@ 2021.09.03 , 13:53

我国想要建造1公里长的超级宇宙飞船

中国正在投资研究如何建造长度可达1公里的超大型宇宙飞船。那么该想法是否具有可行性?用途又是什么?

该项目是中国国家自然科学基金发布的众多研究项目中的一部分。发表在该基金网站上的研究概况形容这个巨大的飞船是“未来对空间资源利用、宇宙奥秘探索和长期在轨居住的重大战略性航空航天器”。

该基金希望科学家能探索新型、轻量化的设计理念,尽可能减少发射进入轨道的建造材料的总量,并且探索在太空中安全组装如此大型结构的新技术。如果得到赞助,该可行性研究将会持续5年,研究预算在1500万人民币。

这个项目可能听起来很科幻,但是前NASA首席技术专家Mason Peck说,这个想法并不离谱,挑战更多的是在工程学的部分,而不是基础科学。

“我认为它是完全可行的,”现如今在康奈尔大学担任航空航天工程学教授的Peck说,“其中的困难不是什么难以逾越的障碍,而是规模的问题。”

Peck说,目前最大的挑战在于成本,因为将物体和材料发射进宇宙耗资巨大。国际空间站(ISS)最宽的地方只有110米,造价就已经高达约6450亿人民币了,因此建造一个比空间站大上10倍的飞船,即便是国家航天预算最富裕的也会感到紧巴。

不过主要要看中国打算用哪种材料来建造。国际空间站中布满了设备,并且可以住人,所以它的总重就显著增加了。Peck说:“假如我们要的只是很长又不重的东西,那就是另外一回事儿了。”

建造技术也能降低将巨型飞船送入太空的成本。Peck说,捷径就是在地球上造好部件,然后再在轨道上像拼乐高一样组装好,不过3D打印技术或许能够在太空中将压缩的原材料打印成更大尺寸的结构部件。

更具吸引力的一个可选项是从月球上采集原材料,月球的引力比地球小,所以将月球上的原材料发射进太空的也更容易。但前提是要在月球上建造发射设施,短期内没什么戏。

大飞船,大问题

比例如此庞大的构造体还会面临独一无二的挑战。Peck表示,一个航天器无论在什么时候受力,在轨道上飞行也好,与另一个航天器对接也好,这些运动都会将能量传输至航天器的结构中,引发振动和弯曲。如此庞大的结构,那振动会需要更长时间才能消散,因此飞船可能需要振动吸收器,或者主动控制来抵消这些振动。

Peck说,设计者在决定航天器轨道高度上要谨慎权衡。在较低的高度飞行,外大气层的阻力会使航天器减速,航天器就需要不停地加速才能回到稳定的轨道。这已经是ISS的一个问题了,但对于更加巨大飞船来说,它的阻力更大,也需要更多的燃料,这会是个大问题。

另一方面,发射进入较高的飞行高度成本更高,离地球越远的话,辐射水平也就越高,如果航天器内有人类居住的话,这会是个问题。

伊利诺伊州立大学的航空航天工程学教授Michael Lembeck说,虽然建造这样一个构造体在技术上或许可行,但没什么实用的可行性。

“有点像是我们聊建造进取号星舰,”他说,“完全是科幻的,没有可行性,琢磨起来很有趣,但是从成本来看,就目前的技术水平来说不现实。”

Lembeck说,鉴于该研究项目预算就那么一点,这可能只是一个小型的学术研究,用来设计这类项目的一个雏形,找出技术上的差距。作为对比,建造运送宇航员到ISS的太空舱的预算是190亿人民币。他说:“因此相较于项目的预期成果来说,投入水平是极少的。”

还有就是如此巨大的飞船用途是什么。Lembeck说可能性包括太空建造设施,可以利用到丰富的太阳能和低重力的优势来建造高价值产品,比如说半导体和光学设备,或者作为一个地外的长期居住地。但二者都需要承担庞大的维护成本。

“空间站是个每年消耗190亿人民币的事业,”Lembeck补充说,“更大的设施的花销则要翻倍,很快就能成为一个相当庞大又烧钱的事业。”

中国还表达了建造巨型在轨太阳能电池阵的意向,然后通过微波束将电力输送回地球,但Peck说这类项目的经济效益不靠谱。他粗略的算了下,每瓦特的成本在6500元人民币左右,而地面上太阳能板发的电只要13块钱一瓦特。

Peck说,或许这种大型太空设施最有可能的运用是在科学方面。这种尺寸的太空望远镜可能能观察到其他太阳系中行星表面的特征。“这对我们了解太阳系外行星和宇宙中可能存在的生命是变革性的,”他说。

本文译自 LiveScience,由译者 Diehard 基于创作共用协议(BY-NC)发布。


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