在太空轨道上制造组装(OSAM)商机 首要建立接口标准 聚焦3D打印及机器人
https://bit.ly/3QkfInE
随着3D打印及视觉化机器人技术成熟后，加速太空商机迈入商业发展阶段，尤其“在轨服
务、组装和制造”（On-orbit servicing, assembly, and manufacturing；OSAM），提
出许多相关的3D打印、自动协作机器人在焊接及组装等相关技术正在发展。例如3D 打印
技术直接在太空轨道上打印卫星结构物，尤其制造大尺寸卫星天线。
太空飞行器适合于OSAM之潜在子系统及元件
基本上，一颗太空飞行器包罗成千上百个各种元件及系统(如下图)，并非全部适合在太空
中进行制造及整合组装，而是以具有以下潜力者为主：
必须减少运输到太空的有效载荷数量，从而降低发射成本的材料和零件，
允许设计和制造在陆地环境中创建（例如，游丝帆、桁架和其他）只能在零重力下运行的
结构物，
允许设计和制造不能承受火箭发射的振动和其他结构载荷的材料和零件，
转变为在GEO轨道上运营和物流规划（可就地制造的各类材料转化为具有多种功能的一系
列零组件的能力），包括在轨维修和维护，这不仅有可能增加卫星和飞行器的寿命，同时
也减少太空碎片的麻烦。
根据Researchandmarket市调报告分析，太空制造、服务和运输行业全球预测，在 2020
年至 2030 年间，市场复合年增长率将以 17.26% 的增长达75.53亿美元。其中，在
2030 年预计以北美主导市场占 45.57%。
建立通用太空接口标准
任何太空物体的维修组装或加油任务时，必须先建立接口标准以机械手臂抓住轨道上卫星
。所以，建立接口标准也是当务之急。根据维基百科资料，其实，通用太空接口标准组织
( Universe Space Interface Standards；USIS )正在制定USIS标准，以供中型到大型载
人或无人飞行天器（如卫星、太空工作站和服务拖船）之间的物理接口，旨在适合作为行
业标准采用。当在开放太空（轨道）和天体表面环境中独立系统之间建立物理接口是第一
步，USIS 必须适用于一系列连接类型，从地面连接到轨道飞行器之间的硬对接；而且它
还必须是高度互连的（例如完全雌雄同体，任何两个 USIS 兼容），能够承受预期负载，
能够软捕获，并能够以受控方式切断连接。同时，USIS 还需要能够在连接时促进数据、
电力和资源的传输，并允许未经过训练的太空船驾驶员或其他想跨入太空行业者，也可轻
松操作使用(就像电子装置USB连接器)。目前，针对 USIS 概念有三家公司提出了潜在设
计构想：Reaction Engines、Qinetiq及Hempsell Astronautics，他们都来自英国的太空
公司。
以下介绍几个OSAM案例，其中尤以NASA提出OSAM-1及OSAM-2开发计画由政府主导最大型推
动案。
美国NASA提出OSAM-1开发计画
OSAM-1 是NASA 探索和太空服务项目部(NExIS) 的旗舰任务，正在与 Maxar
Technologies 合作执行。OSAM-1 太空飞行器及其附属的太空基础设施灵动机器人
(SPIDER) 有效载荷将为太空中的卫星加油、组装通信天线并制造光波束。NASA扩大任务
范围而将该任务名称从 Restore-L 更改为 OSAM-1。
OSAM-1的服务技术
自主即时相对导航系统：传感器、算法和处理器联合起来，使 OSAM-1 能够与其客户端安
全会合。
维护太空电子设备：除了摄取和处理传感器数据之外，这些元素还控制 OSAM-1 和机器人
的交会任务。
灵巧的机器人手臂(SPIDER)：两个灵活、可操作的手臂精确地执行维修任务，例：太空加
油或充电。
先进的驱动工具：制造复杂的多功能工具来执行每项维修任务。
推进器传输系统：该系统以正确的温度、压力和速率向客户输送测量的燃料量。
美国NASA提出OSAM-2开发计画
基于美国太空总署(NASA)的阿提米丝( Artemis)任务，将太空人重返月球并建立持续的人
类基地，这也是为载人火星任务的前奏。因此，寻求在太空轨道上建立成熟的太空制造和
组建能力是很重要之一环。
其中，包括开发：
(1)机器人技术在太空中高效、自主制造和组装各种所需的硬件、零组件和工具。
(2)积层制造或称 3D 打印技术，在太空中建造和组装复杂的零组件，提供按需硬件，并
允许在太空轨道上制造比火箭酬载更大的结构物。
技术示范任务：
2019 年，NASA与 Made In Space（现为 Redwire 公司）签订了价值 7370 万美元的制
造合约，在轨道上生产如冰箱大小的太空飞行器的能力。该技术演示将建造、组装和部署
一个替代太阳能电池阵列，用于为太空飞行器供电的完整太阳能电池阵列。
NASA 和 Redwire 的合作，被称为在轨服务、组装和制造 2 (OSAM-2) 和 Archinaut One
。NASA 的 OSAM-1 任务正在开发互补技术。
OSAM-2 预计最早于 2024 年建置，该技术演示将构建两个光束并利用机器人操作部署一
个替代太阳能电池阵列。一旦部署并定位在轨道上，小型飞行器将 3D 打印两束光束。在
打印第一束光束时，太阳能电池板将从飞行器上展开。当尺寸 33 英尺（10 米）的光束
完成并被机械手臂锁定到位后，机械手臂将重新定位打印机，然后从飞行器的另一侧打
印 20 英尺（6 米）的光束。
未来的应用：
太空机器人制造系统可以适应各种应用，例如自主建造准备在轨道部署的大型太空望远镜
，或提供最先进的通信天线、雷达手臂或其他超大型硬件物件。它还可以在原地或现场进
行应用，例如在月球或火星表面安装电网、燃料库或其他现场需求。
太空机器人制造也可降低太空宇航员在太空行走的固有风险，并可以消除火箭装载可用货
物空间，且酬载硬件物或卫星尺寸受到限制的烦恼。积层制造可以在月球上部署电力系统
和其他大表面积硬件物件。
分工合作伙伴：
Redwire 公司主导该计画项目，负责太空积层制造硬件（扩展结构积层制造机 (ESAMM)、
原料罐、替代太阳能阵列和机械臂末端执行器）；使用3D打印和机器人操作的航空电子设
备；系统工程；和有效载荷集成。
Blue Canyon Technologies 公司供应太空飞行器巴士供应商。
Northrop Grumman公司是有效载荷支撑结构组件和有效载荷热系统的制造商；将进行飞行
器组装、集成和测试；并将运行任务运营中心。
Motiv Space Systems 提供 7轴自由度机械臂供应商。
SpaceX 提供 Smallsat Rideshare 计划的运载火箭供应商。
NASA 戈达德太空飞行中心提供机器人和航空电子领域的专业知识。
South Dakota State University负责光束beam材料进行机械测试和表征辨识。
美国NASA马歇尔太空飞行中心提供了专业知识和光束材料的静电放电测试。
美国NASA南加州的喷气推进实验室设计了有效载荷航空电子设备箱，并对光束制造硬件进
行了结构动力学分析。
美国空军学院设计用于未来在轨保护积层制造结构的方法。
NASA 的Technology Demonstration Missions program为该任务提供资金。
Made In Space公司拿到NASA在太空3D打印合约
美国NASA与Made In Space公司签订了一份7,330万美元合约，证明小型低轨道卫星
Archinaut One能够在太空以 3D 打印的方式制造和组装卫星所需要的零组件，也就是说
，Archinaut One卫星就是一台3D打印机器人，专门打印零组件提供太空卫星所需零组件
更换使用。事实上，这是NASA与加州Made in Space合作的第二阶段的开始。Made in
Space 公司已经2017年在美国NASA工厂模拟严苛太空环境而成功地3D打印出结构梁。
Elementum 3D打印霍尔效应推进器
在近零重力的外太空环境下，进行3D打印制造过程非易事。霍尔效应推进器（Hall
effect thruster）是一种高效的电力推进形式，在特定类型的太空移动中可能非常有用
。Elementum 3D提出一种希望透过开发新的积层制造技术和钴铁（cobalt-iron）原料来
提升制造大型推进器的能力。
美国太空军Orbital Prime计画 资助OSAM技术发展
美国太空军将启动新计画Orbital Prime，以资助商业开发的轨道运行技术OSAM，包含一
系列广泛的技术，以修复和补充现有卫星、清除轨道碎片，并在太空中实现新能力。
三菱电机研发新型光敏树脂在真空中进行低功率3D 打印天线
3D 打印技术已十分成熟，而在太空轨道上进行须克服极恶劣环境，所以反而是具创新的
材料开发成为成功关键。2022 年 5 月 17 日-三菱电机公司宣布，该公司已开发出一种
在太空轨道上之积层制造技术(additive-manufacturing technology) ，该技术使用光敏
树脂(photosensitive resin)和太阳紫外线在外太空真空环境中进行卫星天线的 3D 打印
。
这项新技术利用了一种新开发的液态树脂，该树脂经过特殊定制配制，可在真空中保持稳
定性。这种树脂能够使用利用太阳紫外线进行光聚合以低功率运作在太空中制造结构。该
技术专门解决了为小型、低价的太空卫星所需配备的大型高增益天线反射器，以提升在太
空的灵敏度，同时也降低卫星天线设计及火箭发射成本。
而三菱电机开发的新技术，根据其实验室的模拟测试结果，一个仅 16.5 cm 宽的天线盘
，性能与传统卫星天线相当。此外，光敏树脂具高耐热性，可在 400℃ 温度环境下如常
运作，这已比地球轨道上的探测器面对的温度还要高。
小型太空新创公司
对于小型公司，主要参与者包括：
Motiv：一家为 JPL 制造机械臂的公司；
Altius：一家专注于卫星服务系统的公司，与 OrbitFab 一起从事推进器传输；
Astroscale：一家以自主清除轨道碎片为目标的公司。
以特殊目的收购公司 (SPAC) 收购较小的太空公司成为新趋势
近期，Altius 被 Voyager Space Holdings 收购，Made-in-Space 被 Redwire Inc 收购
。
自 2019 年成立以来，Voyager 已经收购了另外三个航天公司（The Launch Co.、
NanoRacks 和 Pioneer Astronautics） 。
自 2020 年以来，Redwire 已经组建了其他六家航天公司（Adcole Space、Deep Space
Systems、Deployable Space Systems、LoadPath、Oakman Aerospace 和 Roccor）。
OSAM未来发展
根据Aerospace预测，在未来几年，在 OSAM 领域会看到许多新进入者；很可能会在 3
到 5 年内看到太空加油且此后变得更加普遍。而在轨维修和零组件交换可能需要 5 到
10 年的时间。机器人手臂已经足够完成大部分工作，但还需开发成本更低、灵活性更高
的版本。
至于，现有的传统航太制造商和运营商也需要一些时间和思维转变，才能拓展到在轨维修
业务。 通用太空接口标准(USIS)设计概念正在发酵，美国太空暨飞弹系统中心（SMC）也
正在评估服务于未来飞行器的接口标准，以便于在轨服务之商业应用。
在太空制造生产的结构最终将影响太空飞行器本身以及将它们送入太空的运载火箭的设计
。最后，太空后勤服务和制造的成功关键，仍在开发低成本且品质佳的新太空材料。