美“太空工廠”首艙着陸，太空製造時代將至？_風聞

​來源：中國航天報

2月22日，美國瓦爾達航天工業公司的W-1太空製造艙在猶他州北部着陸成功。W-1是瓦爾達航天公司的首個“太空工廠”飛行器，商業航天的發展正在把“太空工廠”這一概念逐步變成現實。

為何要太空製造？

近地軌道工業化，是人類航天事業念念不忘的理想和目標。在航天飛機的研製論證中，支持者就在暢想太空製造的遠大前景。太空製造聽起來似乎只是科幻小説中的概念，其實不然，太空製造早已有之。隨着商業航天的發展，太空製造有望得到爆發性增長。

W-1太空製造艙成功着陸

太空微重力和真空的獨特環境顯著減少了地球表面重力造成的各種缺陷。太空中沒有重力引起的應力、對流和沉降等現象，各種密度的物質可以更好地融合，為製造蛋白質晶體、半導體晶體以及各種合金材料提供了得天獨厚的優越環境。

人類航天事業發展早期，太空製造就被提上日程，成為空間實驗和應用的重點領域。美國“天空實驗室”在運營時期就進行過空間材料和製造技術實驗，蘇聯的“禮炮號”和“和平號”也進行過太空製造領域的實驗。

太空製造的商業化也起步很早，甚至早就存在跨國商業合作。20世紀80年代，美國就有公司搭載航天飛機進行太空製造實驗。1989年末，美國有效載荷系統公司的蛋白質晶體實驗裝置搭載進步號飛船升空，送至蘇聯和平號空間站進行蛋白質晶體生長實驗。

話雖如此，由於進入太空的成本極為高昂，而航天飛機和空間站的項目競爭非常激烈，當時太空製造的熱度並不高。此外，航天員日常工作生活帶來的振動，也讓空間站的微重力環境不太理想，空間站顯然並非合適的“太空工廠”。

隨着商業航天的發展，獵鷹9等廉價火箭降低了進入太空的成本，2020年成立的初創公司瓦爾達決心研製小型“太空工廠”Winnebago，滿足開拓太空製造的商業需求。瓦爾達公司的Winnebago屬於返回式飛行器，使用了火箭實驗室公司的光子衞星作為服務艙。相比使用昂貴而複雜的貨運飛船往返國際空間站的操作，瓦爾達的返回式“太空工廠”更小、更靈活、更高效，有助於在起步階段更好地撬動太空製造產業發展。

開拓高價值任務市場

瓦爾達公司的目標是利用太空微重力等獨特環境，致力於在軌制造，並由再入飛行器將成果帶回地球。為此，瓦爾達公司研製了120公斤的返回艙，使用光子衞星平台作為服務艙，整個衞星總重300公斤。

W-1太空製造艙進行地面測試

多年的太空研究早就發現，太空微重力環境下生長的蛋白質晶體在絕大多數條件下要比地球重力環境下的晶體體積大、結構好、更完美。瓦爾達公司在W-1任務中利用微重力環境進行高質量藥物生產，推動太空製造的商業化發展。

2023年6月，獵鷹9火箭發射，執行運輸者-8任務。W-1小型“太空工廠”搭載升空，在直徑0.91米的太空返回艙內進行太空製藥實驗。W-1的返回艙實際上是一個自動化藥物生產實驗室，W系列小型返回式衞星更為靈活和經濟，瓦爾達公司又選擇了高利潤的製藥領域，希望藉此在商業上打開太空微重力製造的市場。

要知道，太空環境下製藥的速度和純度都讓地面重力環境下製藥“望塵莫及”，而在地面模擬微重力環境下，不僅成本高，效果也差得多。由於目前太空往返仍然不便宜，在太空製造青黴素或布洛芬等廣為使用的大眾藥品，絕對是得不償失。但這對於高價值藥物來説就不一樣了，數以億計的新冠mRNA疫苗中，有效成分mRNA晶體僅有2加侖的量，類似高價值藥物的太空製造在商業上有很大潛力。

W-1任務的小型“太空工廠”攜帶了製造利托那韋蛋白質晶體所需的材料。利托那韋是一種用於控制艾滋病毒的蛋白酶抑制劑，可減緩艾滋病毒的增殖和蔓延，減輕和延遲病情惡化發展，還是新冠治療的主要藥物之一。

W-1返回艙發射升空1個月後，已經完成了利托那韋蛋白質晶體的太空生長，但由於美國聯邦航空管理局遲遲未能發放再入許可，它直到今年才獲准再入着陸。幸虧火箭實驗室公司的光子衞星平台發揮穩定，將返回艙順利送回地球。目前，利托那韋晶體已被送交合作伙伴改良製藥公司進行分析，為開展後續的太空製藥等高價值任務鋪平道路。

“太空工廠”大有可為

瓦爾達公司已向火箭實驗室採購了4個光子衞星平台，首次任務W-1成功後，第二次太空製造任務預計將於今年夏天開展。瓦爾達公司樂觀地表示，期待在2026年前將任務頻率提高到每月一次。這一目標如果如期實現，太空製造商業化也就不再是夢想了。

太空製藥艙在軌運行效果圖

瓦爾達公司的太空製藥有望在商業上獲得成功，但太空製藥的成功依賴於高價值高利潤的藥物，目前看來，發展空間相對有限，但太空製造遠不只是太空製藥。

太空環境下可以製造出各種地面很難製取的高品質材料，以及進行先進製造工藝的先導研究。蘇聯和平號空間站專門設計了一個晶體號實驗艙，它的主要目標是利用太空微重力的特殊環境，試驗製取特殊性能的生物製劑、結構材料和電子器件。晶體號試驗艙裝有多個半導體生產設施，能夠利用微重力環境生產高質量的半導體晶體，並取得了一定的經濟效益。

作為蘇聯末期航天商業化的嘗試，“晶體號”製取的半導體晶體遠遠不能覆蓋它的使用成本，更不要説研製發射費用了。現在商業公司開始研製全新設計的商業平台，目標是推出商業上可行的太空微重力工廠，實現太空製造的商業化發展。

比如，太空鍛造公司位於英國威爾士加的夫，它正在設計自己的“太空工廠”，這是一種重複使用的返回式實驗衞星。該公司計劃在太空研究非硅晶片的生產，認為新一代材料將讓半導體芯片性能更強、效率更高。

當然，儘管太空環境有利於製造出更好的芯片，但將龐大的半導體光刻機搬上太空仍是遙不可及的夢想。太空鍛造公司的目標是利用太空得天獨厚的環境，製取完美的半導體晶體，為地面製取同樣的半導體晶體開闢道路。該公司研製了Pridwen複用熱盾系統，有望降低太空製造的綜合成本。考慮到很多嬌貴的太空產品如藥品晶體不耐衝擊，該公司還在研製名為Fielder的水上懸停網繩捕獲系統，緩衝軟着陸時的衝擊。

隨着商業航天的發展，尤其是獵鷹9、新格倫、星艦等重複使用火箭已經或將要投入使用，航天發射的成本正在迅速降低。現在瓦爾達、太空鍛造等新興公司的太空製造還是實驗室級別的“小打小鬧”，更是探索太空製造商業化的“尖兵”。未來，SpaceX、藍色起源等大型公司可能憑藉強大的發射能力，部署數十噸級甚至更大規模的“太空工廠”，在太空批量製取大量藥物和半導體晶體，甚至廉價製造完美的金屬合金，讓近地軌道工業化真正提上日程。