程师们总结说，他们的工作已经证明了在轨道上进行自由形态3D打印的部分技术条件，但鉴于三菱电机最近透露其方法已经准备好付诸行动，似乎现在已经克服了这方面的任何障碍。

三菱电机总结说："三菱电机基于树脂的在轨制造的创新方法，有效地实现了高增益、宽频带、大孔径的天线，这些天线部署在一个轻质、抗震的发射包中。通过开发一种3D打印机，挤出为真空配制的定制紫外线固化树脂，基于树脂的低功率自由成型增材制造现在已经成为可能。"

△慕尼黑应用科学大学开发的轨道3D打印机的打印头。图片来自AIMIS-FYT项目。

推进在轨增材制造

在太空中仅利用太阳的力量从液体树脂中3D打印先进的零件，这个想法听起来更像是科幻小说，而不是科学事实，但这并不是第一次被提出。早在2016年，兼职科学家与奥迪合作开发了ALINA月球着陆器和奥迪Lunar Quattro漫游车，在这个项目中，月球微波3D打印离现实又近了一步。

说到在轨卫星的增材制造，该技术从那时起也有了飞跃性的发展，慕尼黑应用科技大学的研究人员开发了一种新型的低地球轨道3D打印机。作为 "AMIS-FYT"项目的一部分，该团队的挤压系统去年建成，专门用于在零重力条件下建造太阳能电池板或天线。

最近，悉尼大学和中国科技大学的工程师甚至成功地设计了一个具有高温能力的在轨FFF 3D打印机。使用比例积分（PI）控制器，该系统能够在真空中以高达400°C的温度运行，有可能使其成为执行轨道维修任务的理想选择。

关于三菱电机技术的更多信息可以在其关于该主题的研究中找到，题为："通过太阳能光聚合的抛物面反射器的在轨增材制造/ On-Orbit Additive Manufacturing of Parabolic Reflector via SolarPhotopolymerization"。该论文由Avishai Weiss, William S.Yerazunis, Patryk Radyjowski和Richard Cottrell共同撰写。

相关论文链接：https://www.merl.com/publications/docs/TR2019-125.pdf