汝花爱IT|从微型卫星到巨大的太阳盾——这一极端技术改变了太空工程
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今年是阿波罗首次登月50周年 。 多亏了太空技术的飞速发展 ， 这一切才成为可能 。 在这次活动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 ， 这在一定程度上要归功于几乎无限的预算 。
自这些英勇的努力以来 ， 空间工程已经发展成为一系列相互关联的技术 ， 这些技术可以执行令人兴奋的新的空间科学任务 ， 提供对地观测数据的消防软管 ， 以及全球通信和导航服务网络 。 我们现在可以在彗星上着陆探测器 ， 并比以往任何时候都能看到更久远的过去 。 但是未来呢？在未来的几十年里 ， 什么样的新技术能够帮助太空产业转型？
在过去的几年里 ， 一个很有前途的方法是扩大和缩小空间技术 。 通过最近由英国皇家工程学院资助的一项为期十年的研究项目 ， 我们的团队开始探索在宇宙飞船长度尺度的极限上的进一步可能性 。 我们相信 ， 这是一个尚未开发的地区 ， 可以为未来的任务设计产生新的想法 。
技术的小型化使一系列航天器的大小成为可能 ， 例如用于灾害监测星座的100公斤小型卫星 ， 它由一组协调的个别卫星组成 。 甚至还有体积为30x10x10cm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有效载荷 。 这些卫星通常用于对地观测或进行低成本的科学实验 ， 因为大量卫星可以作为二次有效载荷随较大的卫星一起发射 。
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我们的目标是在航天技术上至少降低一个数量级 。 这将从一个3x3cm的印刷电路板(PCB)卫星开始 ， 然后是更紧凑的设备 。 已经对这类卫星进行了在轨演示 。 以Sprite设备为例 ， 尽管它拥有传感器、通信和车载数据处理功能 ， 但它的重量只有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任务在围绕地球的轨道上部署了105台Sprite设备 ， 每台成本不到100美元 。 这些设备在部署后的第二天就收到了信号 ， 人们希望这些设备有一天能在太空执行新任务 。
我们的目标是制造自由飞行的装置 ， 可以控制它们在太空中的方向和轨道 。 这将使我们能够部署大量传感器 ， 可用于分布式传感网络 ， 使包括空间天气监测在内的实时大规模数据收集成为可能 。 展望未来 ， 即使是更小的设备也能在一块硅片上制造出高度集成、大规模生产的卫星 。
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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耦合 ， 将它们变成星际飞船 ， 在几十年内到达其他太阳系 ， 近距离研究它们 。 它们也可以用于在彗星或小行星附近提供普遍的感应 。
在规模谱的另一端 ， 也有进展 。 国际空间站上已经使用了30米长的大型可展开吊杆来支持太阳能电池阵列 。 在这里 ， 我们的目标是通过在轨道上制造大型、轻量化的结构 ， 再次提升至少一个数量级 。 这可以通过将3D打印技术应用于真空和微重力环境来实现 。 我们相信这种方法可以制造超大型天线、能量收集器或太阳能反射器 。
但是为什么我们需要这样的结构呢？以詹姆斯·韦伯太空望远镜为例 ， 它将很快取代非常成功的哈勃太空望远镜 。 它拥有一个巨大的主镜 ， 由一个专业网球场大小的盾牌来遮挡阳光 。 为了将这项技术应用到阿丽亚娜5号火箭上 ， 主反射镜和太阳盾都由可展开的部分组成 。 一旦进入太空 ， 这些发射就需要一系列复杂的单独发射 ， 否则就有任务失败的风险 。
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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 ， 绕过从地面发射精密结构的风险障碍 。 例如 ， 如果在连续的制造过程中 ， 结构支撑材料可以直接印刷到反射膜上 ， 那么我们就可以制造超大的反射器 ， 直径可能达到几百米 。
在极地轨道上 ， 这种反射器可以在黎明和黄昏照亮未来的陆地太阳能发电厂 ， 那时它们的产量很低 ， 但需求和现货价格很高 。 这将是一种全新的太空服务 ， 其产品是能源而不是信息 。 它还可以用来反射光 ， 从而产生工业规模的太阳能热能 ， 用于处理从近地小行星上回收的材料 。 例如 ， 一个500米半径的反射器拦截的热能相当于1GW——相当于地球上一个典型发电站的输出功率 。
从小行星上烧水是一个特别有前途的方法 ， 因为它可以帮助我们在太空中制造推进剂 。 太阳能发电可以将水分解成氢和氧 ， 并将它们用作燃料 。 当它们重新组合并点燃时 ， 就会燃烧 ， 产生推力 ， 推动宇宙飞船前进 。 在未来 ， 在轨道上制造推进剂可以通过避免将燃料从地球表面一路运送到太空来降低未来人类太空冒险的成本 。 虽然阿波罗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 ， 并能带来超越旗帜和脚印的持久社会效益 。
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