首位万亿富翁将在太空领域里产生！

来自中国、美国、日本、澳大利亚和新加坡的7位科学家在《自然》联合发表评论，探讨卫星的未来。

图片来源：ESA/NASA-A. GERST

2018 年5月在华盛顿举办的人类登陆火星峰会上，美国共和党参议员特德·克鲁兹（Ted Cruz）对在场的科学家和企业家宣称：“首位万亿富翁将在太空领域里产生。”他的话也许不错，不过前提是我们需要重新考虑太空技术。

发射卫星的成本相当于与卫星等重的黄金的价值。把1千克的物体送入近地轨道需花费数千美元，很多时候费用还要比这再高十几倍。把物体运回地球所需费用更加高昂：2010年日本“隼鸟号”飞船带回不到1克的小行星颗粒，整个任务花费了2.5亿美元，相当于每千克样本花费2500亿美元。

尽管如此，太空活动已经成了一个巨大的产业。2016年，全球公司在这个领域的投入约有2620亿美元，主要花在卫星通信、导航及遥感上。同年，世界各国政府在这一领域的投入累计约840亿美元。其中一半以上（480亿美元）来自美国政府，主要用于军事、气象和通信。

巨额投入并未带来良好收效。太空硬件没能和科技的发展保持同步，需要更新换代。卫星体积过大，费用高昂。多数卫星只能完成预设好的有限几种任务。尽管卫星制造投入了大量技术和材料，它们的使用寿命却只有几十年，比瑞士手表的寿命还短。

按照这个发展速度，人类永远无法在远地空间探险，遑论殖民月球和火星，或捕获小行星了。

我们认为，太空技术需要在三方面加以改进。成本必须降低；卫星应当体积小、机动灵活，并且能实现自修复；卫星需集群运行。

数据来源：BryceSpaceandTechnology

卫星产业占全球太空经济的四分之三。现在卫星发射数量达到创纪录的水平，因为建造卫星，以及把发射卫星送入轨道的成本下降了。

微型化

卫星的体积正在缩小。目前有800多个立方星被送入了轨道。这些卫星由手掌大小的模块构成，边长大约10厘米，重量仅1千克左右。不久的将来，研究人员能把卫星的整个“大脑”放入1立方毫米的空间内。2018年3月，IBM公司演示了一个装有100万个晶体管，却仅有盐粒般大小的微型计算机。这些设备体积越小，运行所需的能源越少，重量就越轻，发射所需的费用就会越低。

卫星分两种类型。被动卫星只需要控制方向和稳定性。主动卫星可以通过推进器进行操控。被动卫星更容易实现微型化。我们认为，如果用于控制稳定性的硬件可以再轻便些，被动卫星的重量可以轻至100克。成千上万个“毫微微卫星”可以作为一个网络系统来运行。

缩小主动卫星需要更长的时间。正如俄罗斯诗人弗拉基米尔·马雅科夫斯基（Vladimir Mayakovsky）（在谈到镭开采时）所言，“每一克，需花费一年时间。”主动卫星需要微小的推进系统。电推进技术是最为高效的，其中包括使用电弧把固体转变为高速等离子体的微阴极电弧推进器；用于生成微滴或离子的电喷雾系统；基于场发射来制造高能离子的推进器；以及气体供给系统，例如用电场加速推进剂的微型霍尔效应推进器。

我们需要一个标准化的微型卫星设计方案，来加快其研发、生产及投入使用的速度，同时降低成本。不过，这一设计必须是可定制的，以便可以兼容定制的科学仪器，并在必要时保护敏感的部件免遭高温和放射线照射的侵害。我们也需要同时设计多种模板。

微型卫星需用小火箭发射。尽管业界仍然热衷诸如“猎鹰9号”这样的大型运载火箭（能够运载几百颗小卫星及大卫星），但一些新兴公司正在开发“微型火箭”，例如美国亚利桑那州的Vector Launch公司（该公司首席执行官吉姆·坎特雷尔为本文作者之一）、得克萨斯州的Firefly Aerospace公司、澳大利亚昆士兰的Gilmour Space Technologies公司。微型火箭价格相对低廉，生产速度快。重量只有几吨重——远远低于重达500吨的“猎鹰9号”运载火箭或733吨的“德尔塔4号”重型运载火箭。配有小型、简易引擎（使用固体推进器）的小型运载火箭能够同时把几十颗立方星发射到近地轨道，而且可能每天都进行发射。

长寿命

把成千上万颗微型卫星或行星际探测器发射入太空之前，我们必须确保它们能够一直运行。

如果卫星不可靠，就像灯串组中的灯泡一样容易出故障，那么这样的卫星构成的编队几乎没有用。太空技术的使用寿命对于殖民月球和火星至关重要，因为那时的设备故障事关生死。

当今卫星的设计寿命通常介于1~15年。一些太空技术使用寿命要长一些：运行41年的“旅行者1号”探测器在2012年飞离了太阳系，但是，4万年后当它靠近小熊座中的恒星格利泽445时，也不会再向地球发回任何信号。卫星迅速报废的原因在于太空环境恶劣：温度极低、近乎真空、充斥高能粒子和离子辐射。

冗余设计这种方法走到了尽头。例如，“好奇号”火星探测器计划在火星上工作500个火星日。2018年3月，它已欢度了第2000个火星日——但6个车轮中至少已经有一个出现了细小裂痕。增添备用车轮是一个过时的方法。

如果打算让卫星的使用寿命能够长达百年或者更久，它们应该像有机生物一样具有再生的能力。例如，灯塔水母几乎可以无限重复再生。一旦受到威胁或伤害，它会立即从性成熟状态回到水螅状态，重新开始生命的循环。根据生长环境的不同，灯塔水母一年可以数次重复再生。一些更为复杂的动物，如蝾螈（墨西哥钝口螈）可以长出新的肢体。而一些仅用显微镜可见的缓步动物能够在外太空生存。

与此类似，在太空中，人类的居住仓以及燃料箱和空气箱必须能够自动堵塞漏洞和裂缝。电池、发电机和传感器一旦受损必须能够自我修复。研究者已经在实验室中开发了一些自修复材料，如柔性层合板、聚氨酯复合材料、金属材料和半导体聚合物。美国航空航天局在其2017年技术投资规划中认可了这一需求。但是，由于材料科学家和太空技术人员之间缺少合作，导致这些材料的研发进展缓慢。

已经成熟、可用于太空开发的先进材料还有耐用、可自我修复、重量轻、弹性好的结构体（可用于探索和殖民任务）。如果航天飞行器要重新进入地球或其他星球大气层，还需要具有特殊耐热性的材料。模仿贝类生物外壳纳米结构的碳纳米管支架可以增强材料的韧性，改进陶瓷。我们也需采取措施防止裂纹扩展和疲劳损伤积累。此外，最好使用环保材料。

研究者要探索方法，让飞行器具备适应能力。飞行器可能需要处理一些突发情况，如抓取不规则形状的小行星或抓取需要维修的其他卫星。因此，需要设计出用弹性材料或智能材料制造的可调节性抓握器。最终，我们需要能完全自修复的太空平台，包括推动系统、发电站、生命保障系统和科学仪器设备。即便是制造一个这样的原型平台也需要重大突破和新的工作方式。

网络化

不同于建造一颗卫星来执行一项任务，卫星星座由成千上万颗卫星组成，具有更广阔的潜力。它们的仪器可以一起工作，就如同运行在一个大得多的平台上一样。例如，现在组成“下午编队”(Afternoon Train)卫星星座的5颗卫星，监测着地球大气中的云、气溶胶、温室气体和其他气体，可提供气候和天气模式，以及大气污染的三维重建。在CANYVAL-X任务中，两个立方星编队飞行，开发有助于研究太阳的技术(其中一个装备了微型阴极电弧推进器)。

卫星星座可以有许多种配置方式——例如在相同的轨道上一个接一个的卫星编队，或者用来观察整个地球表面(将来也许还能观察月球和火星表面)的均匀分布网络。卫星星座的形状可以调整。多个网络可以虚拟连接在一起，以增强它们的功能、韧性和响应能力。一些卫星配上设备后可用来修理、调整其他卫星。微型卫星集群应该便宜而且部署迅速。数千微型卫星可从轨道上的一颗大型中央卫星上释放出来。能够接收和发送信号并执行基本逻辑操作的集群可以与数量更少、个体更大更复杂，并且具备机动能力，充当通信或分析中心的卫星簇相结合。

最终，卫星星座可能像神经网络或人工智能一样运作。我们可以利用卫星的群体属性，比如自组织、可变形性、自学习和同时感知大范围空间的能力——就如同波兰科幻作家斯坦尼斯拉夫·莱姆（Stanislaw Lem）在1964年出版的《无敌》（The Invincible）一书中设想的微小互动机器人形成的云。

到目前为止，现有的卫星星座只有几十颗卫星串在一起。例如，全球定位系统( GPS )卫星星座需要大约30颗作业卫星来有效覆盖全球。GPS还在努力增加数量。在日本，北海道大学和东北大学与其他组织合作，要在2050年之前将50颗微型卫星送入太空(每颗重约50千克)，以追踪自然灾害的后果。铱星电信网络正在扩容，以后会包含大约80颗卫星。

到2025年左右，SpaceX公司打算发射12 000颗小型卫星来建立天基互联网 “星链”。2月份该公司发射了两颗原型“星链”卫星，该网络最早可能于2020年开始运行。通信公司OneWeb的目标是通过600~2000颗小型卫星(重量可达200千克)的卫星星座向全球提供廉价互联网服务。其中第一颗卫星最早将于12月发射。另一个例子是波音公司由1300~3000颗通信卫星组成的星座计划。

然而，这些星座中的大多数卫星都是从地面上控制的。为了高效运行，卫星星座单元需要能够实时相互通信，并实时调整位置和方向。

2013年美国公司加维航天公司（Garvey Spacecraft，现在已并入Vector Launch）建造的火箭携带了4个立方星。图片来源：NASA/DIMITRI GERONDIDAKIS

下一步

先进纳米材料、超材料以及航天推进领域的专家需要更多地开展合作，开发可应用于宇宙空间的自我修复材料。这些材料包括用于人类栖息环境、大型充气结构的复合材料，以及用于推进器的超硬陶瓷。我们需要更加高效、可靠的微型推进器。非常规系统，如薄膜和3D打印的推进器也需要我们的关注。这一切需要材料科学家、推进专家和机器人专家之间继续对话，这类对话应从空间技术材料进展方面的会议开始，如国际微推进和立方星会议(www.micropropulsion.org)。商业公司将从中获益，并且应该为研究团队需要的数百万美元经费提供支持。

我们必须优化批量生产方法，以部署成千上万颗卫星构成的星座。3D打印等增材制造技术正在降低定制卫星的成本。设计空间技术时，我们必须考虑到生产方法。辅助系统，如发射台、推进器平台以及动力与控制系统，都必须有标准化的设计。

此外，政策制定者和法律界需要建立一个运行大型星座的国际法律框架。例如，发射航天飞行器需要许可证和权限。通信频率和轨道需要合理的分配。卫星使用寿命结束时，报废、移除的工作必须在国际上协调。我们还需要为卫星部署延迟造成的损失建立保险，铱星NEXT升级其星座时就曾出现这样的问题。

现在说太空经济是否会盈利还为时尚早。但这种经济的核心会是即将到来的小型卫星的星座。