最近，SpaceX公司負責執(zhí)行運輸者-14任務的獵鷹9火箭成功發(fā)射，將一顆來自英國的特殊衛(wèi)星送入了軌道。它的目標既非通信，也非遙感，而是要在距離地球500公里的軌道上，嘗試完成一項前所未有的任務：制造半導體芯片。太空制造時代真的要來臨了嗎？

重力歸零 制造升級

這顆名為“鍛造星1號”的衛(wèi)星由英國初創(chuàng)企業(yè)太空鍛造公司研制，是英國首個旨在測試太空制造核心技術的航天器，也是第一顆獲得英國民航局頒發(fā)太空制造許可證的英國衛(wèi)星，同時使得英國成為全球首個開展空間制造的國家。

火箭發(fā)射后的幾小時內，衛(wèi)星就成功激活并與英國加的夫太空鍛造任務運營中心取得聯系，成功建立在軌通信，標志著歷時4年的設計與測試工作完成，也意味著天基工業(yè)制造的新篇章正式開啟。

太空鍛造公司發(fā)布的太空制造衛(wèi)星示意圖

“鍛造星1號”任務旨在利用近地軌道的微重力、超潔凈真空等獨特環(huán)境，測試在太空中生產先進材料的可行性，并驗證熱防護盾、在軌氣動控制，以及軟件支持的包括軌道跟蹤與再入測繪在內的多項返回技術。不過，鍛造星1號衛(wèi)星本身并不會返回地球，但其在執(zhí)行任務中獲得的關鍵數據，將為未來的太空制造任務奠定基礎。

太空鍛造公司之所以要不遠萬里將工廠搬到太空，是因為太空中的微重力、真空和超低溫條件十分有利于半導體制造。

微重力環(huán)境是太空制造的核心優(yōu)勢。在軌道上，微重力僅為地球表面的百萬分之一左右，幾乎消除對流和沉淀效應，可生產出更大、更純、缺陷更少的半導體。超真空環(huán)境下的分子密度極低，可以避免材料氧化或污染。宇宙背景溫度接近絕對零度，有利于材料快速穩(wěn)定成形。鍛造星系列衛(wèi)星的有效載荷將被精確放置在地球上方500～800公里處，位于太陽同步軌道上，可以最大限度地獲取太陽照射。

太空鍛造公司聲稱，這些在太空中制造出來的半導體晶圓，理論上可將電動汽車充電時間減半，并為量子計算機提供更穩(wěn)定的基礎元件。而芯片價值甚至有望“超過衛(wèi)星入軌成本”。在該公司看來，在微重力環(huán)境下制造新型合金和高溫合金的機會幾乎是無限的。特別是氮化鎵和碳化硅等第三代半導體材料，在這種極端環(huán)境中反而更容易制造出來。此外，在軌研發(fā)可以加速新藥物的研發(fā)速率，提高現有藥物的生產效率。

此外，太空制造更加清潔、環(huán)保。在地球上生產半導體時，需要消耗數千升超純水和有毒化學品。而據太空鍛造公司估計，在軌道上制造半導體可減少高達75%的碳排放。

開啟加速 面向未來

太空制造的發(fā)展歷程可追溯至20世紀60年代。蘇、美兩國率先探索在太空環(huán)境下進行材料加工的可行性，早期聚焦微重力對材料特性的影響及大型桁架結構制造，但因技術限制多停留于地面研究。

歐空局航天員在太空中展示金屬部件的3D打印

20世紀60、70年代，美、蘇兩國先后完成電子束焊接試驗，推動了空間焊接技術的發(fā)展，使得航天員在外太空修復航天器密封艙體成為可能。

進入21世紀后，太空制造技術的發(fā)展速度進一步加快：2012年，美國宇航局提出千米級結構在軌制造概念；2014年，國際空間站首次部署3D打印機，完成塑料零件在軌制造；2020年后，激光增材等技術進入工程驗證階段。我國自2016年起加速發(fā)展太空制造技術，2020年在國際上首次實現連續(xù)纖維復合材料的在軌增材制造，并計劃在2030年完成“月壤磚”原位熔融驗證，逐步從技術跟隨轉向并行創(chuàng)新。

對太空鍛造公司而言，研制并發(fā)射“鍛造星1號”并非其首次進行太空制造嘗試。此前，“鍛造星0號”于2023年1月9日，由維珍軌道公司的運載器1號火箭從康沃爾航天港發(fā)射。遺憾的是，此次發(fā)射以失敗告終，“鍛造星0號”未能進入軌道。

根據太空鍛造公司的發(fā)展規(guī)劃，未來的鍛造星2號衛(wèi)星將成為首款把太空制造的半導體安全運回地球的航天器。該公司還計劃未來每年發(fā)射10～12顆衛(wèi)星，在完成為期1～6個月的制造任務后回收利用，最終實現每年超過100次的衛(wèi)星發(fā)射，使得太空工廠像地球上的半導體工廠一樣實現流水線生產。目前，在北約創(chuàng)新基金牽頭，世界基金、國家安全戰(zhàn)略投資基金和英國商業(yè)銀行地區(qū)天使計劃的共同參與下，太空鍛造公司獲得了2260萬英鎊的A輪融資。

專注高端 前景廣闊

那么，太空制造的發(fā)展前景如何？

未來，太空制造將徹底改變航天系統設計范式。其核心價值在于突破發(fā)射體積與質量限制，實現超大型結構（如千米級天線、空間電站）在軌建造，降低深空任務成本。同時，美國宇航局的“地外原位資源利用”計劃可支撐月球/火星基地可持續(xù)發(fā)展，利用月壤制氧、將火星二氧化碳轉化為燃料等技術已進入驗證階段。

實驗室里的“鍛造星1號”

目前，美國將太空服務組裝制造列為國家戰(zhàn)略，歐盟“月球村”計劃將整合建筑與機器人技術，我國的《2021中國的航天》白皮書也明確了在軌制造能力建設目標。隨著材料、機器人及人工智能的融合，太空制造將向智能化、標準化方向發(fā)展，催生太空經濟新形態(tài)。

太空制造絕非簡單移植地面工藝，事實上，國際空間站已開展的實驗暴露出諸多挑戰(zhàn)。2024年1月，首臺金屬制造工藝的3D打印機運抵國際空間站進行測試。這臺180公斤重的設備不得不縮小至洗衣機大小，并被密封在一個類似保險箱的金屬盒中。之所以如此，是因為其內部激光溫度超1200攝氏度，必須嚴格控制熱量，以及制造過程中產生的煙霧和其他有害物質，防止產生安全隱患。

此外，為適應微重力環(huán)境，工程師被迫放棄常用的粉末加工技術（粉末會飄散），改用金屬絲材打印。打印一個9厘米尺寸的零件需要40小時，且還需每日限時4小時運行，以防噪音干擾航天員。雖然太空3D打印任務的注意事項很多，但其在太空按需生產零部件的優(yōu)勢，為空間站提供了應急維修能力，因此仍然是必要的。

如今，太空制造正在突破技術經濟臨界點。隨著“鍛造星1號”的成功運行，人類工業(yè)生產開始從重力束縛中解放。未來十年，近地軌道可能出現首批具備商業(yè)量產能力的太空工廠。不過，太空制造不會取代地面制造，而是專注于生產地面環(huán)境無法實現的高端產品。

當第一塊全流程在軌制造的芯片通過質檢，工業(yè)生產將正式進入太空時代。這不僅是制造場所的遷移，更是人類利用空間環(huán)境突破材料極限的技術革命。未來的芯片可能誕生于宇宙而非硅谷；空間站里的機械臂正組裝著下一代望遠鏡；而某個月球基地的打印機組，正用月壤鑄造新的艙段外殼。

來源/《中國航天報·飛天科普周刊》

文/林胤之

編輯/靳晴

審核/楊建 楊蕾

監(jiān)制/索阿娣

本文轉載自公眾微信號：中國航天報

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