5国科学家Nature联合刊文,展望卫星的未来

发布: | 发布时间:2019-01-9,星期三 | 阅读:540
2018年8月,三颗微型卫星——立方星——由国际空间站发射到轨道上。
图片来源:ESA/NASA-A·格斯特

本文转载字微信公众号“环球科学ScientificAmerican”(ID:huanqiukexue)

空间活动已经成为了一个巨大的产业,但设备和技术却已经落后于时代。来自中国、美国、日本、澳大利亚和新加坡的7位科学家在《自然》联合发表评论,探讨卫星的未来。文章认为,改进现有技术应该从三个方向着手:卫星或飞行器的微型化、卫星的自我修复能力,以及大量微型卫星的集群运行。

本文作者:

伊戈尔·列夫琴科(Igor Levchenko)

迈克尔·凯达尔(Michael Keidar)

吉姆·坎特雷尔(Jim Cantrell)

吴岳良(Yue-Liang Wu) 

国中均(Hitoshi Kuninaka)

卡捷琳娜·巴扎卡(Kateryna Bazaka)

徐淑岩(Shuyan Xu)

翻译:孙丽冰 张红晖

2018 年5月在华盛顿举办的人类登陆火星峰会上,美国共和党参议员特德·克鲁兹(Ted Cruz)对在场的科学家和企业家宣称:“首位万亿富翁将在太空领域里产生。”他的话也许不错,不过前提是我们需要重新考虑太空技术。

发射卫星的成本相当于与卫星等重的黄金的价值。把1千克的物体送入近地轨道需花费数千美元,很多时候费用还要比这再高十几倍。把物体运回地球所需费用更加高昂:2010年日本“隼鸟号”飞船带回不到1克的小行星颗粒,整个任务花费了2.5亿美元,相当于每千克样本花费2500亿美元。

尽管如此,太空活动已经成了一个巨大的产业。2016年,全球公司在这个领域的投入约有2620亿美元,主要花在卫星通信、导航及遥感上。同年,世界各国政府在这一领域的投入累计约840亿美元。其中一半以上(480亿美元)来自美国政府,主要用于军事、气象和通信。

巨额投入并未带来良好收效。太空硬件没能和科技的发展保持同步,需要更新换代。卫星体积过大,费用高昂。多数卫星只能完成预设好的有限几种任务。尽管卫星制造投入了大量技术和材料,它们的使用寿命却只有几十年,比瑞士手表的寿命还短。

按照这个发展速度,人类永远无法在远地空间探险,遑论殖民月球和火星,或捕获小行星了。

我们认为,太空技术需要在三方面加以改进。成本必须降低;卫星应当体积小、机动灵活,并且能实现自修复;卫星需集群运行。

卫星产业占全球太空经济的四分之三。现在卫星发射数量达到创纪录的水平,因为建造卫星,以及把发射卫星送入轨道的成本下降了。

微型化

卫星的体积正在缩小。目前有800多个立方星被送入了轨道。这些卫星由手掌大小的模块构成,边长大约10厘米,重量仅1千克左右。不久的将来,研究人员能把卫星的整个“大脑”放入1立方毫米的空间内。2018年3月,IBM公司演示了一个装有100万个晶体管,却仅有盐粒般大小的微型计算机。这些设备体积越小,运行所需的能源越少,重量就越轻,发射所需的费用就会越低。

卫星分两种类型。被动卫星只需要控制方向和稳定性。主动卫星可以通过推进器进行操控。被动卫星更容易实现微型化。我们认为,如果用于控制稳定性的硬件可以再轻便些,被动卫星的重量可以轻至100克。成千上万个“毫微微卫星”可以作为一个网络系统来运行。

缩小主动卫星需要更长的时间。正如俄罗斯诗人弗拉基米尔·马雅科夫斯基(Vladimir Mayakovsky)(在谈到镭开采时)所言,“每一克,需花费一年时间。”主动卫星需要微小的推进系统。电推进技术是最为高效的,其中包括使用电弧把固体转变为高速等离子体的微阴极电弧推进器;用于生成微滴或离子的电喷雾系统;基于场发射来制造高能离子的推进器;以及气体供给系统,例如用电场加速推进剂的微型霍尔效应推进器。

我们需要一个标准化的微型卫星设计方案,来加快其研发、生产及投入使用的速度,同时降低成本。不过,这一设计必须是可定制的,以便可以兼容定制的科学仪器,并在必要时保护敏感的部件免遭高温和放射线照射的侵害。我们也需要同时设计多种模板。

微型卫星需用小火箭发射。尽管业界仍然热衷诸如“猎鹰9号”这样的大型运载火箭(能够运载几百颗小卫星及大卫星),但一些新兴公司正在开发“微型火箭”,例如美国亚利桑那州的Vector Launch公司(该公司首席执行官吉姆·坎特雷尔为本文作者之一)、得克萨斯州的Firefly Aerospace公司、澳大利亚昆士兰的Gilmour Space Technologies公司。微型火箭价格相对低廉,生产速度快。重量只有几吨重——远远低于重达500吨的“猎鹰9号”运载火箭或733吨的“德尔塔4号”重型运载火箭。配有小型、简易引擎(使用固体推进器)的小型运载火箭能够同时把几十颗立方星发射到近地轨道,而且可能每天都进行发射。

长寿命

把成千上万颗微型卫星或行星际探测器发射入太空之前,我们必须确保它们能够一直运行。

如果卫星不可靠,就像灯串组中的灯泡一样容易出故障,那么这样的卫星构成的编队几乎没有用。太空技术的使用寿命对于殖民月球和火星至关重要,因为那时的设备故障事关生死。

当今卫星的设计寿命通常介于1~15年。一些太空技术使用寿命要长一些:运行41年的“旅行者1号”探测器在2012年飞离了太阳系,但是,4万年后当它靠近小熊座中的恒星格利泽445时,也不会再向地球发回任何信号。卫星迅速报废的原因在于太空环境恶劣:温度极低、近乎真空、充斥高能粒子和离子辐射。

冗余设计这种方法走到了尽头。例如,“好奇号”火星探测器计划在火星上工作500个火星日。2018年3月,它已欢度了第2000个火星日——但6个车轮中至少已经有一个出现了细小裂痕。增添备用车轮是一个过时的方法。

如果打算让卫星的使用寿命能够长达百年或者更久,它们应该像有机生物一样具有再生的能力。例如,灯塔水母几乎可以无限重复再生。一旦受到威胁或伤害,它会立即从性成熟状态回到水螅状态,重新开始生命的循环。根据生长环境的不同,灯塔水母一年可以数次重复再生。一些更为复杂的动物,如蝾螈(墨西哥钝口螈)可以长出新的肢体。而一些仅用显微镜可见的缓步动物能够在外太空生存。

与此类似,在太空中,人类的居住仓以及燃料箱和空气箱必须能够自动堵塞漏洞和裂缝。电池、发电机和传感器一旦受损必须能够自我修复。研究者已经在实验室中开发了一些自修复材料,如柔性层合板、聚氨酯复合材料、金属材料和半导体聚合物。美国航空航天局在其2017年技术投资规划中认可了这一需求。但是,由于材料科学家和太空技术人员之间缺少合作,导致这些材料的研发进展缓慢。

已经成熟、可用于太空开发的先进材料还有耐用、可自我修复、重量轻、弹性好的结构体(可用于探索和殖民任务)。如果航天飞行器要重新进入地球或其他星球大气层,还需要具有特殊耐热性的材料。模仿贝类生物外壳纳米结构的碳纳米管支架可以增强材料的韧性,改进陶瓷。我们也需采取措施防止裂纹扩展和疲劳损伤积累。此外,最好使用环保材料。

研究者要探索方法,让飞行器具备适应能力。飞行器可能需要处理一些突发情况,如抓取不规则形状的小行星或抓取需要维修的其他卫星。因此,需要设计出用弹性材料或智能材料制造的可调节性抓握器。最终,我们需要能完全自修复的太空平台,包括推动系统、发电站、生命保障系统和科学仪器设备。即便是制造一个这样的原型平台也需要重大突破和新的工作方式。

网络化

不同于建造一颗卫星来执行一项任务,卫星星座由成千上万颗卫星组成,具有更广阔的潜力。它们的仪器可以一起工作,就如同运行在一个大得多的平台上一样。例如,现在组成“下午编队”(Afternoon Train)卫星星座的5颗卫星,监测着地球大气中的云、气溶胶、温室气体和其他气体,可提供气候和天气模式,以及大气污染的三维重建。在CANYVAL-X任务中,两个立方星编队飞行,开发有助于研究太阳的技术(其中一个装备了微型阴极电弧推进器)。

卫星星座可以有许多种配置方式——例如在相同的轨道上一个接一个的卫星编队,或者用来观察整个地球表面(将来也许还能观察月球和火星表面)的均匀分布网络。卫星星座的形状可以调整。多个网络可以虚拟连接在一起,以增强它们的功能、韧性和响应能力。一些卫星配上设备后可用来修理、调整其他卫星。微型卫星集群应该便宜而且部署迅速。数千微型卫星可从轨道上的一颗大型中央卫星上释放出来。能够接收和发送信号并执行基本逻辑操作的集群可以与数量更少、个体更大更复杂,并且具备机动能力,充当通信或分析中心的卫星簇相结合。

最终,卫星星座可能像神经网络或人工智能一样运作。我们可以利用卫星的群体属性,比如自组织、可变形性、自学习和同时感知大范围空间的能力——就如同波兰科幻作家斯坦尼斯拉夫·莱姆(Stanislaw Lem)在1964年出版的《无敌》(The Invincible)一书中设想的微小互动机器人形成的云。

到目前为止,现有的卫星星座只有几十颗卫星串在一起。例如,全球定位系统( GPS )卫星星座需要大约30颗作业卫星来有效覆盖全球。GPS还在努力增加数量。在日本,北海道大学和东北大学与其他组织合作,要在2050年之前将50颗微型卫星送入太空(每颗重约50千克),以追踪自然灾害的后果。铱星电信网络正在扩容,以后会包含大约80颗卫星。

到2025年左右,SpaceX公司打算发射12 000颗小型卫星来建立天基互联网 “星链”。2月份该公司发射了两颗原型“星链”卫星,该网络最早可能于2020年开始运行。通信公司OneWeb的目标是通过600~2000颗小型卫星(重量可达200千克)的卫星星座向全球提供廉价互联网服务。其中第一颗卫星最早将于12月发射。另一个例子是波音公司由1300~3000颗通信卫星组成的星座计划。

然而,这些星座中的大多数卫星都是从地面上控制的。为了高效运行,卫星星座单元需要能够实时相互通信,并实时调整位置和方向。

2013年美国公司加维航天公司(Garvey Spacecraft,现在已并入Vector Launch)建造的火箭携带了4个立方星。

下一步

先进纳米材料、超材料以及航天推进领域的专家需要更多地开展合作,开发可应用于宇宙空间的自我修复材料。这些材料包括用于人类栖息环境、大型充气结构的复合材料,以及用于推进器的超硬陶瓷。我们需要更加高效、可靠的微型推进器。非常规系统,如薄膜和3D打印的推进器也需要我们的关注。这一切需要材料科学家、推进专家和机器人专家之间继续对话,这类对话应从空间技术材料进展方面的会议开始,如国际微推进和立方星会议(www.micropropulsion.org)。商业公司将从中获益,并且应该为研究团队需要的数百万美元经费提供支持。

我们必须优化批量生产方法,以部署成千上万颗卫星构成的星座。3D打印等增材制造技术正在降低定制卫星的成本。设计空间技术时,我们必须考虑到生产方法。辅助系统,如发射台、推进器平台以及动力与控制系统,都必须有标准化的设计。

此外,政策制定者和法律界需要建立一个运行大型星座的国际法律框架。例如,发射航天飞行器需要许可证和权限。通信频率和轨道需要合理的分配。卫星使用寿命结束时,报废、移除的工作必须在国际上协调。我们还需要为卫星部署延迟造成的损失建立保险,铱星NEXT升级其星座时就曾出现这样的问题。

现在说太空经济是否会盈利还为时尚早。但这种经济的核心会是即将到来的小型卫星的星座。

本文作者简介:

伊戈尔·列夫琴科是新加坡南洋理工大学国立教育学院的研究科学家。

迈克尔·凯达尔是美国乔治·华盛顿大学微推进和纳米技术实验室首任主任、工程学教授。

吉姆·坎特雷尔是Vector Launch公司首席执行官和共同创立者。

吴岳良是中国科学院大学空间太极计划(引力波探测项目)首席科学家。

国中均是日本航空宇宙研究开发机构空间和宇宙航空科学研究所理事长。

卡捷琳娜·巴扎卡是澳大利亚昆士兰科技大学未来环境学院模型和数字制造领域带头人。

徐淑岩是新加坡南洋理工大学国立教育学院等离子体物理教授。

本文原载于《自然》(Nature 562,185-187,2018)


来源:漫步宇宙
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