太空加工有新招，航天器殘骸變廢為寶

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。