美“太空工厂”首舱着陆，太空制造时代将至？_风闻

​来源：中国航天报

2月22日，美国瓦尔达航天工业公司的W-1太空制造舱在犹他州北部着陆成功。W-1是瓦尔达航天公司的首个“太空工厂”飞行器，商业航天的发展正在把“太空工厂”这一概念逐步变成现实。

为何要太空制造？

近地轨道工业化，是人类航天事业念念不忘的理想和目标。在航天飞机的研制论证中，支持者就在畅想太空制造的远大前景。太空制造听起来似乎只是科幻小说中的概念，其实不然，太空制造早已有之。随着商业航天的发展，太空制造有望得到爆发性增长。

W-1太空制造舱成功着陆

太空微重力和真空的独特环境显著减少了地球表面重力造成的各种缺陷。太空中没有重力引起的应力、对流和沉降等现象，各种密度的物质可以更好地融合，为制造蛋白质晶体、半导体晶体以及各种合金材料提供了得天独厚的优越环境。

人类航天事业发展早期，太空制造就被提上日程，成为空间实验和应用的重点领域。美国“天空实验室”在运营时期就进行过空间材料和制造技术实验，苏联的“礼炮号”和“和平号”也进行过太空制造领域的实验。

太空制造的商业化也起步很早，甚至早就存在跨国商业合作。20世纪80年代，美国就有公司搭载航天飞机进行太空制造实验。1989年末，美国有效载荷系统公司的蛋白质晶体实验装置搭载进步号飞船升空，送至苏联和平号空间站进行蛋白质晶体生长实验。

话虽如此，由于进入太空的成本极为高昂，而航天飞机和空间站的项目竞争非常激烈，当时太空制造的热度并不高。此外，航天员日常工作生活带来的振动，也让空间站的微重力环境不太理想，空间站显然并非合适的“太空工厂”。

随着商业航天的发展，猎鹰9等廉价火箭降低了进入太空的成本，2020年成立的初创公司瓦尔达决心研制小型“太空工厂”Winnebago，满足开拓太空制造的商业需求。瓦尔达公司的Winnebago属于返回式飞行器，使用了火箭实验室公司的光子卫星作为服务舱。相比使用昂贵而复杂的货运飞船往返国际空间站的操作，瓦尔达的返回式“太空工厂”更小、更灵活、更高效，有助于在起步阶段更好地撬动太空制造产业发展。

开拓高价值任务市场

瓦尔达公司的目标是利用太空微重力等独特环境，致力于在轨制造，并由再入飞行器将成果带回地球。为此，瓦尔达公司研制了120公斤的返回舱，使用光子卫星平台作为服务舱，整个卫星总重300公斤。

W-1太空制造舱进行地面测试

多年的太空研究早就发现，太空微重力环境下生长的蛋白质晶体在绝大多数条件下要比地球重力环境下的晶体体积大、结构好、更完美。瓦尔达公司在W-1任务中利用微重力环境进行高质量药物生产，推动太空制造的商业化发展。

2023年6月，猎鹰9火箭发射，执行运输者-8任务。W-1小型“太空工厂”搭载升空，在直径0.91米的太空返回舱内进行太空制药实验。W-1的返回舱实际上是一个自动化药物生产实验室，W系列小型返回式卫星更为灵活和经济，瓦尔达公司又选择了高利润的制药领域，希望借此在商业上打开太空微重力制造的市场。

要知道，太空环境下制药的速度和纯度都让地面重力环境下制药“望尘莫及”，而在地面模拟微重力环境下，不仅成本高，效果也差得多。由于目前太空往返仍然不便宜，在太空制造青霉素或布洛芬等广为使用的大众药品，绝对是得不偿失。但这对于高价值药物来说就不一样了，数以亿计的新冠mRNA疫苗中，有效成分mRNA晶体仅有2加仑的量，类似高价值药物的太空制造在商业上有很大潜力。

W-1任务的小型“太空工厂”携带了制造利托那韦蛋白质晶体所需的材料。利托那韦是一种用于控制艾滋病毒的蛋白酶抑制剂，可减缓艾滋病毒的增殖和蔓延，减轻和延迟病情恶化发展，还是新冠治疗的主要药物之一。

W-1返回舱发射升空1个月后，已经完成了利托那韦蛋白质晶体的太空生长，但由于美国联邦航空管理局迟迟未能发放再入许可，它直到今年才获准再入着陆。幸亏火箭实验室公司的光子卫星平台发挥稳定，将返回舱顺利送回地球。目前，利托那韦晶体已被送交合作伙伴改良制药公司进行分析，为开展后续的太空制药等高价值任务铺平道路。

“太空工厂”大有可为

瓦尔达公司已向火箭实验室采购了4个光子卫星平台，首次任务W-1成功后，第二次太空制造任务预计将于今年夏天开展。瓦尔达公司乐观地表示，期待在2026年前将任务频率提高到每月一次。这一目标如果如期实现，太空制造商业化也就不再是梦想了。

太空制药舱在轨运行效果图

瓦尔达公司的太空制药有望在商业上获得成功，但太空制药的成功依赖于高价值高利润的药物，目前看来，发展空间相对有限，但太空制造远不只是太空制药。

太空环境下可以制造出各种地面很难制取的高品质材料，以及进行先进制造工艺的先导研究。苏联和平号空间站专门设计了一个晶体号实验舱，它的主要目标是利用太空微重力的特殊环境，试验制取特殊性能的生物制剂、结构材料和电子器件。晶体号试验舱装有多个半导体生产设施，能够利用微重力环境生产高质量的半导体晶体，并取得了一定的经济效益。

作为苏联末期航天商业化的尝试，“晶体号”制取的半导体晶体远远不能覆盖它的使用成本，更不要说研制发射费用了。现在商业公司开始研制全新设计的商业平台，目标是推出商业上可行的太空微重力工厂，实现太空制造的商业化发展。

比如，太空锻造公司位于英国威尔士加的夫，它正在设计自己的“太空工厂”，这是一种重复使用的返回式实验卫星。该公司计划在太空研究非硅晶片的生产，认为新一代材料将让半导体芯片性能更强、效率更高。

当然，尽管太空环境有利于制造出更好的芯片，但将庞大的半导体光刻机搬上太空仍是遥不可及的梦想。太空锻造公司的目标是利用太空得天独厚的环境，制取完美的半导体晶体，为地面制取同样的半导体晶体开辟道路。该公司研制了Pridwen复用热盾系统，有望降低太空制造的综合成本。考虑到很多娇贵的太空产品如药品晶体不耐冲击，该公司还在研制名为Fielder的水上悬停网绳捕获系统，缓冲软着陆时的冲击。

随着商业航天的发展，尤其是猎鹰9、新格伦、星舰等重复使用火箭已经或将要投入使用，航天发射的成本正在迅速降低。现在瓦尔达、太空锻造等新兴公司的太空制造还是实验室级别的“小打小闹”，更是探索太空制造商业化的“尖兵”。未来，SpaceX、蓝色起源等大型公司可能凭借强大的发射能力，部署数十吨级甚至更大规模的“太空工厂”，在太空批量制取大量药物和半导体晶体，甚至廉价制造完美的金属合金，让近地轨道工业化真正提上日程。