3D Systems與NASA等多家機(jī)構(gòu)聯(lián)手，推進(jìn)航天先進(jìn)熱控制系統(tǒng)研究

2025年6月4日，南極熊獲悉，業(yè)界領(lǐng)先的 3D 打印公司 3D Systems正與賓夕法尼亞州立大學(xué)和亞利桑那州立大學(xué)的研究人員合作，開展兩個(gè)由NASA 資助的項(xiàng)目，旨在重新定義太空熱管理。這些項(xiàng)目旨在解決可能損害航天器敏感部件的極端溫度波動(dòng)問(wèn)題，而極端溫度波動(dòng)是導(dǎo)致任務(wù)失敗的主要原因。

3D Systems利用直接金屬打印(DMP) 技術(shù)、定制材料和 Oqton 的 3DXpert 軟件，幫助設(shè)計(jì)用于衛(wèi)星和探測(cè)航天器的下一代散熱系統(tǒng)。

△3DSystems 的 DMP Flex 200 金屬 3D 打印機(jī)。

其中一個(gè)項(xiàng)目由賓夕法尼亞州立大學(xué)、亞利桑那州立大學(xué)和美國(guó)宇航局格倫研究中心牽頭，并與3DSystems的應(yīng)用創(chuàng)新小組合作，重點(diǎn)研究鈦基熱管散熱器。這些組件采用增材制造技術(shù)，內(nèi)置嵌入式高溫被動(dòng)熱管，比現(xiàn)有解決方案重量減輕50%，工作溫度更高，從而改善了高功率系統(tǒng)的散熱性能。

第二項(xiàng)計(jì)劃由賓夕法尼亞州立大學(xué)和美國(guó)宇航局格倫中心牽頭，更進(jìn)一步，生產(chǎn)出首批采用鎳鈦諾形狀記憶合金 (SMA) 制成的功能部件之一。這些散熱器在受熱時(shí)會(huì)被動(dòng)展開，無(wú)需在太空中使用電機(jī)或執(zhí)行器。SMA 散熱器的展開與收起面積比是傳統(tǒng)解決方案的 6 倍，這對(duì)于立方體衛(wèi)星和小規(guī)模任務(wù)而言是一次飛躍。

△a. 增材制造形狀記憶合金 (SMA) 散熱器概念圖，其徑向熱管分支可從緊湊的收納狀態(tài)展開；b. 帶有高柔順性波紋管熱管臂的 SMA 原型演示器；c. SMA 分支波紋管熱管的熱圖像，顯示工作狀態(tài)接近等溫。圖片由賓夕法尼亞州立大學(xué)提供。

傳統(tǒng)熱管需要復(fù)雜的制造工藝來(lái)打造內(nèi)部的毛細(xì)結(jié)構(gòu)。此次，研究團(tuán)隊(duì)使用 3DXpert 軟件將多孔網(wǎng)絡(luò)直接嵌入管壁，并使用 DMP 對(duì)鈦和鎳鈦合金材料進(jìn)行單片打印。鈦水熱管在 230°C 的溫度下仍能可靠運(yùn)行，重量?jī)H為 3 千克/平方米（僅為標(biāo)準(zhǔn)型號(hào)重量的一半），符合NASA 的性能和發(fā)射成本基準(zhǔn)。

△a. 增材制造的高溫鈦合金熱輻射器原型，內(nèi)嵌分支熱管網(wǎng)絡(luò)（75×125 毫米和 200×260 毫米面板）；b. 散熱器 X 射線 CT 掃描，顯示用于被動(dòng)流體循環(huán)的內(nèi)部多孔芯吸層；c. 賓夕法尼亞州立大學(xué)博士生 Tatiana El Dannaoui 正在熱真空測(cè)試設(shè)施中安裝散熱器原型，以模擬太空環(huán)境運(yùn)行；d. 熱管散熱器在真空室內(nèi)運(yùn)行的熱圖像。圖片由賓夕法尼亞州立大學(xué)提供。

SMA 散熱器同樣帶來(lái)顯著優(yōu)勢(shì)：重量減輕 70%（<6 千克/平方米 vs. 19 千克/平方米），且展開/收起面積比提升 12 倍。材料的形狀記憶特性能夠通過(guò)內(nèi)部流體熱量激活，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)驅(qū)動(dòng)展開。

賓夕法尼亞州立大學(xué)副教授亞歷克斯·拉特納 (Alex Rattner) 表示：“我們與 3D Systems 的長(zhǎng)期研發(fā)合作關(guān)系為 3D 打印在航空航天應(yīng)用領(lǐng)域的開創(chuàng)性研究提供了支持。”

3D Systems 已經(jīng)交付了超過(guò)2,000 個(gè)結(jié)構(gòu)部件和 200 個(gè)無(wú)源射頻部件，這些部件目前正在飛行中，硬件集成到超過(guò) 15 顆活躍衛(wèi)星中。