Достижения в области производства в космосе для строительства более крупных космических конструкций

Почему традиционное космическое строительство провалилось в масштабе

В течение десятилетий каждый гай, болт и панель, отправленные на орбиту, должны были пережить насильственный запуск с Земли. Это ограничение ограничивало размер любой космической структуры диаметром обтекателя ракеты или требовало нескольких дорогостоящих маневров стыковки. Например, одно большое зеркало для космического телескопа может быть сложено как оригами, а затем развернуто с подверженными риску механизмами. Сегментированное зеркало космического телескопа Джеймса Уэбба является шедевром точной инженерии, но его последовательность развертывания заняла недели и включала сотни одноточечных отказов.

Фундаментальная проблема заключается в том, что гравитация Земли наказывает крупные объекты. Запуск 100-метровой фермы или полноценного модуля среды обитания физически невозможен с помощью современных ракет. Даже Международная космическая станция (МКС) собиралась в течение десятилетий из десятков меньших модулей, каждый из которых стоил сотни миллионов для запуска и требовал десятков выходов в открытый космос. В космосе производство (МКС) предлагает выход из этой гравитационной ловушки: построить структуру, где она будет использоваться, используя сырье, более эффективно отгружаемое или даже полученное с Луны или астероидов.

Экономический драйвер: стоимость за килограмм против способности за структуру

Экономика космоса во власти затрат на запуск. В то время как повторное использование (например, SpaceX Falcon 9) снизило цены примерно до 2700 долларов США / кг на низкую околоземную орбиту (LEO), что все еще делает 10-тонную ферму стоимостью 27 миллионов долларов только для доставки. В космосе производство может сократить это, запустив компактное, плотное сырье, а затем фабрикуя детали на орбите. Исследование 2021 года НАСА оценило, что изготовление базового луча на орбите может уменьшить массу, запущенную на 60%, потому что одно и то же сырье может быть превращено в несколько структурных геометрий без необходимости внешней упаковки или подкрепления запуска.

Помимо стоимости, ISM позволяет создавать конструкции, которые просто невозможно запустить. Например, для космической станции солнечной энергии (SBSP) потребуются массивы в километре. Ни одна нынешняя ракета не может нести такой объект. Производство в космосе позволяет строителям запускать небольшие, постепенно расширяться и ремонтировать или модернизировать компоненты, не принося новую станцию с Земли.

Последние технологические прорывы

За последние пять лет произошел переход от небольших экспериментов на МКС к эксплуатационным демонстрациям и коммерческим предприятиям.Три столпа этой трансформации — аддитивное производство, автономная роботизированная сборка и переработка материалов в космосе.

3D-печать и аддитивное производство в условиях микрогравитации

Пластическая и полимерная печать стала рутиной на МКС. Первый 3D-принтер в космосе, управляемый Made In Space (теперь часть Redwire), экструдировал ABS-пластик в 2014 году. С тех пор технология превратилась в печатные инструменты, медицинские устройства и даже запасные части для систем жизнеобеспечения станции. Ключевое преимущество заключается в том, что микрогравитация устраняет необходимость в структуре поддержки - свесы не провисают, позволяя геометрии, которые будут разрушаться под гравитацией Земли.

Металлическая печать в космосе была более сложной. Европейское космическое агентство (ЕКА) разработало технологию под названием «Металлическая 3D-печать для космоса», которая использует лазер для плавления порошка нержавеющей стали в условиях микрогравитации. В 2023 году эксперимент на МКС успешно напечатал небольшой тестовый кусок. Металлические детали имеют решающее значение для структурных элементов, таких как кронштейны, трусовые узлы и крепления двигателя. Отсутствие конвекции в условиях микрогравитации изменяет динамику плавления бассейна, но исследователи теперь уточнили параметры процесса для достижения механических свойств, сопоставимых с частями, изготовленными на Земле.

Масштабная обмотка нити накала — ещё один прорыв. Такие компании, как Tethers Unlimited (ныне часть Moog), продемонстрировали роботизированную руку, которая вращает непрерывные волоконно-композиционные балки. Луч экструдируется, излечивается ультрафиолетовым светом и может быть сделан произвольно длинным. Один запуск может нести достаточно композитного материала для строительства ферм длиной в сотни метров, намного превышающих диаметр обтекателя. Эта технология была протестирована на МКС в 2022 году в рамках проекта «Объединённое производство композитных конструкций».

Роботизированная сборка без вмешательства человека

Автономная сборка — это второй критический прорыв. Астронавтское время — самый дорогой ресурс на орбите, а выходы в открытый космос опасны. Роботизированные системы должны взять на себя управление. Роботизированная сборка НАСА Роботизированная сборка крупных структур (например, проект «Сборка большой космической структуры» в Исследовательском центре Лэнгли) использует передовое компьютерное зрение и форс-торможение датчиков для автономного соединения пучков.

Одной из заметных демонстраций является проект SPHERES (Synchronized Position Hold, Engage, Reorient, Experimental Satellites) на МКС. Эти свободно летающие роботы использовались для тестирования алгоритмов сборки ферм из небольших кубов. Совсем недавно роботы Astrobee взяли на себя управление, способные управлять станцией и нести полезные нагрузки. Пока это испытательные стенды, уроки информируют следующее поколение строительных роботов.

Для более крупных операций роботизированная рука следующего поколения (Canadarm3) для Лунного шлюза будет обладать автономными способностями к захвату и позиционированию модулей без контроля человека в реальном времени. В то время как в основном для сборки, та же технология может быть расширена для строительства на Луне или в цислунном пространстве.

Утилизация материалов в космосе и использование реголита

Устойчивость длительных космических миссий зависит от переработки. Отбрасывание неудавшейся печати или поврежденной части расточительно, когда до пополнения запасов еще несколько месяцев. В космосе сейчас существуют системы переработки, чтобы измельчить пластиковые отходы и повторно экструдировать их в новую нить. Refabricator (Redwire) на МКС продемонстрировал этот замкнутый процесс в 2019 году: он превратил лом пластмассы в кормовую стержнь для 3D-принтера. Будущие итерации будут обрабатывать металлы и композиты.

Заглядывая дальше, -реголитное производство позволит строить места обитания на Луне и Марсе с использованием местной грязи. Проект НАСА «Олимп» разрабатывает способы 3D-печати посадочных площадок, стен и дорог из смоделированного лунного реголита. Аналогичные исследования провели Европейское космическое агентство и архитектурные фирмы, такие как Foster + Partners. Недавние работы в Университете Центральной Флориды показывают, что микроволновое спекание смоделированного лунного реголита может создавать плотные, прочные кирпичи. Такая технология в сочетании с роботизированной сборкой может построить постоянную базу без вывоза тонн строительных материалов с Земли.

Текущие проекты: от демонстраций до операционных систем

МКС как испытательный стенд

Международная космическая станция остается основной лабораторией для производства в космосе. Помимо уже упомянутых принтеров, портфель NASA «In-space Manufacturing» включает эксперименты по литью микрогравитации, сварке и даже биопечати тканей для медицинских исследований. Эти эксперименты не просто технические доказательства; они генерируют данные о том, как материалы ведут себя в условиях длительной микрогравитации, что необходимо для проектирования будущих заводов.

Архитектура Redwire On-orbit Services and Assembly (OSAM)

Redwire (ранее Made In Space) разрабатывает коммерческую платформу под названием «Обслуживание, сборка и производство на орбите (OSAM)» Космический аппарат. Первоначально контрактованный НАСА как OSAM-1 (ранее Restore-L), миссия была разработана для дозаправки и проверки спутников. В то время как НАСА недавно отменила OSAM-1 из-за перерасхода средств, базовая технология - роботизированные руки, системы зрения и модульные инструменты - перепрофилируется в меньшую, коммерчески жизнеспособную версию. Redwire планирует запустить спутник, который может 3D-печатать структурные лучи, а затем автономно собирать небольшую радиоантенну или солнечную батарею на орбите, демонстрируя основные возможности для будущих электрических силовых модулей или больших коммуникационных массивов.

Проект PERSEO от ESA

Проект Европейского космического агентства (FLT:0)PERSEO (PERformance, Reliability, and SEcurity of large space structures assembled On-orbit) направлен на разработку стандартного интерфейса для взаимозаменяемых структурных элементов. Идея заключается в том, что робот может подобрать луч, зафиксировать его на месте и двигаться дальше - так же, как детское здание с LEGO. PERSEO фокусируется на стандартизации и надежности, которые являются предпосылками для любой крупномасштабной космической инфраструктуры. В 2023 году ESA провела наземную демонстрацию с использованием роботизированной руки для сборки 12-метровой фермы из цилиндрических распорок.

Вызовы, которые все еще тянутся

Несмотря на быстрый прогресс, между текущими демонстрациями и обычным производством крупноструктурных изделий существует несколько препятствий.

• Материальный источник: Переработка помогает только в том случае, если у вас достаточно сырья. Для действительно крупных структур (километровые масштабы) нам нужно добывать астероиды или Луну. Использование ресурсов на месте (ISRU) все еще на десятилетия от обеспечения сыпучих металлов на орбите.
• Тепловые и вакуумные эффекты:] Аддитивное производство в космосе должно бороться с экстремальными перепадами температур (сотни градусов между солнцем и тенью) и вакуумным газированием полимеров. Принтеры требуют активного теплового контроля, потребляя энергию и массу.
• Обеспечение качества: Как проверить 100-метровую ферму на наличие внутренних пустот или трещин, когда любому астронавту потребуется выход в открытый космос, чтобы добраться до нее? Неразрушающие методы тестирования, такие как ультразвук или рентгеновское излучение, должны быть интегрированы в сам процесс печати.
• Автономное принятие решений: Строительные роботы должны обрабатывать ошибки без вмешательства земли. Принтер, который заклинивает или роботизированная рука, которая выравнивает луч, может обречь миссию. Разрабатываются обнаружение и коррекция ошибок на основе ИИ, но человеческий надзор остается костылем.

Будущие последствия: что мы можем построить

Лунные базы

ISM является ключом к постоянному присутствию человека на Луне. Вместо запуска сборных модулей мы можем посадить несколько тонн принтеров и переработать блоки, а затем использовать лунный реголит для печати посадочных площадок, взрывных стен и оболочек среды обитания. Стратегия НАСА «Луна на Марс» включает в себя постепенное наращивание: сначала роботизированное строительство посадочного объекта, затем печатная среда обитания для пилотируемых миссий. Отсутствие атмосферы и низкая гравитация снижают структурные нагрузки, делая 3D-печатные арки и купола практичными.

Большие космические телескопы и обсерватории

Будущие телескопы, такие как предлагаемый LUVOIR (Большой УФ/Оптический/ИР-Сюрвейер) требуют первичного зеркала диаметром 15 метров или более — слишком большого для любой ракеты. В космосе производство может печатать зеркальные сегменты на орбите или даже спирально-ветровое непрерывное зеркало из тонкой пленки, вылеченной в ноль-G. Получившейся обсерватории не понадобятся сложные механизмы развертывания, резко снижающие риск и стоимость. Аналогично, космическая гравитационно-волновая обсерватория потребует километровых рукавов; построение этих рук в качестве единой печатной структуры позволит избежать головной боли формирования летающих нескольких космических аппаратов.