像燈塔水母一樣自我再生？5國科學家Nature聯合刊文，展望衛星的未來

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2018年8月，三顆微型衛星——立方星——由國際空間站發射到軌道上。

圖片來源：ESA/NASA-A·格斯特

空間活動已經成為了一個巨大的產業，但設備和技術卻已經落後於時代。來自中國、美國、日本、澳大利亞和新加坡的7位科學家在《自然》聯合發表評論，探討衛星的未來。文章認為，改進現有技術應該從三個方向著手：衛星或飛行器的微型化、衛星的自我修復能力，以及大量微型衛星的集群運行。

2018 年5月在華盛頓舉辦的人類登陸火星峰會上，美國共和党參議員特德·克魯茲（Ted Cruz）對在場的科學家和企業家宣稱：「首位萬億富翁將在太空領域裡產生。」他的話也許不錯，不過前提是我們需要重新考慮太空技術。

發射衛星的成本相當於與衛星等重的黃金的價值。把1千克的物體送入近地軌道需花費數千美元，很多時候費用還要比這再高十幾倍。把物體運回地球所需費用更加高昂：2010年日本「隼鳥號」飛船帶回不到1克的小行星顆粒，整個任務花費了2.5億美元，相當於每千克樣本花費2500億美元。

儘管如此，太空活動已經成了一個巨大的產業。2016年，全球公司在這個領域的投入約有2620億美元，主要花在衛星通信、導航及遙感上。同年，世界各國政府在這一領域的投入累計約840億美元。其中一半以上（480億美元）來自美國政府，主要用于軍事、氣象和通信。

巨額投入並未帶來良好收效。太空硬體沒能和科技的發展保持同步，需要更新換代。衛星體積過大，費用高昂。多數衛星只能完成預設好的有限幾種任務。儘管衛星製造投入了大量技術和材料，它們的使用壽命卻只有幾十年，比瑞士手錶的壽命還短。

按照這個發展速度，人類永遠無法在遠地空間探險，遑論殖民月球和火星，或捕獲小行星了。

我們認為，太空技術需要在三方面加以改進。成本必須降低；衛星應當體積小、機動靈活，並且能實現自修復；衛星需集群運行。

衛星產業佔全球太空經濟的四分之三。現在衛星發射數量達到創紀錄的水平，因為建造衛星，以及把發射衛星送入軌道的成本下降了。

微型化

衛星的體積正在縮小。目前有800多個立方星被送入了軌道。這些衛星由手掌大小的模塊構成，邊長大約10厘米，重量僅1千克左右。不久的將來，研究人員能把衛星的整個「大腦」放入1立方毫米的空間內。2018年3月，IBM公司演示了一個裝有100萬個晶體管，卻僅有鹽粒般大小的微型計算機。這些設備體積越小，運行所需的能源越少，重量就越輕，發射所需的費用就會越低。

衛星分兩種類型。被動衛星只需要控制方向和穩定性。主動衛星可以通過推進器進行操控。被動衛星更容易實現微型化。我們認為，如果用於控制穩定性的硬體可以再輕便些，被動衛星的重量可以輕至100克。成千上萬個「毫微微衛星」可以作為一個網路系統來運行。

縮小主動衛星需要更長的時間。正如俄羅斯詩人弗拉基米爾·馬雅科夫斯基（Vladimir Mayakovsky）（在談到鐳開採時）所言，「每一克，需花費一年時間。」主動衛星需要微小的推進系統。電推進技術是最為高效的，其中包括使用電弧把固體轉變為高速等離子體的微陰極電弧推進器；用於生成微滴或離子的電噴霧系統；基於場發射來製造高能離子的推進器；以及氣體供給系統，例如用電場加速推進劑的微型霍爾效應推進器。

我們需要一個標準化的微型衛星設計方案，來加快其研發、生產及投入使用的速度，同時降低成本。不過，這一設計必須是可定製的，以便可以兼容定製的科學儀器，並在必要時保護敏感的部件免遭高溫和放射線照射的侵害。我們也需要同時設計多種模板。

微型衛星需用小火箭發射。儘管業界仍然熱衷諸如「獵鷹9號」這樣的大型運載火箭（能夠運載幾百顆小衛星及大衛星），但一些新興公司正在開發「微型火箭」，例如美國亞利桑那州的Vector Launch公司（該公司首席執行官吉姆·坎特雷爾為本文作者之一）、得克薩斯州的Firefly Aerospace公司、澳大利亞昆士蘭的Gilmour Space Technologies公司。微型火箭價格相對低廉，生產速度快。重量只有幾噸重——遠遠低於重達500噸的「獵鷹9號」運載火箭或733噸的「德爾塔4號」重型運載火箭。配有小型、簡易引擎（使用固體推進器）的小型運載火箭能夠同時把幾十顆立方星發射到近地軌道，而且可能每天都進行發射。

長壽命

把成千上萬顆微型衛星或行星際探測器發射入太空之前，我們必須確保它們能夠一直運行。

如果衛星不可靠，就像燈串組中的燈泡一樣容易出故障，那麼這樣的衛星構成的編隊幾乎沒有用。太空技術的使用壽命對於殖民月球和火星至關重要，因為那時的設備故障事關生死。

當今衛星的設計壽命通常介於1~15年。一些太空技術使用壽命要長一些：運行41年的「旅行者1號」探測器在2012年飛離了太陽系，但是，4萬年後當它靠近小熊座中的恆星格利澤445時，也不會再向地球發回任何信號。衛星迅速報廢的原因在於太空環境惡劣：溫度極低、近乎真空、充斥高能粒子和離子輻射。

冗餘設計這種方法走到了盡頭。例如，「好奇號」火星探測器計劃在火星上工作500個火星日。2018年3月，它已歡度了第2000個火星日——但6個車輪中至少已經有一個出現了細小裂痕。增添備用車輪是一個過時的方法。

如果打算讓衛星的使用壽命能夠長達百年或者更久，它們應該像有機生物一樣具有再生的能力。例如，燈塔水母幾乎可以無限重複再生。一旦受到威脅或傷害，它會立即從性成熟狀態回到水螅狀態，重新開始生命的循環。根據生長環境的不同，燈塔水母一年可以數次重複再生。一些更為複雜的動物，如蠑螈（墨西哥鈍口螈）可以長出新的肢體。而一些僅用顯微鏡可見的緩步動物能夠在外太空生存。

與此類似，在太空中，人類的居住倉以及燃料箱和空氣箱必須能夠自動堵塞漏洞和裂縫。電池、發電機和感測器一旦受損必須能夠自我修復。研究者已經在實驗室中開發了一些自修復材料，如柔性層合板、聚氨酯複合材料、金屬材料和半導體聚合物。美國航空航天局在其2017年技術投資規劃中認可了這一需求。但是，由於材料科學家和太空技術人員之間缺少合作，導致這些材料的研發進展緩慢。

已經成熟、可用於太空開發的先進材料還有耐用、可自我修復、重量輕、彈性好的結構體（可用於探索和殖民任務）。如果航天飛行器要重新進入地球或其他星球大氣層，還需要具有特殊耐熱性的材料。模仿貝類生物外殼納米結構的碳納米管支架可以增強材料的韌性，改進陶瓷。我們也需採取措施防止裂紋擴展和疲勞損傷積累。此外，最好使用環保材料。

研究者要探索方法，讓飛行器具備適應能力。飛行器可能需要處理一些突發情況，如抓取不規則形狀的小行星或抓取需要維修的其他衛星。因此，需要設計出用彈性材料或智能材料製造的可調節性抓握器。最終，我們需要能完全自修復的太空平台，包括推動系統、發電站、生命保障系統和科學儀器設備。即便是製造一個這樣的原型平台也需要重大突破和新的工作方式。

網路化

不同於建造一顆衛星來執行一項任務，衛星星座由成千上萬顆衛星組成，具有更廣闊的潛力。它們的儀器可以一起工作，就如同運行在一個大得多的平台上一樣。例如，現在組成「下午編隊」(Afternoon Train)衛星星座的5顆衛星，監測著地球大氣中的雲、氣溶膠、溫室氣體和其他氣體，可提供氣候和天氣模式，以及大氣污染的三維重建。在CANYVAL-X任務中，兩個立方星編隊飛行，開發有助於研究太陽的技術(其中一個裝備了微型陰極電弧推進器)。

衛星星座可以有許多種配置方式——例如在相同的軌道上一個接一個的衛星編隊，或者用來觀察整個地球表面(將來也許還能觀察月球和火星表面)的均勻分布網路。衛星星座的形狀可以調整。多個網路可以虛擬連接在一起，以增強它們的功能、韌性和響應能力。一些衛星配上設備後可用來修理、調整其他衛星。微型衛星集群應該便宜而且部署迅速。數千微型衛星可從軌道上的一顆大型中央衛星上釋放出來。能夠接收和發送信號並執行基本邏輯操作的集群可以與數量更少、個體更大更複雜，並且具備機動能力，充當通信或分析中心的衛星簇相結合。

最終，衛星星座可能像神經網路或人工智慧一樣運作。我們可以利用衛星的群體屬性，比如自組織、可變形性、自學習和同時感知大範圍空間的能力——就如同波蘭科幻作家斯坦尼斯拉夫·萊姆（Stanislaw Lem）在1964年出版的《無敵》（The Invincible）一書中設想的微小互動機器人形成的雲。

到目前為止，現有的衛星星座只有幾十顆衛星串在一起。例如，全球定位系統( GPS )衛星星座需要大約30顆作業衛星來有效覆蓋全球。GPS還在努力增加數量。在日本，北海道大學和東北大學與其他組織合作，要在2050年之前將50顆微型衛星送入太空(每顆重約50千克)，以追蹤自然災害的後果。銥星電信網路正在擴容，以後會包含大約80顆衛星。

到2025年左右，SpaceX公司打算髮射12 000顆小型衛星來建立天基互聯網 「星鏈」。2月份該公司發射了兩顆原型「星鏈」衛星，該網路最早可能於2020年開始運行。通信公司OneWeb的目標是通過600~2000顆小型衛星(重量可達200千克)的衛星星座向全球提供廉價互聯網服務。其中第一顆衛星最早將於12月發射。另一個例子是波音公司由1300~3000顆通信衛星組成的星座計劃。

然而，這些星座中的大多數衛星都是從地面上控制的。為了高效運行，衛星星座單元需要能夠實時相互通信，並實時調整位置和方向。

2013年美國公司加維航天公司（Garvey Spacecraft，現在已併入Vector Launch）建造的火箭攜帶了4個立方星。

下一步

我們必須優化批量生產方法，以部署成千上萬顆衛星構成的星座。3D列印等增材製造技術正在降低定製衛星的成本。設計空間技術時，我們必須考慮到生產方法。輔助系統，如發射台、推進器平台以及動力與控制系統，都必須有標準化的設計。

此外，政策制定者和法律界需要建立一個運行大型星座的國際法律框架。例如，發射航天飛行器需要許可證和許可權。通信頻率和軌道需要合理的分配。衛星使用壽命結束時，報廢、移除的工作必須在國際上協調。我們還需要為衛星部署延遲造成的損失建立保險，銥星NEXT升級其星座時就曾出現這樣的問題。

現在說太空經濟是否會盈利還為時尚早。但這種經濟的核心會是即將到來的小型衛星的星座。

來源：環球科學

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