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    崛起的空间科技£º小型卫星正在受到热捧

    2018-10-19 09:49:49 和讯名家 

    ?#26102;?#23454;验室¡¤今日创新观察

    聚焦前沿科技创新与传统产业升级

    ¡°最终£¬卫星星座可能会更像一个神经网络或人工智能系统£¬可以实现自组织¡¢可变形¡¢自学习¡¢大范围共同感知¡£¡±

    新技术在改变我们生活方式的同?#20445;?#20063;在加快人类探索宇宙的速度¡£随着更多私人?#26102;?#36827;入航空航天领域£¬太空技术在最近?#25913;?#24320;始备受关注¡£

    但空间技术是一个高投入的领域£¬特别是卫星发射与回收的成本非常昂贵¡£例如£¬2010年£¬历时7年返回地球的日本¡°隼鸟¡±号小行星探测器带回不到1克的小行星微粒£¬整个任务的价格达到了2.5亿美元£¬其中£¬该探测器的研发费用就达到123亿日元£¨约合1.34亿美元£©¡£

    但是£¬空间领域仍然是一个非常?#23567;?#38065;途¡±的市场¡£2016年£¬全球航空航天领域的投?#35797;?#20026;2620亿美元£¬大多用于卫星通讯¡¢导航和遥感技术的研发¡£同期£¬各国政府的投入约为840亿美元£¬其中美国就达到480亿美元£¬主要用于军事¡¢气象和通讯领域¡£

    目前各国航天硬件已经跟不上现代技术发展的步伐£¬面临着卫星体积庞大¡¢价格昂贵¡¢火箭发射成本高¡¢回收困难等难题£¬急需现代化的变革¡£

    人类要?#40644;频?#29699;的局限£¬就必须在空间技术上有重大的?#40644;Æ¡?#36817;期£¬Igor Levchenko, Michael Keidar在Nature网站撰文£¬认为未来太空技术需要进行三方面的变革£º必须消减成本£¬卫星必须小型¡¢灵活且可自我修复£¬卫星必须实现集群工作¡£

    微型化

    卫星尺寸正变得越来越小¡£目前£¬已有超过800多个CubeSats卫星环绕着地球£¬这些卫星基本尺寸是一个约10公分的立方体盒子£¬重量为1公斤左右¡£

    今年3月£¬IBM就推出了只有一颗盐粒大小的计算机£¬包含100万个晶体管¡£未来卫星设备将变得越来越小£¬运行所需的能量也越少£¬发射成本也将更低¡£

    随着技术进步£¬不远的未来£¬研究人员将能够把一个卫星的核心¡°大脑¡±包装在1立方毫米左右的空间¡£

    在各种卫星中£¬被动式卫星只需要定向和稳定控制即可£¬而主动式卫星需要使用推进器来操纵¡£

    因此£¬被动式卫星更容?#36164;?#29616;小型化¡£据预测£¬如果控制稳定性的硬件设备体积缩小£¬卫星重量可以控制在100克以内¡£数千颗这样的卫星就可以形成一个网络来运?#23567;?#32780;主动卫星受制于推进器和能源限制£¬其缩小进?#25506;?#20026;困难¡£

    随着卫星小型化£¬其发射要求?#19981;?#38543;之降低£¬只需小型火箭就可以满足需求¡£尽管如猎鹰9号等重型火箭依旧受到大型航空公司的青睐£¬但轻型火箭也正在成为新兴初创公司的介入点¡£

    美国小型运载火箭开发商Firefly Aerospace和新加坡火箭初创公司Gilmour Space Technologies就致力于轻型火箭研发£¬通过配备小型发动机£¬可以每天向近地轨道同时运送数十颗CubeSat卫星¡£

    更长的寿命

    在太空探索过程中£¬我们还必须解决卫星或空间探测器的寿命问题¡£通常情况下£¬卫星的使用年限设计为1-15年¡£

    飞行器在太空中还需要面临低温¡¢真空¡¢高能粒子¡¢电离辐射等多重危险¡£如果卫星想要飞行百年以上£¬?#25176;?#35201;能够自我修复¡£在太空中£¬外壳¡¢电池£¬发电机和传感器等各种设备必须能够自我修复¡£

    例如£¬前段时间£¬俄罗斯空间站出现裂缝发生漏气£¬宇航员不得不用特殊胶带临时封住裂缝¡£

    目前£¬科学家在实验室中已经开发出一些能够自我修复的材料£¬包括柔性层压板¡¢聚氨酯复合材料¡¢金属材料和半导体聚合物等¡£NASA也正在加大新材料的研究和投入¡£

    航天器进出大气层时需要特殊热性能的材料£»空间站需要耐用且自我修复的轻质¡¢灵活的结构£»基于仿生科技的新型纳米材料和陶瓷材料可以提高材料的?#25176;Ô£?#24182;防止?#30416;评?#22823;£¬防?#20849;?#26009;的疲劳损伤累积¡£

    另外£¬航天器还要面对各种意外情况£¬例如抓住不规则形状的小行星或维修卫星?#28909;?#21153;£¬需要设计由弹性或智能材?#29616;?#25104;的可调节夹具¡£

    因此£¬未来我们需要自我修复的空间站£¬包括推动系统¡¢发电设备¡¢生命支持系统和科学仪器¡£

    联网化

    具有数千颗卫星的星座具有更广泛的发展潜力¡£不是通过单一卫星来执行单一的任务£¬这些卫星的仪器可以像在更大的平台上一样运?#23567;?/p>

    例如£¬NASA的Afternoon-Train星座中的五颗卫星可以监测地球大气层中的云¡¢气溶胶¡¢温室气体和其它气体£¬以提供气候和天气模式£¬以及大气污染的3D模型¡£

    从沿着同一轨道的一系列卫星£¬到均匀地分布在地球表面的卫星£¬各种卫星星座的配置都是可能的¡£星座可以调整£¬多个网络可以连接在一起£¬以提高卫星的性能¡¢弹性和响应能力£¬一些卫星则可能被用于修复和调整其它卫星¡£

    在未来£¬成群的微型卫星会更便宜£¬并且可以快速部署¡£从轨道上的大型中央卫星释放数千个微型卫星£¬通过互联网络以实现通信分析£¬能够实现更多¡¢更复杂£¬可操纵的卫星集群¡£

    最终£¬星座可能会更像一个神经网络或人工智能系统£¬可以实现自组织¡¢可变形¡¢自学习¡¢大范围共同感知¡£

    到目前为止£¬只有几十颗卫星被集合在一起¡£例如£¬GPS卫星星座需要大约30颗卫星才能进行可靠的全球覆盖¡£

    科学家正在努力增加卫星星座的数量¡£日本北海道和东北大学及其他组织合作£¬计划在2050年前向太空发射50颗微型卫星£¨每颗重约50公斤£©£¬以追踪自然灾害带来的后果¡£铱星电信网络正在升级网络£¬以容?#31245;?0颗卫星¡£

    到2020年代中期£¬SpaceX公司计划发射12,000颗小型卫星£¬建立一个基于太空的互联网网络Starlink¡£两个Salink卫星原型已于今年2月发射£¬该网络预计会在2020年开始运?#23567;?/p>

    通信公司OneWeb计划通过600-2000颗小型卫星£¨最多重200公斤£©为全球带来廉价的互联网服务£¬其中第一颗卫星最早将于12月发射¡£波音公司则提出了1300-3000颗通信卫星的星座¡£

    然而£¬这些星座中的大多数卫星都是从地面控制的¡£为了?#34892;?#22320;操作£¬星座单元需要能够彼此通信£¬并且实时地调整它们的位置和方向¡£

    未来的空间技术发展£¬需要各种新技术的交叉与协作¡£用于空间领域的纳米材料¡¢超材料¡¢复合材料¡¢超硬陶瓷等新材料£¬需要材料学家¡¢推进专家¡¢机器人专?#19994;?#36328;领域专家的合作¡£

    另外£¬3D打印?#20173;?#26448;制造技术可以降?#25237;?#21046;卫星的成本£¬同时也将改变空间设计的流程与标准¡£

    尽管全球当前对太空领域投入了大量的资金£¬但太空经济的盈利还为时?#24615;¼‚?#20294;太空经济的?#34892;?#27491;是即将到来的卫星星座¡££¨参考信息£ºNature£©

    本文首发于微信公众号£º?#26102;?#23454;验室¡£文章内容属作者个人观点£¬不代表和讯网立场¡£投资者据此操作£¬风险请自担¡£

    £¨责任编辑£º季丽亚 HN003£©
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