卫星将如何在太空中3D打印自己的天线

MITSUBISHI ELECTRIC

任何发射入轨道的卫星的关键部分都是其天线。然而，这其中的挑战在于，通常使用的碟形天线又大又重，很难“舒适地”安装在任何尺寸合理的火箭整流罩中。因此，位于马萨诸塞州剑桥市的三菱电机研究实验室（Mitsubishi Electric Research Laboratories，MERL）的研究人员也在思考，是否能够实现不将整个超大天线组与卫星一起送入太空，而只是在卫星到达轨道后来进行3D打印呢？

MERL实际上开发了一种在轨天线3D打印技术，该技术使用光敏树脂，经太阳紫外线硬化。研究人员说，这项新技术有可能使碟形天线获得高增益和宽带（这需要一个大天线），同时保持从地球发射的卫星重量轻、体积小。

在轨道上打印天线也解决了另一个大问题：从地面发射的卫星在起飞时会承受巨大的振动压力。因此，卫星的每个部分，包括天线盘和安装架，都必须建造以承受强烈的应力。这增加了天线的重量和成本，同时也增加了发射成本。

当然，如果天线是在太空制造的，那么卫星设计工程师将不再受这些困难的困扰。

作为一个案例研究，MERL的研究人员考虑了NASA和欧洲航天局的Cassini-Huygens号航天器，其超大天线直径4米，重量105公斤。如果Cassini-Huygens号（1997年发射）可以用一个可以在太空制造的天线来代替其超大的天线，那么该航天器将节省80公斤宝贵的发射重量，从而在天线和天线支架重量上节省80%的发射成本。

MERL高级首席研究员WilliamYerazunis表示：“然而，即使使用较小的卫星，我们估计减轻的重量仍会产生显著的影响。目前，联合发射联盟（United Launch Alliance）收取7300万美元的费用，以将15公吨的卫星送入近地轨道。如果我们能够将总有效载荷减少5%，那么多次发射将节省350万美元。”

研究人员指出，节约成本技术的一个关键要素是开发合适的树脂。MERL的首席研究科学家Avishai Weiss说："如果你把标准的树脂放在真空室中，它们会沸腾并污染附近的一切。相反，研究人员开发了一种光敏树脂，它可以在真空中被挤出并固化成刚性固体。据该公司称，这是世界上第一个。它的耐热性能至少达到400℃，它的粘性和蜂蜜一样，像胶水一样粘着，在阳光下几秒钟就像石头一样变硬。而且，它的制造成本并不比市场上已有的任何树脂高。

东京理工学院研究空间系统工程和小型卫星系统开发的Saburo Matunaga教授表示：“总体而言，在太空中在轨制造天线和其他结构是一项很有前景的技术。三菱电机的3D打印原型看起来是一个良好的开端，因为UV固化树脂在真空环境中具有稳定挤出和硬化的特性，并且具有高度耐热性。”

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MERL实验室的研究人员说，他们的新天线制造过程包括首先创建天线结构，然后给它涂上使其能够反射的金属层。一台电机转动待建天线的轮毂，同时树脂阀门打开。让一串树脂从轮毂中螺旋式地流出，最终变成碟子的抛物线形状。他们说，太阳的紫外线会使树脂在挤出后的几秒钟内变硬。该过程继续进行，直到一盘同心硬化树脂层完成。最后，通过第二个喷嘴通过真空金属化施加一层导电金属化，该喷嘴煮沸铝并将蒸汽以流的形式排出，该流覆盖整个碟子。

在他们的（地面）实验室中，MERL团队已经在真空中打印出了小型抛物面天线，而他们在空气中打印出的一个直径165毫米的天线在Ku通信波段的13.5千兆赫时可以产生23.5分贝的增益。

根据IEEE 521-2002标准，Ku波段是指频率在12-18GHz的无线电波波段。Ku即“K-under”（德语：Kurz-unten），表示比IEEE 521-2002标准下的K波段的频率低。在太空，Ku波段可用作卫星之间的通信波段，如国际空间站和航天飞机通信用的跟踪与数据中继卫星（TDRS）也有使用Ku波段。在卫星广播领域里，Ku波段是一个常用的波段。

他们希望接下来能在低地球轨道真空度的热真空室中使用一个更大的碟子来全面测试这项技术，然后最终在轨道上的立方体卫星平台上进行测试。该团队说，预计这项技术将在五年内实现商业化。

Matunaga表示，该技术的高级版本最终将被用于 "制造和组装卫星结构的其他基本部分，如天线支撑结构和桁架元件，这将进一步减轻重量和发射成本。"