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航天器的未来:直径数百米的反射镜照亮地球

  知否|从微型卫星到巨型光帆:未来技巧将若何改变空间工程

  今年是人类成功登月50周年。得益于太空技巧的飞速成长,这统统才成为可能。在阿波罗义务之前相称短的光阴内,工程师们已经掌握了火箭推进、机载谋略和太空操作技巧,这在必然程度上要归功于险些无限的预算。

  自此以来,空间工程已成长成一系列互相联系的技巧,不仅为人类带来了一系列新的空间科学义务,也带来了富厚的地球不雅测数据和举世通讯导航办事收集。我们现在可以让探测器登岸彗星,也能够不雅测到宇宙更久远的以前。然则在未来的几十年里,什么样的新技巧能够进一步改变航天领域?

  在以前的几年里,一个很有出路的措施是空间技巧大年夜型化和小型化。经由过程近情由英国皇家工程学院资助的一项为期十年钻研计划,科学家正开始探索进一步缩小或扩大年夜航天器极限尺寸的可能性。

  极小型航天器

知否|从微型卫星到巨型光帆:未来技巧将若何改变空间工程

图示:小型立方体卫星

  小型化技巧使尺寸更小的航天器成为可能,例如灾难监测星系(Disaster Monitoring Constellation)项目中的卫星只有100公斤重。以致还有体积为30x10x10厘米的立方体卫星,它们的重量只有几公斤,可以携带一系列不合的仪器。这些卫星平日用于对地不雅测或进行低资源的科学实验,由于大年夜量小型化卫星可以作为二次有效载荷随较大年夜卫星一路发射。

  业界的未来目标是让航天器尺寸上至少低落一个数量级。从3x3cm的印刷电路板(PCB)卫星开始,然后人类会制造出更紧凑的设备。今朝有公司已经对这类卫星进行了在轨演示。以Sprite设备为例,只管其设置设置设备摆设摆设了传感器、通信设备并具备机载数据处置惩罚功能,但其重量只有4克。

  这些装配已经安装在国际空间站的外部。就在近来,KickSat-2义务在近地轨道上支配了105台Sprite设备,每台资源不到100美元。在这些设备入轨运行后的第二寰宇面就收到了旌旗灯号,这增添了人们对这些设备有朝一日能在太空履行更多新义务的期望。

  更经久目标是制造自由飞行的极小型航天器,可以节制自身在太空中的偏向和轨道。这将使人类能够支配可用于散播式传感器收集的大年夜量传感器,支持大年夜规模的实时数据采集,并完成空间气象监测等诸多义务。瞻望未来,人类或将能够基于单块硅晶片临盆出高度集成的量产卫星。

  一种令人愉快的可能性是,经由过程将这种微型航天器与大年夜型光帆相结合,从而打造出在几十年内到达其他星系的星际飞船。此外,这种极小型航天器也可以在彗星或小行星相近进行遥感测试。

  超大年夜型航天器

知否|从微型卫星到巨型光帆:未来技巧将若何改变空间工程

图示:韦伯太空千里镜的主镜

  另一极度的空间技巧也有进展。国际空间站上已经开始应用30米长的大年夜型可展开动力臂来支撑其太阳能电池阵列。在这一领域的未来目标是经由过程在轨道上制造大年夜型的轻量化布局,将其再次提升至少一个数量级。经由过程将3D打印技巧利用于真空和微重力情况,人类可以制造出超大年夜型天线、能量网络器或太阳能反射器。

  然则为什么人类必要这样的超大年夜型布局呢?以詹姆斯·韦伯太空千里镜为例,它将很快取代哈勃太空千里镜。其拥有一个伟大年夜的主镜,并有一个专业网球场大年夜小的巨型遮阳装配。为了将詹姆斯·韦伯太空千里镜搭载到阿丽亚娜5号火箭上,主反射镜和遮阳装配都由可展开的布局组成。一旦单次发射掉败,全部项目将功亏一篑。

  而在轨道上直接制造大年夜型轻质布局的能力,可能对太空技巧孕育发生伟大年夜影响,可以避开直接从地面发射周详布局的一系列风险问题。例如在继续的制造历程中,布局支撑材料可以直接贴合到反射膜上,那么人类就可以制造直径达到几百米的超大年夜反射器。

  在极地轨道上,这种反射器还可以在黎明和傍晚时分照亮未来的陆地太阳能发电厂,该时段发电量很低,需求却很高。这将是一种全新的太空办事,其产品会是能源而不是信息。

  它还可以用来反射太阳光,从而孕育发生工业级的太阳能热能,用于处置惩罚从近地小行星上收受接收的材料。例如,一个半径500米的反射器能够孕育发生1GW的热能,相称于地球上一个通俗发电站的输出。

  用这种超大年夜布局从小行星上提汲水资本是一个分外有出路的措施,由于它可以赞助人类在太空中制造推进剂。太阳能发电可以将水分化成氢和氧,并将它们用作宇宙飞船的燃料。在未来,在轨道上制造推进剂可以避免将燃料从地球外面一起输送到太空,从而低落未来探索太空的风险。

  虽然阿波罗义务是一个真正具有英雄气魄的工程实例,但未来的太空探索也同样令人愉快,并能带来更为持久的社会效益。

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