01 空中客車(chē)的太空工廠(chǎng)計劃

近日，當前全球最大的飛機制造商歐洲空中客車(chē)公司官網(wǎng)稱(chēng)受歐盟委員會(huì )“地平線(xiàn)2020”計劃資助，將開(kāi)展PERIOD項目。


與此同時(shí)，空中客車(chē)太空探索未來(lái)項目負責人西爾維奧·桑德羅內在接受采訪(fǎng)時(shí)表示:“空中客車(chē)一直致力于在軌制造技術(shù)已有十多年了，PERIOD計劃將幫助歐洲將其綜合技術(shù)知識提升到一個(gè)新水平。”
 
據悉，這個(gè)計劃項目的重點(diǎn)是在軌衛星的組裝和制造，這份價(jià)值300萬(wàn)歐元的A / B1階段研究合同將持續兩年，目標是繼續在軌道上進(jìn)行演示驗證。
 
根據該項目它所設想的“太空工廠(chǎng)”，從此次空客公司官網(wǎng)發(fā)布的項目示意圖中可以看出，它相當于一個(gè)在地球周邊太空軌道工作的加工制造平臺，能夠一邊環(huán)繞地球運行，一邊在太空中主生產(chǎn)出衛星等航天器所需的零件、模塊。


 

以及更進(jìn)一步建造天線(xiàn)反射器，航天器組件的組裝以及衛星有效載荷的替換，而這些將為未來(lái)在軌制造大型結構奠定基礎。
 
也許在不少人看來(lái)，歐盟此舉建造太空空廠(chǎng)，不過(guò)是異想天開(kāi)，臨時(shí)起意，其實(shí)不然，無(wú)論是2014年推出的PER ASPERA計劃，還是Bartolomeo平臺的建設，都可以發(fā)現，歐盟早已為今日太空工廠(chǎng)計劃的布局鋪墊了底層技術(shù)支持。
 
據相關(guān)資料顯示，歐盟早在2014年，就已經(jīng)將目前光鎖定了太空，啟動(dòng)了一個(gè)宏大的系列研究計劃PER ASPERA。

 

這項計劃將圍繞太空機器人技術(shù)（SRT）展開(kāi)一系列的研究，根據該項目官網(wǎng)上公布的2016~2024年技術(shù)路線(xiàn)圖可以看出，它把未來(lái)太空機器人的相關(guān)技術(shù)分成了“在軌技術(shù)–通用模塊技術(shù)–行星技術(shù)”3條并行的路線(xiàn)。
 
而這一次的“太空工廠(chǎng)”項目，就是太空機器人研究計劃關(guān)于在軌技術(shù)路線(xiàn)的一個(gè)技術(shù)演示項目。

 

另外，該太空工廠(chǎng)項目第一步的演示驗證，需要支持的一項底層關(guān)鍵技術(shù)，國際空間站的外部有效載荷托管平臺巴托洛梅奧平臺（Bartolomeo），也早已經(jīng)在五年前提前開(kāi)啟了建設計劃。
 
這個(gè)平臺，是由空中客車(chē)資助4000萬(wàn)歐元，并研制、生產(chǎn)并發(fā)射這一平臺，在歐洲航天局的支持下運營(yíng)，該平臺最多可托管12個(gè)不同的載荷，為它們提供電源并將數據傳輸回地面。
 
它不僅可用于對地觀(guān)測，在環(huán)境與氣候研究、機器人技術(shù)、材料科學(xué)、天體物理，以及空間新技術(shù)測試等方面也有廣闊前景，也可為上述領(lǐng)域的商業(yè)化進(jìn)程鋪平道路。
 
它與當前國際空間站，目前其他三個(gè)外部有效載荷設施，NASA的ELCs，歐洲的哥倫布外部有效載荷設施(COL-EPF)，日本的JEM-EF和NanoRack外部平臺（NREP）相比，也有其優(yōu)勢所在。

 

第一，Bartolomeo提供了類(lèi)似ELCs和COL-EPF的有效載荷承載能力。
 
第二，Bartolomeo可從約400公里的高度清楚地看到地球，在觀(guān)看條件、供電和數據傳輸方面具有很強的競爭力。
 
第三，Bartolomeo有效載荷可以消耗多達800 W的電力，除了JEM-EF之外其他平臺都無(wú)法提供電力。
 
第四，Bartolomeo還可以為其有效載荷提供主動(dòng)冷卻能力，并可選擇加壓發(fā)射還是不加壓發(fā)射，返回地球還是不返回地球。
 
這個(gè)Bartolomeo平臺，將有力的支撐空中客車(chē)太空工廠(chǎng)計劃的推進(jìn)，而且由于未來(lái)大規?？臻g系統只能在軌道上制造和組裝，因此，歐盟已然走在了太空制造的前沿行列。
 


其實(shí)，從歐洲空中客車(chē)公司與歐盟的太空工廠(chǎng)項目計劃的深層關(guān)系，也可以看出來(lái)，發(fā)展太空制造也不僅是國家層面的重要發(fā)展戰略，它通樣也是國際頂尖商業(yè)航天企業(yè)瞄準的一個(gè)戰略方向，而且近年來(lái)，這一領(lǐng)域也深受資本青睞。
 
據美國航天基金會(huì )和太空投資公司在2021年第一季度航天報告數據顯示:從2012年至今的10年中，共有1480家航天企業(yè)獲得1867億美元投資。其中美國和中國兩國的投資占全球航天投資額的75%。

 

在這1867億美元中，有1476億美元投向應用領(lǐng)域，61億美元投向數據分發(fā)領(lǐng)域，334億投向了制造領(lǐng)域。
 

其次，在過(guò)去十年，共有447家航天制造公司獲得334億美元融資。其中美國企業(yè)占63%，英國占16%（主要是OneWeb），中國占8%。而在今年一季度，制造領(lǐng)域獲得投資19億美元，其中SpaceX獲得8.5億美元，OneWeb獲得4億美元。

 

由此來(lái)看，太空制造前景確實(shí)非分誘人，那到底是什么在吸引著(zhù)人們如此重視且不遺余力的發(fā)展太空制造呢？
 
可從以下三個(gè)維度來(lái)看，第一個(gè)維度是制造太空資產(chǎn)所需的各種部件用于太空環(huán)境的使用的優(yōu)勢；第二個(gè)維度是利用太空微重力的環(huán)境，制造地球上所需的物資的優(yōu)勢；第三個(gè)維度是太空本身所蘊藏的豐富資源。
 
第一個(gè)維度，也是此次歐盟聯(lián)合空中客車(chē)展開(kāi)PERIOD項目的重點(diǎn)，在太空中生產(chǎn)衛星等航天器，有以下優(yōu)勢:

 

① 在衛星設計結構上，想象力將沒(méi)有邊界。在太空微重力環(huán)境下，衛星的結構在理論上可以是任意的，這就極大地解放太空工程師的設計想象力，能設計出更豐富的衛星幾何結構。
 
② 極大的降低衛星生產(chǎn)發(fā)射運維成本。衛星在發(fā)射過(guò)程需要承受10~20倍的重力加速度沖擊，這就要求其本身的力學(xué)結構要需要的材料極為“結實(shí)”，成本極大。
 
但衛星一到太空“真空+微重力”環(huán)境中運行，其本身的力學(xué)結構材料不必那么“結實(shí)”，因此，直接在太空利用3D打印技術(shù)打印衛星，有利于節省成本。
 
其次，衛星的維修與更新迭代耗費的成本也極大，但在太空中，太空機器人可以利用模塊化的設計理念，生產(chǎn)出衛星的某一模塊，進(jìn)行替換，維修，組裝，也能極大降低成本。
 
第二個(gè)維度，在太空中利用其“真空+微重力”環(huán)境中，生產(chǎn)地球上所需物資優(yōu)勢，則數不勝數，比如下述兩例:


 

① 在近地軌道虛擬的“零重力”環(huán)境里，科研人員可以利用3D打印技術(shù)，在不使用支架的情況下培育出一整顆心臟，而且還能一直維持住完整的結構和形態(tài)。
 
隨后，科研人員可以把打印好的成品放入培育箱，大約在45天后，這個(gè)成品會(huì )長(cháng)成功能齊全的心臟組織，屆時(shí)，便將它可以運回地球投入使用，而這在地球重力環(huán)境下就做不到。



② 在通訊材料光纖中，有一類(lèi)是氟化物光纖，它由氟化物玻璃制成，被認為具有超低耗損的特性，能傳輸更寬的光譜，是長(cháng)距離通訊優(yōu)質(zhì)之選。
 
但在地球上這個(gè)材料，不僅造價(jià)高昂，材質(zhì)較“脆弱”，效果還不盡人意，目前還未能被投入商業(yè)市場(chǎng)。
 
但在太空中制造就不一樣了，在太空廣袤的空間里，可以使用更大的玻璃塊，輕易就能拉扯出幾千米長(cháng)的光纖；
 
另一方面，沒(méi)有了重力的影響，光纖中就不再輕易出現沉淀或結晶。從成品上看，太空制造的光纖更長(cháng)，內部也更清澈，通訊質(zhì)量以及效果會(huì )大幅度提升。
 

第三個(gè)維度，太空中本身蘊藏的豐富資源。根據目前科國際科學(xué)團發(fā)現的幾個(gè)典型代表:


① 有一顆被稱(chēng)為m型小行星，這個(gè)星體的大部分組成物質(zhì)都是金屬，其主要成分是由鐵和鎳等，這都是地球上用途廣泛的金屬。
 
② 在太陽(yáng)系里，有一顆名為2011 uw-158的小行星，它的基本組成物質(zhì)是黃金，價(jià)值約5.7萬(wàn)億美元。
 
③ 科學(xué)家發(fā)現了一顆名為BPM 37093的巨大宇宙鉆石，這是一顆白矮星的結晶，它基本上就是一顆四千米長(cháng)的鉆石。

 

④ 還有一顆，被科學(xué)家稱(chēng)之為16 Psyche的行星，含有大量的黃金和鉑金，現在的市面價(jià)值為10萬(wàn)萬(wàn)億美元。
 
從這三個(gè)維度，相信也不難看出為什么太空制造將會(huì )是全世界各個(gè)超級大國以及頂尖商業(yè)航天企業(yè)緊盯的一個(gè)戰略方向，而且這個(gè)領(lǐng)域還出現了很多跨界入局者，像亞馬遜的貝佐斯，特斯拉的埃隆·馬斯克等等。
 
在貝佐斯看來(lái)：“我們正處于太空探索黃金時(shí)代的邊緣，就在邊緣。未來(lái)20年，太空會(huì )出現一個(gè)充滿(mǎn)活力的、爆炸性的創(chuàng )業(yè)潮，就像我們過(guò)去20年在互聯(lián)網(wǎng)上看到的那樣。”
 
讓我們一起拭目以待，看太空制造業(yè)如何助推人類(lèi)征服星辰大海。