SPIDERFAB: Космороботы делают друг друга

Орбитальное производство элементов космического объекта может предоставить космическим программам возможность избежать пространственных ограничений головных обтекателей ракет-носителей для запуска и создать системы с антеннами очень большой апертуры и чрезвычайно протяженными элементами конструкции, что обеспечит не только более высокое разрешение космических телескопов и коэффициент усиления их антенн, но и более высокую пропускную способность систем связи. 7 Август 2015, 11:57
Данный документ содержит результаты работы по исследованию предполагаемых преимуществ и технической осуществимости адаптации нескольких из множества быстроразвивающихся технологий аддитивного производства и робототехники в целях предоставления космической отрасли возможности изготавливать и собирать важные компоненты на орбите.
Сначала мы рассмотрим несколько конкретных случаев на предмет наличия предполагаемых преимуществ для орбитального производства космических конструкций, включая один пример для затеняющего экрана, предназначенного для улучшения оптического качества изображения экзопланет предлагаемой миссией New World Observer, и второй пример — для радиолокационной станции с фазированной антенной решеткой большого размера.
Затем мы подведем итоги недавней работы по адаптации и развитию методов аддитивного производства и технологий роботизированной сборки для реализации возможности изготовления на орбите крупных сложных трехмерных конструкций — ферменных сооружений, зеркал радиотелескопов и обтекателей.
В ходе работ по технологии SpiderFab, спонсируемых программой Инновационных перспективных концепций (NASA’s Innovative Advanced Concepts, NIAC) NASA, были ис следованы предполагаемые преимущества и техническая осуществимость радикального изменения способа производства и развертывания космических аппаратов путем предоставления возможности космическим системам осуществлять сборку и монтаж базовых элементов конструкции на орбите.
В настоящее время сборка и испытания орбитальных космических аппаратов проводятся на земле, и лишь после этого они выводятся ракетами на орбиту. В результате только защита от стартовых перегрузок требует значительных расходов на инженерно-техническое обеспечение, при этом растет стартовая масса. В частности, это относится к системам с физически крупными компонентами, такими как антенны, фермы и панели, которые перед запуском складываются, а на орбите раскрываются. Кроме того, многие характеристики космических аппаратов определяются геометрическими размерами их антенн, панелей солнечных батарей и других базовых деталей, и габариты таких конструкций ограничиваются требованиями к их укладке в рамках до ступных объемов обтекателей ракет-носителей.
Самые современные внедренные (State- Of-the-Art, SOA) технологии развертывания, такие как складные антенны, лонжероны и раскладывающиеся панели солнечных батарей, дают возможность укладки апертур, оснований и антенных систем длиной до нескольких десятков метров в пределах существующих обтекателей. Однако с увеличением размеров этих деталей их стоимость быстро растет, что обусловлено сложностью механизмов складывания-развертывания, а также трудностями испытаний, необходимых для обеспечения их надежного раскрытия в невесомости. В результате даже самые современные технологии не допускают создания антенн,  диаметр которых существенно превышает 100 метров.
Технологии орбитального строительства и сборки могут предоставить возможность развертывания космических систем, превышающих размеры их компонентов, которые могут поместиться в одном обтекателе для запуска. Международная Космическая Станция — главный пример большой космической системы, построенной на орбите путем сборки многочисленных деталей, доставленных туда по отдельности. К сожалению, затраты на групповой запуск и работу астронавтов, необходимые для такого строительства, существенно повышают стоимость систем, построенных на земле и собранных на орбите, по мере увеличения их размеров.

A. Решение SpiderFab

Технология SpiderFab направлена на устранение выше перечисленных ограничений и повышения затрат путем применения методов аддитивного производства и технологий роботизированной сборки для орби тального изготовления и монтажа крупных космических систем. В основе данной работы лежит концепция создания «коко на» спутника, состоящего из строительных материалов в компактной и устойчивой форме, инструкций по сборке («программного ДНК ») и возможности трансформироваться на орбите в высокопроизводительную космическую систему. Орбитальная сборка элементов космического объекта обеспечивает оптимизацию эффективности упаковки и стартовой массы в пределах одного порядка. На рис. 1 условно показаны предполагаемые преимущества SpiderFab, связанные с новейшими технологиями развертывания компонентов космической системы.
Рис. 1. Предполагаемые преимущества SpiderFab. Орбитальное производство элементов космического объекта позволяет повысить его эффективность, чувствительность средств передачи информации, мощность, а также расширить полосу пропускания при более низкой стоимости жизненного цикла.
Антенны, несущие элементы, панели солнечных батарей, зеркала и оптические системы большего размера, созданные на основе технологии SpiderFab, будут обеспечивать более высокое разрешение, увеличенную ширину полосы пропускания, большую мощность и более высокую чувствительность. Кроме того, орбитальное производство изменяет уравнение затрат для крупных космических систем, позволяя апертурам достигать размеров в сотни или даже тысячи метров с обеспечением оптимизации порядка величины отношения эффективности работы к стоимости системы. В начале данной работы мы представим описание концептуальной архитектуры для системы, предназначенной для изготовления и монтажа больших элементов космического объекта.
Мы называем эту архитектуру SpiderFab, так как она содержит робототехническую систему, которая создает крупные ажурные конструкции методом, в некоторой степени аналогичным тому, каким паук плетет свою паутину: формируя элементы конструкции выдавливанием и объединяя их в более крупное сооружение. Затем мы проведем оценку предполагаемых преимуществ такой архитектуры орбитального производства для нескольких классов элементов космического объекта, включая антенны и затеняющие экраны.
После этого мы дадим подробное описание решений концепции — для технических возможностей, необходимых для реализации предлагаемой архитектуры, — и расскажем об испытаниях на предмет ее подтверждения, выполненных для оценки технической осуществимости таких решений. И наконец, мы расскажем о подходе к поэтапному совершенствованию, который предоставит перспективы развития таких возможностей, — вплоть до готовности к выполнению поставленной задачи.

II. АРХИТЕКТУРА SpiderFab

Исследования в области орбитального строительства как способа развертывания крупных космических систем проводились на протяжении нескольких десятилетий, однако за исключением орбитальной сборки Международной Космической Станции (МКС ), для завершения которой потребовалось множество стартов ракет-носителей ии много часов работы астронавтов, такая сборка не использовалась для других оперативных задач, поскольку потенциальные преимущества не перевешивали сопутствующих рисков и расходов.
Между тем недавнее быстрое развитие процессов аддитивного производства, таких как 3D-печать и автоматизированная укладка композитного материала, а также совершенствование манипуляторов роботов и сенсорных технологий, создают новые возможности расширения концепции орбитального строительства — от простой сборки в космосе до полного процесса: изготовление, сборка и монтаж.
Такие технологии могут предоставить космическим программам возможность отправлять, с умеренными затратами, материалы для космических аппаратов в очень компактной и устойчивой форме, например катушки нитей или лент, резервуары с жидкостями, брикеты или даже крупные блоки твердого материала, с последующей его обработкой на орбите и созданием многофункциональных трехмерных конструкций со сложной прецизионной геометрией и отличными эксплуатационными характеристиками.
Такие возможности могут обеспечить совершенно другой подход к разработке и развертыванию космических аппаратов, при котором мы проверяем, оцениваем и запускаем процесс производства продукта, а не конечный продукт.

A. Самопроизводящийся спутник

Во время разработки процесса для орбитального производства мы делали упор на его реализацию, которая даст космической системе возможность создавать и интегрировать свои собственные детали, превращая ее, таким образом, в самопроизводящуюся. Мы обозначаем этот подход словосочетанием «кокон спутника», так как каждая космическая система выводится на орбиту с материалами и инструментами, необходимыми для ее орбитальной трансформации в действующую систему более высокого уровня.
Альтернативный подход — это «орбитальный завод», при котором набор необходимых инструментов запускается на объект в космосе (например, МКС ), который затем неоднократно использует одни и те же инструменты для производства множества космических систем. Мы выбрали более перспективный подход «кокон», хотя завод может достичь лучших результатов по части экономии, обусловленной ростом масштабов производства, стартовой массы и надежности при повторении действий. На рентабельность «заводского» подхода негативно влияет стоимость транспортировки в связи с законами небесной механики.
В частности, дополнительное ускорение, необходимое для довывода спутников, изготовленных на орбитальном объекте, на рабочие орбиты с различными наклонениями чрезвычайно высоки, и потери стартовой массы в результате этого могут легко превысить массу спутника. В результате этого мы считаем, что в ближайшее время заводской подход будет конкурентоспособным только в двух сферах применения: изготовление систем для их работы на МКС или около нее и систем на геостационарной орбите, на которой дополнительные ускорения вывода сравнительно малы.
Способность к самопроизводству, вообще конкурентоспособная в сравнении с традиционными технологиями, будет конкурентоспособной на любой орбите. Кроме того, характеристики, необходимые для завода, — это подсовокупность характеристик, необходимых для самопроизводящейся системы, поэтому если мы успешно реализуем подход самопроизводящегося «кокона спутника», то реализация орбитального завода по производству спутников не вызовет затруднений.

B. Элементы архитектуры

Для орбитального изготовления элементов космического объекта требуется разработать методы обработки соответствующих материалов для создания конструкций, механизмы для транспортировки и манипуляций с инструментами и материалами, методы монтажа и сборки конструкций, методы терморегулирования материалов и конструкций, метрологию для замкнутой системы управления процессом производства и методы для интеграции функциональных элементов в конструкции, построенные на орбите.
1. Обработка материалов и подходящие материалы
Самопроизводящийся спутник должен иметь возможность преобразовывать сырьевые материалы, запущенные в компактном состоянии, в высокопроизводительные, многофункциональные конструкции. Процессы аддитивного производства, например с помощью расплавленной нити (Fused Filament Fabrication, FFF, также известный под торговой маркой FDM), избирательное лазерное спекание (Selective Laser Sintering, SLS), электронно-лучевая плавка (Electron Beam Melting) и электронно-лучевой процесс изготовления предметов произвольной формы (Electron Beam Free-Form Fabrication, EBF3), очень полезны в данном случае, так как они позволяют плавить и преобразовывать исходные материалы в сложные 3D-формы послойно, с минимальными отходами или вообще без них. На рис. 3 представлена фотография одной из наших экспериментальных машин для FFF, печатающей небольшую ажурную конструкцию.
Рис. 3. Машина TUI для FFF печатает разреженную балочную конструкцию
Работа в космосе связана одновременно с трудностями и преимуществами при проведении таких процессов. Самой главной проблемой являются условия ми- нимальной гравитации в космосе. Многие наземные процессы аддитивного производства зависят от гравитации, которая упрощает позиционирование и соединение каждого слоя материала с предыдущими слоями, а в условиях микрогравитации мы не можем полагаться на такое преимущество. Однако отсутствие гравитации предоставляет очень интересную возможность строительства конструкций в любом направлении, не заботясь о смещении элементов под действием их веса. В 3D-принтерах на Земле гравитация вызывает падение незакрепленных элементов, поэтому конструкции с консольными элементами или большими внутренними пустотами должны поддерживаться дополнительными элементами, которые убираются по окончании процесса печати.
Вставка видео про печать в космосе
В космосе такие крепежные материалы не потребуются и 3D-принтер сможет «печатать» длинные, тонкие элементы, рисуя разреженную конструкцию в трех измерениях таким же образом, как паук плетет свою паутину, или построить твердотельную структуру с концентрическими сферическими слоями подобно луковице. На рис. 2 приведено несколько примеров разреженных конструкций, созданных в лаборатории с использованием термопластов ABS и PEEK.
Рис. 2. Образцы, созданные с использованием процесса FFM. На Земле действие гравитации не позволит создать такую ажурную конструкцию больше нескольких сантиметров, однако в условиях микрогравитации такое ограничение будет отсутствовать.
В наземных лабораториях длина напечатанных консольных элементов ограничена до сантиметров гравитацией, однако в условиях невесомости она будет ограничена только радиусом действия инструмента. Вторая техническая проблема для орбитального аддитивного производства — это вакуум и температура окружающей среды в космосе, близкая к абсолютному нулю. Наши предварительные испытания процессов FFF в вакууме показали, что отсутствие атмосферы, скорее всего, не является препятствием, а отсутствие возможности принудительного охлаждения потребует провести тщательное изучение любого процесса, который подразумевает термическую обработку материалов, с тем чтобы напечатанные конструкции охлаждались и затвердевали желаемым образом. Кроме того, температуры и градиенты температур могут сильно отличаться в зависимости от высоты Солнца и условий освещения/ затемнения, и для предотвращения нежелательных тепловых нагрузок, которые могут деформировать создаваемые конструкции, необходимо разработать методы контроля таких температур.
Хотя существующие процессы 3D-печати (например, FFF) теперь могут использоваться при обработке целого ряда термопластов, а технология EBF3 применима для обработки металлов, эксплуатационные характеристики таких материалов все еще не являются оптимальными для крупных, развернутых в пространстве космических конструкций. Если мы собираемся сооружать системы протяженностью в километры, то должны использовать материалы с самыми высокими из доступных эксплуатационными характеристиками. Кроме того, скорость существующих процессов 3D-печати не подходит для создания крупных космических систем: для того чтобы напечатать объект размером с кофейную чашку, стандартной машине для FFF требуется целый день. По этим причинам мы приняли на вооружение подход, который сочетает гибкость FFF с производительностью и скоростью другого процесса аддитивного изготовления — автоматической укладки волокон. По существу, мы работаем над созданием возможностей для скоростной «3D-печати» сложных конструкций с использованием высокоэффективных полимеров, армированных волокнами. Такой способ позволит роботизированной космической системе строить очень большие ферменные конструкции, изготавливаемые подобно паутине, — посредством формирования выдавливанием и методом пултрузии ее элементов и их последующей сборки в трехмерном пространстве для создания больших космических антенн и других элементов космического аппарата (КА ). По этой причине мы назвали данный метод “SpiderFab” (от англ. spider — паук, fab — сокращение от fabricate, производить — прим. Technowars). Интеграция пултрузии в процесс 3D-принтинга является особенно важной, так как она позволяет создавать элементы конструкции с помощью высокомодульных, высокопрочных волокон, ориентированных в направлениях, оптимальных для рабочих нагрузок, которые конструкция должна выдерживать.
Группа исследователей тестирует технологии 3D-печати в условиях невесомости в Космическом центре им. Джонсона NASA. Предполагается, что один из этих трехмерных принтеров будет работать на борту МКС.
Материалы, используемые в таком процессе, должны подходить для космического пространства. В частности, они должны выдерживать экстремальные перепады температуры, ультрафиолетовое излучение, радиацию и атомарный кислород, которые могут наличествовать на рабочей орбите. Кроме того, для предотвращения загрязнения оптических приборов, панелей солнечных батарей и других деталей газами, образующимися во время производства, нужны материалы с низкими характеристиками газовыделения. В данной работе мы сделали упор на использование термопластов из углеродоволоконного армированного полиэфирэфиркетона (PEEK). Композитные материалы CF/PEEK имеют отличные эксплуатационные характеристики, значительный интервал допустимых температур и очень низкие показатели газовыделения. Хотя использование таких материалов вызывает определенные сложности по причине высокой температуры плавления PEEK, в данной работе и в других параллельных разработках мы достигли большого успеха в создании методов осуществления высоко- температурного формообразования, пултрузии и производства с помощью расплавленной нити в отношении таких материалов. Хотя до настоящего время наша работа была сосредоточена на композитных материалах из CF/PEEK, мы должны отметить, что процесс SpiderFab легко адаптируется для других композитных материалов и нами также выполнены первоначальные разработки по композитным материалам из стекловолокна-полиэтилентерефталата
2. Мобильность, манипуляторы
Для того чтобы робототехническая система могла создавать крупные конструкции, ей требуются средства и для самостоятельного передвижения относительно строящейся конструкции, и для распределения исходных материалов из доставленных на орбитальную строительную площадку элементов. Кроме того, ей потребуется возможность осуществлять манипуляции с элементами для их правильного и точного размещения и необходимой ориентации на конструкции. Существует несколько возможных решений для выполнения обоих требований. При разработке архитектуры SpiderFab мы сделали упор на использование чрезвычайно быстрых манипуляторов, так как, по счастливому стечению обстоятельств, в рамках отдельных подрядных договоров в настоящее время разрабатываем компактный высокоскоростной манипулятор, предназначенный для наноспутника. При реализации нашей концепции один или более таких манипуляторов будет использоваться для позиционирования инструментов, перемещения робота вдоль строящейся детали и размещения элементов конструкции для монтажа.
3. Монтаж и сборка
После того как робот создаст элемент и правильно разместит его на конструкции космического аппарата, ему потребуются средства для соединения элемента с кон струкцией,  которое может быть выполнено с помощью сварки, механического крепежа, адгезионных материалов и других способов. В связи с тем, что в своей работе в области технологии SpiderFab мы делали упор на армированные волокнами термопласты, мы можем воспользоваться их характеристиками для выполнения соединения сплавлением за счет одновременного воздействия тепла и давления.
4. Терморегулирование
Значительной трудностью при производстве точных элементов конструкции, манипулировании нагрузками на конструкцию в элементах, а также надежном формировании соединения последних с плавлением будет управление температурой материалов в космосе, где как температуры, так и градиентные векторы температур могут значительно меняться в зависимости от направления к Солнцу и положения на орбите. При реализации технологии SpiderFab мы предлагаем использовать аддитивы, или покрытия в армированных волокнами термопластах, для охлаждения материалов и сведения к минимуму тепловых флук туаций в различных условиях инсоляции, а также контактный, радиационный и/или СВЧ -нагрев для формирования и соединения таких материалов.
5. Метрология
Автоматизированным или телеуправляемым системам для создания крупных деталей потребуются возможности проводить точные измерения по окончании их изготовления. Такая метрология необходима в двух масштабах: макромасштабе (измерение общей формы элемента для обеспечения соответствия системным требованиям) и микромасштабе (обеспечение точного позиционирования механизма подачи материалов по отношению к местным особенностям возводимой конструкции). В настоящее время для обеспечения таких функциональных возможностей могут быть адаптированы технологии, используемые в наземных процессах производства, такие как сканирование структурированным светом и создание стереоизображений.
6. Монтаж функциональных элементов
После того как система SpiderFab создаст базовую конструкцию, ей также потребуются способы и механизмы интеграции функциональных элементов: отражающие пленки, зеркала антенн, солнечные элементы, датчики, электрические проводники и бортовая аппаратура — в конструкцию базового элемента или на нее. В следствие того что большая часть таких деталей может быть упакована очень компактно и требует высокой точности при изготовлении и сборке, в ближайшем будущем, скорее всего, стоит изготавливать такие детали на Земле и монтировать их на орбите. В долгосрочной перспективе может появиться возможность реализовать методы аддитивного производства, допускающие обработку множества материалов так, чтобы некоторые из выше упомянутых деталей могли выпускаться на месте, однако это будет выгодно только в том случае, если орбитальное производство обеспечивает существенную оптимизацию стартовой массы или производительности. Методы автоматизированной сборки функциональных элементов на космическом объекте будут зависеть от характера элемента. Отражающие пленки и солнечные панели могут быть доставлены на орбиту в компактных рулонах или в виде сложенных экранов и установлены на конструкции с использованием термической сварки, адгезионных материалов или механических креплений. Датчики, бортовая аппаратура и блоки электроники могут быть интегрированы в конструкцию механически, а кабели — размотаны и соединены с конструкцией, например, с помощью самозапирающихся разъемов.

C. Реализация концепции

1. Конструктор ферм по технологии SpiderFab для развертывания больших панелей солнечных батарей
Рис. 4. Концепция способа изготовления крупных высокоэффективных балочных конструкций для поддержки солнечных батарей
Рис. 5. Процесс работы устройства Trusselator первого поколения
На рис. 4 представлена концепция орбитального изготовления опорных конструкций для больших солнечных батарей. В данной концепции три насадки устройства под названием Trusselator будут выдавать непрерывные базовые ферменные конструкции, которые послужат лонжеронами, а четвертая насадка на манипуляторе с шестью степенями свободы будет изготавливать и прикреплять поперечные элементы и растяжки для создания опорной ферменной конструкции с иерархией в два уровня; по мере ее наращивания опорная конструкция натягивается и развертывает складные/сворачиваемые панели солнечных батарей, подготовленные на Земле. Для создания элементов конструкции, образующих «ферму ферм», данная система будет обрабатывать нить из термопласта, армированного непрерывным волокном (Continuous Fiber Reinforced Thermoplastic, CFRTP), состоящую из высокомодульных волокон, совмещенных с термопластическими волокнами. Такая нить может быть намотана на очень компактную катушку, пригодную для отправки в космос, и затем использована для создания жестких композитных конструкций. На рис.5 показана подтверждающая концепцию демонстрация Trusselator, создающего длинные балочные конструкции. Катушка на рис.5 слева содержит достаточное количество нити для изготовления решетчатой  балки длиной 100 м диаметром 2 м.
2. Робот SpiderFab для создания объектов больших площадей.  
Рис. 6. SpiderFab создает элементы конструкции и соединяет их
Рис. 7. SpiderFab использует инструмент 6DOF для 3D-печати, чтобы соединить элементы конструкции с узлами, оптимизированными под рабочие нагрузки
Для других областей применения, таких как антенные отражатели, солнечные концентраторы, солнечные паруса и обитаемые объемы, желательно внедрить систему SpiderFab, способную создавать большие двух- или трехмерные конструкции. Гибкие возможности производства могли бы активироваться мобильным роботом SpiderFab, который задействует несколько манипуляторов как для собственной мобильности, так и для точного размещения элементов конструкции при ее сборке. Для изготовления элементов конструкции он использует два специальных инструмента-«мундштука». Первый — экструдер, который служит для преобразования катушек смотанных нитей или лент в высокоэффективные композитные трубки или фермы, как показано на рис. 6. Затем он использует подвижный «соединительный мундштук», который применяет методы 3D-печати для создания высокопрочных соединений между элементами конструкции (как показано на рис. 7), осуществляя сборку крупной ферменной опорной конструкции. Рис. 8 демонстрирует концепцию робота SpiderFab, создающего опорную конструкцию для антенны или затеняющий экран на несущем модуле.
Рис. 8. SpiderFab, монтирующий опорную конструкцию спутника
Метрологические приемы микроизмерений и макромасштабного формирования продукта позволяют системе точно размещать и соединять новые элементы, а также обеспечивать достижение желаемой геометрии всей конструкции. После завершения создания опорной конструкции система использует роботизированные манипуляторы и соединяющий «мундштук» поперек конструкции и присоединяет функциональные элементы (отражатели, пленки, сети и др.) для базовой конструкции, как условно показано на рис. 9. Такие возможности позволят роботу SpiderFab с высокой точностью создавать объекты больших площадей для поддержки широкого ряда задач NASA, Министерства обороны США и коммерческих миссий.
Рис. 9. Затем робот SpiderFab монтирует функциональные элементы, такие как отражающие пленки, на опорную конструкцию

III. Предполагаемые преимущества орбитального производства

На первом этапе разработки была проведена процедура оценки предполагаемых преимуществ орбитального производства космических систем с использованием архитектуры SpiderFab. Сначала были рассмотрены альтернативы создания деталей на Земле и выделены два основных преимущества, которые может предоставить орбитальное производство. После этого мы ознакомились с технологическими дорожными картами NASA на предмет определения технологических областей и будущих задач NASA, в которых SpiderFab сможет обеспечить значительные преимущества. Затем мы разработали метрики производительности для определения количества возможных преимуществ, которые SpiderFab может предоставить для нескольких деталей космической системы, включая высокомощные солнечные батареи, радары с фазированной антенной решеткой, солнечные экраны и антенные отражатели. В каждом случае мы обнаружили, что SpiderFab может предоставить возможность оптимизации порядка величин в основных метриках производительности; в данном предложении мы представим анализ предполагаемых преимуществ для оптических экранов и антенных отражателей. С другими конкретными примерами эксперт может ознакомиться в нашем окончательном отчете по первому этапу. 
A. Производство на Земле по сравнению с орбитальным производством
Орбитальное производство космической системы может снять пространственные ограничения при проектировании систем средств выведения на орбиту и сократить их массу и расходы на инженерные работы, связанные с проектированием системы, которая выдержит стартовые перегрузки при запуске на орбиту. Кроме того, орбитальное производство дает возможность изменять конфигурацию космического аппарата после запуска и осуществлять ремонт, сокращая риски из-за ошибок при проектировании и повышая гибкость применения. Однако такие преимущества должны сопоставлять ся с дополнительными расходами и сложностями автоматизированного производства и сборки таких деталей в космосе. Кроме того, несмотря на то что, согласно традиционному подходу, детали изготавливаются, интегрируются и тестируются до запуска, программа, использующая орбитальное производство,  должна выделить и потратить средства, связанные с таким запуском, еще до того как такие детали изготовлены и интегрированы. Следовательно, наша долгосрочная цель заключается в обеспечении возможности производства и монтажа фактически всего космического аппарата на орбите, и мы должны подойти к этой цели постепенно, сосредотачивая первоначальные вложения на таких категориях элементов, для которых существующие технологические возможности могут предоставить значительные преимущества. Спутники и другие космические аппараты обычно состоят из множества деталей ― от монолитной конструкции до прецизионных механизмов и сложной микроэлектроники. Теоретически все эти детали могут быть изготовлены на орбите, однако вложения в развитие такой возможности могут быть оправданны лишь в случае если орбитальное производство сможет обеспечить существенную оптимизацию соотношения «производительность/затраты». Орбитальное производство может принести пользу двумя способами: уменьшение стартовой массы и увеличение плотности полезной нагрузки.
B. Оптимизация массы
Орбитальное производство космических конструкций способно сократить массу системы, так как проектирование структурных элементов может быть оптимизировано для нагрузок микрогравитации, которые они должны выдержать в космосе, а не для множества гравитационных ударов и вибраций, которые они будут испытывать во время вывода на орбиту. Кроме того, большие конструкции, построенные в космосе, не требуют подвесок, замков и других сложных механизмов, необходимых для развертываемых систем, уменьшая «паразитную» массу конструкции и позволяя ей быть полностью оптимизированной для расчетных нагрузок. Создание конструкции на орбите, в отличие от проектирования раскрытия сложенной на Земле, также дает возможность оптимизировать ее геометрию по всей длине, что для крупных конструкций, рассчитанных на строго определенные нагрузки, может привести к существенной экономии массы. Кроме того, оно позволяет создавать конструкции с поперечным сечением, которые были бы слишком велики для размещения в обтекателе для запуска, выгодно используя оптимизацию геометрии, которая может обеспечить значительное повышение эксплуатационных характеристик. Например, жесткость фермы лонжерона при изгибе увеличивается с квадратом ее диаметра D:
где ρ — массовая плотность материала, m — масса на единичную длину луча, E — модуль материала и Σ — постоянная, отвечающая за батенсы, поперечные элементы и соединения. Если развертываемая ферма, предназначенная для укладки в обтекатель для запуска, обычно имеет максимальный диаметр приблизительно метр, то фермы, изготовленные на орбите, могут быть легко созданы диаметром в несколько метров или более, обеспечивая оптимизацию порядка величины в соотношении жесткости и массы. Кроме того, большие конструкции могут быть построены с многоуровневой геометрией 2-го или более высокого порядка, обеспечивая дополнительное 30-кратное увеличение эксплуатационных характеристик.
C. Улучшение эффективности упаковки
Второй способ, который может обеспечить значительные улучшения в процессе строительства на орбите, — эффективность упаковки крупногабаритных компонентов. На рис. 10 сравнивается эффективность упаковки существующих раскладывающихся ферменных конструкций и перспективных складных ферменных конструкций. Существующие технологии развертывания на один-два порядка отстают от идеальной эффективности упаковки (т. e. от 95 до 99% их объема в упаковке не используется). Предлагаемые технологии, при которых отдельные структурные элементы, такие как лонжероны и подкосы, запускаются в плотно упакованных связках, а затем собираются на орбите, чтобы изготовить крупногабаритные легкие конструкции, смогут повысить некоторым образом эффективность упаковки, «теряя» примерно 90% их объема в упаковке.
Рис. 10.
Эффективность упаковки ферменной конструкции.
Строительство на орбите позволяет достичь идеальных  значений эффективности упаковки.
Строительство на орбите с помощью SpiderFab, использующего материалы, которые могут быть запущены как плотно смотанные катушки волокон, лент или нитей, в виде гранул или даже плотных блоков материала, может способствовать достижению идеальной эффективности упаковки. На рис. 10 показан режим, при котором, по нашему мнению, строительство на орбите с помощью SpiderFab может помочь космическим ферменным конструкциям достичь многометрового сечения, чтобы воспользоваться геометрическими преимуществами, выраженными в уравнении выше, и снизить потери запускаемых объемов до 50–10%. Данное повышение эффективности упаковки будет особенно выгодно для компонентов, которые по своему характеру являются крупногабаритными, неплотными и/или изготовленными из легких материалов: антенны, ферменные конструкции,  отражатели и т. д.
D. Актуальность для планов технологического развития NASA
Основываясь на параметрах, при которых SpiderFab будет наиболее выгодна для космических систем, требующих крупногабаритных, неплотных или легких компонентов, мы изучили стратегические планы NASA по развитию технологий на 2012 г. и определили ряд технологических зон, где строительство на орбите с помощью SpiderFab могло бы обеспечить улучшения с точки зрения размеров и/или эксплуатационных характеристик, требуемых для реализации будущих программ, которые определены NASA в качестве высоко приоритетных. В табл. 1  обобщены результаты данного изучения и продемонстрировано, что SpiderFab имеет большую значимость для широкого спектра научных и исследовательских миссий NASA.
Табл. 1.
Значимость технологии строительства на орбите  SpiderFab для потребностей и программ NASA.
Строительство на орбите может сделать реальным создание  крупных систем, требуемых  для выполнения многих  будущих  программ NASA.
E. Уникальные новые возможности для исследований экзопланет
Одно из наиболее интересных потенциальных применений SpiderFab — создание огромных антенн или оптики для получения изображений экзопланет. Чтобы оценить преимущества SpiderFab при создании таких крупных систем, мы рассмотрели развертывание «зонта», предлагаемого для миссии New Worlds Observer (NWO).
Как показано на рис. 11, миссия NWO могла бы развернуть большой «зонт» между телескопом и удаленной звездой, с целью экранировать паразитную засветку от звезды таким образом, чтобы телескоп мог получать изображения и проводить интерферометрические измерения для изучения планет на орбитах вокруг этой звезды, где потенциально возможна жизнь. Концепция миссии NWO разработана в 2005 г. под эгидой NIAC («Инновационные и перспективные концепции NASA») и руководством профессора Вебстера Кэша (Webster Cash) из Университета Колорадо. Это исследование очень подходит концепции SpiderFab, поскольку команда NWO разработала и документально оформила детальную концепцию развертывания «зонта» с использованием развертываемых SOA-конструкций.
Рис. 11.
Концепция «зонта»  для New Worlds Observer.
«Зонт», расположенный между удаленной звездой и телескопом,  экранирует свет от звезды, что позволяет телескопу получать более качественные изображения планет на орбите такой звезды.
Космический аппарат-«зонтик», разработанный командой NWO и показанный на рис. 12, использует несколько радиально раскладывающихся штанг, чтобы раскрыть светонепроницаемый металлизированный экран из материала Kapton. Используя самую большую из имеющихся ракет-носителей Delta-IVH, такая конструкция позволит создать «зонт» диаметром 62 м. Команда NWO оценила массу этого экрана в 1495 кг.
Рис. 12.
Развертываемый  SOA-проект « зонта» NWO.
«Зонт» диаметром 62 м складывается, чтобы вписаться в габариты самого большого из существующих стартового обтекателя ракеты-носителя.
На рис. 13 представлено условное сравнение между конструктивно-силовой схемой развертываемого «зонта» NWO и конструкциями, создаваемыми с помощью SpiderFab на орбите. Светонепроницаемая поверхность «зонта» NWO разворачивается и поддерживается 16 радиальными телескопическими штангами, выполненными из армированного стекловолокном полимерного композита. Диаметр этих штанг ограничен сложностью упаковки и должен быть менее метра. После раскладывания данные штанги должны поддерживать светонепроницаемую мембрану при осевых ускорениях и крутящих моментах, создаваемых непосредственно космическим кораблем. В нижней части рис. 13 показан тип конструкции, ставшей возможной благодаря SpiderFab; мы создали ее с помощью программы ANSYS, с учетом оценочных значений крутящих моментов и осевых давлений, которые конструкция должна выдерживать, и предположительного использования высокоэффективных углеволоконных композитов. Будучи свободной от размерных ограничений при запуске и требований к конструкции по складыванию, опорная конструкция для «зонта» может быть изготовлена с переменным сечением и изменяемой геометрией; она может быть несколько метров шириной в середине и утончаться к периферии, а концентрация и геометрия ее структурных элементов могут варьироваться таким образом, чтобы оптимизировать ее устойчивость к эксплуатационным нагрузкам.
Рис. 13.
Условное сравнение опорных конструкций развертываемого «зонта» NWO  и «зонта»  по технологии  SpiderFab.
Строительство на орбите позволяет создавать конструкции с широким диапазоном размеров и форм,
оптимально соответствующих эксплуатационным нагрузкам в условиях невесомости.
Как явствует из рис. 14, наш анализ показывает, что с той же самой величиной массы, которая выделяется на «зонт», развертываемый на основе SOA,  SpiderFab могла бы создать зонтичную конструкцию с вдвое большим диаметром и вчетверо большей площадью. В данном случае оценка массы «зонта» SpiderFab включала распределение массы в пределах 250 кг + 150 кг на роботизированную систему, требуемую для строительства опорной конструкции (на основании массы нашего робота-манипулятора KRAKEN и оценок, полученных из прошлого опыта миссии Mars Polar Lander), а для светонепроницаемой мембраны мы предполагаем ту же общую толщину пленки Kapton (125 мкм), которая используется в проекте NWO. В дополнение к увеличению размера «зонта», который может быть развернут в пределах заданной стартовой массы, SpiderFab также обеспечивает 30-кратное увеличение эффективности упаковки — со 120 кубических метров  для подхода на основе SOA до 4 кубических метров при строительстве на орбите. Данная оценка объема предполагала 80 % -ную эффективность упаковки сырья (углеволоконных композитов) для опорной конструкции (что легко достигается с нитями или плоской лентой) и включала 2 кубических метра, выделенных на роботизированную систему SpiderFab. Такое уменьшение массы в упаковке может позволить запустить зонтичный компонент миссии NWO ракетой-носителем Falcon-9,  а не Delta-IVH, что снижает стоимость запуска примерно на треть.
Рис. 14.
Увеличение размера, достигаемое с помощью SpiderFab.
SpiderFab позволяет существенно увеличить размер космических сооружений при равной стартовой массе и значительно меньшем объеме в упаковке.
Двойное увеличение размера «зонта» позволило бы телескопу NWO разрешать детали изображения планет, расположенных вдвое ближе к звезде. Такое более близкое изучение увеличило бы число потенциально обнаруженных планет земного типа в пределах обитаемой зоны звезды в 8 раз. Кроме того, удвоение размера звездного экрана увеличило максимальную длину волны, при которой «зонт» обеспечил бы достаточное затемнение, в два раза — с 1 μ до 2 μ. Возросшая длина волны вывела бы систему в диапазон, где может работать Космический телескоп им. Джеймса Уэбба (JWST), что потенциально позволит использовать JWST как часть системы NWO или, по крайней мере, проверить некоторые идеи проекта. Уменьшив число запусков, требуемых для развертывания системы NWO, с двух ракет-носителей Delta-IV Heavy до одного Falcon-9 и увеличив число планет, детали изображения которых система могла бы разрешить, технология SpiderFab смогла бы обеспечить выгоду в виде 16-кратного увеличения числа обнаруженных землеподобных планет, которые миссия NWO могла бы открыть в течение активного существования.  Одним словом, SpiderFab позволяет NASA открыть в 16 раз больше планет, подобных  Земле,  в расчете на один потраченный доллар.
F. Экономические выгоды для больших антенных отражателей
Большинство систем NASA, Министерства обороны США и коммерческих космических систем доставляют своим конечным пользователем одно: данные. Фактическое качество таких данных — разрешение изображений, длина волны каналов связи или соотношение «сигнал-шум» сенсорных систем — большей частью обеспечивается размером апертур антенн и оптики, используемых в системе. Таким образом, развертываемые зеркала антенн представляют собой важный потенциальный рынок для применения технологий строительства на орбите.
Мы можем сопоставить потенциальные показатели SpiderFab для больших антенных отражателей путем сравнения с ультра- современными развертываемыми антеннами, такими как отражатели Astromesh производства Astro Aerospace,  дочерней компанией Northrop Grumman, и с несворачивающимися антеннами производства Harris Corporation. Отражатели Astromesh используют предварительное напряжение, при котором ферма в виде обруча разворачивается, раскрывая отражающую сетку, а система из линий натяжения, протянутых через обруч, служит для удержания антенны в желаемой параболической конфигурации. В антеннах Harris обычно используется несколько радиальных спиц, которые раскрываются, как зонтик, чтобы образовать зеркало нужной геометрии.
Сотрудник компании Harris Corporation за работой.  
Данные развертываемые SOA-системы исключительно эффективны с точки зрения массы, и мы считаем маловероятным, что строительство на орбите может обеспечить значительное улучшение стартовой массы. Однако данные развертываемые системы не являются оптимальными с точки зрения массы в упаковке и себестоимости, и, следовательно, для такой архитектуры, как SpiderFab, существует возможность обеспечить значительное улучшение функциональных возможностей путем создания потенциала для развертывания больших апертур в ограниченном внутреннем объеме существующих обтекателей.
Рис. 15.
Отношение массы к себестоимости развертываемых  антенных отражателей.
На рис. 15 представлена диаграмма отношения массы к ориентировочной стоимости существующих развертываемых антенн. Размер изображений антенн, используемых в диаграмме, показывает относительный размер и/или эксплуатационные характеристики антенны. Диаграмма также показывает, что себестоимость таких развертываемых конструкций резко увеличивается с размером апертуры, при этом затраты на конструкции диаметром в несколько десятков метров достигают сотен миллионов долларов; они растут в геометрической прогрессии относительно размера из-за сложности требуемых дополнительных механизмов складывания, а также затрат на наземные сооружения, требуемые для сборки и подготовки крупных компонентов систем. К тому же, поскольку раскладывающиеся антенны ограничены с точки зрения компактности их в сложенном состоянии, самая большая апертура, которая может быть развернута с помощью данных SOA-технологий, составляет несколько десятков метров. SpiderFab меняет уравнение затрат для больших антенн.
Для антенны, изготовленной на орбите, себестоимость складывается, прежде всего, из стоимости создания, запуска и эксплуатации роботизированной системы, необходимой для ее строительства. В данном анализе мы оценили периодические затраты на такую роботизированную систему в $25–75 млн при использовании микроспутника класса ESPA или STP-SIV ценой в $20 млн, а также стоимость роботизированных систем на основе робота-манипулятора Mars Polar Lander (MPL) и миссии DARPA Phoenix. Данная «базовая» себестоимость может сделать SpiderFab неконкурентной для малых апертур. Однако после приобретения роботизированной системы последующие затраты для создания антенны большего размера состоят, главным образом, из стоимости запуска требуемого материала и эксплуатации роботизированной системы в течение большего срока. В частности, мы можем избежать затрат на содержание наземных объектов для сборки и испытания сверхбольших антенн. В результате стоимость жизненного цикла будет меняться пропорционально размеру апертуры, делая экономически доступными антенны диаметром в сотни метров.

IV. Техническая осуществимость SpiderFab

Данным концепциям SpiderFab требуется разработать, как уже писалось выше, методы обработки соответствующих материалов для создания конструкций, механизмы для транспортировки и манипуляций с инструментами и материалами, способы монтажа и сборки конструкций, методы терморегулирования материалов и конструкций, метрологию для замкнутой системы управления процессом производства и методы интеграции функциональных элементов в конструкции, построенные на орбите.
A. Обработка соответствующих материалов для создания космических конструкций
Создание компонентов космических аппаратов размерами в сотни и тысячи метров потребует применения материалов с крайне высокими прочностными характеристиками, чтобы достичь доступных стартовых масс. Кроме того, создание таких больших конструкций в разумное время потребует технологий быстрой обработки данных материалов. Чтобы достичь желаемых максимальных прочностных характеристик, мы сконцентрировали свое внимание на материалах и технологических приемах для производства конструкций из композитов.
Материалы. Для эксплуатации в космосе структурные элементы будут изготавливаться с использованием материала, состоящего из термопластика и высокоэффективного волокна, такого как полиэфирэфиркетон (PEEK) и углеволоконный композит (CF/ PEEK). Углеродное волокно обеспечит высокую прочность на растяжение, жесткость и прочность на сжатие, а PEEK обеспечит надежное сцепление между волокнами. 
PEEK — термопластик с высокой температу рой плавления, возможностью эксплуатации в условиях высокой температуры и низким выделением газов при обработке, что успешно использовалось в предшествующих полетных заданиях. Чтобы минимизировать как ухудшение параметров полимера PEEK под воздействием УФ-излучения, так и изменения температуры конструкции на орбите, на PEEK можно нанести покрытие из диоксида титана. Ранее мы исследовали два различных формата сырьевого материала для использования в процессе SpiderFab. Первый — нити термопласта, армированного непрерывным волокном (Continuous Fiber Reinforced Thermoplastic, CFRTP), состоящие из высокомодульного волокна вперемешку с термопластичным волокном. Второй вид сырья — лента из сплошного волокна, предварительно пропитанного полимерным связующим, подобная той, что применялась при изготовлении многослойных композитов. В архитектуре SpiderFab данные исходные материалы будут запускаться в компактных катушках, а затем использоваться на орбите для формирования структурных элементов, таких как балочные фермы, трубы, решетчатые конструкции и сплошные поверхности.