三菱開發(fā)了一種可在外太空中空環(huán)境下，3D打印衛(wèi)星天線的技術(shù)

2022年5月18日，三菱電機(jī)公司報(bào)告稱，該公司已開發(fā)出一種在軌3D打印技術(shù)，利用該技術(shù)即使在外太空真空環(huán)境下，通過光敏樹脂和太陽紫外線依然可以使用3D打印制造衛(wèi)星天線。

△衛(wèi)星天線的在軌制造和空間部署（左起）。圖片來自satnews

南極熊獲悉，這項(xiàng)新技術(shù)利用了一種新開發(fā)的液態(tài)樹脂，該樹脂采用定制配方，即使在真空條件下依然可以保持足夠的穩(wěn)定性。同時(shí)，這種樹脂可以在太空中使用低功耗工藝制造結(jié)構(gòu)，即利用太陽紫外線進(jìn)行光聚合。

該技術(shù)的研發(fā)是專門為解決了小型、廉價(jià)的航天器配備大型結(jié)構(gòu)（例如高增益天線反射器）所帶來的解決方案。并能夠在軌制期間，造大大超過運(yùn)載火箭整流罩尺寸的3D打印天線結(jié)構(gòu)。

技術(shù)背景
這種先進(jìn)技術(shù)的出現(xiàn)，未來可以使在軌航天器的結(jié)構(gòu)比傳統(tǒng)設(shè)計(jì)更輕、更薄。傳統(tǒng)航天器必須考慮發(fā)射和軌道所帶來的設(shè)計(jì)壓力，有了這項(xiàng)技術(shù)，可以降低衛(wèi)星總重量和發(fā)射成本。

航天器天線設(shè)計(jì)具有十足的挑戰(zhàn)性，因?yàn)樗鼈冊(cè)诟咴鲆妗拵捄偷椭亓康囊笙嗷ッ?。高增益和寬帶寬必然需要大孔徑，但?jīng)濟(jì)的軌道部署通常要求設(shè)計(jì)輕巧且足夠小，以適合或折疊在運(yùn)載火箭或衛(wèi)星部署器結(jié)構(gòu)內(nèi)部。

三菱電機(jī)的創(chuàng)新方法，基于樹脂的在軌制造，有效地實(shí)現(xiàn)了高增益、寬帶寬、大孔徑天線。

△3D打印機(jī)的示意圖（左）和照片（右）。圖片來自satnews

通過開發(fā)一種3D打印機(jī)，可以擠出一種為真空配制的定制紫外線固化樹脂，基于樹脂的低功率自由形式（無需輔助支撐結(jié)構(gòu)）在太空中進(jìn)行3D打印現(xiàn)在已成為可能。

技術(shù)特點(diǎn)
1) 用于在真空中自由制造天線的3D打印機(jī)。
— 天線尺寸不受運(yùn)載火箭整流罩尺寸或衛(wèi)星總線尺寸的限制。
— 在軌制造不需要傳統(tǒng)天線反射器所需的笨重設(shè)計(jì)需求，（如承受發(fā)射過程中所帶來的振動(dòng)和沖擊的天線結(jié)構(gòu)等），從而可以減少天線反射器的重量和厚度，進(jìn)一步減輕衛(wèi)星重量和發(fā)射成本。
— 假設(shè)使用3U cubesat (100 x 100 x 300 mm) 微型衛(wèi)星，制造直徑為165mm的天線反射器，在Ku波段（13.5 GHz）增益為23.5 dB。

2）截至2022年5月18日，該公司宣稱全球首創(chuàng)（根據(jù)三菱公司研究）。普通商用光敏樹脂因分子量低，蒸氣壓高，不適合真空應(yīng)用，它們沸騰過早難以聚合。而新開發(fā)的紫外線固化樹脂使用高分子量、低蒸氣壓的低聚物基料，與基于非揮發(fā)性聚苯醚的真空穩(wěn)定增塑劑混合，以達(dá)到適合真空擠出的粘度。
— 由于大多數(shù)阻聚劑，需要大氣中的氧氣作為輔助因子來防止過早聚合，并且在真空中不起作用，因此新樹脂配方使用的阻聚劑不依賴于氧氣的存在，并且揮發(fā)性幾乎為零。
— 當(dāng)暴露在紫外線下時(shí)，樹脂通過交聯(lián)聚合成一種耐熱至至少400°C的固體，滿足了在軌設(shè)計(jì)需求的最高溫度。
— 利用陽光進(jìn)行聚合和固化，無需單獨(dú)的紫外線光源，從而實(shí)現(xiàn)低功耗制造。

未來前景
三菱電機(jī)基于樹脂的3D打印技術(shù)，使小衛(wèi)星能夠?qū)崿F(xiàn)大衛(wèi)星同樣的能力，從而降低發(fā)射成本。并使衛(wèi)星技術(shù)比以往任何時(shí)候，將更廣泛地用于通信和地球觀測(cè) (EO) 等應(yīng)用。未來允許更多的個(gè)人和組織，滿足使用衛(wèi)星圖像和觀測(cè)數(shù)據(jù)的需求。