版權(quán)歸原作者所有，如有侵權(quán)，請(qǐng)聯(lián)系我們

近日，美國(guó)1枚獵鷹9火箭發(fā)射了大量商業(yè)載荷，其中1個(gè)載荷僅僅在太空運(yùn)行了數(shù)小時(shí)就再入大氣層燒毀，卻引起了航天界的高度重視，認(rèn)為它對(duì)未來的火星任務(wù)、太空制造行業(yè)都可能起到重要作用，助力太空垃圾再利用。

節(jié)約成本太空“淘金”

這個(gè)任務(wù)叫做“火星前哨演示-1”，載荷比較簡(jiǎn)陋，甚至算不上完整的衛(wèi)星，只是功能模塊?！扒吧凇卑凳荆夯鹦侨蝿?wù)更像是展望遠(yuǎn)大目標(biāo)。而根據(jù)項(xiàng)目發(fā)起人的解釋，任務(wù)載荷的首要目標(biāo)是在太空里演示切開金屬，卻又不產(chǎn)生切屑。

從事過金屬切削的人都知道，無論是什么材料的刀具，只要與金屬高速接觸，必然會(huì)把一小部分金屬剝離下來，變成細(xì)小的金屬碎屑。在機(jī)械加工車間里，每天都會(huì)產(chǎn)生大量切屑，也是工廠固體廢物的主要來源。

在地球上，這些金屬碎屑可以作為冶金原料，加入機(jī)械制造行業(yè)的大循環(huán)。但在太空至今還沒有規(guī)?；諒U品服務(wù)，又是微重力環(huán)境，如果按傳統(tǒng)方式進(jìn)行金屬切削，切屑就會(huì)以數(shù)公里/秒的高速亂飛，威力恐怕比機(jī)槍子彈掃射還可怕。

那為什么要在太空里切削金屬呢？因?yàn)轫?xiàng)目發(fā)起人認(rèn)為，人類當(dāng)前的航天器制造模式實(shí)在太燒錢了！無論是衛(wèi)星、深空探測(cè)器，還是飛船、空間站，都是在地球上造好后發(fā)射到太空里，一旦到壽，往往變成太空垃圾，難以回收。而航天器上的材料大多是高性能、高價(jià)值的，直接拋棄太可惜了。此外，為了把航天器送進(jìn)太空，往往還要使用火箭上面級(jí)，又增加了成本?；鸺汛筚|(zhì)量航天器送入太空，使其達(dá)到足夠的速度和軌道，還需要消耗大量?jī)r(jià)格不菲的航天推進(jìn)劑。

隨著商業(yè)航天如火如荼，節(jié)約成本逐漸受到航天業(yè)者的關(guān)注。美國(guó)SpaceX公司等已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了火箭第一級(jí)回收復(fù)用，那么已經(jīng)報(bào)廢的在軌航天器是不是也能考慮“變廢為寶”呢？

在太空環(huán)境中制造及回收在軌航天器，是航天界長(zhǎng)期研究的課題，但截至目前還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒正式大規(guī)模實(shí)踐，畢竟這方面的難度比地球上的電子產(chǎn)品回收要大得多。

作為高度集成化、異常復(fù)雜的工業(yè)產(chǎn)品，航天器由不計(jì)其數(shù)的電子元器件、精密機(jī)械零件組成，使用金屬、陶瓷、橡膠及各種復(fù)合材料。僅以金屬為例，既包括航天器結(jié)構(gòu)主體材料鋁合金，又少不了合金鋼和鈦合金，有些位置還要用上金、銀、鉑等貴金屬。隨著航天電子設(shè)備發(fā)展，除利用銅、鋅等傳統(tǒng)金屬材料，鋰電池等供電裝置也越來越復(fù)雜。

從理論上講，太空“淘金”活動(dòng)大有“錢”途。最受歡迎的應(yīng)該是電路板，因?yàn)樵陔娮悠骷挠|點(diǎn)上需要涂覆金、銀、鉑等，只要用特殊液體溶解再提煉，就有希望獲得大量貴金屬。

可惜暴利的背后是高難度。在地球上，廢舊電子產(chǎn)品回收繁瑣復(fù)雜，僅拆卸、分解作業(yè)就需要投入大量人力。但這在太空中是不現(xiàn)實(shí)的，特別是把不同屬性的材料分解，航天員將面臨很大風(fēng)險(xiǎn)，只能期待人工智能技術(shù)進(jìn)展到新階段。

模擬切火箭暗藏玄機(jī)

“火星前哨驗(yàn)證-1”任務(wù)發(fā)起方、美國(guó)納堆疊公司高級(jí)副總裁米歇爾·史密斯表示：“如果人類想進(jìn)入深空，去火星，去其他地方，必須在太空中建造航天飛行器，而不是完全依賴從地面發(fā)射所有部件再組裝?！鹦乔吧隍?yàn)證-1’任務(wù)是朝著這個(gè)目標(biāo)邁出的第一步。今后還有更多載荷用來驗(yàn)證太空金屬切割、焊接等技術(shù)。”為進(jìn)一步降低成本，這些金屬同樣沒必要全部從地面發(fā)射，太空垃圾提供了充足的原料。

據(jù)介紹，“火星前哨驗(yàn)證-1”功能模塊包括6個(gè)組成部分：測(cè)控天線、測(cè)控?zé)o線電設(shè)備、有效載荷、有效載荷天線、有效載荷無線電設(shè)備及服務(wù)平臺(tái)。其中，服務(wù)平臺(tái)能為有效載荷提供電力、熱控和結(jié)構(gòu)支撐。整個(gè)模塊相當(dāng)簡(jiǎn)約，甚至連姿態(tài)控制分系統(tǒng)都沒有。

服務(wù)平臺(tái)上沒有常見的太陽(yáng)翼，僅安裝了2塊鋰電池。這就意味著它不可能在軌工作很久，本次任務(wù)中有效演示時(shí)間不超過10分鐘。

具體來說，“火星前哨驗(yàn)證-1”的有效載荷是密封盒子，里面有3片耐腐蝕鋼樣品，材料和美國(guó)即將發(fā)射的火神-半人馬座火箭上面級(jí)外殼相同，大概只有商場(chǎng)優(yōu)惠券那么大。最重要的設(shè)備是美國(guó)麥克薩爾公司開發(fā)的1臺(tái)機(jī)械臂，前端裝有切割工具，可以高速轉(zhuǎn)動(dòng)，利用摩擦產(chǎn)生的高溫來把耐腐蝕鋼切開，基本不會(huì)產(chǎn)生切屑。

根據(jù)2個(gè)攝像頭提供的操作現(xiàn)場(chǎng)視頻，機(jī)械臂沿彎曲路徑切開了3片金屬樣品。紅外熱傳感器時(shí)刻采集數(shù)據(jù)，監(jiān)控整個(gè)試驗(yàn)過程。視頻和數(shù)據(jù)都已及時(shí)發(fā)回地球。

下一個(gè)階段，納堆疊公司打算在遠(yuǎn)地點(diǎn)538公里、近地點(diǎn)531公里、傾角97.5度的太陽(yáng)同步軌道開展類似試驗(yàn)，未來加工目標(biāo)包括報(bào)廢的太陽(yáng)同步軌道衛(wèi)星。

根據(jù)試驗(yàn)材料來看，為謹(jǐn)慎起見，納堆疊公司瞄準(zhǔn)火箭上面級(jí)作為太空切削加工對(duì)象?；鸺厦婕?jí)的結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，雖然也有一些電子元器件，但主體還是外殼、儲(chǔ)罐、發(fā)動(dòng)機(jī)等圓柱形金屬構(gòu)件，主要材料是鋁合金和合金鋼，用機(jī)器人來處理更有可行性。

事實(shí)上，把火箭上面級(jí)切削成碎片只是第一步——獲取太空制造的原材料。接下來，可以考慮把火箭上面級(jí)改造成新的航天器，但面臨的難度相當(dāng)大。畢竟航天器設(shè)計(jì)、制造離不開復(fù)雜的工藝和工序，在地球上都是高難度工作，在太空中用廢舊器材來制造，連安裝精度都難以保證。

從項(xiàng)目名稱含有“火星”來看，外界大概可以推測(cè)：納堆疊公司的主要目標(biāo)并非直接在太空里制造成品，雖然不排除簡(jiǎn)單加工一些實(shí)驗(yàn)艙段，但重點(diǎn)是把太空垃圾處理成原料狀態(tài)，再運(yùn)送到火星附近大規(guī)模利用。

如今，太空3D打印是航天制造研究的熱門領(lǐng)域。如果能在太空中把鋁合金、合金鋼等還原成粉末狀態(tài)，提供給3D打印機(jī)，就能制造出復(fù)雜的新零件。但在太空里很難部署重型金屬粉碎機(jī)，那么先派機(jī)器人把報(bào)廢航天器切成小塊，再轉(zhuǎn)運(yùn)、粉碎，或許是可行的方案。

然而，這將帶來新問題：在無國(guó)境的宇宙空間里，報(bào)廢航天器屬于什么性質(zhì)的資產(chǎn)呢？完整的報(bào)廢航天器可能相對(duì)容易確定“所有權(quán)”，那么某種程度的碎片呢？不難預(yù)計(jì)，只要在軌回收再利用技術(shù)大規(guī)模鋪開，太空垃圾重新?lián)碛袃r(jià)值，企業(yè)組織之間、國(guó)家之間的糾紛必然愈演愈烈。因此，暢想太空垃圾變廢為寶，不僅要攻克技術(shù)難題，也不能忽視法律問題。

歡迎掃碼關(guān)注深圳科普！

我們將定期推出

公益、免費(fèi)、優(yōu)惠的科普活動(dòng)和科普好物！