“太空工廠”的夢想與現實

彭天放

“歐盟委員會已經選擇空客公司開展在太空中制造航天器的研究項目PERIOD。”2021年3月11日發布在空客公司官網上的這一消息說明，歐盟已開始認真思考在太空中建設工廠，用來制造衛星、飛船等航天器的技術方案了。

為未來圖景做好技術儲備

盡管對外披露的技術細節并不多，但從此次空客公司發布的項目示意圖中可以看出，這個“太空工廠”項目，是一個在地球周邊太空軌道工作的加工制造平臺，包括了主體結構、工具庫、材料庫以及加工用機械臂等設施。就像一個在太空中運行的車間一樣，設想中的“太空工廠”能夠一邊環繞地球運行，一邊生產出衛星等航天器所需的零件、模塊，乃至生產整個衛星。

乍聽起來給人一種天馬行空的科幻感，但這個“太空工廠”項目可不是歐洲人一時的異想天開，它其實是歐盟委員會早在2014年就啟動了的、更為宏大的一個系列研究計劃PER ASPERA（拉丁語，意思是“歷經艱險，抵達星辰”）的一部分。在這個系列研究計劃設想里，未來地球周邊的宇宙空間，將會是由各種太空機器人共同構建的一個忙碌的生態系統。為了給這幅未來圖景做好技術儲備，PER ASPERA計劃開始圍繞太空機器人技術（SRT）展開一系列的研究。

項目官網上公布的2016～2024年技術路線圖，把未來太空機器人的相關技術分成了“在軌技術—通用模塊技術—行星技術”3條并行的路線。這一次的“太空工廠”項目，就是太空機器人研究計劃關于在軌技術路線的一個技術演示項目。

太空里造衛星優點多多

歐盟為何要開展長達十年的項目，嘗試在太空中生產衛星？目前看來，在太空中生產衛星等航天器，至少有三大優點：

首先，可以給予衛星更豐富的幾何結構選擇范圍。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，最終發射進入太空軌道。這樣的制造—發射流程，使得衛星的體積和結構極大地受限于火箭頭部這個狹小的空間。為了把衛星塞進火箭頭部直徑2～5米的圓柱體空間內，大部分現存的衛星都被做成了“胖盒子+折疊翅膀”的結構設計。

但這種“胖盒子+折疊翅膀”的單一結構，很多情況下并不是衛星執行任務的最佳幾何結構。比如，一些遙感、通信衛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）。這種巨大的機械結構，如果一定要折疊在狹小的火箭頭部，技術上會帶來極大不便。其實，太空工程師曾經設計出很多富有想象力、功能更強大的幾何結構的衛星，都因為無法被折疊到火箭里而“胎死腹中”。

在“太空工廠”生產衛星，便可以把衛星的幾何結構從發射的桎梏中解脫出來。由于太空軌道空曠的微重力環境，衛星的結構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比自身大得多、復雜得多的航天器，這將極大地解放太空工程師的設計想象力。

第二個優點，使更低的衛星結構可靠性要求成為可能。衛星在太空中的工作環境是真空+微重力，意味著不同零件之間并不會因為重力造成相互擠壓。僅在這個意義上，衛星的力學結構不用再造得多么“結實”。由于衛星在火箭發射過程中要承受10～20倍的重力加速度沖擊，為了扛住這種強力沖擊，衛星從整體到零件都必須特別“結實”。因此直到今天，不管是衛星的整體結構還是上面的零部件，發射升空前都必須要經過最苛刻的力學沖擊和振動測試，以確保整體結構能夠在“車禍”一樣嚴酷的沖擊+振動環境中完好無損。

這種對可靠性的超高要求，使得衛星所使用的零部件往往要經過千挑萬選，非常昂貴，提高了整體造價;同時，很多性能優勢明顯卻唯獨不太結實的結構方案，無法被最終采用。而在太空中直接制造衛星，則可以避免這些麻煩。比如，可以把聚合物粉末打包發射到太空，再用太空中的3D打印設備打印出衛星的機械結構框架。

第三，可以模塊化衛星設計，提供敏捷的衛星修復能力。在歐盟“太空機器人計劃”的技術路線圖中，模塊化的航天器設計是一個承上啟下的技術環節。所謂模塊化的設計理念，就是把衛星拆分成幾個標準化的功能模塊（就如同手機中的攝像模塊、電池模塊、天線模塊等等）。每一個模塊都可以獨立生產，并且可以隨時像搭積木一樣拼裝成完整的衛星。

歐盟“太空工廠”的基礎目標，是讓人類在太空中能夠先獨立生產衛星中的某個或者某些功能模塊。這樣做的一個非常巨大的好處，是可以快速、低成本地對太空中的衛星進行維修。現如今的很多衛星，經常由于動力模塊耗損或者天線損壞等局部小毛病導致整體報廢。如果在太空中能夠快速獨立生產出替換的功能模塊，再由太空維修機器人將全新的模塊進行更換，就可以大大提高衛星在太空中的使用壽命，提高維修速度，并且降低整個衛星系統的維護成本。

“歷經艱險”方能“抵達星辰”

歐盟“太空工廠”的相關技術屬于被稱為“太空制造”技術的前沿科技范疇。不過，在這一領域，歐盟還不是全世界進展最快的，美國依然是技術積累最多的國家。

2011年，美國國家航空航天局（NASA）就已開始太空制造相關技術的驗證和探索。2014年，美國在國際空間站安裝了3D打印實驗設備，首次從地面遙控操作國際空間站的3D打印制造。到了2016年，國際空間站已經開始使用所謂實用型增材制造設備（AMF）制造具有實用價值的物品。當前美國著力支持空間實驗工廠（FabLab）項目，委托Interlog、TechShot等科技公司研究在太空中部署加工包括金屬結構、陶瓷結構、聚合物結構、電子元器件等在內的多種復合材料，并且勾勒出了分為四階段的2014～2035年太空制造技術發展路線圖。目前開展火熱的FabLab項目處于第三階段。

中國在太空制造技術領域同樣取得了突出的技術成果。中國科學院2017年正式成立了太空制造技術重點實驗室，依托中國科學院空間應用工程與技術中心開展太空制造技術的相關研究。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的相關設備研究等方面都取得了可喜進展。

不論是美國、歐盟還是中國的太空制造研究項目，都還處于早期技術探索和演示驗證階段，距離投入真正意義上的實際應用，還有5～10年的時間。

而總體看，未來的發展可能會分成三個階段：首先，現階段以及未來的5～8年，人類有可能實現部分零部件甚至功能模塊的太空制造，并且對現有的衛星展開類似零部件替換回收等任務;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、火星探測等任務提供相關支持;第三階段，會圍繞火星—月球—小行星—地球周邊軌道的層次化結構，構建起一套復雜的太空基礎設施生態，為人類在太空中的資源利用和開發提供完整的支持。

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

（作者系清華大學精密儀器系博士研究生）

（摘自《環球》2021年第7期）