目前，若想將大型航天器送入軌道，通常的做法是在陸地上實(shí)施設(shè)計(jì)并建造，集成后的航天器尺寸需滿足火箭整流罩的限制，此類制造模式十分耗時(shí)且價(jià)格昂貴。而航天器部件的在軌制造可使航天器擺脫發(fā)射時(shí)火箭整流罩的體積限制，并可以創(chuàng)建具有極大孔徑和極長基線的系統(tǒng)，有利于提供更高分辨率、更高帶寬和更高信噪比的數(shù)據(jù)。美國國家航空航天局(NASA)的資助的“蜘蛛制造”項(xiàng)目正是由此構(gòu)想發(fā)展而來。
“蜘蛛制造”(SpiderFab)是在NASA的資助下，美國系繩無限公司(TUI)研發(fā)的一種太空制造系統(tǒng)。該項(xiàng)目旨在利用“蜘蛛機(jī)器人”以及類似蜘蛛織網(wǎng)的方式在軌建造大型航天器部件，從根本上改變航天器建造與部署的方式。
SpiderFab項(xiàng)目首先需發(fā)射具有在軌制造能力的“衛(wèi)星繭”(Satellite Chrysalis)入軌，“衛(wèi)星繭”內(nèi)包含增材制造的原材料、桁架結(jié)構(gòu)及程序指令等，入軌后可通過在軌制造與自主裝配技術(shù)建造出大型空間系統(tǒng)。
在該項(xiàng)目中，客戶可根據(jù)自身需求設(shè)計(jì)衛(wèi)星，并利用3D打印技術(shù)組建系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，用增材制造與自動(dòng)化組裝技術(shù)制造天線、光學(xué)儀器等衛(wèi)星子系統(tǒng)組件，同時(shí)進(jìn)行衛(wèi)星的在軌集成裝配。最后，根據(jù)任務(wù)需要在低地球軌道上部署組裝衛(wèi)星。
對于“越大越好”的系統(tǒng)而言，如太陽能電池陣列和望遠(yuǎn)鏡部件等，“蜘蛛制造”可使其獲得數(shù)量級(jí)的性能改進(jìn)。
當(dāng)前技術(shù)制造的航天器與SpiderFab制造的航天器大小對比
項(xiàng)目關(guān)鍵技術(shù)
用于在軌航天器部件制造的SpiderFab項(xiàng)目有以下幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)：材料選擇與加工技術(shù)、工具和材料的移動(dòng)與操作技術(shù)、結(jié)構(gòu)的組裝和連接技術(shù)、熱控技術(shù)、度量技術(shù)、功能元件軌道集成技術(shù)。
在軌制造衛(wèi)星需能夠?qū)⑻幱诰o湊狀態(tài)的原材料加工成高性能的多功能結(jié)構(gòu)。可選擇的加工方法包括熔融長絲制造(FFF)、選擇性激光燒結(jié)(SLS)、電子束自由形式制造(EBF3)等增材制造工藝。這些工藝可實(shí)現(xiàn)顆粒、粉末或長絲帶形式的原材料熔化并重新成型，逐層構(gòu)建復(fù)雜的3D幾何形狀。
使用FFF工藝的制造樣品
太空環(huán)境中，在軌增材制造既有挑戰(zhàn)也存在優(yōu)勢。
首先是太空中的微重力環(huán)境。大多數(shù)地面增材制造工藝依靠重力來促進(jìn)每層材料的定位和粘合，而在微重力環(huán)境下，將無法依靠重力完成。然而，缺乏重力可使結(jié)構(gòu)在任意方向上建立，不必?fù)?dān)心由于重力而產(chǎn)生扭曲。在地面上的3D打印過程中，重力會(huì)導(dǎo)致沒有支撐的元件下滑，因此需要懸空的結(jié)構(gòu)或大空隙的結(jié)構(gòu)必須由額外的材料支撐，這些材料在打印后將被移除。在太空中，則無需支撐材料，3D打印機(jī)可像蜘蛛織網(wǎng)一樣繪制一個(gè)稀疏的結(jié)構(gòu)。在實(shí)驗(yàn)室曾進(jìn)行使用ABS和PEEK熱塑性塑料制造稀疏結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)過程顯示，由于重力作用，限制了元件的自由長度，大約為一厘米，但在零重力環(huán)境下，元件的長度只受制于制造工具的范圍。
第二個(gè)技術(shù)挑戰(zhàn)是真空和熱環(huán)境。在真空中對FFF工藝的初步測試表明，真空環(huán)境中缺乏傳導(dǎo)和對流冷卻是一個(gè)不小的阻礙，該狀態(tài)下需仔細(xì)設(shè)計(jì)任何涉及材料熱加工的工藝，以使結(jié)構(gòu)以理想的方式冷卻與固化。此外，太空中太陽角度與日照/日蝕等條件的不同會(huì)產(chǎn)生很大的溫度變化，如何有效的控制溫度變化，以防不當(dāng)應(yīng)力使正在建造的結(jié)構(gòu)發(fā)生變形，這項(xiàng)工藝也是十分必要的。
工具和材料的移動(dòng)與操作技術(shù)
在制造大型結(jié)構(gòu)時(shí)，機(jī)器人需要相對于正在構(gòu)造的結(jié)構(gòu)機(jī)動(dòng)，并將原材料移動(dòng)至指定區(qū)域。此外，機(jī)器人還需要能夠操縱結(jié)構(gòu)元件并準(zhǔn)確定向定位。為此，該技術(shù)需要配備高度靈巧的機(jī)械臂。
結(jié)構(gòu)的組裝和連接技術(shù)
在機(jī)器人創(chuàng)建完成結(jié)構(gòu)元件后，還需將其正確熔接至航天器結(jié)構(gòu)上。這種熔接操作可使用焊接、機(jī)械緊固件、粘合劑等方法完成。SpiderFab側(cè)重于使用纖維增強(qiáng)的熱塑性塑料，利用熱塑性塑料的特性，通過熱和壓力來完成熔接。
熱控技術(shù)
制造精確的結(jié)構(gòu)元件，管理元件中的結(jié)構(gòu)應(yīng)力，以及在元件之間可靠地形成熔接需要管理空間環(huán)境中的材料溫度，其中平均溫度和溫度梯度矢量都可能由于太陽方向和軌道位置而發(fā)生顯著變化。SpiderFab計(jì)劃在纖維增強(qiáng)熱塑性塑料中使用添加劑或涂層對材料進(jìn)行冷卻，使其在不同日照條件下實(shí)現(xiàn)熱波動(dòng)最小化，并使用接觸、輻射和/或微波加熱來形成和粘合這些材料。
度量技術(shù)
用于制造大型部件的自動(dòng)化或遠(yuǎn)程機(jī)器人系統(tǒng)需擁有精確的測量能力。這種計(jì)量能力有兩種：宏觀計(jì)量，以測量元件的整體形狀，以確保其滿足系統(tǒng)要求;微觀計(jì)量，以實(shí)現(xiàn)材料進(jìn)給頭的準(zhǔn)確定位。目前在地面制造過程中使用的技術(shù)包括結(jié)構(gòu)光掃描和立體成像兩種。
功能元件軌道集成技術(shù)
在SpiderFab系統(tǒng)完成一個(gè)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)創(chuàng)建后，還需要將功能元件，如反射膜、天線板、太陽能電池、傳感器、布線和有效載荷包等進(jìn)行集成。元件性質(zhì)決定了需使用的集成技術(shù)。反射膜和太陽能電池可用熱粘合或機(jī)械緊固件集成;傳感器、有效載荷和航空電子設(shè)備箱可使用機(jī)械緊固件進(jìn)行集成;線路可使用快速連接插頭連接到有效載荷元件上。
項(xiàng)目核心部件
桁架制造器
在SpiderFab在軌制造的候選應(yīng)用中，大型太陽能電池陣列可能是最直接和近期的應(yīng)用。而制造大型構(gòu)件通常需要使用特制的夾具和定位機(jī)構(gòu)，以便盡可能精確地對它們進(jìn)行支撐與定位。SpiderFab研發(fā)組提供了一種名為Trusselator的桁架制造器。該桁架結(jié)構(gòu)將采用CF/PEEK材料，此類材料具有優(yōu)異的耐候性、耐水解性、耐腐蝕性等特征。
制造大型太陽能電池陣列的結(jié)構(gòu)概念圖
集成機(jī)器人
SpiderFab的核心是一個(gè)多臂機(jī)器人，名為SpiderFab Bot，該機(jī)器人在太空部署，致力于建造空間結(jié)構(gòu)組件，從一個(gè)“噴絲器”發(fā)射出碳纖維條并進(jìn)行熔接，其沿著桁架網(wǎng)絡(luò)爬動(dòng)，最終對已制造出的組件進(jìn)行集成。
SpiderFab Bot機(jī)器人示意圖
項(xiàng)目意義
通過SpiderFab項(xiàng)目，可無需考慮衛(wèi)星在發(fā)射過程中尺寸超規(guī)格以及超重的問題，節(jié)省地面制造成本的同時(shí)還可以避免火箭發(fā)射時(shí)的震動(dòng)和加速度對衛(wèi)星結(jié)構(gòu)而產(chǎn)生的影響，從而為太空任務(wù)提供更高分辨率、更高靈敏度、更高性能的服務(wù)，如此顛覆性的制造方式將有助于人類對太空進(jìn)行更深入的探索。
[1] Hoyt R P. SpiderFab: An architecture for self-fabricating space systems[C]//AIAA Space 2013 Conference and Exposition.2013.[2] Robert Hoyt,JesseCushing,Jeffrey Slostad.SpiderFab?:Process for On-Orbit Construction of Kilometer--‐ScaleApertures.2013.[3] Hoyt R P, Cushing J, Slostad J, et al. Trusselator: On-orbit fabrication of high-performance composite truss structures[C]//AIAA SPACE 2014 Conference and Exposition. 2014.