卫星新突破：将如何在太空中3D打印卫星的天线

典型的卫星碟形天线又大又重，而且难以舒适地装入任何合理大小的火箭整流罩

任何发射到轨道上的卫星的一个关键部分是其天线。然而，挑战在典型的卫星碟形天线又大又重，而且难以舒适地装入任何合理大小的火箭整流罩。因此，位于马萨诸塞州剑桥市的三菱电气研究实验室（MERL）的研究人员想，如果卫星简单地跳过整个问题会怎样？也就是说，不要把整个过大的天线组件与卫星一起带入太空，而是在卫星到达轨道后进行3D打印。

事实上，三菱电气研究实验室（MERL）已经开发了一种在轨天线3D打印技术，该技术使用光敏树脂，通过太阳紫外线硬化。研究人员说，这种新技术有可能使天线实现比较高的增益和比较宽的带宽（这需要一个大的天线），同时仍然保持从地球上发射的卫星的重量和体积。

在轨道上打印天线也解决了另一个大问题。从地面发射的卫星在起飞时承受了巨大的振动压力。因此，卫星的每一个部分，包括天线盘和支架都必须被过度建造以承受巨大的压力。这增加了天线的重量和成本，因此也增加了发射的成本。

当然，如果天线是在太空中制造的，这些困难都不需要困扰设计卫星的工程师。

作为一个案例研究，三菱电气研究实验室（MERL）的研究人员考虑了美国宇航局和欧洲航天局的卡西尼·惠更斯号航天器。其特别大的天线宽度为4米，重达105公斤。如果卡西尼·惠更斯号（1997年发射）可以用一个可以在太空中制造的天线来代替其过大的碟子，那么该航天器就可以节省80公斤的发射重量，也就是说，在天线和天线支架的重量上可以节省80%的发射成本。三菱电机研究实验室这种光敏树脂就像蜂蜜一样粘稠，像胶水一样粘着，在太阳下几秒钟就像石头一样变硬。

通过三菱电机的卫星天线印刷工艺，一种树脂被浇铸成抛物面的形状，然后在太阳的紫外线照射下硬化。

然而，即使是较小的卫星，MERL实验室估计减少的重量仍然会产生很大的影响，MERL的高级首席研究员威廉·耶拉祖尼斯说。现在，联合发射联盟将15公吨的卫星送入低地球轨道的费用是7300万美元，约合4.9亿人民币。如果该实验室能将总体有效载荷减少哪怕是5%，这将为多次发射节省350万美元。"

研究人员指出，节省成本技术的一个关键因素涉及开发合适的树脂。"MERL的首席研究科学家阿维沙伊·韦斯(Avishai Weiss)说："如果你把标准的树脂放在真空室中，它们会沸腾并污染附近的一切。

相反，研究人员开发了一种光敏树脂，它可以在真空中被挤出并固化成刚性固体。据该公司称，这是世界上第一个。它的耐热性能至少达到400 ，它的粘性和蜂蜜一样，像胶水一样粘着，在阳光下几秒钟就像石头一样变硬。而且，它的制造成本并不比市场上已有的任何树脂高。

东京工业大学研究空间系统工程和小型卫星系统开发的松永三郎（Saburo Matunaga）教授说："总的来说，空间天线和其他结构的在轨制造是一项有前途的技术。三菱电机的原型3D打印看起来是很好的第一步，因为紫外线固化树脂似乎具有在真空环境下稳定挤出和僵化的特点，而且它的耐热性能很高。"

MERL实验室的研究人员说，他们的新天线制造过程包括首先创建天线结构，然后给它涂上使其能够反射的金属层。一台电机转动待建天线的轮毂，同时树脂阀门打开。让一串树脂从轮毂中螺旋式地流出，最终变成碟子的抛物线形状。他们说，太阳的紫外线会使树脂在挤出后的几秒钟内变硬。

这个过程继续进行，直到完成一个由硬化的树脂同心层组成的盘子。最后，通过第二个喷嘴的真空金属化，涂上一层导电金属，该喷嘴将铝煮沸并将蒸汽送出，涂在整个盘子上。与在薯片袋上涂上一层超薄的铝以保持薯片新鲜的过程相同。

在他们的（地面）实验室中，MERL实验室团队已经在真空中打印了小型抛物面天线，而他们在空气中打印的一个直径为165毫米的天线产生了一个工作天线，在Ku通信频段的13.5千兆赫的增益为23.5分贝。

根据IEEE 521-2002标准，Ku波段是指频率在12-18GHz的无线电波波段。Ku即“K-under”（德语：Kurz-unten），表示比IEEE 521-2002标准下的K波段的频率低。

在太空，Ku波段可用作卫星之间的通信波段，如国际空间站和航天飞机通信用的跟踪与数据中继卫星（TDRS）也有使用Ku波段。在卫星广播领域里，Ku波段是一个常用的波段。

在卫星电视广播中，接收Ku波段数字卫星信号的天线口径较C波段小。假设天线的口面效率为60％，直径为1m的天线工作在波长为25mm的Ku波段时，能够达到的增益为39.8dB；而在同一地点在同样口面效率的条件下工作在波长为75mm的C波段时，要达到同样增益的情况，则需要直径为3m的天线。

当电波穿透大气层进入降雨或降雪区域时，雨滴或雪花对电波产生吸收和散射，造成或多或少的雨致衰减或雪致衰减，简称雨衰或雪衰。因为Ku波段的最大波长为2.5cm，与雨滴或雪花的线度接近，所以Ku波段受雨衰和雪衰的影响比较大。而降雨量越大，衰减越大，降雪的时候，一部分的雪会在空中形成雨滴，又会加剧衰减的程度。

他们希望接下来能在低地球轨道真空度的热真空室中使用一个更大的碟子来全面测试这项技术，然后最终在轨道上的立方体卫星平台上进行测试。该团队说，预计这项技术将在五年内实现商业化。

松永三郎（Saburo Matunaga）说，该技术的高级版本最终将被用于 "制造和组装卫星结构的其他基本部分，如天线支撑结构和桁架元件，这将进一步减轻重量和发射成本。"

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