據(jù)媒體最近報(bào)道，“十五五”時(shí)期，我國將謀劃推動(dòng)太空旅游、太空數(shù)智基礎(chǔ)設(shè)施、太空資源開發(fā)、太空交通管理等新領(lǐng)域發(fā)展。那么，這些領(lǐng)域?qū)⒋呱男┤碌氖袌鰴C(jī)遇？為此，科研工作者需要攻克哪些技術(shù)難關(guān)？

太空“航班”造福旅游

遨游太空，俯瞰地球家園壯麗風(fēng)光，是大眾夢寐以求的身心享受，也為太空旅游市場奠定了旺盛的需求。我國也將實(shí)現(xiàn)亞軌道太空旅游航班化運(yùn)營，并逐步拓展軌道級(jí)太空旅游業(yè)務(wù)。

參考國外同行經(jīng)驗(yàn)，我國發(fā)展太空旅游事業(yè)，涉及兩大關(guān)鍵技術(shù)：一是研制合適的亞軌道和軌道級(jí)載人飛行器；二是健全航班化運(yùn)營體系，可持續(xù)地運(yùn)作、開發(fā)太空旅游市場。

具體來說，亞軌道載人飛行器會(huì)飛到約80～100公里高度，讓乘客短暫體驗(yàn)太空失重狀態(tài)。軌道級(jí)載人飛行器有必要加速到約7.9公里/秒的第一宇宙速度，通常會(huì)進(jìn)入200～400公里高度的近地軌道。

兩者提供的太空旅游內(nèi)容也大不一樣。亞軌道載人飛行器強(qiáng)調(diào)快速完成“上升-返回”流程，幫助乘客從太空邊緣俯瞰地球弧線與黑色深空，體會(huì)數(shù)分鐘奇妙失重感。軌道級(jí)載人飛行器則要在太空中滯留數(shù)小時(shí)甚至數(shù)天，必要時(shí)還會(huì)對(duì)接空間站，讓乘客嘗試一些微重力環(huán)境下的太空專屬游樂項(xiàng)目。

想要促使太空旅游市場加速擴(kuò)大，最終普惠大眾，盡快以數(shù)量級(jí)降低“船票”價(jià)格勢在必行。因此，載人航天航班化運(yùn)營將是大勢所趨。就像高鐵每班列車會(huì)在每天固定時(shí)刻發(fā)車，按計(jì)劃駛向目的地，而載人飛行器未來也將進(jìn)入航班化運(yùn)營的新階段。

這意味著，載人/貨運(yùn)航天器需要頻繁發(fā)射、回收，回歸交通工具的基本屬性。為此，可回收復(fù)用火箭及飛船、組合動(dòng)力空天飛機(jī)等運(yùn)輸工具將加速發(fā)展成熟，配合在軌服務(wù)航天器，確保更多人員和物資以更低的單位成本往返于天地之間。

未來，軌道級(jí)“換乘站”、空間站特殊艙段也有可能面世，幫助乘客們中途調(diào)整、換乘，接力飛向更遙遠(yuǎn)的“旅游景 點(diǎn)”。

▲ 亞軌道載人飛行器開展太空旅游效果圖

光伏助力“算力上天”

未來，我國將建設(shè)吉瓦級(jí)太空數(shù)智基礎(chǔ)設(shè)施，構(gòu)建“云、邊、端一體”太空體系架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)算力、存力、運(yùn)力等深度融合，賦能“天數(shù)天算”“地?cái)?shù)天算”“天地同算”。那么，“算力上天”有哪些好處？又面臨哪些挑戰(zhàn)呢？

當(dāng)前，各類衛(wèi)星服務(wù)飛速發(fā)展，傳統(tǒng)上衛(wèi)星需要先將原始數(shù)據(jù)傳回地面處理，再轉(zhuǎn)交客戶使用。然而，隨著傳感器性能進(jìn)步，衛(wèi)星日常產(chǎn)生的原始數(shù)據(jù)往往是太比特級(jí)，下行傳輸需要消耗數(shù)小時(shí)甚至數(shù)天。以往先傳回、再處理的模式容易造成系統(tǒng)響應(yīng)滯后，很難滿足應(yīng)急救災(zāi)等實(shí)時(shí)需求。

因此，借助在軌衛(wèi)星或星座，建設(shè)“太空算力中心”或“算力集群”，有望實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在軌生成、在軌處理，再將數(shù)據(jù)量小得多的處理結(jié)果下傳到地面數(shù)據(jù)中心，甚至直接發(fā)送到用戶終端，從而顯著提升應(yīng)急響應(yīng)能力，擴(kuò)大服務(wù)覆蓋范圍。

有觀點(diǎn)認(rèn)為，“算力上天”是應(yīng)對(duì)數(shù)據(jù)爆炸性增長、全球智能服務(wù)需求升級(jí)與地面算力、能源瓶頸的系統(tǒng)性破局之策。

當(dāng)前，社會(huì)生產(chǎn)與大眾生活越來越離不開大型服務(wù)器、超級(jí)數(shù)據(jù)中心等。特別是人工智能時(shí)代大潮涌動(dòng)，導(dǎo)致全社會(huì)對(duì)算力的需求持續(xù)飆升，隨之而來的是對(duì)電力、能源近乎無限的渴求。

然而，地面設(shè)施發(fā)電能力提升受到各種因素制約。例如，可控核聚變技術(shù)被寄予厚望，但實(shí)用化、產(chǎn)業(yè)化仍面臨不容忽視的難題。還要考慮到，地面數(shù)據(jù)中心的電源使用效率存在較大的提升空間，近三分之一電力可能被消耗在散熱上。

相比之下，衛(wèi)星的光伏設(shè)備擺脫地球大氣層“干擾”后，光照條件更穩(wěn)定，吸收的太陽能密度將是地面同等條件下的數(shù)倍，發(fā)電過程將更持續(xù)、更可靠。而且，太空低溫環(huán)境有助于解決散熱問題。

換句話說，在太空光伏幫助下，“算力上天”更有機(jī)會(huì)實(shí)現(xiàn)工程閉環(huán)與成本可控，收獲近似“零碳算力”。不過，這一切的前提是軌道級(jí)航天發(fā)射能力大幅提升，單位成本顯著下降，確保大量具備人工智能和光伏設(shè)備的計(jì)算衛(wèi)星盡快入軌運(yùn)行。顯然，可回收復(fù)用火箭、快速周轉(zhuǎn)的箭星超級(jí)工廠等將迎來“用武之地”。

▲ 太空計(jì)算星座與地面設(shè)施協(xié)作示意圖

挖掘太空“聚寶盆”

目前，我國已啟動(dòng)“天工開物”重大專項(xiàng)論證，計(jì)劃通過建設(shè)太空資源開發(fā)綜合實(shí)驗(yàn)和地面支持系統(tǒng)，突破小天體資源勘查、智能自主開采、低成本轉(zhuǎn)移運(yùn)輸、在軌處理等關(guān)鍵技術(shù)，逐步實(shí)現(xiàn)從基礎(chǔ)能力建設(shè)到全面深空資源利用的目標(biāo)。

對(duì)于外星球蘊(yùn)藏的礦產(chǎn)、水冰等深空資源，怎樣有效開發(fā)？簡單來說，要解決3個(gè)問題：找到目標(biāo)資源；“挖出”資源并原位利用；將高價(jià)值資源或加工成果運(yùn)往目的地。

當(dāng)前，國際航天界主要依賴光譜分析和雷達(dá)成像來勘探外星球資源，往往受限于探測距離和分辨率。未來，更高靈敏度的傳感器和人工智能輔助的數(shù)據(jù)分析技術(shù)有望在勘探任務(wù)中發(fā)揮關(guān)鍵作用。

有方案提出，將外星球表面劃分為若干區(qū)域，釋放“蜂群”無人機(jī)，自主完成各區(qū)域的地形、地質(zhì)、氣象等信息采集，再借助先進(jìn)算法處理、融合海量數(shù)據(jù)，從而在較短的時(shí)間內(nèi)掌握外星球資源分布情況，提高對(duì)潛在高價(jià)值目標(biāo)區(qū)域的分析效率。

值得注意的是，在重力情況復(fù)雜、高輻射、極端溫差的深空環(huán)境中，傳統(tǒng)采礦設(shè)備難以正常使用。因此，航天科研人員有必要“跨界”合作，研制出輕量化、高可靠性的外星球自主采礦系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)自主決策和采礦作業(yè)。

例如，在現(xiàn)有月球資源原位勘測、自動(dòng)采樣和封裝設(shè)備的基礎(chǔ)上，可以進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)備的耐久性，降低能耗，提升智能水平，催生更適應(yīng)復(fù)雜地質(zhì)條件的采礦設(shè)備。

想要低成本轉(zhuǎn)移運(yùn)輸高價(jià)值資源和加工成果，高性價(jià)比的太空接駁運(yùn)輸系統(tǒng)必不可少。未來，使用化學(xué)推進(jìn)劑的可回收復(fù)用重型/大型火箭有望充當(dāng)“天地?cái)[渡船”，在外星球與附近軌道的“太空工廠”或“中轉(zhuǎn)站”之間承擔(dān)往返運(yùn)載任務(wù)。

隨著航天動(dòng)力技術(shù)革新和深空資源開發(fā)范圍擴(kuò)大，基于太陽能或核熱推進(jìn)的新概念航天運(yùn)載工具或許會(huì)在各外星球之間構(gòu)建起物流“主干道”，形成可持續(xù)的深空貨運(yùn)系統(tǒng)。

▲ 太空計(jì)算星座與地面設(shè)施協(xié)作示意圖

“交管”護(hù)航太空經(jīng)濟(jì)

隨著航天發(fā)射日益頻繁，近地軌道越來越“擁擠”和危險(xiǎn)。在軌道、頻譜資源有限的前提下，我國需要積極參與“太空交通管理”相關(guān)國際規(guī)則制定工作，開展空間碎片監(jiān)測、預(yù)警、清除等關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，以便贏得太空問題治理話語權(quán)，維護(hù)空間基礎(chǔ)設(shè)施安全運(yùn)行。

在技術(shù)層面，航天科研人員將不斷完善天地相關(guān)技術(shù)能力，主動(dòng)化解風(fēng)險(xiǎn)。針對(duì)空間碎片威脅，通過地基、天基多源信息融合監(jiān)測及編目工作，為航天器提供可靠的碰撞預(yù)警與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。同時(shí)，航天器應(yīng)具備主動(dòng)規(guī)避及防護(hù)能力，避免輕易因碰撞失能，甚至產(chǎn)生更多空間碎片。而且，航天器退役之際會(huì)嚴(yán)格執(zhí)行鈍化流程，確保安全離軌。

此外，加強(qiáng)研究空間碎片清理技術(shù)，如機(jī)械臂抓取、磁吸、激光燒蝕等，不僅有助于緩解空間碎片威脅，還有潛力開拓全新市場。

在政策層面，我國需要健全相關(guān)法規(guī)體系，明確空間物體登記、軌道資源使用、碎片減緩與責(zé)任承擔(dān)等制度，同時(shí)深度參與國際治理工作，推動(dòng)構(gòu)建起公平、透明、包容的國際多邊規(guī)則框架，在軌道分配、數(shù)據(jù)共享、安全標(biāo)準(zhǔn)等方面爭取制度性話語權(quán)，保障國家空間資產(chǎn)安全與航天可持續(xù)發(fā)展。

總之，完善“太空交通管理”，涉及技術(shù)、法律、外交等領(lǐng)域。我國通過推動(dòng)制定公平合理的國際規(guī)則，將在未來“太空秩序”構(gòu)建中發(fā)揮負(fù)責(zé)任大國的關(guān)鍵作用，為人類通向星際文明鋪墊基石。

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來源/中國航天報(bào)、《飛天科普周刊》

文/黎明

編輯/楊斯爽

審核/宿愿

監(jiān)制/姜軍

本文轉(zhuǎn)載自公眾微信號(hào)：中國航天科普

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