01 空中客車的太空工廠計劃

近日，當前全球最大的飛機制造商歐洲空中客車公司官網稱受歐盟委員會“地平線2020”計劃資助，將開展PERIOD項目。


與此同時，空中客車太空探索未來項目負責人西爾維奧·桑德羅內在接受采訪時表示:“空中客車一直致力于在軌制造技術已有十多年了，PERIOD計劃將幫助歐洲將其綜合技術知識提升到一個新水平。”
 
據悉，這個計劃項目的重點是在軌衛星的組裝和制造，這份價值300萬歐元的A / B1階段研究合同將持續兩年，目標是繼續在軌道上進行演示驗證。
 
根據該項目它所設想的“太空工廠”，從此次空客公司官網發布的項目示意圖中可以看出，它相當于一個在地球周邊太空軌道工作的加工制造平臺，能夠一邊環繞地球運行，一邊在太空中主生產出衛星等航天器所需的零件、模塊。


 

以及更進一步建造天線反射器，航天器組件的組裝以及衛星有效載荷的替換，而這些將為未來在軌制造大型結構奠定基礎。
 
也許在不少人看來，歐盟此舉建造太空空廠，不過是異想天開，臨時起意，其實不然，無論是2014年推出的PER ASPERA計劃，還是Bartolomeo平臺的建設，都可以發現，歐盟早已為今日太空工廠計劃的布局鋪墊了底層技術支持。
 
據相關資料顯示，歐盟早在2014年，就已經將目前光鎖定了太空，啟動了一個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（SRT）展開一系列的研究，根據該項目官網上公布的2016~2024年技術路線圖可以看出，它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。
 
而這一次的“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。

 

另外，該太空工廠項目第一步的演示驗證，需要支持的一項底層關鍵技術，國際空間站的外部有效載荷托管平臺巴托洛梅奧平臺（Bartolomeo），也早已經在五年前提前開啟了建設計劃。
 
這個平臺，是由空中客車資助4000萬歐元，并研制、生產并發射這一平臺，在歐洲航天局的支持下運營，該平臺最多可托管12個不同的載荷，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測，在環境與氣候研究、機器人技術、材料科學、天體物理，以及空間新技術測試等方面也有廣闊前景，也可為上述領域的商業化進程鋪平道路。
 
它與當前國際空間站，目前其他三個外部有效載荷設施，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，也有其優勢所在。

 

第一，Bartolomeo提供了類似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之外其他平臺都無法提供電力。
 
第四，Bartolomeo還可以為其有效載荷提供主動冷卻能力，并可選擇加壓發射還是不加壓發射，返回地球還是不返回地球。
 
這個Bartolomeo平臺，將有力的支撐空中客車太空工廠計劃的推進，而且由于未來大規模空間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，從歐洲空中客車公司與歐盟的太空工廠項目計劃的深層關系，也可以看出來，發展太空制造也不僅是國家層面的重要發展戰略，它通樣也是國際頂尖商業航天企業瞄準的一個戰略方向，而且近年來，這一領域也深受資本青睞。
 
據美國航天基金會和太空投資公司在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域，61億美元投向數據分發領域，334億投向了制造領域。
 

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

 

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

 

① 在衛星設計結構上，想象力將沒有邊界。在太空微重力環境下，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發射運維成本。衛星在發射過程需要承受10~20倍的重力加速度沖擊，這就要求其本身的力學結構要需要的材料極為“結實”，成本極大。
 
但衛星一到太空“真空+微重力”環境中運行，其本身的力學結構材料不必那么“結實”，因此，直接在太空利用3D打印技術打印衛星，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，生產出衛星的某一模塊，進行替換，維修，組裝，也能極大降低成本。
 
第二個維度，在太空中利用其“真空+微重力”環境中，生產地球上所需物資優勢，則數不勝數，比如下述兩例:


 

① 在近地軌道虛擬的“零重力”環境里，科研人員可以利用3D打印技術，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。
 
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，這個成品會長成功能齊全的心臟組織，屆時，便將它可以運回地球投入使用，而這在地球重力環境下就做不到。



② 在通訊材料光纖中，有一類是氟化物光纖，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，是長距離通訊優質之選。
 
但在地球上這個材料，不僅造價高昂，材質較“脆弱”，效果還不盡人意，目前還未能被投入商業市場。
 
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的光纖；
 
另一方面，沒有了重力的影響，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，內部也更清澈，通訊質量以及效果會大幅度提升。
 

第三個維度，太空中本身蘊藏的豐富資源。根據目前科國際科學團發現的幾個典型代表:


① 有一顆被稱為m型小行星，這個星體的大部分組成物質都是金屬，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 在太陽系里，有一顆名為2011 uw-158的小行星，它的基本組成物質是黃金，價值約5.7萬億美元。
 
③ 科學家發現了一顆名為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的鉆石。

 

④ 還有一顆，被科學家稱之為16 Psyche的行星，含有大量的黃金和鉑金，現在的市面價值為10萬萬億美元。
 
從這三個維度，相信也不難看出為什么太空制造將會是全世界各個超級大國以及頂尖商業航天企業緊盯的一個戰略方向，而且這個領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：“我們正處于太空探索黃金時代的邊緣，就在邊緣。未來20年，太空會出現一個充滿活力的、爆炸性的創業潮，就像我們過去20年在互聯網上看到的那樣。”
 
讓我們一起拭目以待，看太空制造業如何助推人類征服星辰大海。