卫星制造目前的挑战

传统的卫星制造是一种]高吸附、对地球有限制的过程[,对成本、时间表和设计灵活性造成严重限制。每颗卫星都必须在剧烈的振动、声荷和重力压力下度过暴力的发射环境,这促使需要进行重型结构强化和广泛的资格测试。一旦卫星进入轨道,它就成为一种固定资产;任何部件故障、软件故障或能力限制都无法固定,除非执行昂贵和罕见的维修任务。现代卫星,特别是大型星座的卫星,往往为特定寿命设计,然后脱轨或作为碎片留下,这代表了资本和可再利用材料的重大损失。发射的每公斤成本仍然为数以万计,因此,质量的任何降低,如不再需要发射一个完全组装、测试的卫星,直接转化为飞行任务的节省。然而,目前的制造范式迫使整个航天器在地面上建造、集成和试验,然后折叠成一个公平的、限制大小和配置。

新兴技术促进轨道制造

机器人、自主系统和先进材料的近期突破正在将轨道制造的概念从科幻化转变为近期工程现实。 这些技术使航天器能够在空间中组装、修复和升级,从而绕过了地面制造的许多局限性。

机器人和自治大会

太空级机器人武器和爬行器 — — 如美国航天局、欧空局和马克萨尔和天文台等私营公司正在研制的机器人武器和爬行器 — — 现在可以执行一些微妙的任务,如螺栓板、连接电线吊带和操纵太阳阵列。 机器视觉和力调感知的进步使这些机器人即使在可变照明和热条件下也能使用毫米精度。 未来的机器人系统将在最低限度的人类监督下运作,从预先装填的数码双胞胎身上执行复杂的组装序列。 在一个轨道上逐块建造大型结构的能力消除了单发射公平体积限制的需要,并为模块卫星结构打开了大门,这些结构可以随着任务需要的发展而重新配置。

微重力加工厂(3D打印)

空间3D打印从实验演示——如国际空间站上的第一个塑料打印机——转移到利用电子束熔融和铁丝网-弧添加剂制造技术生产金属部件。在零重力方面,没有沉积和对流,就能够产生独特的材料特性和减少结构缺陷。按需打印替换部件的能力大大降低了在轨道平台上装配大量备用库存的需要。空间制造公司(现为Redwire的一部分)和SpaceX公司正在探索将结构括号、天线甚至整个短路部分进行实地打印。美国航天局的On-Orbit服务、装配和制造(OSAM)程序 已经证明对印刷部件进行机器人操纵,添加剂制造和装配相结合是可行的。

原材料的现场资源利用

虽然地球仍然是高品位材料的主要来源,但长期在轨制造将受益于利用从小行星、月球甚至空间碎片中获取的资源。 将Regolith或水冰加工成金属、陶瓷和推进剂可能会大大降低供应链成本。 尽管从实际部署至今仍有多年,但早期研究表明,一旦稳定的轨道制造中心存在,从月球或小行星材料中提取铝、钛和硅就可能成为经济型的。 行星资源公司和OffWorld公司正在研究将直接输入组装设施的天基采矿和炼油概念。

轨道内制造设施的关键优势

  • 减少的发射费用:[ 通过发射仅是原材料,部件,或机器人系统而不是完全组装的卫星,有效载荷质量可以减少30–50%. 同一运载火箭可以交付多个小批次,最后的卫星则被组装为间接费用,节省了重型飞行结构和发射生存系统的费用.
  • Rapid 部署和星座建设:在轨道上的制造使运营商能够根据需要生产和部署卫星,而不是在地面预先建造数百个相同的单元并储存卫星,这支持星际链接或下一代地球观测网络等特大集成的准时生产.
  • 轨道上的修理、升级和加油:[ 机器人在单个组件故障后,可以代替故障模块、升级电子设备或加油推进罐,延长运行寿命,从而大大减少资本支出和空间碎片的产生。
  • 建造不可能的结构: 甚大天线、太阳能阵列或望远镜不能融入任何现有发射仙境,可以在轨道上逐块建造,当在大气层上方组装时,像100米射电望远镜或千米尺度太阳动力卫星这样的概念就变得可行。
  • 提高抗灾能力和适应性:在轨道上组装的卫星可以使用套装的有效载荷和可互换模块设计,使同一总线能够在不进行地面翻新的情况下为多个飞行任务服务,从而减少从需要到部署的时间,并使星座更能适应不断变化的市场需求。

主要玩家和进行中的举措

一些政府机构和私营企业正在积极发展在轨制造的基础设施和技术。 美国航天局的OSAM-1飞行任务[,原为Represent-L],是旗舰项目——一个机器人服务航天器,将为现有政府卫星加油、重新定位和检查,为未来的装配和制造能力奠定基础。欧洲航天局的PERIOD [PERASIM 轨道演示]项目旨在证明在2030年代中期前实现机器人组装和制造大型结构的可行性。红线公司等私营公司通过购置“制造空间”和开发Archinaut平台,正在低地轨道上印刷和组装结构束,而Maxars空间基础设施小组正在建造机器人接合系统和模块卫星客车,用于空间服务。SpaceX也是通过其星舰系统提供大量低成本的有效载荷载荷到轨道——任何轨道工厂的基本后勤骨干线。

技术和管理挑战

尽管取得了迅速的进展,但轨道内制造面临着若干障碍。 []空间热管理 难度不大:三维打印需要持续温度以避免扭曲,但真空和太阳加热周期会造成极端梯度。 静电放电[和[]微流星体风险必须减轻,特别是在组合过程中,敏感部件可能暴露出来。在高辐射环境下,自主系统的可靠性[尚未为延长运行证明——机器人必须连续数月或数年进行,但故障回收选择有限。

未来展望和时间表

2035年至2040年间,商业轨道工厂可以开始生产标准化的卫星模块,将发射质量减少40%以上,并能够配置可互换的升级装置。 在2025-2030年的时间范围内,我们将看到机器人维修任务(OSAM-1,空中客车的空间牵引)和自由飞行航天器首次三维金属组件的三维打印。 到2032年,欧空局的周期计划将力求在轨道上制造一个巨大的短跑或天线。 在2035-2040年间,商业轨道工厂可以开始生产标准化的卫星模块,将发射质量减少40%以上,并能够使空间空间空间空间空间由可换换级的单元组成。 大型项目 — — 如轨道太阳能发电站或深空地生境 — — 将在2040年代启动,一旦技术成熟和经济回报得到证实,空间经济将面临巨大的长期影响。 空间经济:全球卫星制造市场(目前每年价值约2 000亿美元)可能看到成本下降,而能力将急剧扩大。 在轨道制造中,空间物流、机器人服务和原材料开采中也将创造新的商业机会,将改变工业从一个纯粹的发射生态系统。

转变不会是立即的,但方向是明确的。 正如欧空局指出的,在轨装配和制造是长期飞行任务和空间工业化的关键基石。 随着对扶持技术和支持这些技术的监管框架的持续投资,轨道工厂将成为空间基础设施的常规组成部分——转变我们设计、建造和运行卫星的方式,供后代使用。