近日,美國1枚獵鷹9火箭發(fā)射了大量商業(yè)載荷,其中1個載荷僅僅在太空運行了數(shù)小時就再入大氣層燒毀,卻引起了航天界的高度重視,認為它對未來的火星任務、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”
這個任務叫做“火星前哨演示-1”,載荷比較簡陋,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崭袷钦雇h大目標。而根據(jù)項目發(fā)起人的解釋,任務載荷的首要目標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,必然會把一小部分金屬剝離下來,變成細小的金屬碎屑。在機械加工車間里,每天都會產(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,又是微重力環(huán)境,如果按傳統(tǒng)方式進行金屬切削,切屑就會以數(shù)公里/秒的高速亂飛,威力恐怕比機槍子彈掃射還可怕。
那為什么要在太空里切削金屬呢?因為項目發(fā)起人認為,人類當前的航天器制造模式實在太燒錢了!無論是衛(wèi)星、深空探測器,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、高價值的,直接拋棄太可惜了。此外,為了把航天器送進太空,往往還要使用火箭上面級,又增加了成本?;鸺汛筚|(zhì)量航天器送入太空,使其達到足夠的速度和軌道,還需要消耗大量價格不菲的航天推進劑。
隨著商業(yè)航天如火如荼,節(jié)約成本逐漸受到航天業(yè)者的關注。美國SpaceX公司等已經(jīng)實現(xiàn)了火箭第一級回收復用,那么已經(jīng)報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,是航天界長期研究的課題,但截至目前還遠遠沒正式大規(guī)模實踐,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、異常復雜的工業(yè)產(chǎn)品,航天器由不計其數(shù)的電子元器件、精密機械零件組成,使用金屬、陶瓷、橡膠及各種復合材料。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雜。
從理論上講,太空“淘金”活動大有“錢”途。最受歡迎的應該是電路板,因為在電子器件的觸點上需要涂覆金、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)實的,特別是把不同屬性的材料分解,航天員將面臨很大風險,只能期待人工智能技術進展到新階段。
模擬切火箭暗藏玄機
“火星前哨驗證-1”任務發(fā)起方、美國納堆疊公司高級副總裁米歇爾·史密斯表示:“如果人類想進入深空,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?!鹦乔吧隍炞C-1’任務是朝著這個目標邁出的第一步。今后還有更多載荷用來驗證太空金屬切割、焊接等技術。”為進一步降低成本,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,“火星前哨驗證-1”功能模塊包括6個組成部分:測控天線、測控無線電設備、有效載荷、有效載荷天線、有效載荷無線電設備及服務平臺。其中,服務平臺能為有效載荷提供電力、熱控和結(jié)構(gòu)支撐。整個模塊相當簡約,甚至連姿態(tài)控制分系統(tǒng)都沒有。
服務平臺上沒有常見的太陽翼,僅安裝了2塊鋰電池。這就意味著它不可能在軌工作很久,本次任務中有效演示時間不超過10分鐘。
具體來說,“火星前哨驗證-1”的有效載荷是密封盒子,里面有3片耐腐蝕鋼樣品,材料和美國即將發(fā)射的火神-半人馬座火箭上面級外殼相同,大概只有商場優(yōu)惠券那么大。最重要的設備是美國麥克薩爾公司開發(fā)的1臺機械臂,前端裝有切割工具,可以高速轉(zhuǎn)動,利用摩擦產(chǎn)生的高溫來把耐腐蝕鋼切開,基本不會產(chǎn)生切屑。
根據(jù)2個攝像頭提供的操作現(xiàn)場視頻,機械臂沿彎曲路徑切開了3片金屬樣品。紅外熱傳感器時刻采集數(shù)據(jù),監(jiān)控整個試驗過程。視頻和數(shù)據(jù)都已及時發(fā)回地球。
下一個階段,納堆疊公司打算在遠地點538公里、近地點531公里、傾角97.5度的太陽同步軌道開展類似試驗,未來加工目標包括報廢的太陽同步軌道衛(wèi)星。
根據(jù)試驗材料來看,為謹慎起見,納堆疊公司瞄準火箭上面級作為太空切削加工對象。火箭上面級的結(jié)構(gòu)相對簡單,雖然也有一些電子元器件,但主體還是外殼、儲罐、發(fā)動機等圓柱形金屬構(gòu)件,主要材料是鋁合金和合金鋼,用機器人來處理更有可行性。
事實上,把火箭上面級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改造成新的航天器,但面臨的難度相當大。畢竟航天器設計、制造離不開復雜的工藝和工序,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。
從項目名稱含有“火星”來看,外界大概可以推測:納堆疊公司的主要目標并非直接在太空里制造成品,雖然不排除簡單加工一些實驗艙段,但重點是把太空垃圾處理成原料狀態(tài),再運送到火星附近大規(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,就能制造出復雜的新零件。但在太空里很難部署重型金屬粉碎機,那么先派機器人把報廢航天器切成小塊,再轉(zhuǎn)運、粉碎,或許是可行的方案。
然而,這將帶來新問題:在無國境的宇宙空間里,報廢航天器屬于什么性質(zhì)的資產(chǎn)呢?完整的報廢航天器可能相對容易確定“所有權”,那么某種程度的碎片呢?不難預計,只要在軌回收再利用技術大規(guī)模鋪開,太空垃圾重新?lián)碛袃r值,企業(yè)組織之間、國家之間的糾紛必然愈演愈烈。因此,暢想太空垃圾變廢為寶,不僅要攻克技術難題,也不能忽視法律問題。