CN110536789A - 用于在轨制造结构的增材制造系统 - Google Patents

Abstract

一种航天器包括航天器运载舱(100)。该航天器运载舱的增材制造系统包括用于输送原料以在航天器运载舱(100)外部打印物体的至少一个挤出机(110A、110B)。传感器用于确定航天器运载舱相对于天体的姿势。与增材制造系统和传感器通信的至少一个处理器根据航天器运载舱的姿势来控制增材制造系统的操作，以在航天器运载舱外部制造物体。

Description

用于在轨制造结构的增材制造系统

技术领域

本公开总体上涉及增材制造，并且更具体地，涉及通过3D打印在轨道中制造三维(3D)物体。

背景技术

3D打印是用数字模型制成任意形状的三维物体的增材制造过程，这些三维物体在被制成之后被送入外太空以供使用。例如，用于航天器(诸如太空探测器和通信卫星)的当前天线通常在地球的地面上以在外太空中的使用配置制造。这些天线必须经过精心设计，以能够承受在被容纳在飞向太空的航天器内时的升空的加速度和振动声力。这种力可以包括14G(G力或重力)的线性加速度、50G的宽带振动、138分贝(dB)的噪音水平以及高达500G的单次事件冲击(根据戈达德太空飞行中心的测试协议)。

因此，航天器中的旨在用于太空的大多数天线或同样地任何结构比它们执行它们主要任务时将需要的更坚固且更重(在零重力下是航天器上的天线或结构)。

由于航天器的发射成本和任务能力几乎完全由航天器的重量决定，因此寻找使重型过度设计天线更轻的方式具有重要价值。

全尺寸刚性天线的传统替代方案是将天线构造成能在地球的地面上、接着在被带到太空中之后以及在发射期间折叠；然后，诸如马达、烟火装置(“爆炸螺栓”)或热膨胀马达这样的机构释放折叠的天线，接着折叠的天线在轨道中展开成所期望的形状。

遗憾的是，这使得非常复杂和精细的展开机构容易出现许多问题，包括卡住，因为需要长的杠杆臂和低的弹簧力(由于在真空展开时因空气而没有粘性阻尼，因此必须保持力低)。这种类型的折叠天线的示例是Apollo ALSEP发射器天线，它由阿波罗宇航员在月球表面上展开并且手动瞄准地球。另一个不太幸运的示例是Galileo Jupiter探头上的可折叠天线，其中，天线是柔性的并被设计成像伞一样折叠；然而，18个伞形肋条中只有15个实际上脱离了它们的保持杯，从而保持天线部分折叠。这次失败极大地影响了从木星返回的科学数据的整体数据速率，从而使任务成本增加，同时花费资源来尝试解决问题；修复工作不成功，任务配置文件被更改为用故障天线可用的较低数据速率进行工作。展开天线只是在地面上制造结构然后将其发送到太空的许多问题之一。

例如，即使用可折叠的伞形天线，也存在结构限制，以致于可折叠的伞形天线可以是有效载荷发射室的最大可用尺寸的不大于两倍。这种结构限制直接影响了天线的操作方面，包括使最大数据速率降低。例如，由于航天器上的发射器功率非常有限同时需要高增益天线，因此紧聚焦的天线波束是对低发射器功率的最佳补偿。经典地，具有圆形孔径的任何电磁聚焦装置(无论是天线、透镜、显微镜或望远镜)的最紧密聚焦的波束角是1.22λ/d弧度，其中，λ是波长并且d是天线的直径，一个弧度是约57.7度的角度。因此，对于天线的紧聚焦，小波长(小λ)和大直径天线(大d)是最有利的。

因为在地面上制造的天线受到特定的结构限制，即必须折叠地装配在待发送到太空的航天器内，所以显著地限制了操作使用以及质量和可靠性。无线电天线设计中的传统经验法则是定向天线的尺寸应该为其正聚焦的波的波长的至少五倍，并且优选地小于其波长的二十倍。任何小于5倍直接影响了天线的操作使用，从而使方向性降低。另一方面，由于在天线表面上方保持所需的精度，导致大于工作波长的大小的二十倍的天线的构造成本成指数地更高。

第二个经验法则是，天线反射元件或表面(反射和折射二者)的定位必须被置于理想位置的λ/4范围内，并且以大于λ/10的精度放置对聚焦清晰度的益处不明显，仅仅增加了生产成本和最终重量。

考虑以中等大的卫星和小波长为例，可使用S频带微波发射器(λ约等于100mm)和直径为1米的刚性不可折叠盘来实现精确的波束聚焦。从月球轨道看，这种配置提供了12:1的波束角，约10度，是地球直径的约两倍。然而，在UHF(λ＝700mm)的440MHz处，所述的1米盘作为定向天线实际上是无用的，因为该盘没有明显大于一个波长且1.22λ/d大于1弧度，也就是说，波束超过60度宽。

对于诸如“立方体卫星”这样的较小卫星而言，问题加剧，其中，整个航天器可能远远小于UHF频带中的一个波长(例如，加利福尼亚理工学院立方体卫星计划中允许的最大航天器为100mm×100mm×300mm)；半径为300毫米的完全可折叠的盘将没有任何丝毫方向性；用半径为50mm(将装配在立方体卫星中的最大值)的刚性盘改变卫星以在100mm波长S频带上操作将不足以使天线定向，因为1.22λ/d仍然将远超过1。

虽然立方体卫星计划本身是针对教育用户的，但是出于其他目的，正在探索其他微型卫星(非常小的卫星)的思路，特别是对于低地球轨道通信和资源卫星，并且适用于这些卫星的定向天线技术将非常有价值。

总而言之，卫星上的大型天线是“冲突的目标”。冲突在于，增加天线尺寸以提供改进的操作使用方向性、节省发射器功率以及即使在深空任务中也允许高数据速率，该目标与具有对于极端的G力和火箭发射的振动是强有力的紧凑且重量轻的太空探测器的目标相冲突。

因此，在该技术领域中需要用于太空中的操作天线和其他结构的重量轻且尺寸不受限制，以能够胜过在太空中发送的传统天线的限制。

发明内容

[技术问题]

本公开涉及用于增材制造的系统和方法，并且更具体地，涉及通过3D打印在轨道中制造三维(3D)物体。

本公开的实施方式是基于以下认识：为了在航天器外部制造大型物体，航天器具有带3D打印机以及控制航天器相对于天体的姿势的可控制的增材制造系统。航天器的传感器可确定航天器相对于天体的姿势。其中，与增材制造系统和传感器通信的处理器根据航天器的姿势来控制增材制造系统的操作，以在航天器外部制造物体。

增材制造系统包含原料，诸如用于构造所期望物体的材料。原料容器诸如为用于长丝原料的线轴或用于液体和浆料原料的罐或注射器。根据所使用的原料，有可能原料会没有容器。增材制造系统可具有双组分催化剂/树脂原料以及原料进料装置，诸如用于长丝原料的长丝驱动绞盘和带有马达驱动器的夹送辊或用于流体原料的机动泵或机动注射器。至少一个挤出机(诸如喷嘴)将原料放置在特定位置处。例如，在原料是热塑性的情况下，增材制造系统可具有挤出机，该挤出机包括用于熔化原料的加热器和温度传感器。虽然增材制造系统的类型可使用液体原料，但是挤出机可包含在被放置在特定位置中之前将树脂和催化剂液体混合的混合装置。定位系统将带有挤出原料的挤出物相对于所期望物体的位置放置在特定所期望位置处。另外，计算机或其他处理器具有存储器。该存储器本身可包含指令集，该指令集指定了原料移动速率的控制、温度的控制和挤出机中的混合以及挤出机相对于正构造的物体的速度和运动的控制(还有其他)的同时定时和执行。另外，处理器可以按顺序指定用于构造所期望物体的定时执行这些指令以及其他指令。

处理器可以是诸如Arduino甚至Raspberry Pi这样的消费者现货(COTS)单板微处理器。在这种特定情况下，微处理器可包含诸如键盘控制器、图形显示发生器这样的卫星中不需要的辅助功能，但是这些装置的成本和可用性使它们没有订做的定制微处理器控制器昂贵。

由于打算使用3D打印机来制造比航天器大的物体(还有其他物体)，因此需要克服太空中恶劣的环境条件。太空中的环境条件是包含低密度的颗粒以及包括电磁辐射、磁场、中微子、尘埃和宇宙射线的高度真空。当前地球上的3D打印技术没有考虑到太空中的微重力环境的影响或效应。微重力和高度真空环境的一些效应可包括影响3D打印的热过程、原料的熔体流动过程、原料的熔融结晶过程、控制打印精度和机械性能的打印机硬件构造。

最初，选择解决其中一些效应以确保3D打印机在太空中的运行。具体地，需要克服与操作3D打印相关的问题，涉及极高水平的光和辐射以及极高和极低的温度。例如，这样的环境条件/效应使3D打印过程被中断或停止，因为3D打印需要特定的操作环境来挤出原料，也就是说，如果原料是光固化材料或由于温度而变形的其他类型的材料的话。如果原料被暴露太高水平的光和辐射和/或高或低水平的温度，则挤出过程由于过早固化而停止，从而导致挤出机因固化的原料被堵住/堵塞。另外，如果原料是由于温度而改变形状的材料类型或者需要固化时间或固化暴露于紫外线以实现所期望的材料的强度和耐久性特性，则部分打印的物体或最近制造的物体在暴露于如此苛刻的条件时会变形。

需要考虑的另一个辅助问题是，将增材制造系统的其他部件/元件暴露于这些恶劣环境。特别地，在制造之前、期间或之后，由于太空的恶劣环境条件，增材制造系统的部件/元件将不会变得不可操作或有缺陷。

在太空中使用3D打印机在航天器外部制造大型物体的实现是进一步基于克服现今太空探索所面临的当前问题。例如，如何克服太空中使用的一些当前装置(诸如，天线)的技术限制，因为现今的天线由于必须被放置在航天器内而尺寸太小。具体地，天线技术限制是由于基于用于将物体(即，天线)从地球运送到太空中的航天器有效载荷尺寸的结构限制需要而造成的。天线的尺寸受关于波传播的物理定律的支配。为此，天线通常需要比航天器本身更大，以便提供满足现今的通信技术的技术进步还有其他类型技术的性能水平。

在试图解决这个问题时，考虑如何将尺寸比航天器尺寸大的物体运送到太空中。要理解，为了将天线运送到太空中，天线在发射期间需要额外的支撑来处理重力(G)，这大幅增加了发射成本。还要考虑确认关于在发射期间在地面上构造可折叠天线的新技术概念，天线将在轨道上展开成所期望的形状。然而，由于可折叠天线的展开机制容易出错，导致这种方法被迅速驳回。

对重天线问题的解决方案是不在地面上构造天线，而是一旦航天器已到达标称轨道并且预计没有其他高重力动作，就通过在轨道中进行3D打印来制造天线。因此，通过进一步的实验，认识到，只有当考虑航天器相对于附近天体的姿势时，才可直接在太空中使用3D打印机和打印天线或任何其他大型物体。通过控制航天器的姿势，控制了3D打印机的打印区域中的环境，从而确保了打印机的可操作性和3D制造过程的质量。

可使用确定相对于天体的姿势的传感器来获得航天器姿势。例如，航天器的姿势可包括航天器的空间方位角和航天器相对于天体的轨道位置中的一者或其组合。天体可来自由太阳、地球、月球或恒星组成的组。决定使用与增材制造系统和传感器通信的处理器根据航天器的姿势来控制增材制造系统的操作，以在航天器外部制造物体(即，在这种情况下，天线)。航天器可被称为航天器运载舱或某个其他术语参考，只要该参考是指太空中使用的任何船只。

通过控制航天器姿势，能够控制航天器相对于天体的定向、源自航天器移动的光和辐射的改变速率以及极高和极低的温度(还有其他)，使得增材制造系统可在太空中利用3D打印机来打印大型物体。如上所述，航天器将包括具有3D打印机和至少一个传感器的可控增材制造系统。预料到，增材制造系统可被容纳在航天器的一部分内，并且经由位于航天器的外表面上的外门在航天器外部进行操纵。然而，预料到增材制造系统的位置和可操纵性性的其他配置。

还认识到，还可通过包含命令系统或太空环境命令系统来控制3D打印机的打印区域中的环境。例如，命令系统可包括涉及对邻近挤出机或航天器外部的3D打印机的打印区域中的太空环境条件进行确定、控制或这二者的多个特征。例如，命令系统可通过以下装置确定3D打印机的打印区域中的环境条件：(1)用于确定温度的温度传感器；(2)光和辐射传感器，其用于确定光和辐射水平；(3)可控保护罩，其可控制地屏蔽邻近挤出机区域的曝光量和辐射曝露量，诸如可能期望抑制来自月球的背散射紫外线(“月球背散射”)，该背散射紫外线可能过早地使UV固化树脂硬化，即便航天器本身处于地影中；以及(4)可控监视装置，其包括用于在制造物体之前、期间和之后控制和监测增材制造过程的成像装置或相机，还有其他装置。命令系统可通过使用以下装置控制3D打印机的打印区域中的环境条件：(1)可控光反射器，其用于将一定水平的光可控制地射出、反射或阻挡到原料的表面上；(2)可控光源，其在诸如固化原料这样的打印过程期间使用，光源具有多个水平的波束，或者用于提供挤出过程的监视光，还有其他。

根据正构造的天线或结构的细节以及要利用的原料材料，如果仅需要将材料放置在相对于航天器运载舱的特定X、Y、Z位置处正构建的物体上，则相对简单的三自由度的打印系统可能就足够了。其他情形，诸如放置包含长纤维的原料(所述长纤维要么是出于电磁原因的导电纤维，要么是增加刚性、提供尺寸稳定性或增加物体结构强度的高强度材料的长纤维，可能需要四个或五个自由度(诸如，平移时的X、Y和Z，以及挤出机相对于正制造的物体的局部表面形状的旋转时的A和B。根据特定的超材料结构设计，由导电铜自粘谐振器构成的原料可能需要总共四个、五个甚至六个自由度(平移时的X、Y和Z以及旋转时的A、B和C)。

另外，可考虑，挤出机的进料动作本身是必须控制的自由度；也可主动控制温度和压力，也必须控制在放置之后就立即固化放置好的原料的诸如蓝光或紫外线LED或激光这样的任何辅助光源的强度和在X、Y、Z、A和B中的定位，并且最后，如果使用辅助偏转器或部分模具，则必须控制辅助偏转器或部分模具的位置、温度和可能的振动或其他致动。

为了更好地理解本公开的实现方式，根据至少一些实施方式提供至少一种实现3D打印的方法。例如，通过非限制示例，最初航天器在发射期间仅将坚固的低增益全向天线运送到轨道即外空中，其中，可能发生可能是高重力事件的初始操纵。航天器的高增益天线尚不存在；将在轨道中构造它。

一旦进入目标轨道，就会启动带有适宜端部凸缘的吊杆。该端部凸缘可用作底板，并且3D打印机挤出头可用于构造所期望的天线形状。用于3D打印机的进料材料可优选为以下之一：耐高温UV的热塑性长丝；或热固性/光固化液体树脂；或是在明亮光或UV下交联以变成热固性进而耐温的热塑性长丝。另一种可能性是重结晶聚合物，诸如HT-PLA，在该聚合物中，成核辅助添加剂被添加到长丝中；在暴露于接近其蠕变温度的温度几分钟之后，成核添加剂致使由玻璃状挤出聚合物形成大规模晶体，从而显著提高玻璃化转变温度。根据本公开的一些方面，可能的是，商业产品可具有在200℃的范围内的熔垂温度，该温度允许在直射阳光下进行在轨操作。

用于这种在轨构造的添加材料的优点在于，虽然材料在它经历最终固化或结晶时可能产生某种相对小的尺寸变化或“蠕变”。特别是，这些运动小，并且如果在固化过程期间仅添加地沉积一层或几层材料，则表面位置的总误差可能足够小，使得被挤出原料的下一轮(由定位系统精确放置)将适应小的固化蠕变误差。因此，没有累积误差，并且所构造物体的尺寸和形状将是准确的。

也可使用用于3D打印的其他材料；特别是，金属和陶瓷可具有在本公开中使它们的设计使用具有吸引力的热特性或电特性。如果天线阵列将用作反射器，诸如铝-锌合金、铝合金这样的金属或诸如Vitreloy 1(41％Zr，14％Ti，12％Co，10％Ni和22％Be)这样的大块金属玻璃将提供刚性结构和电磁导电表面(或用于使用背板结构的超材料单位单元的导电背板)。天线结构不需要是平坦的，它可以是不平坦的和/或涵盖多种形状，包括平坦部分以及非平坦部分。

为了有效地操纵无线电波，天线结构将需要要么导电(通过使用金属或导电进料材料，例如，装载有石墨烯的长丝)，要么被致使在轨导电(诸如，通过铝蒸发器/溅射器)或附接有导电层(即，粘合金属化聚酯薄膜)。可能不必根据应用完全3-D打印天线的整个表面，仅部分地打印网格(可能是三角形或六边形)可足以将金属化聚酯薄膜或开口环谐振器保持在适当位置。出于许多原因，天线支撑结构体积的这种减小可能特别有吸引力，因为必须运输到轨道的质量较小，操纵天线的力较小等。

[问题的解决方案]

根据本公开的实施方式，包括一种具有航天器运载舱的航天器。该航天器运载舱包括增材制造系统，该增材制造系统具有用于输送原料以在航天器运载舱外部打印物体的至少一个挤出机。航天器运载舱的传感器用于确定航天器运载舱相对于天体的姿势。与增材制造系统和传感器通信的至少一个处理器根据航天器运载舱的姿势来控制增材制造系统的操作，以在航天器运载舱外部制造物体。

根据本公开的另一实施方式，一种航天器包括具有内罩的航天器运载舱，其中，每个内罩都具有包括对角线尺寸的一组尺寸。该航天器运载舱包括增材制造系统，该增材制造系统具有用于输送原料以在航天器运载舱外部打印物体的至少一个挤出机。航天器运载舱的传感器用于确定航天器运载舱相对于天体的姿势。与增材制造系统和传感器通信的至少一个处理器用于根据航天器运载舱的姿势来控制增材制造系统的操作，以在航天器运载舱外部制造物体。其中，制造出的所述物体的对角线尺寸中的至少一个尺寸大于航天器运载舱的所有内罩的所述一组尺寸或所述对角线尺寸中的任一个。

根据本公开的另一实施方式，一种航天器包括具有内罩的航天器运载舱，其中，每个内罩都具有包括对角线尺寸的一组尺寸。该航天器运载舱的增材制造系统包括用于输送原料以在航天器运载舱外部打印物体的至少一个挤出机。至少一个传感器用于确定航天器运载舱相对于天体的姿势。命令系统用于对太空中的邻近挤出区域的环境条件进行确定、控制或这二者。与增材制造系统、传感器和命令系统通信的至少一个处理器根据航天器运载舱的姿势并结合命令系统对邻近挤出机的区域的环境条件的确定或对环境条件的控制来控制增材制造系统的操作，以在航天器运载舱外部制造物体。其中，制造出的物体的对角线尺寸中的至少一个尺寸大于航天器运载舱的所有内罩的所述一组尺寸或所述对角线尺寸中的任一个。

将参照附图来进一步说明目前公开的实施方式。附图不一定按比例示出，而是重点通常放在例示目前公开的实施方式的原理。

附图说明

[图1]

图1是例示本公开的实施方式的一些部件的示意图。

[图2]

图2是例示根据本公开的实施方式的图1的实施方式的一些方面的示意图，示出了在发射之前和期间以及恰好在自增强器起初始部署之后(尚未构造所期望的高增益天线)的航天器的一方面。

[图3]

图3是例示根据本公开的实施方式的图1的实施方式的一些方面的另一示意图，具体是构造高增益天线中的第一步骤。

[图4A]

图4A是例示根据本公开的实施方式的图1的实施方式的一些方面的另一示意图，其中，图1的一些部件部分地远离航天器延伸，并且还示出了挤出机。

[图4B]

图4B是例示根据本公开的实施方式的图4A的实施方式的一些方面的另一示意图，其中，3D打印的支撑结构150I此时由于打印过程已开始而更大。

[图5]

图5是例示根据本公开的实施方式的图4B的实施方式的一些方面的另一示意图，其中，连续构建过程的状态已前进，使得3D打印的支撑结构150I此时由于进一步地如图4B中例示的打印过程而更大。

[图6]

图6是例示根据本公开的实施方式的图5的实施方式的一些方面和连续打印构建过程的另一示意图，示出了两个完整环的超材料开口环谐振器单元的在适当位置。

[图7]

图7是例示根据本公开的实施方式的图6的实施方式的一些方面和连续打印构建过程的另一示意图，示出了超材料开口环谐振器单元的三个完整的环在适当位置和打印已完成。

[图8A]

图8A是例示根据本公开的实施方式的从不同视角看的图7的实施方式的一些方面的其他示意图。

[图8B]

图8B是例示根据本公开的实施方式的从不同视角看的图7的实施方式的一些方面的其他示意图。

[图9]

图9示出根据本公开的实施方式的准备就绪的整个抛物面天线。

[图10]

图10是例示根据本公开的实施方式的设置在感测环境条件的航天器运载舱的外表面上的命令系统的传感器的示意图。

[图11]

图11是例示根据本公开的实施方式的控制太空中的邻近挤出机的区域或靠近其他部件的其他区域的环境条件的一些方面的示意图。

[图12]

图12是例示根据本公开的实施方式的控制太空中的邻近挤出机的区域或靠近其他部件的其他区域的环境条件的其他方面的示意图。

[图13]

图13是例示根据本公开的实施方式的与图9的命令系统通信的处理器或计算机的框图，该处理器或计算机可使用替代的计算机或处理器来实现。

具体实施方式

以下描述仅提供了示例性实施方式，并且不旨在限制本公开的范围、适用性或配置。确切地，示例性实施方式的以下描述将为本领域的技术人员提供用于实现一个或更多个示例性实施方式的可行描述。预料到，可在不脱离随附权利要求书所阐述地公开的主题的精神和范围的情况下，在元件的功能和布置方面进行各种改变。

在以下描述中给出了具体细节以便透彻理解实施方式。然而，如本领域的普通技术人员理解的，可在没有这些具体细节的情况下实践实施方式。例如，所公开的主题中的系统、过程和其他元件可按框图形式示出为部件，以便不以不必要的细节模糊实施方式。在其他情形下，可在没有不必要细节的情况下示出公知的过程、结构和技术，以避免模糊实施方式。另外，各个附图中的类似的参考标号和名称指定类似的元件。

另外，各个实施方式可被描述为被描绘为流程图、流程示图、数据流程图、结构图或框图的过程。虽然流程图可将操作描述为顺序过程，但是这些操作中的许多可并行或同时地执行。另外，可重新排列操作的顺序。可在过程的操作完成时终止该过程，但是该过程可具有未在图中讨论或未被包括在图中的附加步骤。此外，并非所有实施方式中都出现特定描述的任何过程中的所有操作。过程可对应于方法、函数、程序、例程、子程序等。当过程对应于函数时，函数的终止可对应于函数返回到调用函数或主函数。

此外，所公开的主题的实施方式可至少部分地手动或自动地实现。可通过使用机器、硬件、软件、固件、中间件、微代码、硬件描述语言或其任何组合来执行或至少辅助手动或自动实现。当用软件、固件、中间件或微代码实现时，用于执行必要任务的程序代码或代码段可被存储在机器可读介质中。处理器可执行必要的任务。

概述

本公开涉及用于增材制造的系统和方法，并且更具体地，涉及通过3D打印在轨道中制造三维(3D)物体。

本公开的实施方式是基于以下认识：为了在航天器外部制造大型物体，航天器具有带3D打印机以及控制航天器相对于天体的姿势的可控制的增材制造系统。航天器的传感器可确定航天器相对于天体的姿势。其中，与增材制造系统和传感器通信的处理器根据航天器的姿势来控制增材制造系统的操作，以在航天器外部制造物体。

最初，选择解决如何克服太空中的环境效应，以确保3D打印机在航天器外部的操作。具体地，需要克服与操作3D打印机相关的问题，涉及极高水平的红外辐射、可见光和紫外线辐射以及极高和极低的温度以及缺乏导致缺乏对流冷却的气氛(实际上，自由太空中的每个物体都处于真空绝热的传热等效物中，即，“Thermos”牌的瓶子)，还有其他。例如，这种环境效应使3D打印过程被中断或停止，使得3D打印需要特定的操作环境以在挤出之前和挤出期间以及在挤出之后从挤出机挤出原料。例如，如果原料是由于存在紫外(UV)光而聚合化的光固化材料或其他类型的材料。例如，如果原料被暴露于太高水平的光和辐射和/或高或低水平的温度，则挤出过程由于过早固化或原料被冷冻而停止，从而导致挤出机因固化的原料或部分打印物体的变形被堵住/堵塞。其中，部分变形的打印物体或最近制造的物体接着变得有缺陷且不可用。

当在太空中进行3D打印时需要考虑的另一个辅助问题是，将增材制造系统的其他部件/元件暴露于这些恶劣环境。特别地，在制造之前、期间或之后，由于这些恶劣环境条件，增材制造系统的部件/元件不会变得不可操作或有缺陷。

然而，尽管有以上环境太空挑战，但是认识到，通过在太空中使用3D打印机，克服了卫星天线制造和部署所面临的现今问题中的许多问题。例如，如何克服太空中使用的现今装置(诸如，天线)的技术限制，这是由于天线的尺寸太小，从而限制了其使用。具体地，天线技术限制是由于基于用于将物体(即，天线)从地球运送到太空中的航天器有效载荷尺寸的它们的结构限制需要(小尺寸)而造成的。另外，包装到航天器中的天线需要被过度构造，以处理重力(G)以耐受发射到太空中，这使得天线非常重。注意的是，本公开考虑3D打印机可包括其他尺寸的打印机，诸如四维(4D)打印机、五维(5D)打印机或六维(6D)打印机。

天线的尺寸受关于波传播的物理定律的支配。为此，在太空中构造的天线需要比航天器本身更大，以便提供满足现今的通信技术的技术进步的性能水平。针对小天线尺寸和重天线的现今问题的解决方案是不在地面上构造天线，而是在轨道中通过3D打印制造天线。一旦航天器达到标称轨道，就预计没有进一步高重力动作，因此在太空中制造的天线不需要具有在地面上制成的天线的特性。因此，认识到，只有当考虑航天器相对于某个天体的姿势时，才可直接在太空中使用3D打印机和打印天线或任何其他大型物体。通过控制航天器的姿势，控制了3D打印机的打印区域中的环境，从而确保了打印机的可操作性和3D制造过程的质量。

可使用确定相对于天体的姿势的传感器来获得航天器姿势。例如，航天器运载舱的姿势可包括航天器运载舱的空间方位角和航天器运载舱相对于天体的轨道位置中的一者或其组合。天体可来自由太阳、地球、月球或恒星组成的组。决定使用与增材制造系统和传感器通信的处理器根据航天器运载舱的姿势来控制增材制造系统的操作，以在航天器外部制造物体(即，在这种情况下，天线)。航天器可被称为航天器运载舱或某个其他术语参考，只要该参考是指太空中使用的任何船只。通过控制航天器姿势，能够控制航天器相对于天体的定向、源自航天器移动的光和辐射的改变速率以及极高和极低的温度(还有其他)，使得增材制造系统可在太空中利用3D打印机来打印大型物体。

还认识到，还可通过包含命令系统或太空环境命令系统来控制3D打印机的打印区域中的环境。命令系统可包括涉及对邻近挤出机或航天器外部的3D打印机的打印区域中的太空环境条件进行确定、控制或这二者的多个特征。

例如，命令系统可通过以下装置确定3D打印机的打印区域中的环境条件：(1)用于确定温度的温度传感器；(2)光和辐射传感器，其用于确定光和辐射水平；(3)可控保护罩，其可控制地屏蔽邻近挤出机区域的曝光量和辐射曝露量；以及(4)可控监视装置，其包括用于在制造物体之前、期间和之后控制和监测增材制造过程的成像装置或相机，还有其他装置。命令系统可通过使用以下装置控制3D打印机的打印区域中的环境条件：(1)可控光反射器，其用于可控制地将一定水平的光反射到原料表面上；(2)可控光源，其在诸如固化原料这样的打印过程期间使用，光源具有多个水平的波束，或者用于提供挤出过程的监视光，还有其他。

另外，许多当前光聚合物制造系统使用两阶段固化过程；光聚合过程的第一部分在低UV强度下相对容易触发，并且将原料从可挤出的流体、凝胶、浆料或膏体转化为刚性但可能不是坚固的材料。在高得多的UV强度下进行的第二次曝光然后将刚性化的材料交联成其最终的高强度环境稳定形式。

图1是例示本公开的实施方式的一些部件的示意图。在图1中，航天器运载舱100被朝向顶部示出，其中，面向天底点(例如，朝向地球)的面105在最顶部。挤出机110A和110B在航天器运载舱100的一侧是可见的。可伸展吊杆120将航天器运载舱100附接到倾斜马达130，倾斜马达130进而附接到旋转马达140。3D打印的机械支撑结构150附接到旋转马达140的输出轴，3D打印的机械支撑结构150将多个超材料单位单元160A、160B等保持在其适当的位置。预料到，增材制造系统的操作可包括基于航天器运载舱的姿势将挤出机110A、110B从航天器运载舱的内罩移动到航天器运载舱的外部。

仍然参照图1，一旦航天器处于目的地轨道处，就可启动具有适宜的端部凸缘150I的可伸展吊杆120。该端部凸缘150I可用作底板，并且3D打印机挤出头110A、110B或挤出机可用于构造所期望的天线形状。用于3D打印机的进料材料可优选为以下之一：耐高温UV的热塑性长丝；或热固性/UV固化液体树脂；或是在UV下交联以变成热固性进而耐温的热塑性长丝。另一种可能性是诸如HT-PLA这样重结晶的聚合物，在该聚合物中，成核辅助添加剂被添加到长丝中；在暴露于接近其蠕变温度的温度几分钟之后，成核添加剂致使由玻璃状挤出聚合物形成大规模晶体，从而显著提高玻璃化转变温度。

也考虑用于3D打印的其他材料；特别是，金属和陶瓷可具有在本公开中使它们的设计使用具有吸引力的热特性或电特性。根据天线阵列用作反射器，诸如铝-锌合金、铝合金这样的金属或诸如Vitreloy 1(41％Zr，14％Ti，12％Co，10％Ni和22％Be)这样的大块金属玻璃可提供刚性结构和电磁导电表面(或用于使用背板结构的超材料单位单元的导电背板)，还有其他。在通过热熔沉积的材料的情况下，材料的选择可很好地由待选择的低熔点(对于金属)或低密度的合金来驱动，而非由高强度的来驱动。例如，因为原料必须被发射到轨道并且在轨熔化可能需要大量的电能，这在航天器上可受到限制。然而，如果可构建发射系统以包括太阳能聚光器，则部分或全部熔化能量可源自可自由获得的太阳辐射，这样可创造远离有机聚合物并有可能趋向金属或陶瓷的设计机会或平衡。

当考虑鉴于本公开的天线结构时，该形状可以是平坦的、非平坦的或包含多种形状中的一种或其组合。天线反射器构造的至少一种方法可包括：吊杆延伸部在吊杆端部处以两个旋转自由度起作用以产生抛物面天线结构。在另一种方法中，可包括吊杆端凸缘150I或3D打印的机械支撑结构可保持基本垂直于吊杆120并且天线结构是平坦的。

仍然参照图1，为了有效地操纵无线电波，天线结构将需要要么导电(通过使用金属或导电进料材料，例如，装载有石墨烯的长丝)，要么被致使在轨导电(诸如，通过铝蒸发器/溅射器)或附接有导电层(即，粘合金属化聚酯薄膜)。第四种可能性可以是使用介电天线聚焦布置，但是因为介电天线通常使用大量材料，这最初不如以上提到的其他三种方法吸引人。

在构造期间在天线中添加粘合反射材料可能特别有吸引力，因为反射材料可要么是基本上连续的(即，镀铝聚酯薄膜，其非常薄，因此其物理尺寸的重量非常低)，或者它可以是小的超材料单位单元160A、160B。超材料单位单元160A、160B可作为开口环谐振器，其与柔性印刷电路板技术类似地制造，约0.1mm厚)，该开口环谐振器可提供透镜状(辐射“穿过”所构造的天线)或抛物面状聚焦(所构造的天线像镜子一样)，还有其他。

在任一种情况下，不需要完全3-D打印天线的整个表面，例如，部分打印将足以，从而仅打印足以将金属化聚酯薄膜或开口环谐振器保持在适当位置的网格(可能是三角形或六边形)。因此，出于许多原因，天线支撑结构的体积这种减小可能特别有吸引力，尤其是因为必须运输到轨道的质量较小，这涉及推力较少(即，燃料较少)、较大的可操纵性、需要运输到轨道中的材料较少等。

仍然参照图1，对于基于超材料的天线，根据应用将天线支撑结构3D打印为扁平三角形或六边形阵列可能是优选的，并且可使谐振器160A、160B到达该阵列上的特定位置处。例如，考虑基于超材料的六边形阵列天线，其中心六边形由天线支架占据，由具有六个单元的一个内六角环和具有12个单元的外周环包围。在这种情况下，对于超材料单元，距离天线中心线有三个不同的半径，所以将需要三种不同的谐振器配置。这三种配置可针对所期望的工作频率进行预先计算，并且可在发射之前通过传统技术制造，或者根据需要进行在轨打印。

另一替代方案可以是使用类似的开口环谐振器160A、160B来产生超材料，但是作为将开口环谐振器160A、160B放置成六边形阵列的替代，将把它们放置在旋转对称回路中。

另选地，作为预制的开口环谐振器160A、160B的替代，卫星可配备两个打印头，例如，第一打印头可挤出绝缘材料，并且第二3D打印头可挤出导电材料，由此将超材料谐振器160A、160B或导电段打印到位。

仍然参照图1，根据本公开，注意的是，阵列(诸如，平板)的机械形状并不暗示超材料的“电磁形状”。例如，根据应用，具有适当配置(和非均匀)单位单元的超材料的平板可被配置为平面镜，或者配置为弯曲入射波方向的棱镜，或者配置为衍射光栅(产生平面入射波的光谱色散)，或者配置为抛物面反射器，从而将入射波反射到焦点(从源自焦点的波产生平行输出波束)，或者配置为透镜，从而透射和弯曲入射的电磁波以将其聚焦在一个点处(或者从源自焦点的波产生平行波束。

根据本公开的一些方面，超材料“透镜”或“抛物面反射器”可被配置为在轴上模式下牺牲一些波束紧密度，以用于更平坦的场和更少的斜视(波束中断)。这相当于优化用于宽平场的高质量相机镜头，即使它在小程度上牺牲了中心锐度。

关于航天器运载舱的所述相对于天体的姿势，传感器可用于确定航天器运载舱相对于天体的姿势，姿势是航天器相对于恒星的旋转位置加上航天器相对于航天器正在绕其轨道运行的行星或恒星体的轨道位置，加上所有相关行星或恒星体相对于航天器的针对航天器的角位置和可视性，包括其他星体的遮蔽效应。作为复合测量结果的姿势通常由导航无线电(GPS)、陀螺仪(惯性导航)和太阳或恒星跟踪相机的组合产生的。姿势是本公开的重要方面，因为多种实现方式当中的至少一种优选的实现方式使用通过蓝光和紫外光聚合的原料。因此，在许多方面当中，姿势的照明和遮蔽方面与本公开相关。与增材制造系统和传感器通信的至少一个处理器根据航天器运载舱的姿势来控制增材制造系统的操作，以便在航天器运载舱外部制造物体。这样，在增材制造系统正在太空中的航天器运载舱外部制造物体的同时，传感器可将数据发送到处理器。

另外，航天器运载舱的姿势可包括航天器运载舱的空间方位角和航天器运载舱相对于天体的轨道位置中的一个或其组合，使得天体来自由太阳、地球、月亮或恒星组成的组。

例如，可在航天器运载舱上安装空间方位角控制系统，用于提供动力以将航天器运载舱的姿势保持在一组目标姿势处或一组目标姿势附近。其中，所述一组目标姿势由存储在与处理器通信的内存中的一组预定姿势确定。其中，空间方位角控制系统由反作用轮、控制力矩陀螺仪、磁力扭矩器、冷气推进器、单推进剂推进器、双组元推进剂推进器、霍尔效应推进器或离子推进器中的一者或更多者构成。

图2是例示根据本公开的实施方式的图1的实施方式的一些方面的示意图，其中，图1的所有部件都被容纳在航天器内。在图2中，航天器以它将正常被传送到地球轨道或在行星际飞行路径的起点处的配置示出。图1中示出的所有部件都被容纳在航天器运载舱100内。高增益天线尚不存在——在航天器进入轨道中之后将构造它。

在航天器运载舱100的底部处，RF喇叭天线115是可见的。在喇叭天线115内，3D打印的机械支撑件150的初始构建是可见的且不完整的，因此被指定为150I。为了确保最终3D打印的天线150坚固地附接并且避免构建部分的常见3D打印故障模式(该构件部分在构建期间无法保持附接到构建压板)，至少一个实施方式是使用与在轨构建相同的材料原料(或兼容材料)在标准3D打印机上构建初始3D打印的支撑结构150I，然后将初始3D打印的支撑结构150I机械地闩上/夹持到旋转马达140的输出轴。这是确保在初始3D打印的支撑结构150I上持续3D打印直至最终3D打印的机械支撑结构150不会由于打印材料在构建期间无法附接或意外分离而失败的至少一种方法。

图3是例示根据本公开的实施方式的图1的实施方式的一些方面的另一示意图，其中，图1的一些部件部分地远离航天器延伸。在图3中，3D打印天线的初始部署已开始。可伸展吊杆120已从航天器运载舱100伸出，从而露出了喇叭天线115、倾斜马达130和旋转马达140中的多者。3D打印的机械支撑件150I的初始部分保持附接到旋转马达140。

图4A是例示根据本公开的实施方式的图1的实施方式的一些方面的另一示意图，其中，图1的一些部件部分地远离航天器延伸，并且还示出了挤出机。在图4A中，倾斜马达130已被致动，转动90度，移动旋转马达140和初始3D打印的支撑结构150I与挤出机110B相遇。同时，挤出机110A和110B可从航天器运载舱100伸出到操作位置。在该位置，挤出机110B此时可开始挤出到初始3D打印的支撑结构150I上。

此时，3D打印过程开始。随着挤出机110B挤出原料(该原料粘附到3D打印的支撑结构150I然后硬化)，旋转马达130使初始3D打印的支撑结构150I旋转经过挤出机110B，从而致使3D打印的支撑结构在尺寸上增大并形成所期望的平坦支撑结构形状。随着材料硬化，旋转马达140旋转，并且可伸展吊杆120根据需要伸展和缩回，以保持挤出机110B和3D打印的支撑结构150I的适当相对位置，以连续3D打印。倾斜马达130用来保持挤出机110A和110B与部分完成3D打印的支撑结构150I之间的适当定位。

仍然参照图4A，为了有助于图中的视觉清晰度，挤出机110A和110B被示出为与航天器运载舱100的长轴平行定向。这不是强制性的；根据挤出机110A和110B的细节，位置可横向于航天器运载舱100的长轴。如果单个材料对于整个天线的构建将是足够的，则仅需要一个挤出机110A并且将省略挤出机110B。

另外，为了清楚起见，挤出机110A和110B被示出为平行于旋转马达140的轴线挤出。取决于所使用原料的细节和所期望的天线反射器设计，可能是以下的情况：挤出机110A和110B应该替代地基本上平行于可伸展吊杆120的长轴线挤出。

图4B是例示根据本公开的实施方式的图4A的实施方式的一些方面的另一示意图，其中，3D打印的支撑结构150I此时由于打印过程已开始而更大。具体地，发现3D打印的支撑结构150I此时大得足以开始应用超材料单位单元160，无论是通过粘合剂转移还是通过挤出机110A挤出导电材料。

仍然参照图4B，110A是与结构挤出机110B相同类型的挤出机，但是应该理解，110A可以是用于容纳不同种类原料的不同类型的挤出机，或者可以是用于将预制的单位单元转移到3D打印的支撑结构150I上的粘合剂转移/压模机构。也可能是有用的是，在位于110A位置处的粘合转移机构处具有由马达致动的辅助支撑臂或钩以将压力施加到3D打印的支撑结构150I的背面，从而确保任何粘附转移的超材料单元或薄金属化聚酯薄膜导电部分被牢固施加。

图5是例示根据本公开的实施方式的图4B的实施方式的一些方面的另一示意图，其中，连续构建过程的状态已前进，使得3D打印的支撑结构150I此时由于进一步地如图4B中例示的打印过程而更大。例如，3D打印的支撑结构150I已旋转经过挤出机110A和110B，每个挤出机挤出其相应原料(包括导电材料)，从而产生超材料开口环谐振器单元160C和160D等以及大得多的3D打印的支撑结构150I。可伸展吊杆120、旋转马达140和倾斜马达130都与挤出机110A和110B结合进行操作，以持续通过挤压构建天线。

图6是根据本公开的实施方式的图5的实施方式的一些方面和连续打印构建过程的其他示意图。3D打印的机械支撑结构150I此时具有在适当位置的两个完整环的超材料开口环谐振器单元160。

图7示出该特定实施方式和/或应用的打印完成时的状态。整个超材料阵列此时准备就绪。此时，致动倾斜马达130，以驱动3D打印的支撑结构150相对于航天器运载舱100和可伸展吊杆120的长轴线垂直。在该特定实施方式中，超材料阵列160看起来是机械平坦的，但是它在电磁学上表现为抛物面反射器。如上所述，这提供了光束的聚焦和显著的天线增益。

另外，所制造物体可包含由原料、初始基础结构和超材料阵列组成的组中的材料，使得所制造物体是天线、天线部件、包括抛物面反射器或超材料波束整形器的天线中的一种。超材料阵列可以是超材料，使得超材料由设置在航天器运载舱的外表面上的第二挤出机施用，并且超材料被储藏作为具有自粘超材料图案的原料卷。超材料阵列可以是超材料，使得超材料由设置在航天器运载舱的外表面上的第二挤出机挤出，并且超材料是为所制造物体提供至少一种超材料行为的导电材料。可能的是，超材料被第二挤出机在部分打印的物体上挤出成一组形状，使得该组形状在预定射频(RF)工作频带内提供预定电容行为、预定电感行为或预定谐振行为，以为所制造物体提供RF超材料行为。

图8A和图8B是例示根据本公开的实施方式的从不同视角看的图7的实施方式的一些方面的其他示意图。图8A示出从下方观察使得喇叭天线可见的完成的超材料天线，并且图8B示出倾斜马达将天线150从如图7中所示的打印位置部分旋转到如图1和图8A中所示的最终使用位置。

图9示出根据本公开的实施方式的准备就绪的整个3D打印的抛物面天线。航天器运载舱100被示出为具有顶面105，挤出机110A和110B在航天器运载舱100的侧面是可见的。可伸展吊杆120将航天器运载舱100附接到倾斜马达130，倾斜马达130进而附接到旋转马达140。整个抛物面天线150或3D打印的机械支撑结构还附接到旋转马达140的输出轴。

可能的是，定位系统可被安装在增材制造系统内，该增材制造系统附接到伸缩线性推杆或吊杆120，吊杆120具有连接到一对旋转马达接头(倾斜马达130和旋转马达140)和初始基础结构150的多个伸缩段。其中，一对旋转接头130、140包括附接到伸缩线性推杆的端部的第一旋转接头和附接到初始基础结构150的第二旋转接头，使得初始基础结构150相对于固定到增材制造系统的外表面的挤出机110A、110B移动，同时固定的挤出机挤出原料来打印物体。其中，处理器基于存储在与处理器通信的存储器中的一组预定的增材制造动作，确定在挤出原料期间初始基础结构150和固定的挤出机110A、110B之间的相对运动。注意的是，固定到增材制造系统的外表面的第二挤出机110B可具有一种或更多种原料，使得所述一种或更多种原料包括作为铝箔、铜箔或金箔中的一种的自粘导电箔。可能的是，在制造物体之后，伸缩线性推杆120和一对旋转接头130、140也控制所制造物体相对于天体、航天器运载舱或环境光入射中的一个或其组合的位置。

本公开的其他特征包括与处理器和增材制造系统通信的命令系统，命令系统用于对太空中的邻近增材制造系统的部件(即，包括挤出机110A、吊杆120、倾斜马达130、旋转马达140、3D打印的机械支撑结构150I或其他部件)的区域的环境条件进行确定、控制或这二者。命令系统和处理器的位置可位于航天器上或一些其他位置上，即，直接有线连接到增材制造系统的部件或者无线连接到增材制造系统。其中，结合命令系统确定太空中的靠近挤出机的区域的环境条件或控制该环境条件，处理器可根据航天器运载舱的姿势来控制增材制造系统的操作。

具体地，命令系统可确定环境条件，诸如温度、光、压力、辐射或太空的其他环境条件。同时，经由可控反射器、可控光偏转器、可控加热和冷却装置、可控光源、可控保护罩、包括视频装置和相机装置的可控装置等来控制太空中的邻近挤出机或其他部件的区域的环境条件。

图10、图11和图12是例示根据本公开的实施方式的设置在航天器运载舱的外表面上的命令系统的传感器和装置的示意图。通过非限制示例，图10的温度传感器1020和光传感器1030靠近挤出机110A设置在相同外表面壁上。然而，料想到，传感器1020、1030连同其他传感器和装置可位于航天器的外表面上或航天器内的任何位置。可能的是，传感器1020、1030连同其他传感器和装置可位于航天器内并且能够经由致动器(由处理器和/或命令系统控制)从航天器的内部移动到外部。

例如，至少一个温度传感器与命令系统通信，并且确定太空中的邻近挤出机的区域的温度。其中，当确定出的温度在预定范围内时，处理器根据航天器运载舱的姿势并结合所确定的温度来控制增材制造系统的操作。其中，用于增材制造系统的操作的预定温度范围可在10至50摄氏度(将适用于UV固化的液体原料或双组分树脂/催化剂原料)或180至350摄氏度(将适用于作为可熔长丝供应的热塑性原料)的范围内。

另外，与命令系统通信的至少一个温度传感器确定源自太空且邻近挤出机的光水平。其中，当确定出的光水平在预定范围内时，处理器根据航天器运载舱的姿势并结合确定出的光水平来控制增材制造系统的操作。这里，用于确定出的光水平的预定范围是在0.0001毫瓦每平方厘米(1瓦/米³)至10.000毫瓦每平方厘米(10千瓦/米³)的范围内。

可能的是，其他传感器诸如为面向地球的传感器，其中，可使用面向地球的相机进行天气和资源监测，或者使用任何相机控制和监视3D构建过程或还有其相关方面。另外，预料到，可在增材制造系统中包含制造辅助传感器的使用。还未示出可在航天器运载舱中装入的3D打印原料储藏器、太阳能电池、蓄电池、反作用轮或空间方位角控制推进器、科学或通信有效载荷、控制处理器、任何低增益、全向或备用天线等。

图11例示控制太空中的邻近挤出机的区域或靠近其他部件的其他区域的环境条件的一些方面。例如，图11示出可控灯1140、可控保护罩1150、诸如视频和相机装置这样的可控装置1160。

例如，与命令系统通信的至少一个可控保护罩可控地屏蔽邻近挤出机的曝光量。其中，当确定出的光水平在预定范围内时，处理器根据航天器运载舱的姿势并结合确定出的光水平来控制至少一个保护罩。当在轨道的阳光照射部分期间打印UV固化聚合物时或者在太阳UV几乎连续的行星际太空中打印时，可使用可控保护罩，或者当在轨道的被遮蔽部分上打印时，可使用可控保护罩以保护未固化聚合物免受被月球反射的UV。

另外，与处理器和增材制造系统通信的至少一个可控装置(诸如成像装置或相机)在原料从挤出机挤出到初始基础结构上的同时产生图像，并且基于图像，自适应性控制从挤出机挤出原料的速率、挤出机与初始基础结构之间的相对运动的速率或这二者。

另外，图11还示出可控原料偏转器1170，可控原料偏转器1170可用于改变原料的流动，靠近挤出机设置并且与处理器通信，在挤出原料以形成制造出的物体的至少一个表面期间控制原料的流动(如果使用膨胀泡沫型原料，则是控制原料的膨胀)。其中，处理器根据从挤出机挤出原料的速率、挤出机与初始基础结构的相对运动的速率或这二者来控制原料偏转器。另外，原料可以是可光固化的原料。其中，与命令系统通信的至少一个可控光源可将一个或更多个光束投射到原料的表面上，使得原料是可光固化材料。其中，处理器根据航天器运载舱的姿势并且结合来自可控光源的光水平来控制光源。

图12示出可控光反射器和可控光偏转器1235、可控加热和冷却装置1245以及可控多波束光源1255，并且可包括处于一个或更多个不同光束水平的多个波束。

例如，与命令系统通信的至少一个可控光反射器将一定水平的光可控地反射到原料的表面上，使得原料是可光固化材料，并且光是源自太空的光或源自与命令系统通信的可控光源的光中的一者或其组合。其中，当所确定的光水平在预定范围内时，处理器根据航天器运载舱的姿势并结合所确定的光水平来控制可控光反射器的操作。

本公开的所有实施方式不一定使用超材料作为电磁活性剂。如果根据抛物面的等式操作可伸展吊杆120、倾斜马达130和旋转马达140，则可能的是打印机械和视觉上是抛物面而非平坦的3D打印的支撑结构150。在这种情况下，用诸如金属化聚酯薄膜这样的导电金属膜面对3D打印的支撑结构150是适宜的，从而产生更加经典的设计。这种非超材料抛物面设计的另一个优点在于，超材料通常是只能在窄波长范围内工作的窄带器件，而金属抛物面反射器是非常宽的频带的，并且可料想到在10:1波长范围内很好地工作。

天线中使用的超材料设计不一定是所示出的开口环谐振器。也可使用其他超材料单位单元，诸如“蘑菇场”(导电背板上的小电容帽的阵列)或自谐振感应线圈。

图13是例示根据本公开的实施方式的与图9的命令系统通信的处理器或计算机的框图，该处理器或计算机可使用替代的计算机或处理器来实现。虽然在卫星处于轨道中或行星际太空中时，图13中的许多部件通常是不需要的，但是它们被内置于许多COTS处理器中，并且在发射卫星之前必须经受的研究和开发、组装和地面测试和验证程序中绝对有用。因为甚至小型卫星的发射代表了数百万美元的成本，所以应该预计在发射之前利用测试、验证和确保完整的功能的每次机会。

另外，图13中的一些块在发射之后可继续有用，因为它们的输出可经由NIC网络接口1334远程链接到其他航天器上或地面控制站上的适宜物理设备。

现在参照图13，控制器1311包括通过总线1356连接的处理器1340、计算机可读的内存1312、存储器1358和带显示器1352和键盘1351的用户接口1349。例如，与处理器1340和计算机可读的内存1312通信的用户接口1349一旦从用户接口1357的表面、键盘表面接收到用户的输入后就获取数据并将其存储在计算机可读的内存1312中。

预料到，内存1312可存储可由处理器执行的指令、历史数据和可由本公开的方法和系统利用的任何数据。处理器1340可以是单核处理器、多核处理器、计算集群或任何数量的其他配置。处理器1340可通过总线1356连接到一个或更多个输入装置和输出装置。内存1312可包括随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、闪存、闪存、非易失性存储器或任何其他合适的存储器系统。

仍然参照图13，存储装置1358可适于存储供处理器使用的补充数据和/或软件模块。例如，存储装置1358可存储如以上关于本公开提到的历史数据和其他相关数据。另外或另选地，存储装置1358可存储与如以上关于本公开提到的数据类似的历史数据。存储装置1358可包括硬盘驱动器、闪存驱动器、非易失性存储器、光盘驱动器、拇指驱动器、驱动器阵列或其任何组合。

系统可通过总线1356可选地链接到适于将系统连接到显示装置和(未示出)的显示接口(未示出)，其中，显示装置可包括计算机监视器、相机、电视、投射仪或移动装置，还有其他。

控制器1311可包括电源1354，根据应用，电源1354可能可选地位于控制器1311的外部。适于连接到显示装置1348的用户输入接口1357可通过总线1356链接，其中，显示装置1348可包括计算机监视器、相机、电视、投射仪或移动装置，还有其他。打印机接口1359也可通过总线1356连接并适于连接到打印装置1332，其中，打印装置1332可包括液体喷墨打印机、固体墨水打印机、大型商业打印机、热敏打印机、UV打印机或热升华打印机等。网络接口控制器(NIC)1334适于通过总线1356连接到网络1336，其中，数据或其他数据(还有其他)可被呈现在控制器1311外部的第三方显示装置、第三方成像装置和/或第三方打印装置上。

仍然参照图13，数据或其他数据(还有其他)可通过网络1336的通信信道传输，和/或被存储在存储系统1358内，以便存储和/或进一步处理。另外，数据或其他数据可从接收器1346(或外部接收器1338)无线地或硬连线地接收，或者经由发送器1347(或外部发送器1339)无线地或硬连线地发送，接收器1346和发送器1347二者通过总线1356连接。另外，GPS1301可经由总线1356连接到控制器1311。控制器1311可经由输入接口1308连接到外部感测装置1344和外部输入/输出装置1341。控制器1311可连接到其他外部计算机1342。输出接口1309可用于从处理器1340输出经处理的数据。

可以以多种方式中的任一种来实现本公开的上述实施方式。例如，可使用硬件、软件或其组合来实现实施方式。在权利要求书中使用诸如“第一”、“第二”的序数词来修饰权利要求元素本身并不意味着一个权利要求要素的任何优先级、位次或顺序超过执行方法中的动作的另一个或时间顺序，但是仅仅被用作标签来区分具有某个名称的一个权利要求要素与具有相同名称(仅仅使用序数词)的另一个要素来区分权利要求要素。

尽管已参照某些优选实施方式描述了本公开，但是要理解，可在本公开的精神和范围内进行各种其他改变和修改。因此，随附权利要求书的方面是覆盖落入本公开的真实精神和范围内的所有这些变化和修改。

可以以多种方式中的任一种来实现本公开的上述实施方式。例如，可使用硬件、软件或其组合来实现实施方式。当用软件实现时，软件代码可在任何合适的处理器或处理器集合上执行，无论是在单个计算机中设置还是遍布于多个计算机。这些处理器可被实现为集成电路，其中，一个或更多个处理器在集成电路组件中。但是，可使用任何合适格式的电路来实现处理器。

另外，本公开的实施方式可被实施为已被提供其示例的方法。作为该方法的部分执行的动作可按任何合适的方式排序。因此，可构造实施方式，在这些实施方式中，以与所例示不同的次序来执行动作，可包括同时执行一些动作，即使在例示实施方式中被示出为顺序的动作。

在权利要求书中使用诸如“第一”、“第二”的序数词来修饰权利要求元素本身并不意味着一个权利要求要素的任何优先级、位次或顺序超过执行方法中的动作的另一个或时间顺序，但是仅仅被用作标签来区分具有某个名称的一个权利要求要素与具有相同名称(仅仅使用序数词)的另一个要素来区分权利要求要素。

Claims (29)

1.一种航天器，该航天器包括：

航天器运载舱，该航天器运载舱包括增材制造系统，其中，所述增材制造系统包括用于输送原料以在所述航天器运载舱外部打印物体的至少一个挤出机；

所述航天器运载舱的传感器，该传感器确定所述航天器运载舱相对于天体的姿势；以及

与所述增材制造系统和所述传感器通信的至少一个处理器，该至少一个处理器根据所述航天器运载舱的姿势来控制所述增材制造系统的操作，以在所述航天器运载舱外部制造所述物体。

2.根据权利要求1所述的航天器，其中，所述航天器运载舱的姿势包括所述航天器运载舱的空间方位角和所述航天器运载舱相对于所述天体的轨道位置中的一者或其组合，使得所述天体来自由太阳、地球、月亮或恒星组成的组。

3.根据权利要求1所述的航天器，所述航天器还包括：

与所述处理器和所述增材制造系统通信的命令系统，该命令系统用于对太空中的邻近所述挤出机的区域的环境条件进行确定、控制或这二者，

其中，所述处理器根据所述航天器运载舱的姿势并结合所述命令系统对太空中的邻近所述挤出机的所述区域的所述环境条件的确定或对所述环境条件的控制来控制所述增材制造系统的操作。

4.根据权利要求3所述的航天器，所述航天器还包括：

与所述命令系统通信的至少一个温度传感器，所述至少一个温度传感器确定太空中的邻近所述挤出机的所述区域的温度，

其中，当确定出的所述温度在预定范围内时，所述处理器根据所述航天器运载舱的姿势并结合确定出的所述温度来控制所述增材制造系统的操作。

5.根据权利要求4所述的航天器，其中，用于所述增材制造系统的操作的所述预定温度范围在10至50摄氏度或180至350摄氏度的范围内。

6.根据权利要求3所述的航天器，所述航天器还包括：

与所述命令系统通信的至少一个传感器，该至少一个传感器确定源自太空且邻近所述挤出机的光水平，

其中，当确定出的所述光水平在预定范围内时，所述处理器根据所述航天器运载舱的姿势并结合确定出的所述光水平来控制所述增材制造系统的操作。

7.根据权利要求6所述的航天器，其中，用于确定出的所述光水平的所述预定范围是在0.0001毫瓦每平方厘米即10瓦/米³至10.000毫瓦每平方厘米即10千瓦/米³的范围内。

8.根据权利要求6所述的航天器，所述航天器还包括：

与所述命令系统通信的至少一个可控光反射器，该至少一个可控光反射器将一定水平的光可控地反射到所述原料的表面上，使得所述原料是可光固化材料，并且所述光是源自太空的光或源自与所述命令系统通信的可控光源的光中的一者或其组合，

其中，当确定出的所述光水平在预定范围内时，所述处理器根据所述航天器运载舱的姿势并结合确定出的所述光水平来控制所述可控光反射器的操作。

9.根据权利要求6所述的航天器，所述航天器还包括：

与所述命令系统通信的至少一个可控保护罩，该至少一个可控保护罩可控地屏蔽邻近所述挤出机的曝光量，

其中，当确定出的所述光水平在预定范围内时，所述处理器根据所述航天器运载舱的姿势并结合确定出的所述光水平来控制所述至少一个保护罩。

10.根据权利要求3所述的航天器，其中，所述原料是光可固化原料。

11.根据权利要求3所述的航天器，所述航天器还包括：

与所述命令系统通信的至少一个可控光源，该至少一个可控光源将一个或更多个光束投射到所述原料的表面上，使得所述原料是可光固化材料，

其中，所述处理器根据所述航天器运载舱的姿势并且结合来自所述可控光源的光水平来控制所述光源。

12.根据权利要求1所述的航天器，所述航天器还包括：

与所述处理器和所述增材制造系统通信的至少一个可控装置，该至少一个可控装置诸如为成像装置或相机，所述至少一个可控装置在所述原料从所述挤出机挤出到初始基础结构上的同时产生图像，并且基于所述图像，自适应性控制从所述挤出机挤出所述原料的速率、所述挤出机与所述初始基础结构之间的相对运动的速率或这二者。

13.根据权利要求1所述的航天器，所述航天器还包括：

至少一个空间方位角控制系统，该至少一个空间方位角控制系统安装在所述航天器运载舱上，用于提供动力以将所述航天器运载舱的姿势保持在一组目标姿势处或一组目标姿势附近，

其中，所述一组目标姿势由存储在与所述处理器通信的内存中的一组预定姿势确定。

14.根据权利要求13所述的航天器，所述空间方位角控制系统由反作用轮、控制力矩陀螺仪、磁力扭矩器、冷气推进器、单推进剂推进器、双组元推进剂推进器、霍尔效应推进器或离子推进器中的一者或更多者构成。

15.根据权利要求1所述的航天器，所述航天器还包括：

靠近所述挤出机设置并且与所述处理器通信的至少一个可控原料偏转器，该至少一个可控原料偏转器在挤出所述原料以形成制造出的所述物体的至少一个表面期间控制所述原料的流动，

其中，所述处理器根据从所述挤出机挤出所述原料的速率、所述挤出机与所述初始基础结构的相对运动的速率或这二者来控制所述原料偏转器。

16.根据权利要求1所述的航天器，所述航天器还包括：

安装在所述增材制造系统内的定位系统，该定位系统包括具有多个伸缩段的伸缩线性推杆，所述多个伸缩段连接到一对旋转接头和初始基础结构，

其中，所述一对旋转接头包括附接到所述伸缩线性推杆的端部的第一旋转接头和附接到所述初始基础结构的第二旋转接头，使得所述初始基础结构相对于固定到所述增材制造系统的外表面的所述挤出机移动，同时固定的所述挤出机挤出所述原料来打印所述物体，

其中，所述处理器基于存储在与所述处理器通信的存储器中的一组预定的增材制造动作，确定在挤出所述原料期间所述初始基础结构与固定的所述挤出机之间的相对运动。

17.根据权利要求1所述的航天器，其中，制造出的所述物体是不可折叠物体、非平面结构、平坦物体、部分完整物体结构中的一者或其组合。

18.根据权利要求1所述的航天器，所述航天器还包括：

固定到所述增材制造系统的外表面的第二挤出机，所述第二挤出机具有一种或更多种原料，使得所述一种或更多种原料包括作为铝箔、铜箔或金箔中的一种的自粘导电箔。

19.根据权利要求1所述的航天器，其中，制造出的所述物体的配置空间和所述航天器运载舱的内罩是空集，使得制造出的所述物体的尺寸防止制造出的整个物体被插入所述航天器运载舱的所述内罩中的任一个内或被其包围。

20.根据权利要求1所述的航天器，其中，制造出的所述物体包含由所述原料、初始基础结构和超材料阵列组成的组中的材料，使得制造出的所述物体是天线、天线部件、包括抛物面反射器或超材料波束整形器的天线中的一种。

21.根据权利要求20所述的航天器，其中，所述天线抛物面反射器被致使对无线电频率的频带进行反射。

22.根据权利要求20所述的航天器，其中，制造出的所述天线具有接近所述伸缩线性推杆的延伸长度的长度，并且具有从F/1至F/4的焦距范围。

23.根据权利要求20所述的航天器，其中，所述超材料阵列是超材料，使得所述超材料由设置在所述航天器运载舱的外表面上的第二挤出机施用，并且所述超材料被储藏作为具有自粘超材料图案的原料卷。

24.根据权利要求20所述的航天器，其中，所述超材料阵列是超材料，使得所述超材料由设置在所述航天器运载舱的外表面上的第二挤出机挤出，并且所述超材料是为制造出的所述物体提供至少一种超材料行为的导电材料。

25.根据权利要求24所述的航天器，其中，所述超材料被所述第二挤出机挤出在部分打印的所述物体上成为一组形状，使得所述一组形状在预定射频RF工作频带内提供预定电容行为、预定电感行为或预定谐振行为，以为制造出的所述物体提供RF超材料行为。

26.根据权利要求1所述的航天器，其中，所述增材制造系统的操作包括基于所述航天器运载舱的姿势将所述挤出机从所述航天器运载舱的内罩移动到所述航天器运载舱的外部。

27.根据权利要求1所述的航天器，其中，所述增材制造系统包括三自由度打印机、四自由度打印机、五自由度打印机或六自由度打印机中的一种。

28.一种航天器，该航天器包括：

航天器运载舱，该航天器运载舱具有内罩，其中，每个内罩都具有包括对角线尺寸的一组尺寸；

所述航天器运载舱的增材制造系统，该增材制造系统包括用于输送原料以在所述航天器运载舱外部打印物体的至少一个挤出机；

所述航天器运载舱的传感器，该传感器用于确定所述航天器运载舱相对于天体的姿势；以及

与所述增材制造系统和所述传感器通信的至少一个处理器，该至少一个处理器根据所述航天器运载舱的姿势来控制所述增材制造系统的操作，以在所述航天器运载舱外部制造所述物体，

其中，制造出的所述物体的对角线尺寸中的至少一个尺寸大于所述航天器运载舱的所有内罩的所述一组尺寸或所述对角线尺寸中的任一个。

29.一种航天器，该航天器包括：

航天器运载舱，该航天器运载舱具有内罩，其中，每个内罩都具有包括对角线尺寸的一组尺寸；

所述航天器运载舱的增材制造系统，该增材制造系统包括用于输送原料以在所述航天器运载舱外部打印物体的至少一个挤出机；

所述航天器运载舱的传感器，该传感器确定所述航天器运载舱相对于天体的姿势；

与所述增材制造系统通信的命令系统，该命令系统用于对太空中的邻近所述挤出机的区域的环境条件进行确定、控制或这二者；以及

至少一个处理器，该至少一个处理器根据所述航天器运载舱的姿势并结合所述命令系统对太空中的邻近所述挤出机的所述区域的所述环境条件的确定或对所述环境条件的控制来控制所述增材制造系统的操作，以在所述航天器运载舱外部制造所述物体，

其中，制造出的所述物体的对角线尺寸中的至少一个尺寸大于所述航天器运载舱的所有内罩的所述一组尺寸或所述对角线尺寸中的任一个。