航天器的未来:直径数百米的反射镜照亮地球

据网易新闻报道:今年是人类成功登月50周年。得益于太空技术的飞速发展,这一切才成为可能。在阿波罗任务之前相当短的时间内,工程师们已经掌握了火箭推进、机载计算和太空操作技术,这在一定程度上要归功于几乎无限的预算。自此以来,空间工程已发展成一系列相互联系的技术,不仅为人类带来了一系列新的空间科学任务,也带来了丰富的地球观测数据和全球通讯导航服务网络。我们现在可以让探测器登陆彗星,也能够观测到宇宙更久远的过去。但是在未来的几十年里,什么样的新技术能够进一步改变航天领域?

在过去的几年里,一个很有前途的方法是空间技术大型化和小型化。通过最近由英国皇家工程学院资助的一项为期十年研究计划,科学家正开始探索进一步缩小或扩大航天器极限尺寸的可能性。

极小型航天器

小型立方体卫星

小型化技术使尺寸更小的航天器成为可能,例如灾害监测星系(Disaster Monitoring Constellation)项目中的卫星只有100公斤重。甚至还有体积为30x10x10厘米的立方体卫星,它们的重量只有几公斤,可以携带一系列不同的仪器。这些卫星通常用于对地观测或进行低成本的科学实验,因为大量小型化卫星可以作为二次有效载荷随较大卫星一起发射。

业界的未来目标是让航天器尺寸上至少降低一个数量级。从3x3cm的印刷电路板(PCB)卫星开始,然后人类会制造出更紧凑的设备。目前有公司已经对这类卫星进行了在轨演示。以Sprite设备为例,尽管其配置了传感器、通信设备并具备机载数据处理功能,但其重量只有4克。

这些装置已经安装在国际空间站的外部。就在最近,KickSat-2任务在近地轨道上部署了105台Sprite设备,每台成本不到100美元。在这些设备入轨运行后的第二天地面就收到了信号,这增加了人们对这些设备有朝一日能在太空执行更多新任务的期望。

更长期目标是制造自由飞行的极小型航天器,可以控制自身在太空中的方向和轨道。这将使人类能够部署可用于分布式传感器网络的大量传感器,支持大规模的实时数据采集,并完成空间天气监测等诸多任务。展望未来,人类或将能够基于单块硅晶片生产出高度集成的量产卫星。

一种令人兴奋的可能性是,通过将这种微型航天器与大型光帆相结合,从而打造出在几十年内到达其他星系的星际飞船。此外,这种极小型航天器也可以在彗星或小行星附近进行遥感测试。

超大型航天器

韦伯太空望远镜的主镜

另一极端的空间技术也有进展。国际空间站上已经开始使用30米长的大型可展开动力臂来支撑其太阳能电池阵列。在这一领域的未来目标是通过在轨道上制造大型的轻量化结构,将其再次提升至少一个数量级。通过将3D打印技术应用于真空和微重力环境,人类可以制造出超大型天线、能量收集器或太阳能反射器。

但是为什么人类需要这样的超大型结构呢?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。其拥有一个巨大的主镜,并有一个专业网球场大小的巨型遮阳装置。为了将詹姆斯·韦伯太空望远镜搭载到阿丽亚娜5号火箭上,主反射镜和遮阳装置都由可展开的结构组成。一旦单次发射失败,整个项目将功亏一篑。

而在轨道上直接制造大型轻质结构的能力,可能对太空技术产生巨大影响,可以避开直接从地面发射精密结构的一系列风险问题。例如在连续的制造过程中,结构支撑材料可以直接贴合到反射膜上,那么人类就可以制造直径达到几百米的超大反射器。

在极地轨道上,这种反射器还可以在黎明和黄昏时分照亮未来的陆地太阳能发电厂,该时段发电量很低,需求却很高。这将是一种全新的太空服务,其产品会是能源而不是信息。

它还可以用来反射太阳光,从而产生工业级的太阳能热能,用于处理从近地小行星上回收的材料。例如,一个半径500米的反射器能够产生1GW的热能,相当于地球上一个普通发电站的输出。

用这种超大结构从小行星上提取水资源是一个特别有前途的方法,因为它可以帮助人类在太空中制造推进剂。太阳能发电可以将水分解成氢和氧,并将它们用作宇宙飞船的燃料。在未来,在轨道上制造推进剂可以避免将燃料从地球表面一路运送到太空,从而降低未来探索太空的风险。

虽然阿波罗任务是一个真正具有英雄气概的工程实例,但未来的太空探索也同样令人兴奋,并能带来更为持久的社会效益。

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