航天器的未來：直徑數百米的反射鏡照亮地球

今年是人類成功登月50週年。得益於太空技術的飛速發展，這一切才成為可能。在阿波羅任務之前相當短的時間內，工程師們已經掌握了火箭推進、機載計算和太空操作技術，這在一定程度上要歸功於幾乎無限的預算。

自此以來，空間工程已發展成一系列相互聯繫的技術，不僅為人類帶來了一系列新的空間科學任務，也帶來了豐富的地球觀測數據和全球通訊導航服務網絡。我們現在可以讓探測器登陸彗星，也能夠觀測到宇宙更久遠的過去。但是在未來的幾十年裏，什麼樣的新技術能夠進一步改變航天領域？

在過去的幾年裏，一個很有前途的方法是空間技術大型化和小型化。通過最近由英國皇家工程學院資助的一項為期十年研究計劃，科學家正開始探索進一步縮小或擴大航天器極限尺寸的可能性。

極小型航天器

圖示：小型立方體衞星

小型化技術使尺寸更小的航天器成為可能，例如災害監測星系(Disaster Monitoring Constellation)項目中的衞星只有100公斤重。甚至還有體積為30x10x10釐米的立方體衞星，它們的重量只有幾公斤，可以攜帶一系列不同的儀器。這些衞星通常用於對地觀測或進行低成本的科學實驗，因為大量小型化衞星可以作為二次有效載荷隨較大衞星一起發射。

業界的未來目標是讓航天器尺寸上至少降低一個數量級。從3x3cm的印刷電路板(PCB)衞星開始，然後人類會製造出更緊湊的設備。目前有公司已經對這類衞星進行了在軌演示。以Sprite設備為例，儘管其配置了傳感器、通信設備並具備機載數據處理功能，但其重量只有4克。

這些裝置已經安裝在國際空間站的外部。就在最近，KickSat-2任務在近地軌道上部署了105台Sprite設備，每台成本不到100美元。在這些設備入軌運行後的第二天地面就收到了信號，這增加了人們對這些設備有朝一日能在太空執行更多新任務的期望。

更長期目標是製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。這將使人類能夠部署可用於分佈式傳感器網絡的大量傳感器，支持大規模的即時數據採集，並完成空間天氣監測等諸多任務。展望未來，人類或將能夠基於單塊硅晶片生產出高度集成的量產衞星。

一種令人興奮的可能性是，通過將這種微型航天器與大型光帆相結合，從而打造出在幾十年內到達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行遙感測試。

超大型航天器

圖示：韋伯太空望遠鏡的主鏡

另一極端的空間技術也有進展。國際空間站上已經開始使用30米長的大型可展開動力臂來支撐其太陽能電池陣列。在這一領域的未來目標是通過在軌道上製造大型的輕量化結構，將其再次提升至少一個數量級。通過將3D打印技術應用於真空和微重力環境，人類可以製造出超大型天線、能量收集器或太陽能反射器。

但是為什麼人類需要這樣的超大型結構呢？以詹姆斯·韋伯太空望遠鏡為例，它將很快取代哈勃太空望遠鏡。其擁有一個巨大的主鏡，並有一個專業網球場大小的巨型遮陽裝置。為了將詹姆斯·韋伯太空望遠鏡搭載到阿麗亞娜5號火箭上，主反射鏡和遮陽裝置都由可展開的結構組成。一旦單次發射失敗，整個項目將功虧一簣。

而在軌道上直接製造大型輕質結構的能力，可能對太空技術產生巨大影響，可以避開直接從地面發射精密結構的一系列風險問題。例如在連續的製造過程中，結構支撐材料可以直接貼合到反射膜上，那麼人類就可以製造直徑達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分照亮未來的陸地太陽能發電廠，該時段發電量很低，需求卻很高。這將是一種全新的太空服務，其產品會是能源而不是信息。

它還可以用來反射太陽光，從而產生工業級的太陽能熱能，用於處理從近地小行星上回收的材料。例如，一個半徑500米的反射器能夠產生1GW的熱能，相當於地球上一個普通發電站的輸出。

用這種超大結構從小行星上提取水資源是一個特別有前途的方法，因為它可以幫助人類在太空中製造推進劑。太陽能發電可以將水分解成氫和氧，並將它們用作宇宙飛船的燃料。在未來，在軌道上製造推進劑可以避免將燃料從地球表面一路運送到太空，從而降低未來探索太空的風險。

雖然阿波羅任務是一個真正具有英雄氣概的工程實例，但未來的太空探索也同樣令人興奮，並能帶來更為持久的社會效益。