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崛起的空间科技:小型卫星正在受到热捧

2018-10-19 10:24
资本实验室
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“最终,星座可能会更像一个神经网络或人工智能系统,可以实现自组织、可变形、自学习、大范围共同感知。”

新技术在改变我们生活方式的同时,也在加快人类探索宇宙的速度。随着更多私人资本进入航空航天领域,太空技术在最近几年开始备受关注。

崛起的空间科技:小型卫星正在受到热捧

但空间技术是一个高投入的领域,特别是卫星发射与回收的成本非常昂贵。例如,2010年,历时7年返回地球的日本“隼鸟”号小行星探测器带回不到1克的小行星微粒,整个任务的价格达到了2.5亿美元,其中,该探测器的研发费用就达到123亿日元(约合1.34亿美元)。

但是,空间领域仍然是一个非常有“钱途”的市场。2016年,全球航空航天领域的投资约为2620亿美元,大多用于卫星通讯、导航和遥感技术的研发。同期,各国政府的投入约为840亿美元,其中美国就达到480亿美元,主要用于军事、气象和通讯领域。

崛起的空间科技:小型卫星正在受到热捧

目前各国航天硬件已经跟不上现代技术发展的步伐,面临着卫星体积庞大、价格昂贵、火箭发射成本高、回收困难等难题,急需现代化的变革。

人类要突破地球的局限,就必须在空间技术上有重大的突破。近期,Igor Levchenko, Michael Keidar及其同事在Nature网站撰文,认为未来太空技术需要进行三方面的变革:必须消减成本,卫星必须小型、灵活且可自我修复,卫星必须实现集群工作。

微型化

卫星尺寸正变得越来越小。目前,已有超过800多个CubeSats卫星环绕着地球,这些卫星基本尺寸是一个约10公分的立方体盒子,重量为1公斤左右。

崛起的空间科技:小型卫星正在受到热捧

今年3月,IBM就推出了只有一颗盐粒大小的计算机,包含100万个晶体管。未来卫星设备将变得越来越小,运行所需的能量也越少,发射成本也将更低。

随着技术进步,不远的未来,研究人员将能够把一个卫星的核心“大脑”包装在1立方毫米左右的空间。

在各种卫星中,被动式卫星只需要定向和稳定控制即可,而主动式卫星需要使用推进器来操纵。

因此,被动式卫星更容易实现小型化。据预测,如果控制稳定性的硬件设备体积缩小,卫星重量可以控制在100克以内。数千颗这样的卫星就可以形成一个网络来运行。而主动卫星受制于推进器和能源限制,其缩小进程较为困难。

随着卫星小型化,其发射要求也会随之降低,只需小型火箭就可以满足需求。尽管如猎鹰9号等重型火箭依旧受到大型航空公司的青睐,但轻型火箭也正在成为新兴初创公司的介入点。

美国小型运载火箭开发商Firefly Aerospace和新加坡火箭初创公司Gilmour Space Technologies就致力于轻型火箭研发,通过配备小型发动机,可以每天向近地轨道同时运送数十颗CubeSat卫星。

更长的寿命

在太空探索过程中,我们还必须解决卫星或空间探测器的寿命问题。通常情况下,卫星的使用年限设计为1-15年。

飞行器在太空中还需要面临低温、真空、高能粒子、电离辐射等多重危险。如果卫星想要飞行百年以上,就需要能够自我修复。在太空中,外壳、电池,发电机和传感器等各种设备必须能够自我修复。

崛起的空间科技:小型卫星正在受到热捧

例如,前段时间,俄罗斯空间站出现裂缝发生漏气,宇航员不得不用特殊胶带临时封住裂缝。

目前,科学家在实验室中已经开发出一些能够自我修复的材料,包括柔性层压板、聚氨酯复合材料、金属材料和半导体聚合物等。NASA也正在加大新材料的研究和投入。

航天器进出大气层时需要特殊热性能的材料;空间站需要耐用且自我修复的轻质、灵活的结构;基于仿生科技的新型纳米材料和陶瓷材料可以提高材料的韧性,并防止裂纹扩大,防止材料的疲劳损伤累积。

另外,航天器还要面对各种意外情况,例如抓住不规则形状的小行星或维修卫星等任务,需要设计由弹性或智能材料制成的可调节夹具。

因此,未来我们需要自我修复的空间站,包括推动系统、发电设备、生命支持系统和科学仪器。

联网化

具有数千颗卫星的星座具有更广泛的发展潜力。不是通过单一卫星来执行单一的任务,这些卫星的仪器可以像在更大的平台上一样运行。

例如,NASA的Afternoon-Train星座中的五颗卫星可以监测地球大气层中的云、气溶胶、温室气体和其它气体,以提供气候和天气模式,以及大气污染的3D模型。

崛起的空间科技:小型卫星正在受到热捧

从沿着同一轨道的一系列卫星,到均匀地分布在地球表面的卫星,各种卫星星座的配置都是可能的。星座可以调整,多个网络可以连接在一起,以提高卫星的性能、弹性和响应能力,一些卫星则可能被用于修复和调整其它卫星。

在未来,成群的微型卫星会更便宜,并且可以快速部署。从轨道上的大型中央卫星释放数千个微型卫星,通过互联网络以实现通信分析,能够实现更多、更复杂,可操纵的卫星集群。

最终,星座可能会更像一个神经网络或人工智能系统,可以实现自组织、可变形、自学习、大范围共同感知。

到目前为止,只有几十颗卫星被集合在一起。例如,GPS卫星星座需要大约30颗卫星才能进行可靠的全球覆盖。

科学家正在努力增加卫星星座的数量。日本北海道和东北大学及其他组织合作,计划在2050年前向太空发射50颗微型卫星(每颗重约50公斤),以追踪自然灾害带来的后果。铱星电信网络正在升级网络,以容纳约80颗卫星。

到2020年代中期,SpaceX公司计划发射12,000颗小型卫星,建立一个基于太空的互联网网络Starlink。两个Salink卫星原型已于今年2月发射,该网络预计会在2020年开始运行。

通信公司OneWeb计划通过600-2000颗小型卫星(最多重200公斤)为全球带来廉价的互联网服务,其中第一颗卫星最早将于12月发射。波音公司则提出了1300-3000颗通信卫星的星座。

然而,这些星座中的大多数卫星都是从地面控制的。为了有效地操作,星座单元需要能够彼此通信,并且实时地调整它们的位置和方向。

未来的空间技术发展,需要各种新技术的交叉与协作。用于空间领域的纳米材料、超材料、复合材料、超硬陶瓷等新材料,需要材料学家、推进专家、机器人专家等跨领域专家的合作。

另外,3D打印等增材制造技术可以降低定制卫星的成本,同时也将改变空间设计的流程与标准。

尽管全球当前对太空领域投入了大量的资金,但太空经济的盈利还为时尚早,但太空经济的中心正是即将到来的卫星星座。

声明: 本文由入驻维科号的作者撰写,观点仅代表作者本人,不代表OFweek立场。如有侵权或其他问题,请联系举报。

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