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新技術(shù)在改變我們生活方式的同時，也在加快人類探索宇宙的速度。隨著更多私人資本進入航空航天領(lǐng)域，太空技術(shù)在最近幾年開始備受關(guān)注。

但空間技術(shù)是一個高投入的領(lǐng)域，特別是衛(wèi)星發(fā)射與回收的成本非常昂貴。例如，2010年，歷時7年返回地球的日本“隼鳥”號小行星探測器帶回不到1克的小行星微粒，整個任務(wù)的價格達到了2．5億美元，其中，該探測器的研發(fā)費用就達到123億日元（約合1．34億美元）。

但是，空間領(lǐng)域仍然是一個非常有“錢途”的市場。2016年，全球航空航天領(lǐng)域的投資約為2620億美元，大多用于衛(wèi)星通訊、導(dǎo)航和遙感技術(shù)的研發(fā)。同期，各國政府的投入約為840億美元，其中美國就達到480億美元，主要用于軍事、氣象和通訊領(lǐng)域。

目前各國航天硬件已經(jīng)跟不上現(xiàn)代技術(shù)發(fā)展的步伐，面臨著衛(wèi)星體積龐大、價格昂貴、火箭發(fā)射成本高、回收困難等難題，急需現(xiàn)代化的變革。

人類要突破地球的局限，就必須在空間技術(shù)上有重大的突破。近期，Igor Levchenko， Michael Keidar及其同事在Nature網(wǎng)站撰文，認為未來太空技術(shù)需要進行三方面的變革：必須消減成本，衛(wèi)星必須小型、靈活且可自我修復(fù)，衛(wèi)星必須實現(xiàn)集群工作。

微型化

衛(wèi)星尺寸正變得越來越小。目前，已有超過800多個CubeSats衛(wèi)星環(huán)繞著地球，這些衛(wèi)星基本尺寸是一個約10公分的立方體盒子，重量為1公斤左右。

今年3月，IBM就推出了只有一顆鹽粒大小的計算機，包含100萬個晶體管。未來衛(wèi)星設(shè)備將變得越來越小，運行所需的能量也越少，發(fā)射成本也將更低。

隨著技術(shù)進步，不遠的未來，研究人員將能夠把一個衛(wèi)星的核心“大腦”包裝在1立方毫米左右的空間。

在各種衛(wèi)星中，被動式衛(wèi)星只需要定向和穩(wěn)定控制即可，而主動式衛(wèi)星需要使用推進器來操縱。

因此，被動式衛(wèi)星更容易實現(xiàn)小型化。據(jù)預(yù)測，如果控制穩(wěn)定性的硬件設(shè)備體積縮小，衛(wèi)星重量可以控制在100克以內(nèi)。數(shù)千顆這樣的衛(wèi)星就可以形成一個網(wǎng)絡(luò)來運行。而主動衛(wèi)星受制于推進器和能源限制，其縮小進程較為困難。

隨著衛(wèi)星小型化，其發(fā)射要求也會隨之降低，只需小型火箭就可以滿足需求。盡管如獵鷹9號等重型火箭依舊受到大型航空公司的青睞，但輕型火箭也正在成為新興初創(chuàng)公司的介入點。

美國小型運載火箭開發(fā)商Firefly Aerospace和新加坡火箭初創(chuàng)公司Gilmour Space Technologies就致力于輕型火箭研發(fā)，通過配備小型發(fā)動機，可以每天向近地軌道同時運送數(shù)十顆CubeSat衛(wèi)星。

更長的壽命

在太空探索過程中，我們還必須解決衛(wèi)星或空間探測器的壽命問題。通常情況下，衛(wèi)星的使用年限設(shè)計為1－15年。

飛行器在太空中還需要面臨低溫、真空、高能粒子、電離輻射等多重危險。如果衛(wèi)星想要飛行百年以上，就需要能夠自我修復(fù)。在太空中，外殼、電池，發(fā)電機和傳感器等各種設(shè)備必須能夠自我修復(fù)。

例如，前段時間，俄羅斯空間站出現(xiàn)裂縫發(fā)生漏氣，宇航員不得不用特殊膠帶臨時封住裂縫。

目前，科學(xué)家在實驗室中已經(jīng)開發(fā)出一些能夠自我修復(fù)的材料，包括柔性層壓板、聚氨酯復(fù)合材料、金屬材料和半導(dǎo)體聚合物等。NASA也正在加大新材料的研究和投入。

航天器進出大氣層時需要特殊熱性能的材料；空間站需要耐用且自我修復(fù)的輕質(zhì)、靈活的結(jié)構(gòu)；基于仿生科技的新型納米材料和陶瓷材料可以提高材料的韌性，并防止裂紋擴大，防止材料的疲勞損傷累積。

另外，航天器還要面對各種意外情況，例如抓住不規(guī)則形狀的小行星或維修衛(wèi)星等任務(wù)，需要設(shè)計由彈性或智能材料制成的可調(diào)節(jié)夾具。

因此，未來我們需要自我修復(fù)的空間站，包括推動系統(tǒng)、發(fā)電設(shè)備、生命支持系統(tǒng)和科學(xué)儀器。

聯(lián)網(wǎng)化

具有數(shù)千顆衛(wèi)星的星座具有更廣泛的發(fā)展?jié)摿Α２皇峭ㄟ^單一衛(wèi)星來執(zhí)行單一的任務(wù)，這些衛(wèi)星的儀器可以像在更大的平臺上一樣運行。

例如，NASA的Afternoon－Train星座中的五顆衛(wèi)星可以監(jiān)測地球大氣層中的云、氣溶膠、溫室氣體和其它氣體，以提供氣候和天氣模式，以及大氣污染的3D模型。

從沿著同一軌道的一系列衛(wèi)星，到均勻地分布在地球表面的衛(wèi)星，各種衛(wèi)星星座的配置都是可能的。星座可以調(diào)整，多個網(wǎng)絡(luò)可以連接在一起，以提高衛(wèi)星的性能、彈性和響應(yīng)能力，一些衛(wèi)星則可能被用于修復(fù)和調(diào)整其它衛(wèi)星。

在未來，成群的微型衛(wèi)星會更便宜，并且可以快速部署。從軌道上的大型中央衛(wèi)星釋放數(shù)千個微型衛(wèi)星，通過互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)以實現(xiàn)通信分析，能夠?qū)崿F(xiàn)更多、更復(fù)雜，可操縱的衛(wèi)星集群。

最終，星座可能會更像一個神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)或人工智能系統(tǒng)，可以實現(xiàn)自組織、可變形、自學(xué)習(xí)、大范圍共同感知。

到目前為止，只有幾十顆衛(wèi)星被集合在一起。例如，GPS衛(wèi)星星座需要大約30顆衛(wèi)星才能進行可靠的全球覆蓋。

科學(xué)家正在努力增加衛(wèi)星星座的數(shù)量。日本北海道和東北大學(xué)及其他組織合作，計劃在2050年前向太空發(fā)射50顆微型衛(wèi)星（每顆重約50公斤），以追蹤自然災(zāi)害帶來的后果。銥星電信網(wǎng)絡(luò)正在升級網(wǎng)絡(luò)，以容納約80顆衛(wèi)星。

到2020年代中期，SpaceX公司計劃發(fā)射12，000顆小型衛(wèi)星，建立一個基于太空的互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)Starlink。兩個Salink衛(wèi)星原型已于今年2月發(fā)射，該網(wǎng)絡(luò)預(yù)計會在2020年開始運行。

通信公司OneWeb計劃通過600－2000顆小型衛(wèi)星（最多重200公斤）為全球帶來廉價的互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)，其中第一顆衛(wèi)星最早將于12月發(fā)射。波音公司則提出了1300－3000顆通信衛(wèi)星的星座。

然而，這些星座中的大多數(shù)衛(wèi)星都是從地面控制的。為了有效地操作，星座單元需要能夠彼此通信，并且實時地調(diào)整它們的位置和方向。

未來的空間技術(shù)發(fā)展，需要各種新技術(shù)的交叉與協(xié)作。用于空間領(lǐng)域的納米材料、超材料、復(fù)合材料、超硬陶瓷等新材料，需要材料學(xué)家、推進專家、機器人專家等跨領(lǐng)域?qū)＜业暮献鳌?/p>

另外，3D打印等增材制造技術(shù)可以降低定制衛(wèi)星的成本，同時也將改變空間設(shè)計的流程與標準。

盡管全球當前對太空領(lǐng)域投入了大量的資金，但太空經(jīng)濟的盈利還為時尚早，但太空經(jīng)濟的中心正是即將到來的衛(wèi)星星座。