重载飞船星舰会开启太空制造的新时代吗？

2023-04-21 01:04

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北京时间4月17日晚九点左右，星舰计划在德克萨斯州博卡奇卡星舰基地进行星舰完整版的首次飞行测试，在倒计时结束前40秒测试暂停了，原因是一个压力阀出现了故障；经过几天的检修，4月20日晚九点半，星舰再一次进行了试飞，这一次它真的飞起来了，整体时速达到了2000公里以上，但是在4分钟之后发生了爆炸，官方说法是“Rapid Unscheduled Disassembly”。马斯克曾表示如果星舰没有在发射台爆炸就算成功，现在的情况应该算是成功了一半。

图源：spaceX

星舰（Starship）是SpaceX研制的一种完全可重复使用的重型运载火箭系统。它由一级助推器“超重”和运载仓“星舰”两部分组成，总高120米，直径9米，能够将100-150吨的有效载荷送入地球轨道。在这次完整版的试飞之前，spaceX进行了许多次失败的测试，各种花式爆炸和坠毁都像是在用绿纸点着玩。虽然手下的团队烧钱烧到马斯克牙疼，但他从来没有想过放弃，因为这是他最终极的梦想之一。

来源：spaceX

整个星舰主要由两部分组成：超重（Super Heavy）和星舰（Starship）。Super Heavy是整个星舰系统的第一级，搭配多达33台的第二代海平面版猛禽（Raptor）发动机。猛禽发动机使用液氧/甲烷作为推进剂，采用全流量分级循环，每台猛禽能产生2000 kN（204吨）的推力，主要任务是把星舰送入轨道。该发动机具备良好的多次点火能力，两次发射之间甚至不需要维护。Super Heavy每次任务后都会返回发射场，和猎鹰9号的一级相似，Super Heavy使用四个不锈钢的栅格舵控制姿态落点。在目前的方案中，Super Heavy将会被发射场的夹持装置（Mechazilla）夹住栅格舵完成回收。

图源：spaceX

星舰（Starship）既是整个系统的名字，又是这个系统运载仓的名字。搭配3台海平面版猛禽（Raptor）发动机和3台真空版猛禽发动机，可将100吨以上的载荷送入太空并且可以重复使用。星舰具备“空中加油”的能力，可在轨加注燃料，大大增强了其执行多种任务的能力，理论上可以前往太阳系的任何地方，当然目前可见的应该是月球和火星。

图源：spaceX

作为马斯克完成终极梦想的重要拼图，星舰的最终任务肯定是飞往火星，但是在那之前，它需要不断的累积经验，用各种较为轻松的任务来升级自己。如果说能搭载六七名乘客的龙飞船是一辆面包车，那么星舰就是可容纳一百名乘客以上的大巴车。巨大的有效载荷和空间让星舰的用途变得非常丰富，目前已经预定的任务有运送新型太空望远镜进入轨道，如引力波望远镜LISA和广域巡天望远镜WFIRST；搭载VIP客户前泽友进行绕月飞行，这位日本亿万富翁不光有钱，还是一位艺术品收藏家，他在全球征集八位乘客与他一起飞往月球观光，希望能够激发艺术家的创造力。当然NASA的最新登月计划也不会错过，所有这些任务都在为飞向火星积累资金和经验。

飞向火星

图源：spaceX

WFIRST艺术图

图源：NASA

作为运载能力远超前代航天器的星舰，由于可以重复使用，整体的运载成本将大大降低，按照目前的参数，星舰火箭的每公斤发射成本有望压到200美元以下，只有传统发射成本的几十分之一。又大又便宜的的星舰对于航天事业来说就像是小型厢货升级成了载重卡车，许多大型制造装备和能源组件运送到近地轨道并组装成为了可能，物流成本的大幅度降低让人们长久以来设想的种种太空产业在商业上都有了可行性，其中具备很大可行性的项目就是太空制造。

图源：NASA

太空制造业的历史可以追溯到1969年，当时苏联宇航员在太空进行了第一次焊接实验。冷战期间，美苏都设想过用桁架结构拼装轨道车间，只是过去发射成本高，派人上去安装的风险也大，所以只能在科幻电影看到太空工厂。现在可回收火箭降低了送配件上天的成本，星链提供了低时延通信网，地面上就能操纵空间机器人建造轨道工厂。这样的工厂，最直接的功能是回收拆解其他轨道上的废弃卫星，用很低的成本重新投放到指定轨道。作为全球卫星通信星链的运营方，spaceX本身就有足够的动力去建设一家太空卫星修配厂，在太空中回收损坏的卫星进行维修，甚至是直接在太空进行组装和发射。

图源：spaceX

太空制造具备很多地球上无法做到或者成本极高的生产条件，其中最主要的是零重力和微重力环境，很多产品如果能在这样的环境中生产，良品率、性能甚至成本都会有极大的优势，比如人造器官。

利用干细胞培育自体克隆器官是最热门的医学研究课题之一，但是在地球上的实验室培养细胞的时候，重力会把细胞集中到容器一侧，挤在一起，中间的细胞吸收不到养分，代谢废物也会堆积在一起，细胞很容易就会死掉。而开发具有高度生物相容性的3D支架难度很大。如果是在太空中，没有重力的影响，干细胞可以自由地生长和分化，形成更加均匀和复杂的三维结构，而不需要额外的支架或基质。这样可以提高干细胞器官的质量和功能。也没有地球上的污染和病原体的干扰，干细胞可以在一个更加纯净和安全的环境中培养，减少感染和变异的风险，可以提高干细胞器官的稳定性和适应性。

Andrew Morgan在国际空间站进行的实验表明，器官可以在低重力环境中打印出来

图源：NASA

或者是高价值的生物医药。尿激酶是一种能够激活纤溶酶原，从而溶解血栓的酶，具有重要的医学价值。在太空中，没有重力的作用，细胞和尿激酶可以在溶液中均匀分布，而不会沉积或聚集，从而提高了电泳法的分离效率和纯度。同时可以利用微流体技术，设计更加精密和灵活的电泳装置，实现更加精确和快速的分离过程。之前空间站与航天飞机上的实验结果证明，在太空用电泳法从肾细胞中分离尿激酶，效率比地面工艺高6到10倍。同样规模的制药生产线，轨道车间产量是地面的几十倍。现在制药行业高利润产品的有效成分，都是按克甚至按毫克计算的，只要发射成本足够低，制药企业就愿意租用马斯克的火箭，自己造一个空间站工厂。

图源：www.weltderwunder.de

以及一些在地球上能造，但是在太空可能获得性能更好的产品，比如在太空制造光纤，可以利用微重力和真空条件，生产出更加纯净和均匀的玻璃材料，从而提高光纤的质量和性能。NASA已经在国际空间站上进行了一些关于在太空制造光纤的实验，并取得了一些成功。或者是硅晶片，在太空微重力、高真空环境下，可以用激光或高频涡电流加热的晶体炉制备高纯度晶体，此条件下制备的晶体可以既不与容器壁接触，又没有大气污染，可实现比地球表面更优的生长效果，获得更强的性能。甚至是很传统的产品，比如说，在地球上生产高精度的标准球形历来是工业难题，而在太空中，液体金属靠表面张力，就能自然凝结成毫无瑕疵的球形，明显降低精密机械轴承的阻力。其他金属零件制造，如果能排除重力影响，也可以达到地球上无法接近的精度，减少零件内部的有害应力，还能生产良率更高、理论上无限大的单晶制品。

而且太空制造还有一个潜在的优势就是全球快速配送。人造天体围绕地球旋转的速度是很快的，一天转个十几圈是常态，所以从太空出发回到地面，无论是送人还是送货，依靠地球引力就足够了，所需的只是精确计算抛射角度和对抗大气层的阻碍。目前无论是从国际空间站还是我国的天宫一号出发，宇航员回到地球只需几个小时，这还是在必须保证宇航员生命安全的严格条件下的时间。如果是发送一些限制条件没那么苛刻的产品，使用类似龙飞船一样的小型可回收运输仓来配送，从运行在近地轨道上的太空车间发出的包裹可能只需要几个小时就能送到用户手中。这种模式甚至可以执行一些紧急救援行动，可以想象在珠峰顶端，南极内陆或者南太平洋尼莫点等地点，看着天空降下救援物资会是一种什么样的心情。

参考文献：

1.https://www.nasa.gov/oem/inspacemanufacturingwww.spacex.com

2.https://www.spacex.com/launches/mission/?missionId=starship-flight-test

3.https://mp.weixin.qq.com/s/8uRAJiGySIKC6ZYEsJrHUw

4.https://zhuanlan.zhihu.com/p/404539425?utm_campaign=shareopn&utm_medium=social&utm_oi=788689200751996928&utm_psn=1631083935206748160&utm_source=wechat_session

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