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太空中也要有制造业

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发布时间: 2021-04-13
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太空中也要有制造业

今天提起制造业的时候,我发现很多人对它的印象还停留在像是传统、成熟、发展前途一般等等这些评价上。甚至偶尔有高考之后找我咨询大学专业的小同学,听到与制造业相关的院系都不太提得起兴趣。然而在过去的一个月里,我关注到两项与制造技术相关的进展,可能会改变我们这种对于制造业的刻板印象。

 1.欧盟启动“太空工厂”项目的早期研发

我为你推荐的第一项进展来自航天领域的制造技术。今天所有的航天任务都遵循一个基本模式:那就是不论卫星、空间站,还是深空探测器这样的航天装备,都必须先在地球上的工厂加工制造好了,再由火箭运输到太空里。但是不知道你有没有想过,我们能不能直接在太空中盖一个制造卫星的工厂呢?

3月11号,欧洲空中客车公司的官网上,就发布了一条这样引人注目的消息:“欧盟委员会已经选择空中客车公司开展在太空中制造航天器的研究项目。”换句话说,欧盟已经开始认真探索在太空中建设工厂,用来制造卫星、飞船等航天器的技术方案了。




我在文稿区放了一张空中客车公司对外公布的项目示意图。从图中我们可以看出,这个“太空工厂”看起来有点像一个在背包里装满了各种工具和材料的机器工人。这位工人师傅能够像燕子筑巢一样,一边在太空中环绕地球运行,一边慢慢地从背包里取出各种工具和材料,加工出卫星所需要的零件,甚至是制造出整颗卫星,有种非常浪漫的科技感。 


太空中也要有制造业
空中客车公司发布的“太空工厂”项目示意图


 不过说到这里我想有些同学一定会好奇,不好好在地球上待着,非得跑到太空中造卫星有什么独特的好处么?——诶,还真有。目前看来,在太空中生产卫星等等航天设备,至少有三个方面的潜在优点非常诱人:

第一个优点,就是太空工厂可以让卫星的机械结构有更大的想象空间。

为了理解这个优点,我想有一个故事再合适不过了,就是所谓的“马屁股的大小决定火箭直径”的故事:这个故事的大意是说,火箭的直径其实受限于铁路的宽度,而铁路的宽度最早是由两匹马屁股的宽度所决定的。所以冥冥之中,火箭这种高科技其实还受到了马屁股的大小的限制。这个说法听起来虽然像个笑话,但其实还真有一定的道理;其实马屁股的大小,不只是影响了火箭,还影响到了卫星的设计。

由于今天卫星发射的时候都得安装在火箭头部,所以卫星的结构设计其实就非常受限于火箭头部狭小的空间。正如我们看到的,现在大部分的卫星都是一个“胖盒子+折叠翅膀”的结构设计。之所以有这样的结构,主要就是得让卫星能够塞进火箭头部直径大概2米—5米的圆柱形空间内。

但是,这种“胖盒子+折叠翅膀”的结构,在很多情况下并不是卫星执行任务的最佳结构。比如,一些遥感、通信所用到的天线,往往就需要巨大的空间延展范围(从几十到上千米不等)。这么巨大的机械结构,如果一定要折叠在狭小的火箭头部,在技术上是很不方便的。另外,太空工程师们还曾经设计出过很多更富有想象力、功能更强大的太空几何结构,但是由于没法折叠到火箭里面,也就“胎死腹中”了。

而用“太空工厂”生产卫星,刚好就可以把卫星的几何结构从火箭直径大小限制中解脱出来。由于太空中重力微弱,而且环境空旷,理论上是可以加工出任意结构的卫星的。甚至,“太空工厂”可以像蚂蚁筑巢一样,慢慢在太空中建筑出一个比自身大得多、复杂得多的航天器,这就为工程师的想象力提供了更大的发挥空间。

太空工厂的第二个优点,是它能够降低对卫星结构可靠性的要求。

我们知道,太空是一个真空+微重力的环境,这意味着航天器不同结构之间,并不会因为自重而相互挤压。如果只考虑这一点的话,卫星其实没必要多么“结实”。但是恰恰相反的是,今天的卫星必须经过非常苛刻的冲击和振动测试,确保在“车祸”一样恶劣的环境也能生存。这是因为在火箭发射的过程中,卫星会承受10—20倍的重力加速度。为了扛住这个发射过程,卫星就必须特别“结实”。

这种对结构可靠性的超高要求,其实带来了两个不良后果。首先是卫星所使用的零部件需要经过千挑万选,非常昂贵,提高了整体的造价。其次是很多性能优势明显,唯独不太结实材料或者结构,就没有办法被最终采用。

在太空中直接制造卫星,就刚好可以避免这两个麻烦。比如,我们可以把原材料的粉末打包发射到太空,然后再用太空中的3D打印设备,打印出非常轻巧的卫星框架。甚至也可以使用一些商用级别的器件,降低卫星的整体制造成本。

太空工厂的第三个优点,就是赋予了卫星模块化制造的能力。

所谓模块化制造,就是把卫星拆分成几个标准化的功能模块(就如同手机中的摄像模块、电池模块、天线模块等等)。每一个单元可以进行独立生产,并且各自可以随时像搭积木一样拼装成完整的卫星。这样做的好处,就是可以快速、低成本地对太空中的卫星进行维修。举例来说,现如今的很多没有采用模块化制造的卫星,就经常由于燃料耗尽,或者是天线损坏等这样局部的小毛病,导致整个卫星报废,这是很不划算的。

有了“太空工厂”之后,我们就可以在太空中快速生产出替换的功能模块,再由维修机器人进行更换维修。这样就提高了卫星在太空中的使用寿命,并且降低了大型卫星星座的维护成本。

说了这么多太空工厂的好处,我想有些同学可能还会问:这项技术是不是太科幻了,距离今天大概还有很长时间吧?——实际情况可能比我们想象得要乐观一些。

其实,所谓“太空工厂”属于一大类被称为“太空制造”的前沿技术。在这个领域,从2011年开始,美国国家航天局NASA就开始了相关技术的验证和探索。甚至2016年,国际空间站已经开始使用3D打印机制造一些具有实用价值的太空零件了。我们中国也在2017年正式成立了太空制造技术重点实验室。截至今天,我们国家在太空中的聚合物、陶瓷材料的3D打印,以及太空制造技术的相关设备研究,都取得了丰富的进展。

目前看来,太空中的制造业已经从早期的科技畅想,进入了技术探索和演示验证阶段。未来的发展可能会分成三个阶段:

首先,现阶段以及未来的5—8年,人类有可能实现部分零件甚至功能模块的太空制造,并且对现有的卫星展开类似零部件替换回收等等任务;第二阶段,也就是在2035年前后,有可能形成真正意义上的太空工厂,为月球开发、火星探测等等任务提供相关的支持;而第三阶段,人类的太空基础设施建设,会围绕火星—月球—小行星—地球周边轨道的层次化结构,构建起一套复杂的太空基础设施生态,为人类在太空中的资源利用和开发提供完整的支持。

这个三阶段的展望,可不是我在这里空口说白话。事实上,这一次空中客车公司的“太空工厂”项目并不是一个突发奇想的独立任务。而是欧盟的一个更为宏大的系列研究计划“PER ASPERA”的一部分(这个名字在拉丁语里是“历经坎坷”的意思)。在这个系列研究的设想里,未来地球周边的宇宙空间,将会是由各种太空机器人共同构建的一个忙碌的生态系统。这次的“太空工厂”研究的启动,就是这个总体构想之下的一个技术演示项目。

在我们很多人的有生之年里,我想都非常有希望看到我们人类勤劳制造的身影从地球蔓延到太空的壮观场面,这也是我在本月为你推荐这项研究的原因。

2.德国科学家基于注塑成型技术研发新型玻璃制造工艺

我为你推荐的第二项进展也是一项制造技术。

4月9号,德国弗莱堡大学的研究人员在著名的学术期刊《科学》杂志上发表了一项重量级成果。研究人员发明了一种全新的对玻璃进行批量加工的技术,有可能颠覆我们今天传统的玻璃制造方式。这项研究也因此登上了这一期《科学》杂志的封面。

有些同学可能会好奇:玻璃制品今天已经非常普及了,按理说它的制造工艺已经非常成熟了,为什么科学家还要琢磨新的方法制造玻璃呢?

关键的原因是制造成本。

不知道你有没有注意过一个看似有点矛盾的现象:我们平时用的玻璃杯、玻璃盘,价格往往可以到几十甚至几百块钱一个;而塑料杯、塑料盘呢,很少有特别贵的,有的一次性塑料杯平均下来甚至只有几分钱一个。但是如果我们单从原材料上来看,塑料的原材料是原油,而玻璃的原材料是沙子,反而应该是玻璃比塑料更便宜才对啊。

这怎么回事呢?

问题主要就出在了制造工艺上。咱们对比一下,玻璃和塑料的制造工艺你就明白了。我先来给你说说玻璃。

今天各种类型的玻璃制品,尽管加工方法多种多样,但是大体上都包含四个步骤。这四个步骤我简单介绍一下,你有个印象就行:

第1步,是将原材料石英砂加热到接近2000摄氏度的高温,变成一种黏糊糊的橡皮泥一样的状态;

第2步,是把这种黏糊糊的玻璃捏成一个方便加工的毛坯;

第3步,是通过吹气或者加压等等方式让玻璃毛坯在一个模具里面基本成型;

最后一步,是对成型之后的玻璃制品进行各种各样的精细加工和打磨。

上面这4个步骤听起来就挺复杂的,你也不用专门记。你需要了解的是,这种传统玻璃的加工手段,有一些难以避免的缺点,而每个缺点都会增加玻璃产品的成本。比如像是:能耗比较高,加工精度比较低,一些复杂的精密结构还必须通过人工来完成。这些缺点最终都会增加玻璃产品的价格。比如,一些造型精美的玻璃餐具,通常都得上百块钱;更不用说像是单反相机的镜头这种精密的玻璃仪器,动不动就得上万块钱。

这是玻璃的制造方式,下面我们再来看看塑料。

跟玻璃相比,塑料的制造工艺简单得可不是一星半点。

我们今天用到的各种塑料制品,比如像是乐高玩具、手机壳、一次性杯子等等,它们在被制造的时候,使用的都是一种叫做“注塑成型工艺”的加工方法。这种注塑工艺,简单来说就是把融化状态的塑料,加压注射到一个金属模具里面。

等塑料冷却凝固之后,把金属模具打开,直接就可以获得一个加工成型的最终产品。很多情况下注塑出来的东西,从原材料到最终产品,只用一台注塑机,一次加工就可以完成,简直不要太方便。

正是因为有如此简单的生产工艺,我们今天得以大批量、低成本地生产塑料。这就是为什么虽然塑料的原材料比玻璃贵,但是塑料制品却比玻璃制品便宜的重要原因。

好,对比了塑料和玻璃的制造工艺,接下来咱们就可以深入聊一聊德国科学家在《科学》杂志上发表的这项研究了。这项研究最了不起的地方,就是研究人员居然找到了一种方式,让我们可以用生产塑料的方式来生产玻璃。

这个想法听起来好像挺简单的,以前也不是没人琢磨过。但真的操作起来其实非常困难。为什么呢?

第一, 注塑的温度一般也就在几百摄氏度,而融化石英砂的温度可要达到将近2000摄氏度。很少有注塑设备能承受这么高的温度。

第二, 塑料熔化之后的液体流动性比较好;但石英砂熔化之后,是一团黏度很高、橡皮泥一样的东西,想要注射到金属模具里面并不容易。

这两个难题,研究人员是怎么解决的呢?

这一次研究人员最重要的突破,就是发明了一种特殊的材料,能够让石英砂在保持固态的情况下,也能够顺畅地“流动”。

简单来说,研究人员把纳米级别的固态石英粉末,搅拌在一种特殊的有机物溶液里面,形成一种类似“疙瘩汤”一样的固体粉末和液体的混合物。这种“疙瘩汤”最重要的特点,就是在相对低温情况下也有非常好的流动性。能让玻璃的原材料(也就是石英砂)即便保持固态,也能够顺畅随着有机物溶液的流动,因此就能够适应注塑加工的方式了。

不过,这种“疙瘩汤”在注塑成型之后,还并不是玻璃,而是一块塑料和石英粉末共同组成的零件毛坯。更神奇的是最后一道工序:那就是只要再把这种零件毛坯加热到大概1300摄氏度,毛坯中固态的石英粉末就会自动变成玻璃,而其中的塑料却会自动从结构中熔化分离出来,最终留下一块晶莹剔透的玻璃制品。

值得强调的是,最后这个步骤是非常反直觉的。举个例子来说,这就如同我们把面粉和玉米面混在一起上锅蒸窝窝头。蒸完之后掀开锅一看,发现笼屉上居然是白花花的馒头,玉米面自动地渗到锅底下成了一锅玉米粥!是不是非常神奇?这里“馒头”就是最终加工成型的玻璃制品。

研究人员利用这种方式,只用普通的注塑机,在论文中实现了18分钟加工出200多件玻璃制品的效率,也就是说平均每5秒就能加工一枚玻璃元件。可见这种加工方式有多么大的未来潜力。

我在文稿区放了一张论文里面,研究人员用这种新工艺制造出来的各种玻璃器件的照片。你可以看到,照片里面的玻璃器件,看起来基本上可以直接投入使用,完成度非常高。



太空中也要有制造业
玻璃器件


更为重要的是,这种加工方式还有着非常高的加工精度。研究人员在论文中表示,他们加工出来的零件直接就可以达到“微米级别的尺寸精度,以及小于4纳米的表面粗糙度”。这是什么概念呢——很多芯片在加工中专门通过几百万的设备打磨抛光的精度也就是这个程度。所以这个结果,可以说好得令人惊讶。

当然,听到这你可能会好奇:研究人员费了这么大劲研发出了这种新工艺,难道就是为了制造出更便宜的日常生活用品, 比如玻璃茶壶、茶杯吗?

事实上,这项技术最让人期待的,还真不是更便宜的茶杯、茶壶,而是可以大批量生产低成本的精密光学仪器。

今天比如天文望远镜、单反相机、显微镜等等。这些光学仪器使用的镜头都是非常精密的玻璃制品。它们往往需要手工打磨,价格也非常昂贵。如果未来基于这项研究,我们能用高精度的注塑技术来制造玻璃镜头的话,很多精密的玻璃仪器的加工成本,就有可能大大地降低。

特别令人期待的是,我们看到这项研究中所使用的很多技术,已经非常贴近工业生产了,我想研究人员下一步的方向,可能会集中在进一步提高产品的尺寸精度,以及降低产品内部的细微缺陷上。如果这些问题再得到突破的话,我想以后各种精巧玻璃制品,真的有可能变成白菜价。

可以说,在玻璃这样一个每年上千亿的巨大市场之中,出现这样的技术创新,还是让人非常激动的。这也是我在本月为你推荐这项研究的主要原因。


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