今年是人類(lèi)成功登月50周年。得益于太空技術(shù)的飛速發(fā)展，這一切才成為可能。在阿波羅任務(wù)之前相當(dāng)短的時(shí)間內(nèi)，工程師們已經(jīng)掌握了火箭推進(jìn)、機(jī)載計(jì)算和太空操作技術(shù)，這在一定程度上要?dú)w功于幾乎無(wú)限的預(yù)算。
自此以來(lái)，空間工程已發(fā)展成一系列相互聯(lián)系的技術(shù)，不僅為人類(lèi)帶來(lái)了一系列新的空間科學(xué)任務(wù)，也帶來(lái)了豐富的地球觀測(cè)數(shù)據(jù)和全球通訊導(dǎo)航服務(wù)網(wǎng)絡(luò)。我們現(xiàn)在可以讓探測(cè)器登陸彗星，也能夠觀測(cè)到宇宙更久遠(yuǎn)的過(guò)去。但是在未來(lái)的幾十年里，什么樣的新技術(shù)能夠進(jìn)一步改變航天領(lǐng)域？
在過(guò)去的幾年里，一個(gè)很有前途的方法是空間技術(shù)大型化和小型化。通過(guò)最近由英國(guó)皇家工程學(xué)院資助的一項(xiàng)為期十年研究計(jì)劃，科學(xué)家正開(kāi)始探索進(jìn)一步縮小或擴(kuò)大航天器極限尺寸的可能性。
極小型航天器
圖示：小型立方體衛(wèi)星
小型化技術(shù)使尺寸更小的航天器成為可能，例如災(zāi)害監(jiān)測(cè)星系（Disaster Monitoring Constellation）項(xiàng)目中的衛(wèi)星只有100公斤重。甚至還有體積為30x10x10厘米的立方體衛(wèi)星，它們的重量只有幾公斤，可以攜帶一系列不同的儀器。這些衛(wèi)星通常用于對(duì)地觀測(cè)或進(jìn)行低成本的科學(xué)實(shí)驗(yàn)，因?yàn)榇罅啃⌒突l(wèi)星可以作為二次有效載荷隨較大衛(wèi)星一起發(fā)射。
業(yè)界的未來(lái)目標(biāo)是讓航天器尺寸上至少降低一個(gè)數(shù)量級(jí)。從3x3cm的印刷電路板(PCB)衛(wèi)星開(kāi)始，然后人類(lèi)會(huì)制造出更緊湊的設(shè)備。目前有公司已經(jīng)對(duì)這類(lèi)衛(wèi)星進(jìn)行了在軌演示。以Sprite設(shè)備為例，盡管其配置了傳感器、通信設(shè)備并具備機(jī)載數(shù)據(jù)處理功能，但其重量只有4克。
這些裝置已經(jīng)安裝在國(guó)際空間站的外部。就在最近，KickSat-2任務(wù)在近地軌道上部署了105臺(tái)Sprite設(shè)備，每臺(tái)成本不到100美元。在這些設(shè)備入軌運(yùn)行后的第二天地面就收到了信號(hào)，這增加了人們對(duì)這些設(shè)備有朝一日能在太空?qǐng)?zhí)行更多新任務(wù)的期望。
更長(zhǎng)期目標(biāo)是制造自由飛行的極小型航天器，可以控制自身在太空中的方向和軌道。這將使人類(lèi)能夠部署可用于分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)的大量傳感器，支持大規(guī)模的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，并完成空間天氣監(jiān)測(cè)等諸多任務(wù)。展望未來(lái)，人類(lèi)或?qū)⒛軌蚧趩螇K硅晶片生產(chǎn)出高度集成的量產(chǎn)衛(wèi)星。
一種令人興奮的可能性是，通過(guò)將這種微型航天器與大型光帆相結(jié)合，從而打造出在幾十年內(nèi)到達(dá)其他星系的星際飛船。此外，這種極小型航天器也可以在彗星或小行星附近進(jìn)行遙感測(cè)試。
超大型航天器
圖示：韋伯太空望遠(yuǎn)鏡的主鏡
另一極端的空間技術(shù)也有進(jìn)展。國(guó)際空間站上已經(jīng)開(kāi)始使用30米長(zhǎng)的大型可展開(kāi)動(dòng)力臂來(lái)支撐其太陽(yáng)能電池陣列。在這一領(lǐng)域的未來(lái)目標(biāo)是通過(guò)在軌道上制造大型的輕量化結(jié)構(gòu)，將其再次提升至少一個(gè)數(shù)量級(jí)。通過(guò)將3D打印技術(shù)應(yīng)用于真空和微重力環(huán)境，人類(lèi)可以制造出超大型天線、能量收集器或太陽(yáng)能反射器。
但是為什么人類(lèi)需要這樣的超大型結(jié)構(gòu)呢？以詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡為例，它將很快取代哈勃太空望遠(yuǎn)鏡。其擁有一個(gè)巨大的主鏡，并有一個(gè)專(zhuān)業(yè)網(wǎng)球場(chǎng)大小的巨型遮陽(yáng)裝置。為了將詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡搭載到阿麗亞娜5號(hào)火箭上，主反射鏡和遮陽(yáng)裝置都由可展開(kāi)的結(jié)構(gòu)組成。一旦單次發(fā)射失敗，整個(gè)項(xiàng)目將功虧一簣。
而在軌道上直接制造大型輕質(zhì)結(jié)構(gòu)的能力，可能對(duì)太空技術(shù)產(chǎn)生巨大影響，可以避開(kāi)直接從地面發(fā)射精密結(jié)構(gòu)的一系列風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題。例如在連續(xù)的制造過(guò)程中，結(jié)構(gòu)支撐材料可以直接貼合到反射膜上，那么人類(lèi)就可以制造直徑達(dá)到幾百米的超大反射器。
在極地軌道上，這種反射器還可以在黎明和黃昏時(shí)分照亮未來(lái)的陸地太陽(yáng)能發(fā)電廠，該時(shí)段發(fā)電量很低，需求卻很高。這將是一種全新的太空服務(wù)，其產(chǎn)品會(huì)是能源而不是信息。
它還可以用來(lái)反射太陽(yáng)光，從而產(chǎn)生工業(yè)級(jí)的太陽(yáng)能熱能，用于處理從近地小行星上回收的材料。例如，一個(gè)半徑500米的反射器能夠產(chǎn)生1GW的熱能，相當(dāng)于地球上一個(gè)普通發(fā)電站的輸出。
用這種超大結(jié)構(gòu)從小行星上提取水資源是一個(gè)特別有前途的方法，因?yàn)樗梢詭椭祟?lèi)在太空中制造推進(jìn)劑。太陽(yáng)能發(fā)電可以將水分解成氫和氧，并將它們用作宇宙飛船的燃料。在未來(lái)，在軌道上制造推進(jìn)劑可以避免將燃料從地球表面一路運(yùn)送到太空，從而降低未來(lái)探索太空的風(fēng)險(xiǎn)。
雖然阿波羅任務(wù)是一個(gè)真正具有英雄氣概的工程實(shí)例，但未來(lái)的太空探索也同樣令人興奮，并能帶來(lái)更為持久的社會(huì)效益。
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