如何讓衛(wèi)星既輕便又“全能”？傳統(tǒng)衛(wèi)星結(jié)構(gòu)需要疊加機械框架、散熱模塊和電路系統(tǒng)，不僅體積臃腫，還容易被太空輻射“擊穿”。最近，哈爾濱工業(yè)大學科研團隊在《Engineering》發(fā)表論文，提出一種“搭積木”式設(shè)計方法，結(jié)合自主研發(fā)的高溫3D打印技術(shù)，首次將承載、導電、導熱和輻射屏蔽四大功能集成到單塊復合材料板中。實驗顯示，這種新型結(jié)構(gòu)的剛度比傳統(tǒng)材料高21.5%，熱導率提升近6倍，還能阻擋28%的太空質(zhì)子輻射。

衛(wèi)星瘦身難題：功能越多，重量越重？

衛(wèi)星結(jié)構(gòu)堪稱“太空瑞士軍刀”——既要承受火箭發(fā)射的劇烈震動，又要為電子設(shè)備散熱，還得在極端輻射環(huán)境下保護精密儀器。傳統(tǒng)方法依賴螺栓固定多個功能模塊，導致結(jié)構(gòu)復雜、重量超標。尤其對于僅鞋盒大小的納米衛(wèi)星，如何在巴掌大的空間里塞入電路、散熱片和防輻射層，成為行業(yè)難題。

論文第一作者張巖博士打了個比方：“就像給手機裝散熱器，如果直接在主板背面貼金屬片，手機厚度會增加，還可能干擾信號。”此前有團隊嘗試將鋰電池嵌入衛(wèi)星夾層，但金屬部件密度高，反而讓整機增重。

“千層餅”設(shè)計：一層解決一個痛點

研究團隊借鑒3D打印的“分層制造”思路，像搭千層餅一樣設(shè)計多功能結(jié)構(gòu)。最外層用聚醚醚酮（PEEK，一種耐高溫特種塑料）編織鋁絲網(wǎng)，既增強硬度又防輻射；中間夾層填充碳纖維和鋁塊，前者減重，后者導熱；頂層嵌入銅絲電路并用硅膠墊絕緣，最后用純PEEK封裝。

這種“一層一功能”的設(shè)計并非簡單堆砌。團隊通過遺傳算法優(yōu)化每層厚度，確保整體重量比純PEEK結(jié)構(gòu)還輕1%（160.9克 vs 162.5克）。“就像優(yōu)化行李箱收納，既要多裝物品，又不能超重。”論文通訊作者李龍求教授解釋。

高溫“烹飪術(shù)”：金屬和塑料同時打印

實現(xiàn)該設(shè)計的關(guān)鍵，是一臺能“同時煎牛排和烤蛋糕”的3D打印機。傳統(tǒng)3D打印要么打塑料，要么打金屬，而團隊研發(fā)的設(shè)備在500℃高溫腔室內(nèi)，通過同軸噴嘴同步擠出PEEK熔液和金屬絲/碳纖維。鋁絲在高溫下變軟，與塑料緊密結(jié)合，解決了金屬-塑料分層脫落的老大難問題。

實驗中，這種工藝制造的復合材料孔隙率低至1.5%（傳統(tǒng)3D打印塑料孔隙率約8.6%）。用其打印的衛(wèi)星面板，在彎曲測試中即便發(fā)生形變，內(nèi)嵌的電路仍能正常工作。當面板彎折4.75毫米時，外部LED燈依舊亮著——這相當于成年人用力掰彎手機后，觸摸屏仍能滑動。

實測數(shù)據(jù)：防輻射、導熱性能逆襲

研究團隊用35MeV質(zhì)子束（相當于太空輻射環(huán)境）轟擊面板，發(fā)現(xiàn)新型結(jié)構(gòu)將質(zhì)子穿透深度從9.35毫米降至6.74毫米，屏蔽效率提升27.9%。導熱測試更驚人：在200℃熱源下，PEEK材料的導熱系數(shù)僅0.25 W/m·K，而復合結(jié)構(gòu)飆升至1.67 W/m·K，足以快速導出電子元件熱量。

這些性能讓衛(wèi)星結(jié)構(gòu)告別“疊疊樂”。團隊用該技術(shù)打印出立方體衛(wèi)星原型，6塊面板分別集成傳感器、通訊芯片和供電模塊，組裝后成功實現(xiàn)溫濕度監(jiān)測和云端數(shù)據(jù)傳輸。李龍求表示：“未來宇航員可以用類似技術(shù)，在空間站直接打印替換零件。”

挑戰(zhàn)與未來：太空打印的“溫度密碼”

盡管優(yōu)勢顯著，這項技術(shù)仍有局限。例如，高溫打印可能導致材料性能波動，碳纖維在噴嘴內(nèi)容易斷裂。團隊目前正研究自適應(yīng)溫度控制算法，未來計劃在零重力環(huán)境下測試打印工藝。

這項研究為我國航天器輕量化提供了新思路。正如審稿人所言：“它證明3D打印不僅能‘塑形’，還能‘造功能’——這是太空制造的重要一步。”

（注：PEEK是一種高性能工程塑料，耐高溫、抗腐蝕，常用于航天軸承；質(zhì)子是帶正電的粒子，太空高能質(zhì)子流會破壞電子元件。）

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來源: Engineering