“太空工廠”的夢想與現(xiàn)實(shí)

彭天放

“歐盟委員會(huì)已經(jīng)選擇空客公司開展在太空中制造航天器的研究項(xiàng)目PERIOD。”2021年3月11日發(fā)布在空客公司官網(wǎng)上的這一消息說明，歐盟已開始認(rèn)真思考在太空中建設(shè)工廠，用來制造衛(wèi)星、飛船等航天器的技術(shù)方案了。

為未來圖景做好技術(shù)儲(chǔ)備

盡管對(duì)外披露的技術(shù)細(xì)節(jié)并不多，但從此次空客公司發(fā)布的項(xiàng)目示意圖中可以看出，這個(gè)“太空工廠”項(xiàng)目，是一個(gè)在地球周邊太空軌道工作的加工制造平臺(tái)，包括了主體結(jié)構(gòu)、工具庫、材料庫以及加工用機(jī)械臂等設(shè)施。就像一個(gè)在太空中運(yùn)行的車間一樣，設(shè)想中的“太空工廠”能夠一邊環(huán)繞地球運(yùn)行，一邊生產(chǎn)出衛(wèi)星等航天器所需的零件、模塊，乃至生產(chǎn)整個(gè)衛(wèi)星。

乍聽起來給人一種天馬行空的科幻感，但這個(gè)“太空工廠”項(xiàng)目可不是歐洲人一時(shí)的異想天開，它其實(shí)是歐盟委員會(huì)早在2014年就啟動(dòng)了的、更為宏大的一個(gè)系列研究計(jì)劃PER ASPERA（拉丁語，意思是“歷經(jīng)艱險(xiǎn)，抵達(dá)星辰”）的一部分。在這個(gè)系列研究計(jì)劃設(shè)想里，未來地球周邊的宇宙空間，將會(huì)是由各種太空機(jī)器人共同構(gòu)建的一個(gè)忙碌的生態(tài)系統(tǒng)。為了給這幅未來圖景做好技術(shù)儲(chǔ)備，PER ASPERA計(jì)劃開始圍繞太空機(jī)器人技術(shù)（SRT）展開一系列的研究。

項(xiàng)目官網(wǎng)上公布的2016～2024年技術(shù)路線圖，把未來太空機(jī)器人的相關(guān)技術(shù)分成了“在軌技術(shù)—通用模塊技術(shù)—行星技術(shù)”3條并行的路線。這一次的“太空工廠”項(xiàng)目，就是太空機(jī)器人研究計(jì)劃關(guān)于在軌技術(shù)路線的一個(gè)技術(shù)演示項(xiàng)目。

太空里造衛(wèi)星優(yōu)點(diǎn)多多

歐盟為何要開展長達(dá)十年的項(xiàng)目，嘗試在太空中生產(chǎn)衛(wèi)星？目前看來，在太空中生產(chǎn)衛(wèi)星等航天器，至少有三大優(yōu)點(diǎn)：

首先，可以給予衛(wèi)星更豐富的幾何結(jié)構(gòu)選擇范圍。目前所有的航天器都是在地球上完成制造，然后安裝在火箭頭部的整流罩內(nèi)，最終發(fā)射進(jìn)入太空軌道。這樣的制造—發(fā)射流程，使得衛(wèi)星的體積和結(jié)構(gòu)極大地受限于火箭頭部這個(gè)狹小的空間。為了把衛(wèi)星塞進(jìn)火箭頭部直徑2～5米的圓柱體空間內(nèi)，大部分現(xiàn)存的衛(wèi)星都被做成了“胖盒子+折疊翅膀”的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

但這種“胖盒子+折疊翅膀”的單一結(jié)構(gòu)，很多情況下并不是衛(wèi)星執(zhí)行任務(wù)的最佳幾何結(jié)構(gòu)。比如，一些遙感、通信衛(wèi)星所用到的天線往往需要巨大的空間延展范圍（從幾十到上千米不等）。這種巨大的機(jī)械結(jié)構(gòu)，如果一定要折疊在狹小的火箭頭部，技術(shù)上會(huì)帶來極大不便。其實(shí)，太空工程師曾經(jīng)設(shè)計(jì)出很多富有想象力、功能更強(qiáng)大的幾何結(jié)構(gòu)的衛(wèi)星，都因?yàn)闊o法被折疊到火箭里而“胎死腹中”。

在“太空工廠”生產(chǎn)衛(wèi)星，便可以把衛(wèi)星的幾何結(jié)構(gòu)從發(fā)射的桎梏中解脫出來。由于太空軌道空曠的微重力環(huán)境，衛(wèi)星的結(jié)構(gòu)在理論上可以是任意的。甚至，“太空工廠”可以像螞蟻筑巢一樣，慢慢在太空中建筑出一個(gè)比自身大得多、復(fù)雜得多的航天器，這將極大地解放太空工程師的設(shè)計(jì)想象力。

第二個(gè)優(yōu)點(diǎn)，使更低的衛(wèi)星結(jié)構(gòu)可靠性要求成為可能。衛(wèi)星在太空中的工作環(huán)境是真空+微重力，意味著不同零件之間并不會(huì)因?yàn)橹亓υ斐上嗷D壓。僅在這個(gè)意義上，衛(wèi)星的力學(xué)結(jié)構(gòu)不用再造得多么“結(jié)實(shí)”。由于衛(wèi)星在火箭發(fā)射過程中要承受10～20倍的重力加速度沖擊，為了扛住這種強(qiáng)力沖擊，衛(wèi)星從整體到零件都必須特別“結(jié)實(shí)”。因此直到今天，不管是衛(wèi)星的整體結(jié)構(gòu)還是上面的零部件，發(fā)射升空前都必須要經(jīng)過最苛刻的力學(xué)沖擊和振動(dòng)測試，以確保整體結(jié)構(gòu)能夠在“車禍”一樣嚴(yán)酷的沖擊+振動(dòng)環(huán)境中完好無損。

這種對(duì)可靠性的超高要求，使得衛(wèi)星所使用的零部件往往要經(jīng)過千挑萬選，非常昂貴，提高了整體造價(jià);同時(shí)，很多性能優(yōu)勢明顯卻唯獨(dú)不太結(jié)實(shí)的結(jié)構(gòu)方案，無法被最終采用。而在太空中直接制造衛(wèi)星，則可以避免這些麻煩。比如，可以把聚合物粉末打包發(fā)射到太空，再用太空中的3D打印設(shè)備打印出衛(wèi)星的機(jī)械結(jié)構(gòu)框架。

第三，可以模塊化衛(wèi)星設(shè)計(jì)，提供敏捷的衛(wèi)星修復(fù)能力。在歐盟“太空機(jī)器人計(jì)劃”的技術(shù)路線圖中，模塊化的航天器設(shè)計(jì)是一個(gè)承上啟下的技術(shù)環(huán)節(jié)。所謂模塊化的設(shè)計(jì)理念，就是把衛(wèi)星拆分成幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化的功能模塊（就如同手機(jī)中的攝像模塊、電池模塊、天線模塊等等）。每一個(gè)模塊都可以獨(dú)立生產(chǎn)，并且可以隨時(shí)像搭積木一樣拼裝成完整的衛(wèi)星。

歐盟“太空工廠”的基礎(chǔ)目標(biāo)，是讓人類在太空中能夠先獨(dú)立生產(chǎn)衛(wèi)星中的某個(gè)或者某些功能模塊。這樣做的一個(gè)非常巨大的好處，是可以快速、低成本地對(duì)太空中的衛(wèi)星進(jìn)行維修?，F(xiàn)如今的很多衛(wèi)星，經(jīng)常由于動(dòng)力模塊耗損或者天線損壞等局部小毛病導(dǎo)致整體報(bào)廢。如果在太空中能夠快速獨(dú)立生產(chǎn)出替換的功能模塊，再由太空維修機(jī)器人將全新的模塊進(jìn)行更換，就可以大大提高衛(wèi)星在太空中的使用壽命，提高維修速度，并且降低整個(gè)衛(wèi)星系統(tǒng)的維護(hù)成本。

“歷經(jīng)艱險(xiǎn)”方能“抵達(dá)星辰”

歐盟“太空工廠”的相關(guān)技術(shù)屬于被稱為“太空制造”技術(shù)的前沿科技范疇。不過，在這一領(lǐng)域，歐盟還不是全世界進(jìn)展最快的，美國依然是技術(shù)積累最多的國家。

2011年，美國國家航空航天局（NASA）就已開始太空制造相關(guān)技術(shù)的驗(yàn)證和探索。2014年，美國在國際空間站安裝了3D打印實(shí)驗(yàn)設(shè)備，首次從地面遙控操作國際空間站的3D打印制造。到了2016年，國際空間站已經(jīng)開始使用所謂實(shí)用型增材制造設(shè)備（AMF）制造具有實(shí)用價(jià)值的物品。當(dāng)前美國著力支持空間實(shí)驗(yàn)工廠（FabLab）項(xiàng)目，委托Interlog、TechShot等科技公司研究在太空中部署加工包括金屬結(jié)構(gòu)、陶瓷結(jié)構(gòu)、聚合物結(jié)構(gòu)、電子元器件等在內(nèi)的多種復(fù)合材料，并且勾勒出了分為四階段的2014～2035年太空制造技術(shù)發(fā)展路線圖。目前開展火熱的FabLab項(xiàng)目處于第三階段。

中國在太空制造技術(shù)領(lǐng)域同樣取得了突出的技術(shù)成果。中國科學(xué)院2017年正式成立了太空制造技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，依托中國科學(xué)院空間應(yīng)用工程與技術(shù)中心開展太空制造技術(shù)的相關(guān)研究。截至目前，中國在太空中聚合物、陶瓷材料的3D打印以及太空制造技術(shù)的相關(guān)設(shè)備研究等方面都取得了可喜進(jìn)展。

不論是美國、歐盟還是中國的太空制造研究項(xiàng)目，都還處于早期技術(shù)探索和演示驗(yàn)證階段，距離投入真正意義上的實(shí)際應(yīng)用，還有5～10年的時(shí)間。

而總體看，未來的發(fā)展可能會(huì)分成三個(gè)階段：首先，現(xiàn)階段以及未來的5～8年，人類有可能實(shí)現(xiàn)部分零部件甚至功能模塊的太空制造，并且對(duì)現(xiàn)有的衛(wèi)星展開類似零部件替換回收等任務(wù);第二階段，也就是在2035年前后，有可能形成真正意義上的太空工廠，為月球開發(fā)、火星探測等任務(wù)提供相關(guān)支持;第三階段，會(huì)圍繞火星—月球—小行星—地球周邊軌道的層次化結(jié)構(gòu)，構(gòu)建起一套復(fù)雜的太空基礎(chǔ)設(shè)施生態(tài)，為人類在太空中的資源利用和開發(fā)提供完整的支持。

只不過，距離這一天的到來，我們還有無數(shù)的困難需要克服。也許，這正是歐盟委員會(huì)將這一項(xiàng)目命名為PER ASPERA的原因。

（作者系清華大學(xué)精密儀器系博士研究生）

（摘自《環(huán)球》2021年第7期）