Mitsubishi Electric Corporation разработала технологию аддитивного производства на орбите с использованием светочувствительной смолы и солнечных ультрафиолетовых лучей, которая позволяет осуществлять 3D-печать спутниковых антенн в условиях вакуума в открытом космосе.
В новой технологии применяется специальная жидкая смола, формула которой была недавно разработана с учётом возможности сохранения стабильности в условиях вакуума. Структура данной смолы позволяет использовать её для штучного производства различных конструкций в открытом космосе путём фотополимеризации с использованием солнечных ультрафиолетовых лучей.
В частности, данная технология позволяет решить проблему обеспечения производства различных узлов и конструкций для создания и комплектации небольших и недорогих космических кораблей – таких, например, как антенные отражатели с высоким коэффициентом усиления. А также она даёт возможность производить непосредственно на орбите различные конструкции, размеры которых значительно превышают размеры обтекателей ракет-носителей. Ожидается, что производство на орбите различных конструкций с использованием новой смолы позволит сделать эти элементы космических кораблей тоньше и легче, чем обычные конструкции, которым приходится выдерживать нагрузки при запуске и выводе на орбиту, тем самым уменьшая как общий вес спутника, так и затраты на его запуск.
Антенны космических аппаратов имеют достаточно сложную конструкцию, что обусловлено противоречивыми требованиями к ним – они должны обладать высоким коэффициентом усиления и широкой полосой пропускания при малом весе. Высокий коэффициент усиления и широкая полоса пропускания обязательно требуют наличия большой апертуры, однако необходимость развёртывания антенн на орбите обычно требует, чтобы их конструкции были лёгкими и достаточно компактными, чтобы поместиться в сложенном виде внутри ракеты-носителя или механизма развёртывания спутника.
Инновационный подход, предложенный компанией Mitsubishi Electric – технология производства на орбите с использованием смолы – позволяет эффективно создавать широкополосные антенны с большим коэффициентом усиления и большой апертурой из лёгкого, виброустойчивого стартового пакета. Благодаря разработке 3D-принтера, который прессует специальную смолу, затвердевающую под воздействием ультрафиолета, разработанную для использования в условиях вакуума, стало возможным аддитивное производство с низким энергопотреблением конструкций произвольной формы в космосе (без дополнительных опорных структур).
Особенности технологии
3D-принтер для изготовления антенн произвольной формы в условиях вакуума:
- 3D-принтер разделяет стойки антенны и двигатели регулировки угла.
- Размер антенны не ограничен размером обтекателя ракеты-носителя или размером спутниковой шины.
- Производство на орбите устраняет необходимость закладывать в конструкцию антенны способность выдерживать вибрации и удары во время запуска, что является обязательным условием при производстве обычных антенных рефлекторов; это, в свою очередь, позволяет уменьшить вес и толщину антенных рефлекторов, тем самым способствуя уменьшению веса спутника и затраты на его запуск.
- Беря во внимание технические параметры спутника-кубсата высотой 3U (100х100х300 мм), в воздухе был изготовлен антенный рефлектор диаметром 165 мм (что больше размера шины кубсата) и обеспечено усиление 23.5 дБ, подтверждённое при использовании в Ku-диапазоне (13.5 ГГц).
Первая в мире (по состоянию на 17 мая 2022, согласно исследованиям компании) светочувствительная смола со стабильностью, пригодная для прессования и затвердевающая в условиях вакуума:
- Имеющиеся на рынке светочувствительные смолы обладают низкой молекулярной массой, имеют высокое давление паров и не подходят для применения в условиях вакуума, где они закипают и преждевременно полимеризуются. В недавно разработанной смоле, отверждаемой ультрафиолетом, используется олигомерная основа с высоким молекулярным весом и низким давлением паров, смешанная со стабильным в условиях вакуума пластификатором на основе нелетучего полифенилового эфира для достижения вязкости, подходящей для прессования в вакууме.
- Поскольку большинству ингибиторов полимеризации в качестве дополнительного фактора для предотвращения преждевременной полимеризации требуется атмосферный кислород, поэтому они не работают в условиях вакуума, в новой формуле смолы используются ингибиторы, которые не зависят от наличия кислорода и имеют практически нулевую летучесть.
- Под воздействием ультрафиолетового света смола полимеризуется путём слияния в твёрдое вещество, термостойкое как минимум до 400°C, что превышает максимальную температуру, в условиях использования на орбите.
- Использование солнечного света для полимеризации и отверждения устраняет необходимость в наличии отдельного источника ультрафиолетового излучения, что позволяет обеспечить производство продукции с низким энергопотреблением.
Заглядывая в будущее
Разработанная компанией Mitsubishi Electric технология производства на орбите материалов на основе смолы позволяет создавать малогабаритные спутники, обладающие возможностями больших космических аппаратов, что снижает затраты на проведение запусков и позволяет использовать спутниковые технологии активнее чем когда-либо раньше в таких сферах, как связь и наблюдение за состоянием Земли. Ожидается, что эти новые, более широкие возможности позволят более оперативно получать спутниковые изображения и данные наблюдений, которые удовлетворят различные потребности отдельных лиц и организаций.
