3D-печать антенн для космических аппаратов
Содержание
- Введение
- Опыт компании Maxar Technologies
- Опыт компании Boeing Defense, Space & Security
- Ограничения для масштабирования 3D-печати
- Первый напечатанный на 3D-принтере спутник от Fleet Space Technologies
- Заключение
С развитием аддитивного производства количество напечатанных на 3D-принтере деталей для космических аппаратов растет. Данная технология позволяет компаниям-производителям спутников снизить затраты на производство и ускорить процесс создания усовершенствованных моделей космических аппаратов. Шаг за шагом мы движемся в будущее, в котором 3D-печать спутников станет доступной прямо на орбите. Несмотря на наблюдающийся прогресс, остается вопросом: насколько аэрокосмическая отрасль близка к 3D-печати целых спутников на Земле.
На этот вопрос сложно ответить однозначно, хотя бы потому, что количество деталей в в космическом аппарате сильно различается в зависимости от его размера и сложности, и варьируется от простых базовых структур до сложных полупроводниковых устройств. Согласно словам Эмиля де Рийка, генерального директора компании Swissto12, специализирующейся на аддитивном производстве, число деталей может исчисляться сотнями для простых спутников и десятками или даже сотнями тысяч для крупных космических аппаратов.
Он также пояснил, что если всего несколько лет назад использование напечатанных на 3D-принтере конструкций было в основном экспериментальным, то сейчас почти все создаваемые космические аппараты имеют в своем составе по крайней мере несколько таких деталей. Большинство из них представляют собой относительно простые механические системы крепления.
На фото: Несколько волноводов для аэрокосмических антенн, консолидированных в одну металлическую деталь с помощью 3D-печати. Деталь произведена компанией Swissto12.
Опыт компании Maxar Technologies
Maxar Technologies внедрила напечатанные детали во все создаваемые ею спутники. В 2020 году их доля составила примерно одну треть всех компонентов стандартного космического аппарата компании. Первая металлическая деталь, которую Maxar создала с помощью аддитивных технологий и применила в конструкции спутника, была изготовлена из титанового сплава и запущена на орбиту в 2016 году на аппарате JCSAT-15, построенном для японской компании Sky Perfect JSAT. С тех пор Maxar использовала напечатанные на 3D-принтере детали из алюминия, титана и пластика более чем на 20 запущенных спутниках, что в общей сложности составляет 5800 таких деталей на орбите.
На фото: Антенная башня для спутника Hispasat 30W-6, запущенного в 2018 году, состоит из более чем 200 деталей, изготовленных методом аддитивного производства.
Опыт компании Boeing Defense, Space & Security
Рич Астон, главный инженер по аддитивному производству компании Boeing Defense, Space & Security, сообщил, что его компания применяет технологию аддитивного производства в области космических аппаратов и пусковых установок, включая теплообменные установки высокой производительности, механизмы, конструкции и пассивные микроволновые устройства. Астон поясняет, что 3D-печать помогает компании Boeing расширить границы возможного с технологической точки зрения, создавать новые конструкторские решения, быстро создавать прототипы, тестировать и, если целесообразно, внедрять новые технологии.
Компания Boeing намерена расширять свои возможности, в частности, для дочерней компании Millennium Space Systems, ориентированной на рынок малоразмерных космических аппаратов, в котором 3D-печать можно внедрять ускоренными темпами. По словам Астона, на примере с малоразмерными космическими аппаратами компания продемонстрировала, что у напечатанных деталей гораздо более быстрый цикл производства и на 30% более низкая стоимость по сравнению с деталями, произведенными традиционным способом.
Ограничения для масштабирования 3D-печати
По словам де Рийка, для перехода от 3D-печати простых деталей, таких как механические крепления, к 3D-печати терморегулирующих, радиочастотных и других более сложных устройств требуется сделать очень большой шаг.
Точность
Например, за последние 40 лет полупроводниковая промышленность инвестировала сотни миллиардов долларов в миниатюризацию все более производительных чипов, которые лежат в основе современных технологий. Как отмечает директор по развитию Swissto12 Питер Гуггенбах: “На сегодняшний день передовые производственные цеха полупроводниковой промышленности могут производить чипы с точностью 5 нанометров с помощью фотолитографии, в то время как самые прогрессивные 3D-принтеры, использующие технологию селективного лазерного спекания, имеют точность в 50 микрометров, что в 10 000 раз ниже, чем у лучших производителей микросхем”.
Стандартизация
Еще одним ограничением для масштабирования 3D-печати по словам аналитика компании Northern Sky Research Далласа Касабоски является отсутствие стандартизации космических аппаратов. По его мнению на данный момент 3D-печать в большей степени подходит для небольших космических аппаратов. “У больших спутников другие требования, и 3D-печать их деталей не похожа на 3D-печать стандартного ракетного двигателя, которая довольна повторяема. Крупные космические аппараты еще не стандартизированы на таком уровне, чтобы извлечь пользу из масштабирования 3D-печати на этом рынке” - сообщает Даллас. “Однако работа над усовершенствованием производственного процесса продолжается, поэтому вполне возможно, что в будущем все больше конструкций будут изготавливаться методом 3D-печати”.
Постобработка
Стоит отметить, что даже для производителей малоразмерных космических аппаратов изготовление деталей с помощью 3D-принтеров может потребовать довольно существенного участия оператора для постобработки изделий, что может привести к увеличению затрат вместо желаемого снижения.
Перепроектирование
Существующее наследие в области проектирования деталей для космических аппаратов также представляет собой еще одно серьезное ограничение, поскольку для использования 3D-печати в широком масштабе потребуется перепроектировать детали, прошедшие космическую сертификацию, а затем испытать их на орбите. Калабукас отмечает, что связанные с этим риски, время и стоимость пока не оправдывают быстрого перехода на 3D-печать, однако мы видим, что это меняется с каждым днем.
Первый напечатанный на 3D-принтере спутник от Fleet Space Technologies
В 2021 году компания Swissto12 помогла австралийскому стартапу Fleet Space Technologies создать на 3D-принтере первые металлические патч-антенны для малоразмерных спутников. В июне 2021 компания запустила на околоземную орбиту спутник Centauri 4, шестой и последний в орбитальной группировке Fleet Space, оснащенный четырьмя такими антеннами. По словам Fleet Space напечатанные антенны позволили ей достичь увеличения пропускной способности в 10 раз на каждый килограмм космического аппарата.
В декабре 2021 года Fleet Space сообщила о своем намерении создать орбитальную группировку второго поколения, которая впервые за всю историю будет включать спутники, полностью созданные с помощью 3D-печати. Первые малые спутники в этой обновленной группировке получили название Альфа. Несмотря ряд сомнений со стороны представителей космической отрасли, компания заявила, что при поддержке правительства Южной Австралии создаст первый в стране специализированный центр космического производства, чтобы реализовать этот проект. По словам Флавии Нардини, генерального директора Fleet Space это центр будет включать в себя несколько многомиллионных аппаратов для 3D-печати для осуществления амбициозных планов по созданию орбитальных группировок.
Флавия Нардини сообщила, что компания уже получила патент на 3D-печать радиочастотных элементов, таких как патч-антенны, которые отличаются очень сложной геометрией, научилась печатать диплексеры и перешла ко всем элементам электроники. Предполагается, что каждый спутник Alpha будет иметь до 64 патч-антенн, изготовленных методом 3D-печати, благодаря чему сможет обеспечить 16-кратное увеличение пропускной способности по сравнению с последним спутником Centauri, и при этом будет всего в четыре раза тяжелее.
Заключение
На сегодняшний день развитие 3D-печати в космической отрасли принимает достаточно большие обороты, и связано это в первую очередь с высокими требованиями к эффективности и производительности космической техники. Несмотря на сложности, с которым сталкивается отрасль на пути внедрения 3D-печати в производство высокотехнологичных космических аппаратов, по мнению Далласа Касабоски из Northern Skies Research потенциальная вероятность создавать спутники на орбите будет продолжать привлекать инвестиции тех, кто стремится расширить границы возможного.
Если вы задумались о печати своей продукции на 3D-принтере, но испытываете сомнения, мы сделаем тестовое изделие, чтобы вы смогли принять окончательное решение.
Записаться на тестовую печать можно удобным для вас способом:
- по электронной почте: [email protected],
- через чат на сайте,
- по телефону: 8 (800) 500-33-91,
- или через форму подачи заявки на любой странице.