微型卫星是太空探索的未来吗?--中国数字科技馆
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微型卫星是太空探索的未来吗?

微型卫星是太空探索的未来吗?(科学播报) 0:00/0:00
最新发布时间: 2020-06-11
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卫星普遍体积庞大,制造费用和运营成本高昂(图片来源:pixabay)

  自人造卫星发明以来,人类就从未停下使用卫星探索太空的步伐。由于卫星普遍体积庞大、涉及多项技术、制造费用高昂,且运营成本不低,因此全球每年在这个领域都要投入大量的资金以维持相关项目的正常运转。显然,如果以目前的状况继续发展下去,这些相对低效而花费巨大的卫星项目,将可能会占用其他太空探索任务的开销与资源,对它们的正常推进造成阻碍。

  那么,我们是否有好的办法来改变这种现状呢?最直观的解决方案是让卫星微型化。2018年,IBM 公司展示了一种新型的技术,可以让计算机最大限度地缩小。这种技术能让只有盐粒大小的载体上装满100万个晶体管,实现复杂的计算工作。这些技术对于卫星微型化具有极大的推动作用。

  就目前而言,已经有一些手掌般大小的模块型卫星被送入太空,而更小的卫星也已经在积极研发当中。

模块化让研发、生产的效率提高,投入应用的过程更为便捷高效(图片来源:pixabay)

  微型卫星主要有三个方面的优势。首先,由于卫星体积大幅度缩小,其需要的能源也变得更少,整体重量得以大大减轻。例如已经被送入太空的立方体卫星,它们仅有手掌般大小,边长大约为10厘米,质量在1千克以内。如果人们能够将传统卫星重要的部件放入这些小立方体中,那么未来探索太空的成本将会很大程度地降低。同时模块化也能让研发、生产的效率提高,投入应用的过程更为便捷高效。

  其次,微型卫星在消耗、维护和运营方面的成本相对较低,同样具有经济方面的优势。传统卫星的寿命有限,在太空中不仅饱受恶劣环境的影响,同时还难以进行维护和修缮。随着微型卫星技术的发展,更换和维修过程将变得更加便捷。新型卫星还能采用自修复材料进行设计,新型材料的运用也使得微型卫星能够稳定、持续地进行工作。

  并且,最大的一个不同点在于,微型卫星能够更加高效、灵活地进行集群工作。成百上千颗微型卫星将会根据不同的需求组成协同网络,以系统的形式共同完成一个复杂的科研任务。当进行不同的任务时,它们可以重新组合成不同的系统,还能配合传统的卫星技术进行工作。甚至在技术足够成熟的条件下,微型卫星能够像人工智能或神经网络一样进行学习,拓展自身的工作能力。

在技术成熟的条件下,微型卫星能够像人工智能或神经网络一样进行学习(图片来源:pixabay)

  然而,尽管将卫星微型化的做法看起来十分美好,但是在这条发展道路上依然困难重重。阻碍微型卫星发展的最大原因还是技术,卫星上必要的控制系统和推进系统以目前的科技来说很难做到轻便。因此,微型火箭的重量和体积都会受到限制,一些科学家所期望达到的运转优势并不能很快实现。

  另一方面,微型卫星如果使用传统的运载火箭进行发射,就会导致效率极低。最好的方式是采用小火箭或者微型火箭,以较高的频率发射微型卫星进入轨道。但是目前主流的航天工业仍以大型运载火箭为主要的开发对象,微型火箭的研发只能依赖于新兴科技公司的投入。总体来说,微型卫星在各个层面上都很难得到传统的技术支持。

  但不能否认的是微型卫星群相较于传统卫星的巨大优势。从科技的发展规律上看,微型化、系统化和可持续发展化是必然的趋势。高效、节能是人类未来科技发展的方向。随着纳米技术、材料科学和航天科技的进步,原先阻碍微型卫星发展的种种难题也将依次解开。例如新型陶瓷材料、3D 打印技术和各类复合型材料等等,已经正在逐一解决各类航天装置的发展瓶颈。当这些技术和研发流程得以标准化,原来略显臃肿的太空经济也将健康、合理地得到迅速发展。在此基础上,人们也就有更多的机会去探索宇宙中未知的领域。

  

原创稿件

制作 叶鹏飞

审校 赵峥 北京师范大学物理系教授

参考文献:Levchenko, I., Xu, S., Mazouffre, S., Keidar, M., & Bazaka, K. (2019). Space Exploration: Mars Colonization: Beyond Getting There (Global Challenges 1/2019). Global Challenges, 3.


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