中国とオーストラリアの高温FFF技術は、宇宙での衛星の軌道上メンテナンスの新たな可能性を示している

この投稿は warrior bear によって 2021-12-11 22:33 に最後に編集されました。

はじめに: 過去 70 年間で、地球の軌道上にある衛星の数は爆発的に増加し、現在では 2,500 個以上が地球の大気圏上にあると言われています。宇宙空間にあるこれらの装置が故障した場合、その修理は間違いなく費用がかかり大規模なプロジェクトとなるでしょう。
2021年12月10日、アンタークティックベアは、中国科学技術大学とシドニー大学のエンジニアが、宇宙環境を模擬した状態でPEEK材料の高温処理が可能な3Dプリンターを共同で設計したことを知りました。

チームによれば、FDM 3D プリントを使用して軌道上で PEEK から衛星のスペアパーツを製造することは可能かもしれないが、宇宙空間では熱伝導が不足しているため、現在のシステムは過熱する可能性があるという。この問題を克服するために、研究者らは比例積分（PI）コントローラを備えた新しい3Dプリンターを開発しました。このプリンタは真空中で最高400℃の温度で動作することができ、将来の軌道サービスミッションに最適なものになる可能性があります。
△研究者らが提案したトラック3Dプリントシステムの概略図。画像はAdvances in Space Research誌より。
衛星サービスに問題がありますか?
衛星の正常な動作は、宇宙ミッションの誘導だけでなく、地球上の通信や航行にとっても非常に重要です。そのため、故障が発生すると、軌道から外れてデブリが発生し、周回中の宇宙船に損傷を与える可能性があります。
理論上、軌道上での衛星製造は衛星の故障の発生を大幅に減らすことができ、この方法はメンテナンス機器を満載したロケットを軌道上に打ち上げるよりも安価です。ノースロップ・グラマンやDARPAなどの企業が現在、衛星打ち上げミッションを実施しており、その際にそれぞれの「拡張車両」や「ロボット車両」も軌道テストを受ける予定であると報じられている。
しかし、中国とオーストラリアの研究者らは、軌道上での製造コストは2030年までに62億ドルにまで高騰すると予想していると述べた。航空宇宙企業がこの支出を削減できるよう、研究チームは国際宇宙ステーションでの3Dプリント実験の成功を特に強調し、この技術は有人宇宙船だけでなく宇宙空間にも展開できると示唆した。
特に、エンジニアたちは、FDM マシンはレーザーがなく、簡単に保管できるフィラメントを使用し、PEEK などの強力な材料と互換性があるため、レールの修理に最適であると考えています。しかし、この技術に対する楽観的な見方にもかかわらず、研究チームは、現在のシステムではフィラメントが過度に溶けるため、宇宙空間で材料が詰まりやすいことを認めている。
△オービタル3Dプリンターのセンターチューブ（写真参照）は、高温による詰まりを防ぐように設計されています。画像はProgress in Space Research誌より。
宇宙の真空中での印刷<br /> 軌道上 3D プリントをより実現可能にするために、研究者たちは、衛星に着陸し、ロボットアームを使用して損傷した部品を交換できる、アップグレードされた熱制御を備えた 3D プリントシステムの開発に着手しました。これらのアームと着陸装置を除けば、チームの最初のプロトタイプは主に標準的な FDM フレームワークに基づいており、加熱モジュール、シンク、ローラーベルト、押し出し機、ヒートシンクが完備されていました。
マシンを構築する前にその可能性を評価するために、チームは PEEK 印刷のシミュレーションをいくつか実行することを選択しました。興味深いことに、結果によると、デバイスのフィンとヒートシンク間のヒートストリップの数を増やすと、材料が供給されるときに溶融フィラメントの逆流を防ぎながら、中央チューブの温度をより効果的に制御できるようになりました。
シミュレーションを通じて、エンジニアは、低重力状態で印刷すると材料がシステムの内部チューブに付着し、摩擦が増加して押し出しが詰まる可能性があることも発見しました。この問題を解決するために、チームは部品を繰り返し改良し、熱伝導率を高めて最高 400°C の温度でも機能できる設計を考案しました。
最後に、研究者たちはすべてのデータを整理した後、「ファジー PI 制御モジュール」を導入することでシステムにもたらされる利点を示す数学モデルを設計しました。基本的に、このデバイスは 380°C で起動するように設計されており、熱制御機能の精度が向上するだけでなく、過熱や修理エラーのリスクも防止されます。
評価を終えたエンジニアたちは現在、実用的なプロトタイプを構築しており、これを実際の真空チャンバーでテストする予定です。将来、このプリンターが最終用途に利用されれば、衛星が故障しても追加のロケット打ち上げを必要とせず、軌道上で修理できるようになるため、宇宙探査のコストと時間を削減できると研究チームは考えている。
△Redwireは現在、サンダーストーン印刷施設（写真）を含む複数の3D印刷装置を国際宇宙ステーションに設置している。画像はRedwireより。
AM は軌道上での応用に大きな可能性を秘めています<br /> 宇宙での3DプリントはSFの世界のように聞こえるかもしれないが、この技術はこれまでNASAの国際宇宙ステーションの宇宙空間でテストされてきた。この分野の現在のリーダーの1つは、現在はRedwireの子会社であるMade InSpaceで、昨年、軌道ベースに新しいセラミック3Dプリントモジュールを設置しました。
さらに、Made In Space の技術は、Blue Origin と Sierra Space が今後建設する商用宇宙ステーション「Orbital Reef」にも使用される予定です。新基地は2026年に開設される予定で、多目的ビジネスパークとして機能するとともに、微小重力下での研究開発や実験生産を行う「宇宙製造業」の試験場としての機能も引き続き提供する。
一方、ミュンヘン応用科学大学の研究者らは、中国・オーストラリア共同チームと同様のアプローチを取り、軌道上の衛星用3Dプリンターを開発した。このシステムは、宇宙にサービス機器を打ち上げるために必要なミッションを制限する燃料の量を減らすように設計されており、将来的には無重力状態で太陽電池パネルやアンテナ関連の部品全体を製造できるようになる可能性があります。
研究者らの調査結果は、Jianning Tang、Trevor Hocksun Kwan、Xiaofeng Wuが共同執筆した「軌道上3Dプリントプラットフォームの押し出しおよび熱制御設計」と題された論文に詳しく記載されています。

関連論文リンク: https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S0273117721008784

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