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极限科技改变太空工程 几克重的人造卫星将不足为奇
2019-08-19 09:45:19
叶倾城|新浪科技
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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

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。

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