废弃火箭如何变身成空间站?

大科技奇妙杂志 2024-10-09 02:17:45

2022年1月,天文学家预测,太空中即将发生一起严重的“车祸”:一枚重达4吨的火箭残骸将以每秒近3000米的速度与月球相撞。这是人类首次捕捉到的大型太空垃圾撞击月球的案例,但是未来类似的案例也许会越来越多,因为太空中像这样的太空垃圾还有许许多多。人类有什么办法避免可能的车祸呢?

太空垃圾再利用

人们早已知道太空中垃圾泛滥的事实,空间站和人造卫星等航天器时时面临着与月球相似的“车祸”隐患,过去通常以监控和躲避为主要的应对手段。虽然那些微小的太空垃圾容易躲避,即使被撞上也不会对航天器造成太过严重的损伤,但是太空中还有像火箭残骸这样巨大的垃圾,又该如何应对它们呢?

几十年前,科学家就在考虑这个问题了,一些专家提出:将太空中的大型垃圾改造成空间站。

大型的太空垃圾主要是第一级火箭和航天飞机的废弃燃料箱。这些被“抛弃”的部件是非常优良的空间站建筑材料。火箭的外壳由极其耐用的材料制成,可以承受发射过程中的高温高压以及太空中的严酷环境。航天飞机的外部燃料箱通体由加强加厚的铝制成,外部覆盖一层2.5厘米厚的聚氨酯泡沫涂料,既能保护燃料箱表面不会因为与大气摩擦产生的高温损坏,也将表面结冰的可能性降至最低。火箭的第一级通常都十分宽敞,美国SpaceX太空公司的“猎鹰9号”火箭的第一级的直径约为3.7米,高约9米,这样的空间比许多“鸽子笼”公寓还要宽敞。航天飞机的外部燃料箱更大,美国“哥伦比亚号”航天飞机的外部燃料箱直径比波音747飞机还大,有13层楼那么高。

因此,科学家们提出了将废弃火箭和燃料箱建成空间站的设想:将两个废弃燃料箱连接在一起,就组建成了包含一个机动系统和一个太空舱的简易空间站。燃料箱还可以变身成空间站的其他组件,比如空间站的附属实验舱、用太阳能将铝熔化制成望远镜的外壳等。在当时,这个设想虽然八字还没一撇,但是科学家们已经考虑到宇航员能否适应燃料箱空间站的问题:20世纪80年代末,美国宇航局的科学家在马歇尔太空飞行中心的水池里建造了一个航天飞机燃料箱模型,让宇航员练习进出燃料箱。

异想天开成现实

几十年后的今天,用废火箭造空间站的设想再次进入了人们的视野,如今我们已经具备了一些将设想变为现实的能力。

美国“纳米舱”公司的主营业务是太空物流,负责向空间站运输私人载荷,比如小型卫星、实验器材等。最近,“纳米舱”公司有了一个新计划,“逮捕”轨道上的大家伙,自制空间站。这项计划被称为“前哨”,预计首先利用火箭的第一级建造无人空间站,技术成熟后再建造能够容纳宇航员进驻的空间站。

太空垃圾失去燃料后,漫无目的地在空中乱飞,想要利用它们,首先需要“逮捕”它们。人们已经掌握了抓住太空垃圾的方法,2019年,一家名叫“清洁太空”的瑞士公司建造了一款大小近似于一颗小型卫星的机器人,它能飞行到目标碎片身边,然后伸出四只机械臂抓住目标物,随后点火飞向地球,二者一同进入大气层“同归于尽”。

“纳米舱”公司可以运用相似的方法将等待改造的废火箭固定住,然后进行改造工作。首先是排空废弃物上的剩余燃料,防止改造过程中发生爆炸。然后,由机器人接手改造工作,包括安装各种必要的组件,如太阳能电池板、小型推进装置和实验载荷等。当外部改造完成后,机器人就可以专注于改造火箭内部,使其成为一个可供宇航员工作和生活的地方。

在太空中进行废火箭的改造工作还有一个问题需要解决,那就是真空环境下如何加工和改造金属。金属在太空中面对的环境与地球有很大区别。例如,废火箭漂浮时可能无法自由“翻身”,长期处于一面面向太阳、另一面背对太阳的状态,其两面温度可能相差数百摄氏度。这种长期而巨大的温差会减弱金属强度,当机器人对废火箭进行切割或焊接等改造时,也许原本完整的废火箭会整个断裂开来。

太空中存在一种叫做“冷焊”的现象,指的是两块金属相遇时会粘合在一起。地球环境下,两块金属是很难粘合到一起的,只有在高温、高压等条件下,金属原子才会分散开来与其他原子结合,成为合金。但在太空的高真空环境下,金属表面不再存在阻隔的空气,金属原子可以“零距离接触”,原子会相互扩散、融合,从而不断地产生新的金属键,使两块金属被“焊”在一起,这就是冷焊现象。有科学家做过实验,发现纳米级的金线在真空状态下接触,仅需两分钟左右就会开始粘连。机器人在进行废火箭加工改造时,也许也会面临冷焊现象的困扰:刚刚切割开的金属外壳很快又粘连在了一起或者等待安装的金属组件莫名粘附在了错误的位置等。

这些问题通通需要等待实验给出答案,“纳米舱”公司开发了一个小型舱,舱内安装着携带快速旋转钻头的小型机械臂,它将在太空的真空环境中切割三小片金属——由与废弃火箭相同的材料制成。如果实验进展顺利,这种工具应该能够在不产生任何碎屑的情况下进行精确切割,并且切割后的金属块能在一段时间内保持分离状态。

不久之后,“纳米舱”公司将会进行数次小型太空演示,尝试将一个完整的第一级火箭改造成可运行的空间站,到时候,也许我们可以看见一群小机器人热火朝天、忙而不乱的工作场面。

当然,就算实验成功、技术成熟,“纳米舱”公司还面临着其他问题,比如,即使实际上已经废弃不用,但在名义上废弃火箭和燃料箱的所有权仍然属于发射国,想获得这些废弃物的使用权,“纳米舱”公司还要解决法律和政策等方面的问题。

无论如何,如果能顺利解决最大的技术难题,也许在不久的将来,宇航员们将有机会生活在一座由废弃火箭改造而来的“二手”空间站里。

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