极限科技改变太空工程

北京时间8月19日消息，据国外媒体报道，今年是“阿波罗号”飞船首次登月50周年，这一成就得益于太空技术的飞速发展，才使得人类登月成为可能。在此次登月活动之前非常短的时间内，工程师们已经掌握了火箭推进、机载计算和太空操作，这在一定程度上要归功于巨大的财政投入。

自阿波罗号登月以来，太空工程迅速发展成为一系列相辅相承的技术，这些技术提供令人兴奋的新型太空科学任务、地面观测数据，并建立全球通讯和导航服务网络。现在我们可以在彗星表面着陆探测器，窥探发现宇宙的历史。但是未来几十年，什么样的最新太空技术能够对航天领域带来革新变化呢?

在过去几年中，一项颇有前景的方法是太空极限设计，就是将太空探测器或者太空装置最大化或者最小化。通过最近由英国皇家工程学院资助的一项为期10年研究计划，研究小组正在探索航天器极端设计的可能性。我们相信，这是一个亟待开发的领域，可能对未来太空任务设计提供新的理念。

微型化设计

这是30×10×10厘米的CubeSats卫星，重量仅有几公斤，可以携带多种不同的有效载荷，它们经常用于地球观测，或者进行低成本的科学实验。

航天技术微型化可以缩小太空飞船体积，例如：100公斤重的小型人造卫星可用于灾害监测，它们可以多颗小卫星协同工作。近年来，科学家还设计立方体微型卫星，这是30×10×10厘米的CubeSats卫星，重量仅有几公斤，可以携带多种不同的有效载荷。它们经常用于地球观测，或者进行低成本的科学实验，由于多颗微型卫星可以作为二次有效载荷，搭载较大的卫星发射升空，之后在太空展开部署。

我们的目标是在航天技术上降低一个数量级，首先从3×3厘米的卫星印刷电路板(PCB)开始，之后是更加紧凑的太空设备。目前已对这种微型人造卫星实现了轨道演示，以Sprite微型人造卫星为例，它的重量仅有4克，但是麻雀虽小、五脏俱全，它拥有传感器、通信和机载数据处理功能。

目前，Sprite微型卫星已部署在国际空间站外侧，前不久，KickSat-2太空任务中部署了105颗Sprite微型卫星，每颗卫星成本不到100美元。在太空部署卫星之后，第二天就成功接收到了信号，未来这些微型化设备有望在太空执行新的任务。

未来还计划制造自由飞行的装置，可以控制它们在太空中的方向和轨道，这将使我们能够部署大量传感器，实现分布式传感网络，支持实时、大规模的数据收集，包括空间天气监测，体积更小的设备可基于单块硅芯片实现高度集成、大规模生产的微型卫星。

一种令人兴奋的可能性是，通过耦合大型光帆，将这样的微型卫星与星舰结合在一起，能够在几十年内到达其他恒星系统，同时，也可以用于在彗星或者小行星附近无处不在的勘测分析。

超大太空结构

目前国际空间站已使用30米长的大型可伸展吊杆放置太阳能电池阵列。未来我们的目标是在太空轨道制造大型、轻重量结构，使太空结构再提升一个数量级。这可以通过将3D打印技术应用于真空和微重力环境来实现，我们相信这种方法可以制造大型天线、能量收集器或者太空反射器。

为什么我们需要这样的大型太空结构呢?以詹姆斯·韦伯太空望远镜为例，它将很快取代哈勃太空望远镜，它拥有一个巨大主镜，由一个网球场大小的盾状结构遮挡阳光，为了将这项技术应用到“阿丽亚娜5号”火箭上，主反射镜和遮阳板都采用可伸展设计。一旦进入太空，就需要一系列复杂的单独发射，否则就面临任务失败的风险。

在太空轨道上直接制造大型轻质结构，可能对太空技术产生重要影响，降低了从地面发射精密设备的风险，例如：如果在连续性制造过程中，结构支撑材料可直接打印在反射膜上，将潜在制造数百米宽的大型反射器。

在极地轨道，这种反射器可以在黎明和黄昏时间段照亮陆地太阳能发电站，尽管发电量很低，但是供电现货价格很高，这将是一种全新的太空服务，其产品是能源而不是信息。

它还可以用于反射光线，从而产生工业规模的太阳热能，用于处理从近地小行星上回收的材料，例如：1个500米半径的反射器拦截的热能为1G瓦，相当于地面上一个普通发电站的产电效能。

在小行星上高温蒸发水具有一个特殊的作用，因为它可以帮助我们在太空中制造推进剂。太阳能发电可以将水分解为氢和氧，并将它们作为燃料。当它们重新组合并点燃时，就会燃烧产生推力，推动宇宙飞船在太空中飞行。未来在太空轨道上制造推进燃料可以降低未来人类太空冒险的成本，避免从地球表面将燃料运输至太空。(叶倾城)

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