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在太空軌道上製造組裝(OSAM)商機 首要建立接口介面標準 聚焦3D列印及機器人

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科技產業資訊室 - 張小玫 發表於 2022年8月12日
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圖、在太空軌道上製造組裝(OSAM)商機 首要建立接口標準 聚焦3D列印及機器人
 

隨著3D列印及視覺化機器人技術成熟後,加速太空商機邁入商業發展階段,尤其「在軌服務、組裝和製造」(On-orbit servicing, assembly, and manufacturing;OSAM),提出許多相關的3D列印、自動協作機器人在焊接及組裝等相關技術正在發展。例如3D 列印技術直接在太空軌道上列印衛星結構物,尤其製造大尺寸衛星天線。
 
太空飛行器適合於OSAM之潛在子系統及元件
基本上,一顆太空飛行器包羅成千上百個各種元件及系統(如下圖),並非全部適合在太空中進行製造及整合組裝,而是以具有以下潛力者為主:
  • 必須減少運輸到太空的有效載荷數量,從而降低發射成本的材料和零件,
  • 允許設計和製造在陸地環境中創建(例如,游絲帆、桁架和其他)只能在零重力下運行的結構物,
  • 允許設計和製造不能承受火箭發射的振動和其他結構載荷的材料和零件,
  • 轉變為在GEO軌道上運營和物流規劃(可就地製造的各類材料轉化為具有多種功能的一系列零組件的能力),包括在軌維修和維護,這不僅有可能增加衛星和飛行器的壽命,同時也減少太空碎片的麻煩。
根據Researchandmarket市調報告分析,太空製造、服務和運輸行業全球預測,在 2020 年至 2030 年間,市場複合年增長率將以 17.26% 的增長達75.53億美元。其中,在 2030 年預計以北美主導市場佔 45.57%。

圖、太空飛行器子系統及各種元件
 
建立通用太空介面標準
任何太空物體的維修組裝或加油任務時,必須先建立介面標準以機械手臂抓住軌道上衛星。所以,建立介面標準也是當務之急。根據維基百科資料,其實,通用太空介面標準組織( Universe Space Interface Standards;USIS )正在制定USIS標準,以供中型到大型載人或無人飛行天器(如衛星、太空工作站和服務拖船)之間的物理接口介面,旨在適合作為行業標準採用。當在開放太空(軌道)和天體表面環境中獨立系統之間建立物理接口介面是第一步,USIS 必須適用於一系列連接類型,從地面連接到軌道飛行器之間的硬對接;而且它還必須是高度互連的(例如完全雌雄同體,任何兩個 USIS 兼容),能夠承受預期負載,能夠軟捕獲,並能夠以受控方式切斷連接。同時,USIS 還需要能夠在連接時促進數據、電力和資源的傳輸,並允許未經過訓練的太空船駕駛員或其他想跨入太空行業者,也可輕鬆操作使用(就像電子裝置USB連接器)。目前,針對 USIS 概念有三家公司提出了潛在設計構想:Reaction Engines、Qinetiq及Hempsell Astronautics,他們都來自英國的太空公司。


以下介紹幾個OSAM案例,其中尤以NASA提出OSAM-1及OSAM-2開發計畫由政府主導最大型推動案。
 
美國NASA提出OSAM-1開發計畫
OSAM-1 是NASA 探索和太空服務項目部(NExIS) 的旗艦任務,正在與 Maxar Technologies 合作執行。OSAM-1 太空飛行器及其附屬的太空基礎設施靈動機器人 (SPIDER) 有效載荷將為太空中的衛星加油、組裝通信天線並製造光波束。NASA擴大任務範圍而將該任務名稱從 Restore-L 更改為 OSAM-1。
 
OSAM-1的服務技術
  • 自主即時相對導航系統:感測器、算法和處理器聯合起來,使 OSAM-1 能夠與其客戶端安全會合。
  • 維護太空電子設備:除了攝取和處理感測器數據之外,這些元素還控制 OSAM-1 和機器人的交會任務。
  • 靈巧的機器人手臂(SPIDER):兩個靈活、可操作的手臂精確地執行維修任務,例:太空加油或充電。
  • 先進的驅動工具:製造複雜的多功能工具來執行每項維修任務。
  • 推進器傳輸系統:該系統以正確的溫度、壓力和速率向客戶輸送測量的燃料量。
 
美國NASA提出OSAM-2開發計畫
基於美國太空總署(NASA)的阿提米絲( Artemis)任務,將太空人重返月球並建立持續的人類基地,這也是為載人火星任務的前奏。因此,尋求在太空軌道上建立成熟的太空製造和組建能力是很重要之一環。
 
其中,包括開發:
(1)機器人技術在太空中高效、自主製造和組裝各種所需的硬體、零組件和工具。
(2)積層製造或稱 3D 列印技術,在太空中建造和組裝複雜的零組件,提供按需硬體,並允許在太空軌道上製造比火箭酬載更大的結構物。
 
技術示範任務:
2019 年,NASA與 Made In Space(現為 Redwire 公司)簽訂了價值 7370 萬美元的製造合約,在軌道上生產如冰箱大小的太空飛行器的能力。該技術演示將建造、組裝和部署一個替代太陽能電池陣列,用於為太空飛行器供電的完整太陽能電池陣列。 
 
NASA 和 Redwire 的合作,被稱為在軌服務、組裝和製造 2 (OSAM-2) 和 Archinaut One。NASA 的 OSAM-1 任務正在開發互補技術。
 
OSAM-2 預計最早於 2024 年建置,該技術演示將構建兩個光束並利用機器人操作部署一個替代太陽能電池陣列。一旦部署並定位在軌道上,小型飛行器將 3D 列印兩束光束。在打印第一束光束時,太陽能電池板將從飛行器上展開。當尺寸 33 英尺(10 米)的光束完成並被機械手臂鎖定到位後,機械手臂將重新定位打印機,然後從飛行器的另一側打印 20 英尺(6 米)的光束。
 
未來的應用:
太空機器人製造系統可以適應各種應用,例如自主建造準備在軌道部署的大型太空望遠鏡,或提供最先進的通信天線、雷達手臂或其他超大型硬體物件。它還可以在原地或現場進行應用,例如在月球或火星表面安裝電網、燃料庫或其他現場需求。
 
太空機器人製造也可降低太空宇航員在太空行走的固有風險,並可以消除火箭裝載可用貨物空間,且酬載硬體物或衛星尺寸受到限制的煩惱。積層製造可以在月球上部署電力系統和其他大表面積硬體物件。
 
分工合作夥伴:
  • Redwire 公司主導該計畫項目,負責太空積層製造硬體(擴展結構積層製造機 (ESAMM)、原料罐、替代太陽能陣列和機械臂末端執行器);使用3D列印和機器人操作的航空電子設備;系統工程;和有效載荷集成。
  • Blue Canyon Technologies 公司供應太空飛行器巴士供應商。
  • Northrop Grumman公司是有效載荷支撐結構組件和有效載荷熱系統的製造商;將進行飛行器組裝、集成和測試;並將運行任務運營中心。
  • Motiv Space Systems 提供 7軸自由度機械臂供應商。
  • SpaceX 提供 Smallsat Rideshare 計劃的運載火箭供應商。
  • NASA 戈達德太空飛行中心提供機器人和航空電子領域的專業知識。
  • South Dakota State University負責光束beam材料進行機械測試和表徵辨識。
  • 美國NASA馬歇爾太空飛行中心提供了專業知識和光束材料的靜電放電測試。
  • 美國NASA南加州的噴氣推進實驗室設計了有效載荷航空電子設備箱,並對光束製造硬體進行了結構動力學分析。
  • 美國空軍學院設計用於未來在軌保護積層製造結構的方法。
  • NASA 的Technology Demonstration Missions program為該任務提供資金。
 
Made In Space公司拿到NASA在太空3D列印合約
美國NASA與Made In Space公司簽訂了一份7,330萬美元合約,證明小型低軌道衛星Archinaut One能夠在太空以 3D 列印的方式製造和組裝衛星所需要的零組件,也就是說,Archinaut One衛星就是一台3D列印機器人,專門列印零組件提供太空衛星所需零組件更換使用。事實上,這是NASA與加州Made in Space合作的第二階段的開始。Made in Space 公司已經2017年在美國NASA工廠模擬嚴苛太空環境而成功地3D列印出結構梁。
 
Elementum 3D列印霍爾效應推進器
在近零重力的外太空環境下,進行3D列印製造過程非易事。霍爾效應推進器(Hall effect thruster)是一種高效的電力推進形式,在特定類型的太空移動中可能非常有用。Elementum 3D提出一種希望透過開發新的積層製造技術和鈷鐵(cobalt-iron)原料來提升製造大型推進器的能力。
 
美國太空軍Orbital Prime計畫 資助OSAM技術發展
美國太空軍將啟動新計畫Orbital Prime,以資助商業開發的軌道運行技術OSAM,包含一系列廣泛的技術,以修復和補充現有衛星、清除軌道碎片,並在太空中實現新能力。
 
三菱電機研發新型光敏樹脂在真空中進行低功率3D 列印天線
3D 列印技術已十分成熟,而在太空軌道上進行須克服極惡劣環境,所以反而是具創新的材料開發成為成功關鍵。2022 年 5 月 17 日,三菱電機公司宣布,該公司已開發出一種在太空軌道上之積層製造技術(additive-manufacturing technology) ,該技術使用光敏樹脂(photosensitive resin)和太陽紫外線在外太空真空環境中進行衛星天線的 3D 列印。
 
這項新技術利用了一種新開發的液態樹脂,該樹脂經過特殊定製配制,可在真空中保持穩定性。這種樹脂能夠使用利用太陽紫外線進行光聚合以低功率運作在太空中製造結構。該技術專門解決了為小型、低價的太空衛星所需配備的大型高增益天線反射器,以提升在太空的靈敏度,同時也降低衛星天線設計及火箭發射成本。
 
而三菱電機開發的新技術,根據其實驗室的模擬測試結果,一個僅 16.5 cm 寬的天線盤,性能與傳統衛星天線相當。此外,光敏樹脂具高耐熱性,可在 400℃ 溫度環境下如常運作,這已比地球軌道上的探測器面對的溫度還要高。
 
小型太空新創公司
對於小型公司,主要參與者包括:
  • Motiv:一家為 JPL 製造機械臂的公司;
  • Altius:一家專注於衛星服務系統的公司,與 OrbitFab 一起從事推進器傳輸;
  • Astroscale:一家以自主清除軌道碎片為目標的公司。
 
以特殊目的收購公司 (SPAC) 收購較小的太空公司成為新趨勢
 
  • 近期,Altius 被 Voyager Space Holdings 收購,Made-in-Space 被 Redwire Inc 收購。
  • 自 2019 年成立以來,Voyager 已經收購了另外三個航天公司(The Launch Co.、NanoRacks 和 Pioneer Astronautics) 。
  • 自 2020 年以來,Redwire 已經組建了其他六家航天公司(Adcole Space、Deep Space Systems、Deployable Space Systems、LoadPath、Oakman Aerospace 和 Roccor)。
 
OSAM未來發展
根據Aerospace預測,在未來幾年,在 OSAM 領域會看到許多新進入者;很可能會在 3 到 5 年內看到太空加油且此後變得更加普遍。而在軌維修和零組件交換可能需要 5 到 10 年的時間。機器人手臂已經足夠完成大部分工作,但還需開發成本更低、靈活性更高的版本。
 
至於,現有的傳統航太製造商和運營商也需要一些時間和思維轉變,才能拓展到在軌維修業務。 通用太空接口標準(USIS)設計概念正在發酵,美國太空暨飛彈系統中心(SMC)也正在評估服務於未來飛行器的接口標準,以便於在軌服務之商業應用。
 
在太空製造生產的結構最終將影響太空飛行器本身以及將它們送入太空的運載火箭的設計。最後,太空後勤服務和製造的成功關鍵,仍在開發低成本且品質佳的新太空材料。(2520字;圖2)
 
 
參考資料:
In-orbit Spacecraft Manufacturing: Near-Term Business Cases. International Space University. Sep 2016.
ON-ORBIT SERVICING, ASSEMBLY, AND MANUFACTURING (OSAM). Aerospace, 2021/4/2.
OSAM-1 (On-orbit Servicing, Assembly, and Manufacturing-1), formerly Restore-L mission. Eoportal, April 2020.
NASA’s On-orbit Servicing, Assembly, and Manufacturing 1 Mission Ready for Spacecraft Build. NASA, 2021/5/5.
On-Orbit Servicing, Assembly, and Manufacturing 2 (OSAM-2). NASA, 2022/6/24.
Mitsubishi Electric Develops Technology for the Freeform Printing of Satellite Antennas in Outer Space. Mitsubishi, 2022/5/17.
3D列印應用於太空各種零件製造成為發展趨勢。科技產業資訊室 (iKnow) ,2021/4/27。
Space Force launches ‘Orbital Prime’ program to spur market for on-orbit services. SpaceNews, 2021/11/4.
通用空間接口標準。維基百科,2020/11/26。


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