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2019年6月 ， 空客制造的卫星在法属圭亚那搭载火箭升空
“太空工厂”可以像蚂蚁筑巢一样 ， 慢慢在太空中建筑出一个比自身大得多、复杂得多的航天器 ， 这将极大地解放太空工程师的设计想象力 。
彭天放
“欧盟委员会已经选择空客公司开展在太空中制造航天器的研究项目PERIOD 。 ”3月11日发布在空客公司官网上的这一消息说明 ， 欧盟已开始认真思考在太空中建设工厂 ， 用来制造卫星、飞船等航天器的技术方案了 。
为未来图景做好技术储备
尽管对外披露的技术细节并不多 ， 但从此次空客公司发布的项目示意图中可以看出 ， 这个“太空工厂”项目 ， 是一个在地球周边太空轨道工作的加工制造平台 ， 包括了主体结构、工具库、材料库以及加工用机械臂等设施 。 就像一个在太空中运行的车间一样 ， 设想中的“太空工厂”能够一边环绕地球运行 ， 一边生产出卫星等航天器所需的零件、模块 ， 乃至生产整个卫星 。
乍听起来给人一种天马行空的科幻感 ， 但这个“太空工厂”项目可不是欧洲人一时的异想天开 ， 它其实是欧盟委员会旗下早在2014年就启动了的、更为宏大的一个系列研究计划PER ASPERA（拉丁语 ， 意思是“历经艰险 ， 抵达星辰”）的一部分 。 在这个系列研究计划设想里 ， 未来地球周边的宇宙空间 ， 将会是由各种太空机器人共同构建的一个忙碌的生态系统 。 为了给这幅未来图景做好技术储备 ， PER ASPERA计划开始围绕太空机器人技术（SRT）展开一系列的研究 。
项目官网上公布的2016~2024年技术路线图 ， 把未来太空机器人的相关技术分成了“在轨技术–通用模块技术–行星技术”3条并行的路线 。 这一次的“太空工厂”项目 ， 就是太空机器人研究计划关于在轨技术路线的一个技术演示项目 。
太空里造卫星优点多多
欧盟为何要开展长达十年的项目 ， 尝试在太空中生产卫星？目前看来 ， 在太空中生产卫星等航天器 ， 至少有三大优点：
首先 ， 可以给予卫星更丰富的几何结构选择范围 。 目前所有的航天器都是在地球上完成制造 ， 然后安装在火箭头部的整流罩内 ， 最终发射进入太空轨道 。 这样的制造–发射流程 ， 使得卫星的体积和结构极大地受限于火箭头部这个狭小的空间 。 为了把卫星塞进火箭头部直径大概2~5米的圆柱体空间内 ， 大部分现存的卫星都被做成了“胖盒子+折叠翅膀”的结构设计 。
但这种“胖盒子+折叠翅膀”的单一结构 ， 很多情况下并不是卫星执行任务的最佳几何结构 。 比如 ， 一些遥感、通信卫星所用到的天线往往需要巨大的空间延展范围（从几十到上千米不等） 。 这种巨大的机械结构 ， 如果一定要折叠在狭小的火箭头部 ， 技术上会带来极大不便 。 其实 ， 太空工程师曾经设计出很多富有想象力、功能更强大的几何结构的卫星 ， 都因为无法被折叠到火箭里而“胎死腹中” 。
在“太空工厂”生产卫星 ， 便可以把卫星的几何结构从发射的桎梏中解脱出来 。 由于太空轨道空旷的微重力环境 ， 卫星的结构在理论上可以是任意的 。 甚至 ， “太空工厂”可以像蚂蚁筑巢一样 ， 慢慢在太空中建筑出一个比自身大得多、复杂得多的航天器 ， 这将极大地解放太空工程师的设计想象力 。
第二个优点 ， 使更低的卫星结构可靠性要求成为可能 。 卫星在太空中的工作环境是真空+微重力 ， 意味着不同零件之间并不会因为重力造成相互挤压 。 仅在这个意义上 ， 卫星的力学结构不用再造得多么“结实” 。 由于卫星在火箭发射过程中要承受10~20倍的重力加速度冲击 ， 为了扛住这种强力冲击 ， 卫星从整体到零件都必须特别“结实” 。 因此直到今天 ， 不管是卫星的整体结构还是上面的零部件 ， 发射升空前都必须要经过最苛刻的力学冲击和振动测试 ， 以确保整体结构能够在“车祸”一样严酷的冲击+振动环境中完好无损 。
这种对可靠性的超高要求 ， 使得卫星所使用的零部件往往要经过千挑万选 ， 非常昂贵 ， 提高了整体造价；同时 ， 很多性能优势明显却唯独不太结实的结构方案 ， 无法被最终采用 。 而在太空中直接制造卫星 ， 则可以避免这些麻烦 。 比如 ， 可以把聚合物粉末打包发射到太空 ， 再用太空中的3D打印设备打印出卫星的机械结构框架 。
第三 ， 可以模块化卫星设计 ， 提供敏捷的卫星修复能力 。 在欧盟“太空机器人计划”的技术路线图中 ， 模块化的航天器设计是一个承上启下的技术环节 。 所谓模块化的设计理念 ， 就是把卫星拆分成几个标准化的功能模块（就如同手机中的摄像模块、电池模块、天线模块等等） 。 每一个模块都可以独立生产 ， 并且可以随时像搭积木一样拼装成完整的卫星 。
欧盟“太空工厂”的基础目标 ， 是让人类在太空中能够先独立生产卫星中的某个或者某些功能模块 。 这样做的一个非常巨大的好处 ， 是可以快速、低成本地对太空中的卫星进行维修 。 现如今的很多卫星 ， 经常由于动力模块耗损或者天线损坏等局部小毛病导致整体报废 。 如果在太空中能够快速独立生产出替换的功能模块 ， 再由太空维修机器人将全新的模块进行更换 ， 就可以大大提高卫星在太空中的使用寿命 ， 提高维修速度 ， 并且降低整个卫星系统的维护成本 。
“历经艰险”方能“抵达星辰”
欧盟“太空工厂”的相关技术属于被称为“太空制造”技术的前沿科技范畴 。 不过 ， 在这一领域 ， 欧盟还不是全世界进展最快的 ， 美国依然是技术积累最多的国家 。
2011年 ， 美国国家航空航天局（NASA）就已开始太空制造相关技术的验证和探索 。 2014年 ， 美国在国际空间站安装了3D打印实验设备 ， 首次从地面遥控操作国际空间站的3D打印制造 。 到了2016年 ， 国际空间站已经开始使用所谓实用型增材制造设备（AMF）制造具有实用价值的物品 。 当前美国着力支持空间实验工厂（FabLab）项目 ， 委托Interlog、TechShot等科技公司研究在太空中部署加工包括金属结构、陶瓷结构、聚合物结构、电子元器件等在内的多种复合材料 ， 并且勾勒出了分为四阶段的2014~2035年太空制造技术发展路线图 。 目前开展火热的FabLab项目处于第三阶段 。
中国在太空制造技术领域同样取得了突出的技术成果 。 中国科学院2017年正式成立了太空制造技术重点实验室 ， 依托中国科学院空间应用工程与技术中心开展太空制造技术的相关研究 。 截至目前 ， 中国在太空中聚合物、陶瓷材料的3D打印以及太空制造技术的相关设备研究等方面都取得了可喜进展 。
不论是美国、欧盟还是中国的太空制造研究项目 ， 都还处于早期技术探索和演示验证阶段 ， 距离投入真正意义上的实际应用 ， 大概还有5~10年的时间 。
而总体看 ， 未来的发展可能会分成三个阶段：首先 ， 现阶段以及未来的5~8年 ， 人类有可能实现部分零部件甚至功能模块的太空制造 ， 并且对现有的卫星展开类似零部件替换回收等任务；第二阶段 ， 也就是在2035年前后 ， 有可能形成真正意义上的太空工厂 ， 为月球开发、火星探测等任务提供相关支持；第三阶段 ， 会围绕火星–月球–小行星–地球周边轨道的层次化结构 ， 构建起一套复杂的太空基础设施生态 ， 为人类在太空中的资源利用和开发提供完整的支持 。
只不过 ， 距离这一天的到来 ， 我们还有无数的困难需要克服 。 也许 ， 这正是欧盟委员会将这一项目命名为PER ASPERA的原因 。
（作者系清华大学精密仪器系博士研究生）
来源：2021年4月7日出版的《环球》杂志 第7期
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