導讀：在過去的七十年裏，地球軌道上的衛星數量激增，據說現在有超過2500顆衛星橫跨我們(men) 星球的大氣層。一旦這些處於(yu) 地外空間的設備出現故障，那麽(me) 它們(men) 的維修無疑將是一項成本高昂的大工程。

2021年12月10日，南極熊獲悉，中國科技大學和悉尼大學的工程師們(men) 共同設計了一台3D打印機，能夠在模擬的太空條件下對PEEK材料進行高溫加工。

據該團隊稱，使用FDM 3D打印，有可能在軌道上生產(chan) PEEK的衛星備件，但在太空中出現的熱傳(chuan) 導不足會(hui) 導致目前的係統過熱。為(wei) 了克服這個(ge) 問題，研究人員已經開發了一種新型3D打印機，它帶有比例積分（PI）控製器，能夠在真空中以高達400°C的高溫運行，有可能使其成為(wei) 未來軌道維修任務的理想選擇。

△研究人員提議的軌道3D打印係統的示意圖。圖片來自《Advances in Space Research》雜誌。

衛星服務的難題？

衛星的正常運行除了可以指導太空任務外，它們(men) 對地球上的通信和導航也非常重要，因此一旦發生故障就有可能偏離軌道，並產(chan) 生碎片，使軌道飛行器受損。

理論上，通過衛星的在軌製造會(hui) 很大程度上降低衛星故障的發生，並且這種方法要比那些將裝滿維修設備的火箭發射到軌道上成本更低。據悉，諾斯羅普-格魯曼公司和DARPA等公司現在正在進行衛星發射任務，在這些任務中，他們(men) 各自的"擴展飛行器"和"機器人飛行器 "也都將進行軌道試驗。

然而，來自中國和澳大利亞(ya) 的研究人員表示，預計到2030年，在軌製造的成本仍將飆升至62億(yi) 美元。為(wei) 了幫助航空航天公司減少這方麵的開支，研究團隊特別重視在國際空間站上的3D打印實驗的成功，並建議該技術可以部署在外太空，以及載人航天器上。

工程師們(men) 特別認為(wei) ，FDM機器可能是進行軌道維修的理想選擇，因為(wei) 它們(men) 沒有激光，依賴容易儲(chu) 存的長絲(si) ，並與(yu) 堅固的材料（如PEEK）兼容。然而，盡管他們(men) 對這項技術持樂(le) 觀態度，但該團隊承認，目前的係統在太空中很容易出現材料堵塞的情況，原因是長絲(si) 過度融化。

△軌道3D打印機中心管（如圖）的設計是為(wei) 了防止高溫堵塞。圖片來自《空間研究進展》雜誌。

在太空的真空條件下進行打印

為(wei) 了使軌道3D打印更加可行，研究人員著手開發了一個(ge) 帶有升級版熱控製裝置的3D打印係統，該係統可以在衛星上降落，然後使用機械臂更換損壞的部件。除了這些手臂和它的起落架，該團隊的第一個(ge) 原型在很大程度上是基於(yu) 一個(ge) 標準的FDM架構，配有加熱模塊、水槽、輥帶、擠出機和散熱器。

為(wei) 了在建造機器前評估其潛力，該團隊選擇了進行一些PEEK打印的模擬。有趣的是，結果顯示，增加設備的散熱片和散熱器之間的熱帶數量，可以更有效地控製其中心管的溫度，同時防止材料進料時熔化的長絲(si) 倒流。

通過模擬，工程師們(men) 還發現，在降低重力的情況下進行打印，會(hui) 導致材料附著在係統的內(nei) 管上，增加摩擦力，並可能造成擠壓堵塞。為(wei) 了解決(jue) 這個(ge) 問題，該團隊反複修改了這個(ge) 部分，然後提出了一個(ge) 設計，以提高其熱傳(chuan) 導效率，並在高達400℃的溫度下發揮作用。

最後，研究人員在整理了所有的數據後，設計了一個(ge) 數學模型，證明了引入“模糊PI控製模塊 “將給他們(men) 的係統帶來的好處。從(cong) 本質上講，該設備被設計為(wei) 在380°C的溫度下啟動，提高了其熱控製功能的精度，但也防止了過熱和維修錯誤的風險。

在結束了評估之後，工程師們(men) 現在正在建造一個(ge) 工作原型，他們(men) 打算在一個(ge) 物理真空室中進行測試。在未來，如果他們(men) 的打印機能夠找到最終用途，該團隊相信它可以幫助減少太空探索的成本和時間，一旦衛星發生故障隻需要進行在軌維修，而不載需要額外發射火箭。

△Redwire現在已經在國際空間站上安裝了幾件3D打印設備，包括其雷石打印設施（如圖）。圖片來自Redwire。

AM在太空軌道上的巨大應用潛力

太空3D打印可能聽起來像科幻小說中的東(dong) 西，但這項技術之前已經在NASA的國際空間站上的地外空間中進行過測試。目前，這一領域的領導者之一是Made InSpace，現在屬於(yu) Redwire的子公司，去年他們(men) 在軌道基地上安裝了一個(ge) 新的陶瓷3D打印模塊。

此外，Made In Space公司的技術也將被應用到藍色起源和塞拉空間即將推出的商業(ye) "軌道礁"空間站上。新基地預計將於(yu) 2026年發射，作為(wei) 一個(ge) 混合用途的商業(ye) 園區，同時為(wei) "太空製造"繼續提供進行微重力研發和實驗性生產(chan) 的測試場所。

同時，在慕尼黑應用科學大學，研究人員采取了與(yu) 中澳團隊類似的方法，開發了一台軌道衛星3D打印機。該係統旨在減少向太空發射維修設備所需的限製任務長度的燃料量，將來能夠在零重力條件下建造整個(ge) 太陽能電池板或天線相關(guan) 部件。

研究人員的發現詳見他們(men) 的論文，題為(wei) "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(xie) 。